0 引言
连续管钻井时按井下钻井系统是否由连续管内的电缆进行信号传输与控制，通常分为无缆连续管钻井与有缆连续管钻井。当前，无缆连续管钻井技术已经被国外公司广泛地用于浅层表层钻井和老井加深作业，而有缆连续管钻井大范围用于过油管(套管)侧钻水平井作业中，其中过油管侧钻水平井被认为是利用钻井手段解决油田老井增产的新工艺。相较于无缆连续管钻机，有缆连续管钻井工具的组装与更换时间为钻井液脉冲工具所需时间的50%，数据采集时间缩短30%以上，定向时间也大幅度缩短。目前，Baker公司在美国实施有缆连续管钻井555井次，总进尺超过了60万m，在中东的Oman、Sharjah、Dubai和KSA 4个区块共计实施144井次，总进尺超过了20万m。除这2个地区之外，欧洲部分地区也实施有缆连续管钻井27井次，进尺达11 495.4 m[1-2]。同时，Baker公司与Schlumberger公司还分别用有缆连续管(连续管直径44.5和50.8 mm)钻井技术在海洋平台上实施了侧钻水平井的作业。
国内的中石油江汉机械研究所有限公司于2010年开展了过套管开窗的有缆连续管钻井现场试验，截至目前已开展了10口井的现场试验。国内有缆连续管钻井效率和技术与国外存在着相当大的差距，具体表现在：钻进过程存在钻压施加困难、井筒清洁难度大及获取钻进参数的井下工具缺乏等[3-5]。为了在我国大力推广有缆连续管钻井技术，提高难钻地层的机械钻速，进而提高我国的钻井技术水平，笔者对国外有缆连续管钻井技术的技术现状和工具进行了详细介绍，并根据我国当前的钻井技术水平，提出了适合我国有缆连续管钻井技术发展的可行性建议。
1 国外有缆连续管钻井系统及工具的发展现状有缆连续管钻井工具发展至今共进行3次更新与升级，共形成了60.3、76.2和127.0 mm 3种工具系统尺寸。目前系统反馈的钻井数据由连续管内穿入的电缆实时传输，通过地面系统计算分析，再对系统的关键工具进行控制，使整套系统实现了闭环运行。图 1是有缆连续管钻井工具内置电缆图。信号经过滚筒上电缆滑环转换，连接到地面控制系统，形成控制信号与动力信号，驱动工具工作。系统可2~5 s更新1次数据反馈，极大地优于钻井液脉冲的数据更新频率(10~12 min更新1次)。目前，国外3家公司形成了成熟的有缆工具系统，如Baker公司的CoilTrak工具和Schlumberger公司的VIPER工具、AnTech公司的COLT工具。以Baker公司的CoilTrak为例，第1代工具含连接器、定向器、丢手工具、螺杆马达及钻头5部分。工具采用集成设计，长度较长且笨重，现场安装调试极为不便。同时工具属开环控制，依靠定向工程师跟踪工具面，并发出指令调整工具面。该套系统于20世纪90年代末在中东的阿曼总计开展了10余井次的侧钻水平井作业。Baker公司对第1代工具进行了改进设计，引入了模块化设计思想，研发了第2代产品。第2代产品可根据现场作业需要进行选装，系统测量参数多，包括钻压、震动、温度及井斜等数据，关键是引入了闭环控制，实现了井眼轨迹自动修正。系统在2002—2007年分别在中东和美国的阿拉斯加等区块获得了大范围应用，是当前国外侧钻水平井中使用最多的系统。第3代产品引入了Rib-Steered系统，使实钻的井眼轨迹实现了从“蛇形”到“直线形”的转变，同时使连续管侧钻水平井管柱摩阻降低，所钻水平段长度更长；当前的Rib-Steered系统被服务公司用于地层钻进，如在2010年，沙特某油田就采用了该工具用于地层水井段钻进。图 2是Baker公司的有缆连续管钻井CoilTrak工具。
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| 图 1 连续管内置电缆 Fig.1 The built-in e-line in coiled tubing |
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| 图 2 Baker公司的有缆连续管钻井CoilTrak工具 Fig.2 The e-line coiled tubing drilling tool of Baker Hughes CoilTrak 1—丢手与循环系统；2—快接系统；3—定向器；4—动力系统；5—参数测量系统；6—弯螺杆马达；7—钻头。 |
2 有缆连续管钻井工具在侧钻水平井中的应用 2.1 North Slope of Alaska区块侧钻水平井[6]
North Slope of Alaska区块连续管有缆钻井采用的连续管直径有50.8、60.3及66.7 mm，其中Ø60.3 mm连续管使用最广，滚筒最大容量达到了5 000 m，满足该区块部分井开窗点深3 000 m的要求[2]。在North Slope of Alaska区块分别开展了有缆连续管工具与无缆工具(钻井液脉冲)过Ø114.3 mm油管侧钻水平井效率对比，井眼直径96.4 mm[6-8]，共计选出6口井，3口井用有缆工具，3口井用钻井液脉冲工具，所有侧钻井属于同一区块，同一生产层位，水平段长390~720 m。除井控测试、安全会议和地面设备相关产生的时间影响外，6口井对比分析如下。钻井液脉冲工具进尺(ROP)为103.5~118.8 m/d，平均为111.9 m/d；有缆工具为136.5~191.4 m/d，平均为169.8 m/d，总ROP增加了50%。有缆工具组装与更换的时间为钻井液脉冲工具所需时间的50%，数据采集时间缩短30%以上，定向时间也大幅度缩短，钻进300 m大概节约时间2.6 h，即机械钻速为115 m/h。2种工具的机械钻速对比如图 3所示。
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| 图 3 North Slope of Alaska区块机械钻速对比 Fig.3 Comparison of the ROPs of the Block North Slope of Alaska |
2.2 中东地区侧钻水平井作业
在中东的Oman、Sharjah、Dubai及KSA区块开展的有缆连续管侧钻水平井作业，属有缆连续管钻井第二大作业区。该区块有3个气田，某些储层属高温(150°)，H2S的体积分数高达4%，部分区块地层压力低于6.89 MPa。用Ø60.3 mm有缆连续管，Ø76.2 mm有缆工具过Ø177.8 mm或Ø114.3 mm套管侧钻水平井，井眼直径是95.3 mm。其中Sharjah油田创造了用有缆连续管钻井系统钻出水平井长达1 607 m的中东纪录，单一井筒多分支水平段总长度达到了3 465 m。表 1是有缆连续管侧钻水平井所钻储层与长度统计[1, 8-9]。
2.3 欠平衡侧钻水平井作业[1, 9-10]
随着有缆连续管钻井系统的持续改进及有缆连续管钻井欠平衡装备进步，使得欠平衡侧钻水平井成为低压气井增产的重要工艺技术，极大地提高了老油田单井产量和钻井作业效率。现以KSA气田为例。为了克服该区块气产量下降日益严重的情况，采用有缆连续管欠平衡钻井工艺开采Khuff碳酸盐岩层与Unayzah砂岩层，温度150 ℃，H2S体积分数4%。用Ø60.3 mm有缆连续管，Ø76.2 mm有缆连续管钻井系统，并且系统中增加地质导向模块用于井眼轨迹控制，共实施了65井次侧钻水平井作业，井眼直径92.1 mm。
2.4 用于下入导斜器作业图 4为有缆连续管下导斜工具组合。工具组合主要包括导斜器、定向器、储层测量工具、方向伽马工具、开窗信息采集工具、丢手与循环工具、动力传输工具、上下连接器和连续管连接器等。该套工具可实现导斜器下入过程中深度校正、方向测量以及通过控制信号驱动定向器调整方位，节省了导斜器下入过程中测井车及相关地面设备费用，节省时间超过10 h；该种下导斜器工具配置在中东过油管侧钻水平井作业中获得了较好的应用效果[1]。目前服务公司正在研究将下导斜器和套管开窗工具结合1趟管柱下入，再次节省了1趟连续管起下的作业时间，当与开窗信息采集工具结合后，开窗效率更加高效。
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| 图 4 有缆连续管下导斜器工具组合 Fig.4 The BHA of the e-line coiled tubing for running whipstock 1—连续管连接器；2—丢手与循环工具；3—上连接器；4—下连接器；5—开窗信息采集工具；6—动力传输工具；7—方向伽马工具；8—导斜器；9—储层测量工具；10—定向器。 |
3 有缆连续管钻井关键工具 3.1 定向器
定向器(HOT)是有缆连续管钻井系统侧钻水平井的核心，钻井过程中依靠定向器实时调整弯螺杆钻具的工具面，进而控制井眼轨迹。当前用于有缆钻井作业的定向器共有电液定向器与电动定向器2种。
Baker公司和斯伦贝谢公司是电液定向器商业化应用程度最广的2个服务公司，电液定向器如图 5a所示。以Baker公司为例，由地面钻井系统输出控制信号驱动定向器中电马达，然后驱动工具中液压装置，最终转换为螺旋旋转的机械运动，该工具特点是可以正反向400°旋转，旋转精度1°，旋转速度1.0~1.5 (°)/s。
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| 图 5 Baker和斯伦贝谢公司的定向器 Fig.5 Orienters of Baker Hughes and Schlumberger |
电动定向器是近年新发展的工具系统，以斯伦贝谢与AnTech的产品为例(见图 5b)。AnTech已经将电动定向器的直径范围拓展到127.0 mm，适应了大井眼作业的需求。电动定向器的最大扭矩1 360 N·m，旋转转速0.5~1.0 (°)/s，方位角0°~400°，方位精度±0.1°，工具总体长度较电液定向器可缩短约5 m。
3.2 Rib Steered Motor定向钻进工具Rib Steered Motor(RSM)定向钻进工具是定向器与弯螺杆钻具的整合工具，它的总长缩短至5.1 m，定向器与马达系统总长缩短至2.6 m。该工具是闭环控制系统，通过工具上的3个肋板自由伸出实现与井壁的支撑，进而改变钻井轨迹。工具能实现直线与切线(稳斜与造斜)钻进，肋板导向马达与钻头更近，能够更加准确地确定钻头位置，使井眼轨迹更平滑，钻压施加更顺利，钻出水平段更长。
图 6是使用弯螺杆和RSM模拟结果与实钻轨迹对比[6]。图中红色曲线表示使用弯螺杆马达，模拟得出连续管在井深4 270 m时可加最大钻压4 116 N；绿色曲线表示用RSM后，模拟得出在相同井深时可加最大钻压11 748 N，钻压可施加值增长了185%；蓝色曲线当使用RSM时，钻至井深4 270 m，测得实际钻压8 855.5 N，虽比RSM模拟的可施加钻压值少了25%，但比弯螺杆模拟的可施加钻压值多出115%[8]。
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| 图 6 RSM现场应用对比分析 Fig.6 Comparative analysis of RSM field applications |
图 7为弯螺杆的井眼轨迹“蛇形”与RSM的“直线形”图。在中东的KSA油田侧钻水平井现场应用中，使用RSM后水平段可以多出25%~30%，每个水平段长可达到750~1 000 m[1]。
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| 图 7 井眼轨迹对比图 Fig.7 Comparison of well trajectory |
3.3 有缆随钻测量工具
有缆连续管钻井系统还包括钻井参数获取工具，它们是钻井提速提效重要组成部分，包括钻井性能短节(DPS)、方位伽马短节(DGS)、超细电阻率工具(USMP)及丢手与循环短节(EDC)。钻井性能短节用于测量近钻头钻压、管柱内与环空压力、摩擦和震动等参数，并实时传输到地面控制系统；方向伽马短节用于测量井斜、工具面和方位；超细电阻率工具用于储层信息测量与跟踪校正；丢手与循环短节用于紧急情况下丢手与建立环空循环，可为大环空作业提供较大携砂速度。当进行循环时，井下钻头不旋转，不会对套管与井眼造成伤害。
上述模块可以根据作业需求进行选择并配置。据统计，随着连续管钻井向闭环智能化方向发展，国外服务公司连续管侧钻水平井井下作业中加入了以上测量模块，成为发挥连续管侧钻水平井优势的重要组成部分。
4 认识与建议 4.1 认识(1) 连续管直径并非是限制连续管侧钻水平井技术发展的决定因素，结合有缆工具系统发展与进步以及国外实例得出：Ø60.3 mm(
(2) 从国外有缆连续管钻井系统发展历程看出，依靠核心工具进步为主导，配合开发适合连续管钻井的工具，如有缆的钻井测量参数短节等，是侧钻水平井作业获得成功的关键。
(3) RSM导向马达的出现极大地改善了侧钻水平井井身轨迹，优化了连续管钻压施加，使得外径小的连续管也可用于侧钻水平井作业中；RSM导向马达极大地缩短了钻井时间，提高了机械钻速，为连续管智能化钻井打下了坚实的基础。
(4) 通过有缆工具系统与导斜器结合，实现了下导斜器、套管开窗1趟或2趟管柱即可完成，减少了连续管起下次数，延长了连续管使用寿命，提高了开窗效率。
4.2 建议(1) 要摒弃大尺寸连续管是钻井的必要因素，要重视有缆工具系统研究。国内目前有缆连续管侧钻水平井刚刚起步，还有很多有缆工具并未开展研究，导致连续管钻进作业中可采集参数少，关键信息无法获得，决策难，钻井效率低。因此，为了促进连续管侧钻水平井技术在国内快速发展，有必要开展适合连续管钻井有缆工具的研究。
(2) 应当加快定向器与RSM导向马达关键工具的研究。对比发现，液压式定向器调整工具面慢，需要不断启泵和停泵，效率比较低，因此建议加快开展适合有缆连续管侧钻水平井作业的定向工具的研究。
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