瞿 丹，黎 偉

（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500） ①

·技術(shù)綜述·

連續(xù)管注入頭現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

瞿 丹，黎 偉

（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）①

注入頭是連續(xù)管裝備的核心部件。介紹了連續(xù)管注入頭的發(fā)展起源，并對現(xiàn)今連續(xù)管注入頭的典型結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了闡述。對注入頭國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)。建議國內(nèi)加大對連續(xù)管鉆井裝備，特別是鉆井用注入頭的研發(fā)力度，加快連續(xù)管裝備國產(chǎn)化進(jìn)程，為我國連續(xù)管鉆井技術(shù)的快速發(fā)展創(chuàng)造有利條件。

連續(xù)管；注入頭；連續(xù)管鉆井；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

1960年開發(fā)的一種潛水艇水下通訊天線升降裝置，稱為A／N Bra－18A天線傳輸系統(tǒng)，可在183 m（600英尺）水下升降?15.9mm（英寸）帶有聚乙烯包層的銅芯天線。2條傳輸鏈條中間裝有由纖維強(qiáng)化酚醛塑料制成的“鞍狀塊”，通過鞍狀塊凹槽鎖定通訊天線，并將天線儲藏在注入頭下方的滾筒上以便于天線的收放［1］。

該設(shè)計概念幫助Bowen工具公司開發(fā)出連續(xù)管注入頭樣機(jī)。1962年，加利佛尼亞石油公司和Bowen工具公司開發(fā)出第1臺輕型連續(xù)管修井樣機(jī)，并在美國墨西哥灣的油氣井上用于沖砂作業(yè)［2］。連續(xù)管第1號注入頭設(shè)計為垂直反轉(zhuǎn)鏈條牽引系統(tǒng)，可起下?33.4mm（1.315英寸）的油管，最大操作載荷為136kN（30 000磅）。滾筒直徑為?2 743 mm（9英尺），并裝配了可旋轉(zhuǎn)循環(huán)接頭，在修井作業(yè)中可連續(xù)泵送連續(xù)管。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

注入頭經(jīng)過幾十年發(fā)展演變，各方面都發(fā)生了諸多變化。目前，用于連續(xù)管作業(yè)的注入頭典型結(jié)構(gòu)組成如圖1。

圖1 注入頭典型結(jié)構(gòu)

注入頭主要由機(jī)架、液壓馬達(dá)、計數(shù)齒輪、連續(xù)管卡瓦、牽引鏈條、張緊裝置、壓緊裝置、惰輪、載荷傳感器等部件組成。機(jī)架的主要功能是安裝固定注入頭上的鏈輪、液壓馬達(dá)、壓緊裝置等附件；液壓馬達(dá)為驅(qū)動鏈條及連續(xù)管輸送提供動力來源；張緊裝置和壓緊裝置主要起張緊鏈條和驅(qū)使卡瓦抱緊連續(xù)管的作用；計數(shù)齒輪用于測量連續(xù)管的下入長度；載荷傳感器主要起測量鉆壓的作用。通常，鏈條外側(cè)的卡瓦內(nèi)徑與連續(xù)管外徑相匹配，用于夾持連續(xù)管并隨驅(qū)動鏈條一起拖動連續(xù)管做上、下移動［3］。

注入頭上方的2個液壓馬達(dá)帶動鏈條轉(zhuǎn)動。鏈條外側(cè)嵌裝著連續(xù)管卡瓦。壓緊油缸推動夾持塊夾住鏈條的內(nèi)側(cè)，使連續(xù)管卡瓦夾緊油缸。當(dāng)井口中心上方的鏈條向下運動時，將連續(xù)管注入井內(nèi)，反之則將連續(xù)管從井內(nèi)起出。為了保證鏈條能夠正常工作，需要張緊油缸調(diào)節(jié)張緊滾輪，使鏈條完全張緊。

2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 連續(xù)管注入頭

國外在連續(xù)管裝備上發(fā)展較早，技術(shù)水平較成熟和先進(jìn)。國外生產(chǎn)連續(xù)管注入頭的公司主要有NOV Hydra Rig公司、雙S（Stewart ＆Stevenson）公司、ASEP公司等。

2.1.1 Hydra Rig公司

Hydra Rig公司是美國NOV國民油井旗下的是生產(chǎn)注入頭的主要廠家之一，全球約75%的注入頭均由該公司生產(chǎn)。從技術(shù)開發(fā)水平上來說，Hydra Rig公司生產(chǎn)的連續(xù)管設(shè)備是目前市場最為先進(jìn)和性能可靠的設(shè)備。近幾年該公司注入頭從200系列經(jīng)過400系列、500系列更新，現(xiàn)已發(fā)展成最先進(jìn)的600系列注入頭。同時，Hydra Rig公司在連續(xù)管設(shè)備的技術(shù)開發(fā)中擁有多項專利，是世界上幾個最大的技術(shù)服務(wù)公司（如斯倫貝謝、BJ、哈里伯頓等）的指定連續(xù)管設(shè)備供應(yīng)商。國內(nèi)絕大多數(shù)連續(xù)管裝備都從Hydra Rig公司引進(jìn)。Hydra Rig公司目前最新的注入頭有HR－635、HR－660、HR－680、HR－5100等型號，如圖2，其技術(shù)參數(shù)如表1。

圖2 美國Hydra Rig公司注入頭

表1 美國Hydra Rig公司注入頭主要技術(shù)參數(shù)

2.1.2 雙S公司

美國雙S公司（Stewart＆Stevenson）也是生產(chǎn)連續(xù)管設(shè)備的廠家之一。雙S公司從1989年起開始為油田提供連續(xù)管設(shè)備，以產(chǎn)品可靠耐用、質(zhì)量輕而著稱。雙S公司的設(shè)備所具有的拉力和驅(qū)動技術(shù)使其成為最受歡迎的連續(xù)管設(shè)備制造商。該公司M系列注入頭（如圖3）可以提供業(yè)界最大的拉力；D系列注入頭則是按照連續(xù)管測井、鉆井和壓裂作業(yè)的需求而設(shè)計的；D系列注入頭擁有特殊設(shè)計的“浮式”張緊系統(tǒng)，自動張緊，可實現(xiàn)超低速度，所適用連續(xù)管尺寸從?25.4mm（1英寸）達(dá)到?114.3 mm（4英寸）。雙S公司最新D200型注入頭的上提力可達(dá)到907kN（200 000磅），下推力可達(dá)到454kN（100 000磅），該注入頭可滿足連續(xù)管鉆井的要求。

圖3 美國雙S公司M－100L型注入頭

2.1.3 ASEP公司

荷蘭ASEP公司也是生產(chǎn)注入頭的主要廠商之一。其最新研發(fā)的363kN四驅(qū)K－COIL Quad－Head 80H型注入頭（如圖4）體積只有同類產(chǎn)品體積的1／2左右，這是因為該注入頭采用四鏈條驅(qū)動式設(shè)計，能增大注入頭提升力并大幅降低注入頭夾痕對連續(xù)管的傷害［4］。

圖4 荷蘭ASEP公司四驅(qū)注入頭

還有些公司在注入頭的設(shè)計研發(fā)上各具特色。如加拿大Dreco公司生產(chǎn)的注入頭采用單組牽引鏈條，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、更換卡瓦方便等優(yōu)點；美國Baker Hughes公司開發(fā)的人工智能注人頭能有效減少連續(xù)管受彎曲變形和交變疲勞作用，使連續(xù)管壽命提高70%［5］。

2.2 連續(xù)管鉆機(jī)

連續(xù)管鉆機(jī)生產(chǎn)商主要有加拿大Foremost公司和美國Xtreme Coil公司。

2.2.1 Foremost公司

早在1997年，F(xiàn)oremost公司就致力于開發(fā)獨特的商業(yè)化連續(xù)管鉆機(jī)。到2007年底，F(xiàn)oremost公司已經(jīng)成為北美連續(xù)管鉆機(jī)的主要供應(yīng)商。目前，F(xiàn)oremost能研發(fā)鉤載907kN（200 000磅）、注入頭上提力544kN（120 000磅）、下推力182kN（40 000磅）的復(fù)合連續(xù)管鉆機(jī)。

2.2.2 Xtreme Coil公司

Xtreme Coil公司連續(xù)管鉆機(jī)技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。目前設(shè)計了XTC200ST、XTC200DT、XTC200DTPlus、XTC300ST和XTC400ST型5種型號的復(fù)合連續(xù)管鉆機(jī)。前2種型號鉆機(jī)配備的注入頭上提力為544kN（120 000磅），后3種型號鉆機(jī)配備的注入頭上提力為907kN（200 000磅），適用連續(xù)管尺寸均為?88.9mm（3英寸）。

可以看出，隨著連續(xù)管外徑不斷增大和作業(yè)深度不斷增加，連續(xù)管作業(yè)從修井領(lǐng)域向鉆井領(lǐng)域擴(kuò)展，對注入頭提升能力的要求也越來越高。

3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國引進(jìn)和利用連續(xù)管作業(yè)技術(shù)始于20世紀(jì)70年代。1977年，我國引進(jìn)了第1臺Bowen公司生產(chǎn)的連續(xù)管作業(yè)機(jī)。受引進(jìn)成本和國外關(guān)鍵技術(shù)封鎖的制約，國內(nèi)連續(xù)管的應(yīng)用局限在沖砂洗井、鉆橋塞、氣舉排液、注液氮、清蠟、擠酸和配合測試等常規(guī)作業(yè)，并且存在設(shè)備老化、設(shè)備不配套、設(shè)備使用率低、施工費用高等缺點［6－7］。

為打破國外對連續(xù)管設(shè)備的技術(shù)壟斷，國內(nèi)公司主要采取技術(shù)引進(jìn)和自主研發(fā)相結(jié)合的方式，進(jìn)行連續(xù)管作業(yè)設(shè)備的研發(fā)工作，并取得了一定成果。代表公司主要有：中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院江漢機(jī)械研究所（簡稱江漢機(jī)械研究所）、中石化江漢石油管理局第四石油機(jī)械廠、遼河石油裝備制造總公司及煙臺杰瑞石油裝備技術(shù)有限公司等，研發(fā)的注入頭主要技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 國內(nèi)連續(xù)管注入頭主要技術(shù)參數(shù)

近幾年，由于連續(xù)管鉆井呈現(xiàn)出越來越明顯的技術(shù)優(yōu)勢，國內(nèi)對連續(xù)管鉆井裝備與技術(shù)的關(guān)注度日益增加。四川宏華石油設(shè)備有限公司是國內(nèi)在連續(xù)管鉆井裝備研發(fā)上開展較深入、技術(shù)水平較高的公司之一。該公司已經(jīng)研制出了ZJ30／1350CT型復(fù)合連續(xù)管鉆機(jī)和ZRT540型注入頭，如圖5～6。該注入頭由2臺赫格隆液壓馬達(dá)直接驅(qū)動，沒有機(jī)械減速箱，簡化了注入頭結(jié)構(gòu)，提高了作業(yè)效率。注入頭最大提升載荷為544kN（120 000磅），最大注入載荷為272kN（60 000磅），最大起下速度為48 m／min（157英尺／min），適用連續(xù)管尺寸為?50.8（2）、?60.33（2）、?73（2）、?88.9（3）mm（英寸）。目前該連續(xù)管鉆機(jī)已完成鉆井工藝試驗，還未進(jìn)行商業(yè)推廣應(yīng)用。

圖5 ZJ30／1350CT型連續(xù)管鉆機(jī)

圖6 ZRT540注入頭

4 發(fā)展趨勢

1） 由于大直徑連續(xù)管鉆井能力強(qiáng)，所需要的循環(huán)泵壓低，這有利于獲得更快的機(jī)械鉆速和更好的清巖效果。目前，?88.9mm（3英寸）連續(xù)管已成為連續(xù)管鉆機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置［8］。因此能夠容納?88.9mm（3英寸）連續(xù)管的注入頭成為了行業(yè)內(nèi)的主流發(fā)展趨勢。且隨著連續(xù)管外徑的不斷增大和長度的不斷增加，對注入頭提升能力的要求也越來越高。

2） 世界鉆井裝備與技術(shù)正朝著信息化、智能化和自動化方向發(fā)展，連續(xù)管鉆井裝備的發(fā)展趨勢也應(yīng)與此相符。因此，為使連續(xù)管鉆機(jī)更易實現(xiàn)數(shù)字化控制，對注入頭及配套裝備采用交流變頻驅(qū)動和PLC控制技術(shù)也成為主要發(fā)展方向。

5 結(jié)語

本文首先介紹了連續(xù)管注入頭的發(fā)展起源，并對現(xiàn)今連續(xù)管注入頭的典型結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了闡述。在此基礎(chǔ)上，對注入頭國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)。可以看出，國內(nèi)研制的連續(xù)管注入頭工作能力與國外相比存在較大差距，適用連續(xù)管尺寸范圍較窄，且主要應(yīng)用于連續(xù)管作業(yè)領(lǐng)域，對適用于鉆井工況下的注入頭研發(fā)力度不夠，與國外大公司相比缺乏競爭力。21世紀(jì)連續(xù)管鉆機(jī)將成為主要的鉆井裝備，且我國具有廣闊的連續(xù)管鉆井市場需求，在這種背景下，國內(nèi)亟須加大對連續(xù)管鉆井裝備，特別是鉆井用注入頭的研發(fā)力度，加快連續(xù)管裝備國產(chǎn)化進(jìn)程，為我國連續(xù)管鉆井技術(shù)的快速發(fā)展創(chuàng)造有利條件。

［1］ 劉新會，張興平.連續(xù)油管設(shè)備及技術(shù)的發(fā)展［J］.國外油田工程，2007，23（6）：26－28.

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［3］ 鄧 平，王定亞，楊建武，等.連續(xù)管鉆機(jī)技術(shù)研究及開發(fā)建議［J］.石油礦場機(jī)械，2009，38（11）：36－40.

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［5］ Richard B.Microdrill Initiative Initial Market Evaluation［R］.US：Department of Energy，2003：9－11.

［6］ 王少力，鄭子元.連續(xù)油管國產(chǎn)化技術(shù)研究新進(jìn)展［J］.石油礦場機(jī)械，2008，37（8）：91－93.

［7］ 王海濤，李相方.連續(xù)油管技術(shù)在井下作業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及思考［J］.石油鉆采工藝，2008，30（6）：120－124.

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Current Situation and Development Trend of Coiled Tubing Injector Head

QU Dan，LI Wei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，610500，China）

Injector head is the core component of coiled tubing equipment.The developing history of coiled tubing injector head was presented and a detailed introduction about typical structure and working principle for modern coiled tubing injector head was made.On this basis，the current development situation of coiled tubing injector head at home and abroad was elaborated and the developing trend of coiled tubing injector head was summarized.More efforts for research on coiled tubing drilling equipment，especially injector head used for drilling should be made to speed up localization process of coiled tubing equipment and create favorable conditions for rapid development of domestic coiled tubing drilling technology.

coiled tubing；injector head；coiled tubing drilling；current situation；development trend

1001－3482（2012）01－0046－05

TE933.8

A

2011－07－07

四川省科技支撐計劃項目（07GG002－023）

瞿 丹（1987－），女，湖北荊州人，碩士研究生，主要從事連續(xù)管裝備的設(shè)計研究，E－mail：qudan1987＠126.com。