专利名称：一种用于超短半径水平井的钻井方法
技术领域：
本发明涉及一种钻井方法，特别是一种用于超短半径水平井的钻井方法。
背景技术：
超短半径径向水平井技术最早在20世纪80年代提出，当时主要应用于老井改造、 提高采收率，目前超短半径径向水平井已广泛应用于新井，来提高单井产量和采收率，成为井网优化的重要手段之一。该技术在连续油管技术基础上提出，配备专用的关键钻井工具 (主要包括射流钻头、轨迹控制装置、扩孔器及转向器等)，可以在已钻成井眼的主井眼的储层段，钻出一层至多层辐射状分支微小井眼的技术。本世纪初，研究者提出了采用柔性更高的复合材料高压柔性管作为分支井的钻杆，并改进了转向器的设计，使得作业系统可以实现不扩孔，在主井眼内实现不扩孔转向。经过近30年的发展，超短半径水平井技术取得了长足进步，然而由于钻进原理以及设备自身的特点等原因，使得无论在利用连续油管还是高压柔性杆钻进时，都有不可避免的问题，如利用连续油管时，需要它具有足够大的直径和壁厚，才能满足有效钻井速度的系统压力要求，这样不仅缩小了转弯半径的选择范围，其高注入压力提高了操作风险和钻井成本；在利用高压柔性管进行钻井时，由于高压柔性管韧性相对于连续油管要大的多，轴向力(或称为钻压)传递能力弱，使得井下钻具及柔性管送进困难。韧性大的高压柔性管同时也难以提供常规机械破岩钻头需要的反扭矩。完全用水力能量破岩的射流钻头与高压柔性管配合可以满足新工艺的要求。但高压柔性管尺寸有限，其通过的钻井液流量也有限。钻井液压力经连续油管及柔性管的沿程损耗过后，真正分配给射流钻头的能量极其有限。如何利用有限的排量实现高效的破岩效率并尽可能增大径向井水平进尺是水力喷射侧钻径向水平井技术仍然面对的主要问题。当一种物质的温度和压力同时高于其临界温度(7；)和临界压力(巧)时，则称之为超临界流体(Super-critical Fluid)。将CO2气体加温加压至临界点以上(7；>31. 1°C， Pc>7. 38MPa)时称为超临界CO2流体(SC_C02—super critical CO2)。在地层温度和压力条件下，一般750m以上便能使(X)2达到超临界状态。超临界(X)2流体具有接近于气体的低粘度和高扩散性、接近于液体的高密度特性。 这些特性使得超临界(X)2喷射破岩具有较高的效率和较低的破岩门限压力，同时其低黏特性，使得超临界(X)2流体在井筒流动过程中很容易达到紊流状态，有助于岩屑携带。因此将超临界CO2流体与连续油管结合起来钻超短半径水平井，不仅降低了系统注入压力要求，而且还可以降低连续油管尺寸，降低连续油管的转弯半径，实现不扩孔转向，减少作业工序； 同时连续油管的刚度较高压柔性管大很多，推进力易加，能够实现油层远距离穿透，预计径向井深可达30(T500m或者更深，完全满足开发需求；还有，连续油管不用接单根，可带压作业，操作简便，同时超临界(X)2喷射破岩效率较高，能够大大提高钻井效率，降低钻井成本； 最重要的是超临界(X)2流体对储层无任何污染，它既不含固体颗粒也不含水，利用它钻开储层时，能够从根本上避免孔隙吼道堵塞、储层黏土膨胀、岩石润湿反转、水敏等危害的发生。相反，在其超强溶剂化能力作用下，它能够溶解近井地带的重油组分和其他污染物，减小近井地带油气流动阻力，从而提高油气井单井产量和油田采收率。因此超临界(X)2辅助连续油管钻超短半径水平井技术非常适合于经济开发价值较低的低渗特低渗油气藏、页岩气藏、 致密砂岩气藏、煤层气藏、边底水油气藏等非常规油气藏的开发。鉴于此，本发明人根据多年从事超临界(X)2流体钻井技术相关研究经验，根据上述存在的问题，提出了超临界(X)2辅助连续油管钻超短半径水平井技术。
发明内容
本发明是利用超临界CO2流体作为钻井液，与连续油管结合钻超短半径水平井。利用超临界CO2流体的低黏、易扩散等特性，加强其水楔破岩能力，在喷射压力的作用下，超临界ω2流体能够容易地渗入到裂隙深部，使裂纹深部流体与高压射流流体联通为统一的压力体，增大作用在岩石裂隙内表面上的压力，从而降低破岩门限压力，同时提高破岩速度， 充分发挥超临界ω2流体与连续油管各自的优势，在有限的排量、压力和设备尺寸条件下实现高效的破岩效率和较大的径向井水平进尺。本发明提供了一种用于超短半径水平井的钻井方法，采用超临界(X)2流体作为钻井液，与连续油管结合进行钻井，步骤如下
(一)液态(X)2从(X)2罐车1的(X)2储罐3经过管线21b输送到过滤器4，过滤液态(X)2 中的固体杂质，过滤后的液态C02直接输送到高压泵5 ；
(二)液态(X)2流出高压泵5经由绝热管线送入连续油管7，连续油管7经连续油管卷筒 6和连续油管注入头8送入井下；
(三)连续油管7经由井筒10下行，到达井底后经过转向器12转向进行径向井钻进，在井口处，连续油管中的液态(X)2处于低温高压液态，随着液态(X)2逐渐下行，其温度和压力也逐渐升高，当温度和压力同时超过临界点时，液态CO2转变为超临界CO2,超临界CO2流体经过喷射钻头13产生超临界(X)2射流14进行喷射钻井；
(四)钻井液和地层流体以及岩屑到达井口后，先经过除屑器17将岩屑去除掉，随后经过井口回压阀18流入气液分离器19，将气体与地层水和液态烃分离，分离出来的混合气体经过管线输送到气体净化器20，净化后的(X)2气体经过管线21a输送到(X)2储罐3，经过车载式制冷机组2冷却液化，实现(X)2循环利用。其中，步骤(一)中CO2储罐3中的压力不超过4Mpa，温度为-2(T5°C ；连续油管7 的外径尺寸选择广1.5寸；步骤(三)中的喷射钻头13的喷嘴由喷嘴本体M、喷嘴主流道 25、喷嘴边缘流道^a J6c、以及喷嘴中心流道26b组成，其中喷嘴主流道25、喷嘴边缘流道 26a,26c,以及喷嘴中心流道2 直接加工在喷嘴本体M上。本发明采用的超临界CO2喷射破岩具有速度快、门限压力低等特点，其低黏特性能使环空中的超临界(X)2流体在低速下保持紊流状态，更有利于携岩。超临界(X)2流体可调控性较好，能够为井下动力钻具提供足够动力的同时，还能保持井筒环空的欠平衡状态，即便在过平衡压力下侵入储层，也不会对储层造成伤害，相反还能提高储层渗透率和孔隙度，改善、油水流度比，降低原油粘度，从而提高单井产量和采收率。
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中， 图1为超临界(X)2辅助连续油管钻超短半径水平井的示意图2为超短半径井底结构图3为超临界(X)2喷射钻超短半径水平井示意图4为超临界(X)2辅助井下动力钻具钻超短半径水平井示意图5A为超临界(X)2喷射钻井用喷嘴剖面图5B为八孔眼喷嘴截面图5C为六孔眼喷嘴截面图5D为四孔眼喷嘴截面图6为利用功率100kw、50mm直径的钻井设备进行喷射钻井对比结果图； 图7为带地面加热系统的超临界(X)2辅助连续油管钻超短半径水平井的示意图； 其中
1、CO2罐车 2、车载式制冷机组 3、CO2储罐 4、净化器 5、高压泵 6、连续油管卷筒 7、连续油管 8、连续油管注入头 9、井口装置 10、环空 11、井壁 12、转向器13、喷射钻头14、超临界CO2射流15、储层16、口袋17、除屑器18、井口回压阀 19、气液分离器20、气体净化器 21、管线 22、分支井筒 23、井下马达24、喷嘴本体 25、喷嘴主流道 ^a、喷嘴边缘流道 ^b、喷嘴中心流道 ^c、喷嘴边缘流道 27、喷嘴断面28、喷嘴断面孔眼四、CO2加热系统。
具体实施例方式为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照
本发明的具体实施方式
。本发明引入了超临界(X)2流体辅助连续油管进行超短半径水平井钻进，能够充分发挥超临界(X)2和连续油管的各自优势。在进行超临界CO2喷射钻井时，地面需要(X)2罐车提供足够的CO2,同时需要制冷机组，维持储罐中的(X)2为液态，保证高压泵正常运转。常规钻井装置经过简单改进便可进行超临界CO2钻井，如将管阀、高压泵、井下马达等密封处的橡胶垫改为金属密封垫，原因是超临界(X)2的渗透性很强，CO2分子很容易渗透到橡胶分子中去，泄压后胶垫会膨胀失效。 其次，在高压泵泵头加装循环冷却装置，防止活塞与套筒摩擦生热，使液态(X)2汽化，影响泵效。地层的温度随着深度的增加而逐渐上升，温度梯度约为2(T50°C /km，在地下几百米深的地方温度将超过C02的临界温度(31. ΓΟ，这样也就超过了 C02的临界温度。在接近钻头处却呈超临界状态，高压超临界C02流体喷射出喷嘴，达到高效破岩的目的。经过喷嘴后的超临界C02流体压力急剧降低，在焦耳汤-姆逊效应的作用下，温度急剧降低，对钻头及井下钻具有降温冷却作用。随着钻井流体的循环，环空中C02逐渐上行，其温度随着地层温度不断变化，压力也随井深不断变化，其密度也在不断随着温度和压力变化。本发明中，超临界C02与连续油管结合进行超短半径水平井钻井，图1为超临界 C02辅助连续油管钻超短半径水平井的示意图。C02来源比较广泛，可由C02气田直接获得， 或者从电厂、钢厂等产生的尾气中提取(这样有利于环境保护)，由于超临界C02钻井C02用量不大，可由C02罐车1运送，C02储罐3须耐压8MPa左右，保证C02在一定的温度和压力下处于液态，同时也需要具有保温作用，维持储罐内需要的低温。C02罐车上需要加装制冷机组2，保证运输过程中以及泵入高压泵前需要。C02的运输压力一般在;T5MPa，温度控制在-1(T10°C，这样才能保证安全运输。从C02罐车经过管线21b输送到过滤器4，主要来过滤C02中的固体杂质，以免进入高压泵对活塞和套筒造成磨损。过滤后的液态C02直接输送到高压柱塞泵5，普通高压柱塞泵经过简单改装便可泵送液态C02，主要在泵头加装循环冷却装置，避免活塞与套筒摩擦生热致使液态C02汽化，影响泵效。可将液态C02加压到2(T40MPa进行水力机械联合破岩，也可以将其加压到8(Γ100ΜΙ^直接进行喷射破岩。C02流出高压泵经由绝热管线送入连续油管7。也可采用普通油管进行钻进，但由于C02为高压气体，接单根需要带压作业，所以连续油管是最好的选择。由于要进行超短半径水平井钻进，因此连续油管尺寸较小，连续油管7的外径尺寸一般选择广1. 5寸。连续油管经连续油管卷筒6和连续油管注入头8送入井底。井口装置9安装在注入头下方，用来处置井下突发事件。钻井用高压泵，可用普通高压泵简单改装既可用于泵送液态C02。首先各密封处要采用金属密封，不宜采用橡胶等化工制品密封，主要原因是，CO2穿透性很强，能够渗透到橡胶类大分子材料中，时间过长便可刺漏胶垫；其次，高压泵泵头需要加装冷却装置，以防止活塞与套筒摩擦生热使液态(X)2气化，影响泵效；各节流管汇处要加装温控装置，防止压力的降低弓I起的低温冰堵现象发生。连续油管可采用车载式，也可采用撬装式，根据场地需要来进行选择。连续油管井底末端连接高压喷射破岩喷嘴，为了使井眼更规则、光滑，采用多孔式钻头，喷头孔眼的尺寸根据水力参数设计方法来确定。连续油管7经由井筒10下行，到达井底后经过转向器12转向进行径向井钻进。在井口处，连续油管中的(X)2处于低温高压液态，随着超临界(X)2逐渐下行，其温度和压力也逐渐升高，达到当地温度和压力，当温度和压力同时超过临界点时，液态(X)2转变为超临界态。 如果设计井深较浅，或者在浅部地层钻进时，钻杆中CO2流体的温度达不到临界温度，这样便无法产生超临界ω2射流，此时需要在地面对(X)2进行加热，如图7，将CO2加热系统四打开，考虑注入(X)2温度和井筒温度分布等因素，将液态(X)2流体加热到合适温度，使其在井底产生超临界(X)2射流。超临界(X)2流体经过喷射钻头13产生超临界(X)2射流14进行喷射钻井，高压超临界(X)2流体喷射出喷嘴后，压力急剧降低，在焦耳-汤姆逊效应的作用下，其温度急剧降低，如果喷嘴前后压差较大，井底温度可能降至冰点以下，如遇井底出水，井底将会结冰，导致环空堵塞，发生事故，即使出水量不大，也会使井底水蒸气达到露点，与岩屑结合在井壁处生成泥环，造成井底异常高压压漏地层，或者发生卡钻等井下事故。此外喷嘴前后压差过大还可能使喷嘴处产生声速流或者超声速流，在声速或者超声速流动下，由于流体流动方向和喷嘴下游压力波向上传播方向相反，因此压力波不能从喷嘴下游传递到喷嘴上游，这样在喷嘴处产生了压力间断，导致井底的压力与钻杆中压力不连续。由于喷嘴处压力间断的存在，导致立管压力表不能检测到井底岩屑堆积或者泥饼环增厚造成的异常高压，很容易出现井下事故，因此，要保证喷嘴获得适当水功率的同时也要控制好喷嘴上下游压力差，避免井底一场低温和声速流、超声速流的发生。在采用大尺寸连续油管进行钻进时，可在钻头上部加装井下动力钻具，如螺杆钻具，钻头采用水力机械联合破岩钻头，这样可以大大提高钻井速度；回压阀装在环空出口， 主要用来调节井底压力。由于超临界(X)2的密度对温度、压力的变化非常敏感，它们的微小波动便可引起密度的较大变化，因此在遇到井底漏失或者井底异常高压时，可以通过调节回压阀的开启程度来调节换空中超临界CO2流体的密度，以便控制井底压力，使钻井方式在过平衡一平衡一欠平衡之间顺利调节。应严格控制喷嘴上下游的压力差，避免由于压力突降导致的温度突降造成井底冰堵。对于(X)2流体来说，无论是气态、液态还是超临界态，其黏度都比常规钻井液小得多，其携岩能力稍差于常规钻井液，因此在岩屑沿着井筒10随钻井液上返过程中，要调整井口回压来调控(X)2密度，确保井筒环空中(X)2流体具有最大携岩效率，同时还要保证井筒压力要求。如果老井口袋16足够深的话，岩屑可以不必携带出井口，将其留在口袋中即可。钻井液和地层流体以及岩屑到达井口后，由于流速较高，会对管线及节流阀产生冲蚀作用，因此先经过除屑器17将岩屑等固相颗粒去除掉，随后经过井口回压阀18流入气液分离器19，将气体与地层水和液态烃等物质分离开来，分离出来的混合气体经过管线输送到气体净化器20，净化后的(X)2气体经过管线21a输送到C02储罐，经过车载式制冷机组冷却液化，实现CO2循环利用。图2展示了超短半径井底结构，可从下部储层1 开始进行径向分支井钻进，22d、 2&、22f、22g为多分支井筒，可以根据储层特点及开发需求来增加或减少分支井筒数量，也可以增大或减小分支井井筒的尺寸。储层15b的分支井眼钻成后，上提连续油管管柱至上部储层1 位置，定向后进行上部储层分支井钻进，如井筒22a、22b、22c。也可以先从上部储层开始向下部储层进行分支井钻进。图3为超临界(X)2喷射钻超短半径水平井示意图，连续油管经过井筒下到目标层位后，经过转向器12定向。由于超短半径水平井的转弯半径较小，因此通常采用连续油管+喷射钻头13的井下钻具组合，利用高压超临界CO2射流14来达到快速钻井的目的，如果储层岩石较硬，可在系统压力允许的范围内适当提高喷射压力，以便提高钻井速度。如果在现场压力条件下还不能达到满意的钻速，则可以在钻头上部加装井下马达23，来带动喷射钻头转动，实现水力辅助机械联合破岩，提高钻井速度，如图4所示。这里要求马达的尺寸及柔韧性要好，以适应井眼小转弯半径的要求，同时降下马达内的所有部件要能够抗超临界C02的侵蚀，满足钻井需求。图5A为超临界CO2喷射钻井用喷嘴剖面图。喷嘴本体M的外部尺寸根据井眼需求来确定，喷嘴主流道25、喷嘴边缘流道J6c、及喷嘴中心流道26b直接加工在喷嘴本体上，喷嘴材料要求具有一定的耐(X)2腐蚀特性。喷嘴边缘流道数量由地层岩性、射流特性等决定，据此可以设计出多种喷嘴，如图5B、图5C、图5D所示，喷嘴流道形状可以根据要求设计成风琴管形状或者亥姆霍兹振荡腔形状等，由此可进一步提高破岩效率。实施例1
采用超临界(X)2流体辅助连续油管进行超短半径水平井钻进曼柯斯页岩，与采用水流体钻进曼柯斯页岩进行对比，条件见表1 表1喷射破岩门限压力
权利要求
1.一种用于超短半径水平井的钻井方法，特征在于，采用超临界(X)2流体作为钻井液， 与连续油管结合进行钻井，步骤如下(一)液态(X)2从(X)2罐车(1)的CO2储罐(3)经过管线(21b)输送到过滤器(4 )，过滤液态(X)2中的固体杂质，过滤后的液态C02直接输送到高压泵(5)；(二)液态CO2流出高压泵(5)经由绝热管线送入连续油管(7)，连续油管(7)经连续油管卷筒(6)和连续油管注入头(8)送入井下；(三)连续油管(7)经由井筒(10)下行，到达井底后经过转向器(12)转向进行径向井钻进，在井口处，连续油管中的液态CO2处于低温高压液态，随着液态(X)2逐渐下行，其温度和压力也逐渐升高，当温度和压力同时超过临界点时，液态(X)2转变为超临界CO2,超临界(X)2 流体经过喷射钻头(13)产生超临界C02射流(14)进行喷射钻井；(四)钻井液和地层流体以及岩屑到达井口后，先经过除屑器(17)将岩屑去除掉，随后经过井口回压阀(18)流入气液分离器(19)，将气体与地层水和液态烃分离，分离出来的混合气体经过管线输送到气体净化器(20)，净化后的(X)2气体经过管线(21a)输送到(X)2储罐 (3 )，经过车载式制冷机组(2 )冷却液化，实现(X)2循环利用。
2.根据权利要求1所述的钻井方法，其中步骤(一)中CO2储罐(3)中的压力不超过 4Mpa，温度为-20 5°C。
3.根据权利要求1所述的钻井方法，其中连续油管(7)的外径尺寸为广1.5寸。
4.根据权利要求1所述的钻井方法，其中步骤(三)中的喷射钻头(13)的喷嘴由喷嘴本体(24)、喷嘴主流道(25)、喷嘴边缘流道(26a、26c)以及喷嘴中心流道(26b)组成，其中喷嘴主流道(25)、喷嘴边缘流道(26a、26c)以及喷嘴中心流道(26b)直接加工在喷嘴本体 ⑶上。
全文摘要
本发明提供了一种用于超短半径水平井的钻井方法，采用超临界CO2流体作为钻井液，与连续油管结合进行钻井。本发明引入了超临界CO2流体辅助连续油管进行超短半径水平井钻进，能够充分发挥超临界CO2和连续油管的各自优势。
文档编号E21B7/04GK102477845SQ20101056581
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者史怀忠, 宋先知, 李根生, 沈忠厚, 王海柱, 田守嶒, 黄中伟 申请人:中国石油大学(北京)