一种超碳连管喷钻水平井系统及喷钻方法与流程

本发明涉及油气钻井技术领域，具体涉及一种超碳连管喷钻水平井系统及喷钻方法。

背景技术：

水平井是最大井斜角保持在90度左右，并且在目的层中维持一定长度的水平井段的特殊井。水平井的突出特点是井眼穿过油气层的长度长，增加了井与油气层的接触表面积，从而使油气井具有单井产量高、生产速度快的优点。但现有的连续油管径向水平井钻井技术主要存在以下问题：

1、流体限制和井下复杂问题：现有径向水平井喷射钻井技术常用清水、酸液等钻井流体，存在水敏、易溶、易塌、易卡、易漏、易喷、易堵、易污染等井下复杂问题。

2、尺寸限制和轨迹控制问题：现有径向水平钻井技术的井径太小（25mm左右）和长度太短（100m左右），不能进行随钻测量和跟踪定向，井眼轨迹不易监测和控制，应用范围和增产效果十分有限，得不到广泛应用。

3、循环限制和精细控压问题：现有连续油管喷射钻径向水平井技术不能实现全过程密闭循环和精细控压欠平衡钻井，排出的含油、含硫、含化学剂、含天然气等废渣、废液、废气等三废回收处理和重复利用难度大、成本高，直接放喷燃放形成的噪音、烟雾、灰尘和岩屑等污染环境。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对当前水平井钻井技术存在的上述问题，提供一种超碳连管喷钻水平井系统及喷钻方法，解决当前采用清水、水基、油基、泡沫等作为钻井流体，在喷钻的过程中存在的井下问题复杂、废弃物多、污染性大的问题，提高钻井速度、油气产量和环保水平，减少井场设备和钻采成本。

本发明通过下述技术方案实现：

一种超碳连管喷钻水平井系统，包括超碳密闭分离循环单元和超碳连管喷射钻井单元，其中，

所述超碳密闭分离循环单元，用于回收喷钻过程中的井下返出物，从中分离、处理获得超临界二氧化碳后输出至超碳连管喷射钻井单元；

所述超碳连管喷射钻井单元，用于采用超碳密闭分离循环单元输出的或外部输入添加的超临界二氧化碳作为钻井流体，通过连续油管传输钻井流体至喷射钻头，喷钻水平井。

特别地，所述超碳密闭分离循环单元包括回压控制装置、超碳萃取分离器、超碳气化分离器、二氧化碳罐、超碳罐、压缩机和超碳泵，

所述回压控制装置连接超碳萃取分离器，用于控制喷钻过程中的井口压力和环空回压；

所述超碳萃取分离器连接超碳气化分离器，用于从喷钻过程中的井下返出物中分离出超临界二氧化碳；

所述超碳气化分离器连接二氧化碳罐，用于将超碳萃取分离器分离出的超临界二氧化碳降压气化，分离出二氧化碳气体，输出至二氧化碳罐；

所述二氧化碳罐连接压缩机，用于存储超碳气化分离器输出的二氧化碳气体；

所述压缩机连接超碳罐和超碳泵，用于将二氧化碳罐输出的二氧化碳气体压缩成临界二氧化碳；

所述超碳罐连接超碳泵，用于存储压缩机输出的或外输入添加的超临界二氧化碳；

所述超碳泵用于将超碳罐储存的或压缩机输出的超临界二氧化碳增压输送至超碳连管喷射钻井单元。

特别地，所述超碳连管喷射钻井单元包括钻井流体、连续油管、无线测量仪、喷射导向器和喷射钻头，其中，

所述钻井流体采用超碳密闭分离循环单元输出的超临界二氧化碳；

所述连续油管井下一端与喷射导向器连接，地面一端与超碳密闭分离循环单元连接，用于将超碳密闭分离循环单元输出的超临界二氧化碳钻井流体传送到井下喷射导向器和喷射钻头；

所述无线测量仪与喷射导向器电连接，同时与地面控制系统无线通讯，用于实时测量水平井喷钻过程中的地层特征和井眼轨迹的相关特性参数，并将其无线传输至地面控制系统；

所述喷射导向器与喷射钻头连接，同时与地面控制系统无线通讯，用于根据地面控制系统的指令控制钻头的喷射方向；

所述喷射钻头采用一个或多个可无线电动控制方向的喷嘴，将钻井流体高速喷出，破碎岩石，形成微小水平井眼。

一种应用上述超碳连管喷钻水平井系统喷钻水平井的方法，具体包括以下步骤：

A、超碳连管喷射钻井单元采用超碳密闭分离循环单元输出的或外部输入添加的超临界二氧化碳作为钻井流体，通过连续油管传输钻井流体至喷射钻头，喷钻水平井；

B、超碳密闭分离循环单元回收喷钻过程中的井下返出物，从中分离、处理获得超临界二氧化碳后输出至超碳连管喷射钻井单元。

特别地，所述步骤B具体包括：

B1、回压控制装置控制回收喷钻过程中的井下返出物进入超碳萃取分离器；

B2、超碳萃取分离器从井下返出物中分离出超临界二氧化碳，输出至超碳气化分离器；

B3、超碳气化分离器将超碳萃取分离器输出的超临界二氧化碳进行降压气化处理，获得二氧化碳气体储存；

B4、压缩机将储存的二氧化碳气体进行压缩处理，获得超临界二氧化碳储存；

B5、超碳泵将储存的超临界二氧化碳输送至超碳连管喷射钻井单元。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、提高钻井速度：全过程采用连续油管和超临界二氧化碳精细控压欠平衡钻井，有利于大幅提高盐膏、泥岩、页岩、低压、易溶、易膨、易漏、易塌、易卡、易喷等复杂地层的机械钻速和起下速度。比常规钻井相比，可提高钻井速度30%以上。

2、提高油气产量：超碳连管喷钻水平井系统全过程采用超临界二氧化碳密闭循环，对油气层不仅无污染，有利于油气层保护，而且可以改善近井带有效渗透率、降低原油粘度，提高波及体积、单井产量和最终采收率。

3、提高环保水平：超碳连管喷钻水平井系统全过程全密闭超临界二氧化碳循环无外排、无废水、废浆。钻井岩屑经过临界二氧化碳萃分离不含油气和化学添加剂，完全环保无污染。经过超碳萃取和两级分离出的油、气、硫化氢等，可完密闭回收不燃放。

4、减少钻采成本:超碳连管喷钻水平井系统可提高钻井速度、单井产量、环保水平和减少井场设备。不仅可减少钻井和完井投资，而且配合超临界二氧化碳渗透石压裂方法可节约单井钻采总投资及油气田长期操作维护费用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例1提供的超碳连管喷钻水平井系统流程图。

图2为本发明实施例1提供的超碳连管喷钻单分支水平井剖面图。

图3为本发明实施例1提供的超碳连管喷钻双分支水平井剖面图。

图4为本发明实施例1提供的超碳连管喷钻双层或多层多向水平井剖面图。

图5为本发明实施例2提供的超碳连管喷钻单条鱼骨水平井平面图。

图6为本发明实施例3提供的超碳连管喷钻双条鱼骨水平井平面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，图1为本发明实施例1提供的超碳连管喷钻水平井系统流程图。

本实施例中公开了一种超碳连管喷钻水平井系统，包括超碳密闭分离循环单元和超碳连管喷射钻井单元，其中，

所述超碳密闭分离循环单元设置于地面上，回收超碳连管喷射钻井单元在喷钻过程中产生的井下返出物，从中分离、处理获得超临界二氧化碳后输出至超碳连管喷射钻井单元，具体包括经管线依次连接的回压控制装置、超碳萃取分离器、超碳气化分离器、二氧化碳罐、压缩机、超碳罐和超碳泵。

所述回压控制装置设置于井口，其入口连接水平井眼的环形空间，出口连接超碳萃取分离器。超碳连管喷射钻井单元在喷钻过程中产生大量废弃物从井下返出，其中包括钻井流体、破碎的岩屑和地层油气水等，回压控制装置控制水平井眼的环形空间的压力达到一定的数值，从而保证废弃物从水平井眼的环形空间上返到井口，经回压控制装置进入超碳萃取分离器。优选的，所述回压控制装置采用回压控制阀。

所述超碳萃取分离器将井眼的环形空间上返的废弃物进行分离，其入口连接回压控制装置，接入喷钻过程产生的井下返出物；出口连接超碳气化分离器，输出分离出的超临界二氧化碳；另有两个通道分别输出分离出的破碎的岩屑和天然气。

所述超碳气化分离器将超碳萃取分离器输出的超临界二氧化碳降压、气化并进行二次净化分离，其入口连接超碳萃取分离器出口，接入超碳萃取分离器输出的超临界二氧化碳；出口连接二氧化碳罐，输出降压、气化、分离出的二氧化碳气体；另有两个输出通道分别输出分离出的原油和水。

所述二氧化碳罐的入口连接超碳气化分离器出口，接入超碳气化分离器输出的二氧化碳气体进行存储；出口连接压缩机，输出存储的二氧化碳气体。

所述压缩机的入口连接二氧化碳罐的出口，接入二氧化碳气体；出口连接超碳罐和超碳泵，将二氧化碳罐输出的二氧化碳气体增压，输出超临界二氧化碳。

所述超碳罐的入口连接压缩机的出口，接入压缩机输出的超临界二氧化碳进行存储；出口连接超碳泵，输出存储的超临界二氧化碳。

所述超碳泵连接超碳罐和压缩机，将超碳罐储存的或压缩机输出的超临界二氧化碳输送至超碳连管喷射钻井单元。为保证二氧化碳处于超临界状态，超碳泵输出的超临界二氧化碳压力不低于8Mpa，温度控制在32℃以上范围内。需要说明的是，所述超临界二氧化碳的控制温度和压力范围根据水平井所钻地层的岩屑、油、气、水和硫化氢等组分含量及在超碳中的溶解度进行优化设计。

所述超碳连管喷射钻井单元，采用超临界二氧化碳作为钻井流体喷钻水平井，具体包括超临界二氧化碳喷射流体、无线测量仪、依次机械连接的连续油管、喷射导向器和喷射钻头，所述连续油管包括地面连续油管（简称地面连管）和井下连续油管（简称井下连管），所述喷射钻头采用超临界二氧化碳喷射钻头，超碳密闭分离循环单元输出的超临界二氧化碳依次经连续油管、喷射导向器、喷射钻头喷射而出，形成超临界二氧化碳射流，带动喷射钻头破碎井下的岩石形成岩屑，形成水平井眼。

所述无线测量仪和喷射导向单元均与地面控制系统无线通讯，无线测量仪实时测量井下喷钻微小水平井的井斜角、方位角、工具面角、电阻率、自然电位等井眼轨迹和地层特征数据，并将其无线传输至地面控制系统进行监控，地面控制系统自动将其与水平井的设计轨迹比对，如果轨迹偏离超过设定值，控制系统自动无线传输调整轨迹指令到井下的喷射导向器，喷射导向器根据指令打开喷嘴和调整喷射方向，调节喷钻水平井的井斜角、方位角、工具面角，产生推动力使钻头偏向设计轨迹方向，纠正钻井轨迹。

本实施例中还公开了一种采用上述超碳连管喷钻水平井系统喷钻水平井的方法，包括以下步骤：

S1、超碳连管喷射钻井单元采用超碳密闭分离循环单元输出的超临界二氧化碳作为钻井流体，通过连续油管传输钻井流体至喷射钻头，喷钻水平井。

如图2、图3、图4所示，图2为本发明实施例1提供的超碳连管喷钻单分支水平井剖面图，图3为本发明实施例1提供的超碳连管喷钻双分支水平井剖面图，图4为本发明实施例4提供的超碳连管喷钻双层或多层多向水平井剖面图。

针对超碳连管喷钻单分支水平、超碳连管喷钻单层多分支水平井和超碳连管喷钻多层多向水平井，所述步骤S1中超碳连管喷射钻井单元采用超临界二氧化碳喷钻水平井具体包括以下步骤：

S101、在新钻井到油层顶部先期下套管固井，钻完套管附件和油气层导眼并测井，或将老井油气层段顶部套管开窗，或锻铣成裸眼。

钻机钻新直井段先前在油层顶部下套管固井，钻完套管附件和油气层导眼并测井，或将老井油气层段顶部套管锻铣完变成裸眼。

S102、用连管打水泥塞封固新井导眼段或老井锻铣裸眼段。

S103、超临界二氧化碳由喷射钻头喷出，喷钻水平井造斜段和水平段。

S104、连管拖动分段喷射压裂或酸化。

S105、重复执行步骤S103、S103，所述步骤S103、S2104每执行一次，完成一个方向的水平井。

S106、起出喷钻连续油管和井下仪器和工具。

S107、下入带底封的连续油管并井口悬挂，进行排液、采油或采气，或注水、注气、注聚等。

S2、超碳密闭分离循环单元回收喷钻过程中的井下返出物，从中分离、处理获得超临界二氧化碳后输出至超碳连管喷射钻井单元。

所述步骤S102具体包括：

S201、回压控制装置控制回收喷钻过程中产生的废弃物进入超碳萃取分离器。

S202、超碳萃取分离器从废弃物中分离出超临界二氧化碳，输出至超碳气化分离器。

S203、超碳气化分离器将超碳萃取分离器输出的超临界二氧化碳进行降压、气化处理，获得二氧化碳气体储存。

S204、压缩机将储存的二氧化碳气体进行压缩处理，获得超临界二氧化碳储存。

S205、超碳泵将储存的超临界二氧化碳输送至超碳连管喷射钻井单元。

超碳连管喷射钻井单元在喷射过程中产生大量废弃物，其中包括超临界二氧化碳、破碎的岩屑和地层油气水等。回压控制装置控制水平井眼的环形空间的压力达到一定的数值，超临界二氧化碳携带破碎的岩屑和地层油气水等废弃物从水平井和垂直井的环形空间上返到井口，经回压控制装置进入超碳萃取分离器，超碳萃取分离器将固相岩屑、液相油水和超临界二氧化碳、气相天然气分离后，分别密闭输出，其中，液相油水和超临界二氧化碳接入超碳气化分离器进行降压及二次分离，进一步分离出原油和水、以及二氧化碳气体，其中，二氧化碳气体接入二氧化碳罐进行存储，之后压缩机将二氧化碳气体增压控温到超临界状态接入超碳罐进行存储，或经超碳泵增压循环至超碳连管喷射钻井单元，作为钻井流体进行喷钻。

实施例2

如图5所示，图5为本发明实施例2提供的超碳连管喷钻单条鱼骨水平井平面图。

本实施例2针对超碳连管喷钻单条鱼骨水平井，采用实施例1所述的超碳连管喷钻水平井系统，其超碳循环分离步骤与实施例1中的步骤S1相同，区别在于S2：采用超临界二氧化碳喷钻单条鱼骨水平井，具体包括以下步骤：

S301、新钻井在油层顶部先期下套管固井，钻完套管附件和油气层导眼并测井，或将老井油气层段顶部套管开窗，或锻铣成裸眼。

S302、用连管打水泥塞封固新井导眼段或老井锻铣裸眼段。

S303、超临界二氧化碳由喷射钻头喷出，喷钻单条鱼脊主水平井。

S304、从主水平井底部继续平面转向钻第一根鱼刺水平井。

S305、连管拖动分段喷射压裂或酸化。

S306、重复执行步骤S203、S204、S205，从主水平井底部逐步上移喷射完成多条鱼刺水平井钻井、压裂或酸化。

S307、起出喷钻连续油管和井下仪器和工具。

S308、下入带底封的连续油管并井口悬挂，进行排液、采油或采气，或注水、注气、注聚等。

实施例3

如图6所示，图6为本发明实施例3提供的超碳连管喷钻双条鱼骨水平井平面图。

本实施例3针对超碳连管喷钻双条鱼骨水平井，采用实施例1所述的超碳连管喷钻水平井系统，其超碳循环分离步骤与实施例1中的步骤S1相同，区别在于S2：采用超临界二氧化碳喷钻双条鱼骨水平井，具体包括以下步骤：

S401、新钻井在油层顶部先期下套管固井，钻完套管附件和油气层导眼并测井，或将老井油气层段顶部套管开窗，或锻铣成裸眼。

S402、用连管打水泥塞封固新井导眼段或老井锻铣裸眼段。

S403、超临界二氧化碳由喷射钻头喷出，喷钻第一条鱼脊主水平井。

S404、从主水平井底部继续平面转向钻第一根鱼刺水平井。

S405、连管拖动分段喷射压裂或酸化。

S406、重复执行步骤S4103、S4104、S4105，从主水平井底部逐步上移完成多条鱼刺水平井钻井、压裂或酸化。

S407、超碳连管喷钻第二条鱼脊主水平井。

S408、从主水平井底部继续平面转向钻第二条鱼骨的第一根鱼刺水平井。

S409、连管拖动分段喷射压裂。

S410、重复执行步骤S307、S308、S309，完成两条或多条鱼骨水平井钻井、压裂或酸化。

S411、起出喷钻连续油管和井下仪器和工具。

S412、下入带底封的连续油管并井口悬挂，进行排液、采油或采气，或注水、注气、注聚等。

本发明的技术方案采用超临界二氧化碳和连续油管喷射导向、精细控压、欠平衡钻井新方法，有效解决微小水平井眼轨迹监控和水敏、易溶、易塌、易卡、易漏、易喷、易堵、易污染等井下复杂问题，增大微小井眼直径到50-100mm、增长水平段长度到1000m以上；用超碳密闭萃取分离循环方法高效净化分离出岩屑、油、气、水和二氧化碳，并回收利用，解决直接放喷排放燃燃形成的噪音、烟雾、灰尘和岩屑等环境污染问题。从而有效降低水平井钻井成本、提高钻井速度、增加油气产量和改善环保水平，在常规油气老井挖潜增产和提高采收率及非常规煤层气、页岩气、致密油气、稠油、可燃冰等小井眼水平井钻井方面广泛适用。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。