CN102409976A - 超临界二氧化碳径向水平井钻井系统及其钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳径向水平井钻井系统及其钻井方法，所述钻井系统包括：液体二氧化碳供应装置；设置在井筒内的钻井装置，包括油管、安装在油管底部的转向器和套装在油管内的柔性钻杆，该柔性钻杆穿过转向器后实现转向，柔性钻杆具有中空的钻杆通道，柔性钻杆的水平方向部分的端部安装有超临界二氧化碳喷射钻头，该喷射钻头上设有连通钻杆通道的喷嘴；设置在井口处的井内压力控制装置；设置在地上的固液气三相分离装置和二氧化碳回收装置。本发明采用超临界二氧化碳流体作为破岩流体，不会对油储层产生污染，有效地保护了油储层，大大提高了破岩效率，实现了二氧化碳的循环利用，对于老井增产、非常规油气藏的开发具有重要应用价值。

Description

超临界二氧化碳径向水平井钻井系统及其钻井方法

技术领域

本发明涉及径向水平钻井技术领域，具体地说，涉及一种超临界二氧化碳径向水平井钻井系统及利用该钻井系统进行钻井的方法。

背景技术

    在当前能源紧张的形势下，提高老油区油气采收率及强化对非常规油气资源的开发对于保障我国能源安全具有重要价值。径向水平井技术相对于常规的水平钻井技术，具有准确、快捷，钻进速度高，造价低等优点。尤其在提高老油田产能和采收率方面，更具有显著的优势。在油田开发的中后期，可利用此技术在老井内钻出径向水平井眼，使老井更新、死井复活，有效地开采死油区，残余油区和采用常规方法难以开采的薄油层、稠油层、低渗油气层，大幅度提高原油采收率和可采储量。

但目前径向水平井钻井过程中主要采用水及混合磨料的水作为破岩流体，该类流体易对储层造成污染，尤其是对于老油井及水敏性地层，水极易进入地层造成水锁或产生水化，造成油气井减产；同时水射流的破岩门限压力较高，普通砂岩需要40MPa以上，对地面增压泵要求较高。近期研究发现超临界二氧化碳既具有接近于气体的低粘度和易扩散性，也具有接近于液体的高密度和溶解性好的特点，对油储层无伤害，且超临界二氧化碳射流的破岩门限压力比水射流要小的多。

鉴于以上原因，本发明在充分考虑常规径向水平井钻井技术及超临界二氧化碳流体特殊性质的基础上，提出了一种新的超临界二氧化碳径向水平井钻井系统及其钻井方法，为径向水平井技术的发展提供一条新途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对目前径向水平钻井技术存在的问题，提供一种新的有利于储层保护的超临界二氧化碳径向水平井钻井系统及其钻井方法。 

为解决上述关于超临界二氧化碳径向水平井钻井系统的技术问题，本发明的技术方案是：超临界二氧化碳径向水平井钻井系统，包括：设置在地上的液体二氧化碳供应装置，所述液体二氧化碳供应装置包括液体二氧化碳储罐，和经高压管线与所述液体二氧化碳储罐连接的增压泵；设置在井筒内的钻井装置，所述钻井装置包括油管以及安装在所述油管底部的转向器，还包括套装在所述油管内的柔性钻杆，所述柔性钻杆穿过所述转向器在井筒的底部由垂直方向转变为水平方向，所述柔性钻杆具有中空的供超临界二氧化碳流体流过的钻杆通道，所述钻杆通道的顶部与所述增压泵的出口连接，所述柔性钻杆的水平方向部分的端部安装有超临界二氧化碳喷射钻头，所述超临界二氧化碳喷射钻头设有连通所述钻杆通道的喷嘴；设置在井口处的井内压力控制装置；设置在地上的固液气三相分离装置，包括与所述井内压力控制装置连接的固液气三相分离器；还包括设置在地上的二氧化碳回收装置，所述二氧化碳回收装置与所述固液气三相分离器连接。

作为优选，所述二氧化碳回收装置包括经管线依次连接的二氧化碳回收罐、过滤器、压缩机和制冷机，所述二氧化碳回收罐的进口与所述固液气三相分离器连接，所述制冷机的出口经回注管线与所述高压管线连通。

作为优选，所述液体二氧化碳供应装置还包括分别与所述液体二氧化碳储罐连接的冷却器和压力平衡罐。

作为优选，所述液体二氧化碳储罐内的液体二氧化碳的压力为2～4MPa，温度为-20℃～0℃。

作为优选，所述增压泵为三柱塞泵。

作为优选，所述井内压力控制装置包括多组并联设置的节流阀。

作为优选，所述二氧化碳回收罐的工作压力2～5MPa。

作为优选，所述回注管线上安装有单向阀。

为解决上述关于利用超临界二氧化碳径向水平井钻井系统进行钻井的钻井方法技术问题，本发明的技术方案是：所述的钻井方法，包括如下步骤：液体二氧化碳储罐中的液态二氧化碳经增压泵增压后进入柔性钻杆；液态二氧化碳沿钻杆通道向下运行，通过地层温度升温达到31.1℃以上，达到超临界态；在井筒底部，柔性钻杆通过转向器实现由垂直方向到水平方向的转变；超临界二氧化碳由超临界二氧化碳喷射钻头的喷嘴沿水平方向喷出，形成水平方向的超临界二氧化碳射流，沿井筒的径向破碎井筒底部侧壁的岩石，最终形成径向水平井眼。

作为优选，所述的钻井方法还包括二氧化碳回收步骤：二氧化碳由超临界二氧化碳喷射钻头的喷嘴喷出破岩后，携带破碎岩石后形成的岩屑及部分地层流体上返至地面，经过固液气三相分离器，洁净的二氧化碳气体进入二氧化碳回收罐，再经过过滤器、压缩机和制冷机后进入增压泵，经增压泵增压后重新注入柔性钻杆的钻杆通道。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明的超临界二氧化碳径向水平井钻井系统在运行时，液体二氧化碳储罐中的二氧化碳经增压泵增压后进入柔性钻杆的钻杆通道，在井筒内向下运行过程中，被地层加热，当温度升至31.1℃时，达到超临界态，经过转向器后，二氧化碳流体由垂直向下流动转变为水平方向流动，最后自超临界二氧化碳喷射钻头的喷嘴沿水平方向喷射而出，形成水平方向的超临界二氧化碳射流，从而沿井筒的径向侧钻、破碎井筒底部侧壁的岩石，最终形成径向水平井眼。二氧化碳喷出破岩后，携带破碎岩石后形成的岩屑及部分地层流体上返至地面，经过固液气三相分离器后，洁净的二氧化碳进入二氧化碳回收装置进行回收后进入增压泵增压，重新注入柔性钻杆的钻杆通道，实现二氧化碳的循环利用。

本发明由于采用洁净的超临界二氧化碳流体作为破岩流体，该流体对油储层不会产生污染，从而较好地保护了油储层；由于超临界二氧化碳流体的破岩门限压力比水射流要小的多，因而对钻井系统的各装置的指标要求相对低一些，且能大大提高破岩效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

附图是本发明实施例的试验装置流程图；

图中：1-液体二氧化碳储罐；2-高压管线；3-阀门；4-增压泵；5-二氧化碳注入管线；6-柔性钻杆；7-井口；8-井筒；81-井筒环空；9-油管；10-转向器；11-超临界二氧化碳喷射钻头；12-径向水平井眼；13-井内压力控制装置；14-二氧化碳回收管线；15-固液气三相分离器；16-二氧化碳回收罐；17-过滤器；18-压缩机；19-制冷机；20-回注管线；21-单向阀；22-压力平衡罐；23-冷却器；24-地层。

具体实施方式

如附图所示，超临界二氧化碳径向水平井钻井系统，包括：设置在地上的液体二氧化碳供应装置，所述液体二氧化碳供应装置包括液体二氧化碳储罐1，所述液体二氧化碳储罐1内的二氧化碳的压力为2～4MPa，温度为-20℃～0℃，以保证二氧化碳为液态，和经高压管线2与液体二氧化碳储罐1连接的增压泵4，高压管线2上设有阀门3，此处所说的高压管线2是指承压能力达35 MPa以上的管线；设置在井筒8内的钻井装置，所述钻井装置包括油管9以及安装在所述油管9底部的转向器10，还包括套装在所述油管9内的柔性钻杆6，所述柔性钻杆6可以在一定范围内弯曲，所述柔性钻杆6穿过所述转向器10在井筒8的底部由垂直方向转变为水平方向，所述柔性钻杆6具有中空的供超临界二氧化碳流体流过的钻杆通道，所述钻杆通道的顶部经二氧化碳注入管线5与所述增压泵4的出口连接，所述柔性钻杆6的水平方向部分的端部安装有超临界二氧化碳喷射钻头11，所述超临界二氧化碳喷射钻头11设有连通所述钻杆通道的喷嘴；靠近井口7设置的井内压力控制装置13；设置在地上的固液气三相分离装置，包括与所述井内压力控制装置13经二氧化碳回收管线14连接的固液气三相分离器15，所述固液气三相分离器15可将二氧化碳携带出来的岩屑及地层水进行分离，分离出的岩屑及地层水排空，分离后的二氧化碳经管线进入二氧化碳回收装置。

其中，所述二氧化碳回收装置包括经管线依次连接的二氧化碳回收罐16、过滤器17、压缩机18和制冷机19，所述二氧化碳回收罐16的进口与所述固液气三相分离器15连接，所述制冷机19的出口经回注管线20及阀门3与所述高压管线2连通，所述回注管线20上安装有单向阀21，可防止二氧化碳储罐1中流出的液态二氧化碳倒灌。所述二氧化碳回收罐16的工作压力为2～5MPa，能够容纳返排出的二氧化碳及部分未分离出来的地层水等杂质；所述过滤器17可过滤回收罐中16流出的二氧化碳，并将固液气三相分离器15未分离掉的水分去除；所述压缩机18将经过过滤器17过滤后的二氧化碳压缩至5MPa，此时二氧化碳处于高密度气态；所述制冷机19将压缩机18压缩后的高密度二氧化碳降温至0℃以下，使二氧化碳处于液态。通过过滤器17、压缩机18和制冷机19的联合作用使回收的液态二氧化碳通过回注管线20与从液体二氧化碳储罐1流出的液态二氧化碳在阀门3处汇合，进入增压泵4，实现二氧化碳的循环使用。

其中，所述液体二氧化碳供应装置还包括分别与所述液体二氧化碳储罐1连接的冷却器23和压力平衡罐22。所述冷却器23用于冷却二氧化碳储罐1内的二氧化碳，保证温度在-20℃～0℃；所述压力平衡罐22在增压泵4抽吸二氧化碳储罐1内的二氧化碳液体后，用于补充二氧化碳储罐1的压力，保证二氧化碳储罐1内压力在2～4MPa之间，防止二氧化碳储罐1内的二氧化碳气化导致增压泵4吸入二氧化碳气体，造成泵头气锁。

其中，所述增压泵4为三柱塞泵。用于将液态二氧化碳增压至超临界二氧化碳门限破岩压力以上，通过二氧化碳注入管线5将其注入柔性钻杆6的钻杆通道。

其中，所述井内压力控制装置13包括多组并联设置的节流阀。所述井内压力控制装置13用于控制井筒环空81内的压力在5MPa以上，保证井筒8中二氧化碳处于超临界态或高密度气态，从而保证井筒环空81中的二氧化碳流体具有较好的携岩能力。设置多组并联的节流阀，可在某个节流阀出现故障的情况下保证压力控制装置的正常运行。

利用本发明的超临界二氧化碳径向水平井钻井系统进行钻井的方法如下：

钻井之前，将转向器10通过油管9下放到井筒8内预定深度。

柔性钻杆6及前端的超临界二氧化碳喷射钻头11穿过油管9的中空通道进入转向器10，穿过转向器10后完成从垂直到水平的转向。

液态二氧化碳储罐1中的液态二氧化碳经过高压管线2及阀门3进入增压泵4，被增压以后，通过二氧化碳注入管线5进入柔性钻杆6的钻杆通道；液态二氧化碳沿柔性钻杆6的钻杆通道向下运行过程中，被地层24加热，由于地温梯度为20～50℃/km，因此液态二氧化碳沿柔性钻杆6的钻杆通道向下运行几百米即可超过31.1℃，很容易达到超临界状态（二氧化碳的超临界态温度为31.1℃）；柔性钻杆6中的超临界二氧化碳流体通过超临界二氧化碳喷射钻头11的喷嘴喷射而出，形成水平方向的超临界二氧化碳射流从而沿井筒的径向侧钻、破碎井筒底部侧壁的岩石，最终形成径向水平井眼12。喷射出的二氧化碳携带破碎岩石形成的岩屑及部分地层流体沿油管9与井筒8之间的井筒环空81上返至地面，经过设置在地面的井内压力控制装置13及二氧化碳回收管线14进入固液气三相分离器15，分离出的二氧化碳通过管线进入二氧化碳回收罐16；二氧化碳回收罐16中的二氧化碳通过管线进入过滤器17，过滤器17可进一步过滤二氧化碳中含有的杂质；经过过滤的二氧化碳通过管线进入压缩机18，被增压至5MPa；经过增压后的二氧化碳通过管线进入制冷机19，被降温到0℃以下，此时二氧化碳为液态；液态二氧化碳通过回注管线20与从二氧化碳储罐1流出的液态二氧化碳在阀门3处汇合，进入增压泵4，从而实现二氧化碳的循环利用。

本发明由于采用洁净的超临界二氧化碳流体作为破岩流体，该流体对油储层不会产生污染，从而较好地保护了油储层；由于超临界二氧化碳流体的破岩门限压力比水射流要小的多，因而能大大提高破岩效率，而且还实现了二氧化碳的循环利用，对于老井增产、非常规油气藏的开发具有重要应用价值。

以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.超临界二氧化碳径向水平井钻井系统，其特征在于，包括：

设置在地上的液体二氧化碳供应装置，所述液体二氧化碳供应装置包括液体二氧化碳储罐，和经高压管线与所述液体二氧化碳储罐连接的增压泵；

设置在井筒内的钻井装置，所述钻井装置包括油管以及安装在所述油管底部的转向器，还包括套装在所述油管内的柔性钻杆，所述柔性钻杆穿过所述转向器在井筒的底部由垂直方向转变为水平方向，所述柔性钻杆具有中空的供超临界二氧化碳流体流过的钻杆通道，所述钻杆通道的顶部与所述增压泵的出口连接，所述柔性钻杆的水平方向部分的端部安装有超临界二氧化碳喷射钻头，所述超临界二氧化碳喷射钻头设有连通所述钻杆通道的喷嘴；

设置在井口处的井内压力控制装置；

设置在地上的固液气三相分离装置，包括与所述井内压力控制装置连接的固液气三相分离器；

还包括设置在地上的二氧化碳回收装置，所述二氧化碳回收装置与所述固液气三相分离器连接。

2.如权利要求1所述的超临界二氧化碳径向水平井钻井系统，其特征在于：所述二氧化碳回收装置包括经管线依次连接的二氧化碳回收罐、过滤器、压缩机和制冷机，所述二氧化碳回收罐的进口与所述固液气三相分离器连接，所述制冷机的出口经回注管线与所述高压管线连通。

3.如权利要求1所述的超临界二氧化碳径向水平井钻井系统，其特征在于：所述液体二氧化碳供应装置还包括分别与所述液体二氧化碳储罐连接的冷却器和压力平衡罐。

4.如权利要求1所述的超临界二氧化碳径向水平井钻井系统，其特征在于：所述液体二氧化碳储罐内的液体二氧化碳的压力为2～4MPa，温度为-20℃～0℃。

5.如权利要求1所述的超临界二氧化碳径向水平井钻井系统，其特征在于：所述增压泵为三柱塞泵。

6.如权利要求1所述的超临界二氧化碳径向水平井钻井系统，其特征在于：所述井内压力控制装置包括多组并联设置的节流阀。

7.如权利要求2所述的超临界二氧化碳径向水平井钻井系统，其特征在于：所述二氧化碳回收罐的工作压力2～5MPa。

8.如权利要求2所述的超临界二氧化碳径向水平井钻井系统，其特征在于：所述回注管线上安装有单向阀。

9.一种权利要求1所述的超临界二氧化碳径向水平井钻井系统的钻井方法，其特征在于，包括如下步骤：液体二氧化碳储罐中的液态二氧化碳经增压泵增压后进入柔性钻杆；液态二氧化碳沿钻杆通道向下运行，通过地层温度升温达到31.1℃以上，达到超临界态；在井筒底部，柔性钻杆通过转向器实现由垂直方向到水平方向的转变；超临界二氧化碳由超临界二氧化碳喷射钻头的喷嘴沿水平方向喷出，形成水平方向的超临界二氧化碳射流，沿井筒的径向破碎井筒底部侧壁的岩石，最终形成径向水平井眼。

10.如权利要求9所述的超临界二氧化碳径向水平井钻井系统的钻井方法，其特征在于，还包括二氧化碳回收步骤：二氧化碳由超临界二氧化碳喷射钻头的喷嘴喷出破岩后，携带破碎岩石后形成的岩屑及部分地层流体上返至地面，经过固液气三相分离器，洁净的二氧化碳气体进入二氧化碳回收罐，再经过过滤器、压缩机和制冷机后进入增压泵，经增压泵增压后重新注入柔性钻杆的钻杆通道。

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