CN103195364A - 降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的方法及装置，包括：将泡沫注入装置与井筒套管一起下入到井筒内进行固井，然后将连续油管、与所述连续油管相连接的钻孔机构由所述套管下入到井下规定位置，进行开窗作业，开窗完成后，由泡沫产生装置通过所述泡沫注入装置向连续油管与套管之间的油套环空内注入氮气泡沫，使该氮气泡沫均匀地分布在所述油套环空内，与自所述连续油管进入到油套环空内的钻井液混合后返出地面；建立该气液循环后，在所述钻井机构的钻进过程中，流入油套环空的携带砂岩的钻井液在所述氮气泡沫的携带下一起返出地面，降低井底围压。本发明能有效地降低井底围，提高水射流喷头的破岩效率。

Description

降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的方法及装置

技术领域

本发明是关于一种提高径向水平井破岩效率的方法及装置，尤其是一种向环空注入氮气泡沫降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的方法以及泡沫注入装置，属于石油钻井开采技术领域。

背景技术

径向水平井是指曲率半径远比常规钻井曲率半径更短的一种水平井，传统的径向水平井转向半径为300mm，新型径向水平井转向半径为100mm左右。该技术是近几十年来发展起来的一项新型油田增产技术。利用该技术可使死井复活，大幅度提高油井产量和原油采收率，且能降低钻井成本，是油田老井改造、油藏挖潜和稳产增产的有效手段，尤其适合于薄油层，垂直裂缝、稠油、低渗透等油藏的开发。

第1代径向水平井技术起步于20世纪80年代，其具体实施方式是首先通过机械方法锻铣施工层位套管，然后进行大直径扩孔，最后应用高压水射流在目的油层钻小直径的水平井。此方法可以大幅增加油藏的泄油半径，并能减小近井地层伤害对产能的影响，是提高单井产量的一种有效途径。此技术的缺点是锻铣套管和扩孔过程工艺复杂，施工时间长，对井筒造成永久损坏。因此20世纪末，石油科学家提出了不需锻铣套管的管内转向径向水平井技术。其特点是在转向处径向水平井的曲率半径小于套管内径，可在套管内完成由垂直向水平方向的转向。它的具体实施方式是首先利用磨铣钻头在套管上开孔(不需要锻铣套管和扩孔)，然后用连接自进式射流钻头的高压软管通过先前在套管上所钻的孔眼并在目的油层中钻小直径的水平井。此技术大大节约了施工成本，同时又扩大了油气层裸露面积，提高了单井油气产量，在老井和新井中都能应用，特别适用于老油田增产和开发小油田、边际油田等，是目前钻井行业发展的一个新方向。但是该技术发展缓慢，主要有以下四项问题亟待解决：1)形成一定直径的孔眼；2)具有一定的射流钻进速度；3)能够实现一定的延伸长度；4)钻出形状较为规则的孔眼。

径向水平井钻井技术的关键技术有：射流钻头破岩扩孔能力、自进式钻头牵引能力、超短半径转向装置、岩屑运移与循环压耗、套管开孔、软管轨迹控制等，其中水力破岩钻头是形成水平孔的关键，而水射流破岩效率是径向水平井能够顺利钻进的保证，其中射流钻头上安装有按照一定相位、角度布置的若干前射喷嘴和若干后射喷嘴；通过前射喷嘴和后射喷嘴的数量、直径、角度等布置方式来水平钻孔、水平移动、控制水平方向轨迹和清洗携带破碎的岩屑。国内外学者对水射流钻头设计研究做了大量的工作，取得了一定的成果，目前射流钻头主要有三种不同设计和工作原理的结构形式，即多孔射流喷嘴、单孔旋转射流喷嘴与直旋混合射流喷嘴。三种喷嘴都有一定的破岩能力，但由于在存在围压的条件下，旋转射流和真旋混合射流能量衰减迅速，破岩效果较差；同时由于其喷嘴内部结构复杂，压力损失较大。

由于氮气泡沫是一种分散的均匀流体，自身独特的结构特点决定了氮气泡沫流体具有许多优点，如：氮气为惰性气体与其它气体(天然气或氧气)等相比，对钻具和设备没有腐蚀性，而且防火防爆安全性好。氮气泡沫流体在石油工业的钻井、完井、采油以及压裂酸化等领域都显示出很大的应用潜力。向环空中注入氮气泡沫，氮气泡沫的密度比较低，孔内的冲洗介质的静液柱压力也比较低，减小了在孔底形成粉垫。人们采用寄生管注气方式来降低井底围压，而公知的寄生管注气工具，如图1所示，寄生管1与套管2相连接，钻井液由普通油管3进入油套环空，该公知的结构由于只有寄生管1与套管2相连接处的一个注气喷嘴11向油套环空内注入氮气泡沫A，因此在高气速的条件下，在井筒环形空间中，会形成气相分布不均匀的情况，造成流型不稳定，不利于降低井低环空围压。

有鉴于上述公知技术存在的缺陷，本发明人根据多年从事本领域和相关领域的生产设计经验，研制出本发明的降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的方法及泡沫注入装置，其通过在环空中注入泡沫来降低井底围压，从而提高射流钻头的射流能量，进而提高水射流钻头的破岩效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低径向水平井井底围压的装置与方法，尤其是一种能够降低井底环空围压且提高水力喷头破岩效率的方法及泡沫注入装置。

为此，本发明提出一种降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的方法，包括：将泡沫注入装置与井筒套管一起下入到井筒内进行固井，然后将连续油管、与所述连续油管相连接的钻孔机构由所述套管下入到井下规定位置，进行开窗作业，开窗完成后，由泡沫产生装置通过所述泡沫注入装置向连续油管与套管之间的油套环空内注入氮气泡沫，使该氮气泡沫均匀地分布在所述油套环空内，与自所述连续油管进入到油套环空内的钻井液混合后返出地面；建立该气液循环后，在所述钻井机构的钻进过程中，流入油套环空的携带砂岩的钻井液在所述氮气泡沫的携带下一起返出地面，降低井底围压。

如上所述的降低井底环空围提高径向水平井破岩效率的方法，其中，通过在套管的规定位置沿圆周均匀布置多个出气口，各所述出气口由设置在套管上的进气口与泡沫产生装置相连接，使泡沫能均匀地被注入到油套环空内。

如上所述的降低井底环空围提高径向水平井破岩效率的方法，其中，通过将一环形注气寄生管与所述套管固定连接，该环形注气寄生管的周向均布有多个出气口，多个所述出气口与一进气口相连通，所述进气口与泡沫产生装置相连接，使泡沫能均匀地被注入到油套环空内。

如上所述的降低井底环空围提高径向水平井破岩效率的方法，其中，所述进气口直径大于各所述出气口直径。

本发明还提出一种泡沫注入装置，包括：沿套管高度方向设置的至少一个环形注气寄生管，所述环形注气寄生管上均匀设置有多个能将泡沫注入所述套管内部的出气口，所述环形注气寄生管上还设有与多个所述出气口相连通的进气口；注气寄生主管的一端与所述进气口相连接，另一端与设置在地面的泡沫产生装置相连接。

如上所述的泡沫注入装置，其中，所述环形注气寄生管设置所述套管内部，与所述套管内壁固定连接；所述注气寄生主管设置在所述套管的外部，所述进气口穿过所述套管与所述注气寄生主管相连接。

如上所述的泡沫注入装置，其中，所述环形注气寄生管的顶部或内侧面设有所述出气口，从而能向上或沿径向喷出所述泡沫。

如上所述的泡沫注入装置，其中，沿套管高度方向设有多个环形注气寄生管，每个所述环形注气寄生管的进气口均与所述注气寄生主管相连接。

如上所述的泡沫注入装置，其中，沿套管高度方向设有多个环形注气寄生管，在所述套管的外部设有多个注气寄生主管，每个所述环形注气寄生管的进气口与其中一根所述注气寄生主管相连接。

如上所述的泡沫注入装置，其中，所述进气口的直径大于所述出气口的直径。

本发明的优点和特点是：

本发明方法及装置适用于任何井眼，但特别适用于井眼直径小于88.9mm的微小井眼。由于应用在微小井眼径向水平井中，其连续油管、套管、环空的尺寸都比普通的小，气象分布不均匀对流型的影响更大，因此，本发明应用在微小井眼内的效果更为显著。

本发明设计的降低井底环空围压提高微小井眼径向水平井破岩效率的装置与方法，是将连接寄生管的套管下入井中，寄生管上的环形注气短节向环空中均匀注入气体。本发明主要具有以下优点：

1.气泡初生的半径更小；在注气量相同的情况下，本发明的多个出气口形成的多个喷嘴的鼓泡直径要比公知结构中单喷嘴的鼓泡直径要小，即初始的气泡直径较小。初始气泡的尺寸对流型的变换有着重要的影响，在相同的含气率的条件下，可能出现的流型依赖于初始气泡的尺寸。随着初始气泡尺寸的减小，流型转换的临界含气率会增加，井底围压减小。

2.气泡在环空中的分布更均匀；

3.携岩效果更好；

4.单位体积的泥浆中含气量更大。

采用本发明的方法和装置，氮气泡沫进入油套环空后，油套环空内的液柱压力降低，同时由于油套环空与水平井眼连通，所以水平段的静液压力降低，即井底围压降低；同时，围压降低时，喷嘴出口处射流压降增加、流速相应提高，因此破岩能力相对增大；围压的降低，还会引起孔眼底部岩石孔隙流体压力(底层压力)与孔眼内的压差增大，额外增加岩石在此压差作用下的拉伸、剪切破碎；泡沫流体的携岩能力高于清水介质。因此，当井底围压降低时，可多方面提高水射流喷头的破岩效率。

附图说明

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为公知的应用在直井中的寄生管注气方式；

图2为本发明的具有环形寄生管的泡沫注入方式示意图；

图3为本发明的泡沫注入装置用于径向水平井钻井作业的结构示意图；

图4为本发明的泡沫注入装置的环形注气寄生管立体示意图；

图5为本发明的泡沫注入装置的环形注气寄生管的后视示意图；

图6为本发明的泡沫注入装置的环形注气寄生管侧视示意图；

图7为本发明的泡沫注入装置的环形注气寄生管俯视示意图。

附图标号说明：

1、寄生管            11、注气喷嘴            12、定向接头          13、限位接头

14、转向器；         15、油管锚              16、转向弯道          17、轴承

2、套管              20、油套环空            3、普通油管

4、注气寄生主管      5、环形注气寄生管       50、进气口            51、出气口

6、连续油管          7、高压软管             8、转向机构           9、喷嘴

10、锚定机构    A、氮气泡沫    B、钻井液    C、混合液

具体实施方式

本发明提出一种降低井底环空围压能提高径向水平井破岩效率的方法，其包括：将泡沫注入装置与井筒套管一起下入到井筒内进行固井，然后将连续油管、与所述连续油管相连接的钻孔机构由所述套管下入到井下规定位置，进行开窗作业，开窗完成后，由泡沫产生装置通过泡沫注入装置向连续油管与套管之间的油套环空内注入氮气泡沫，使该氮气泡沫均匀地分布在油套环空内，与自连续油管进入到油套环空内的钻井液混合后返出地面；建立该气液循环后，在钻井机构的钻进过程中，流入油套环空的携带砂岩的钻井液在氮气泡沫的携带下一起返出地面，降低井底围压。

具体地是，通过在套管的规定位置沿圆周均匀布置多个出气口，各所述出气口由设置在套管上的进气口与泡沫产生装置相连接，使泡沫能均匀地被注入到油套环空内。

进一步地，通过将一环形注气寄生管与所述套管固定连接，该环形注气寄生管的周向均布有多个出气口，多个所述出气口与一进气口相连通，所述进气口与泡沫产生装置相连接，使泡沫能均匀地被注入到油套环空内。

本发明还提出一种泡沫注入装置，其包括：沿套管高度方向设置的至少一个环形注气寄生管，环形注气寄生管上均匀设置有多个能将泡沫注入套管内部的出气口，环形注气寄生管上还设有与多个出气口相连通的进气口；注气寄生主管的一端与进气口相连接，另一端与设置在地面的泡沫产生装置相连接。

本发明通过在套管的圆周上均匀设置多个与泡沫产生装置相连通的出气口，从而使泡沫在油套环空内能够均匀地分布，提高了流型的稳定性，有效地降低了井低环空的围压，提高了破岩效率。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的自进式水平钻孔方法及脉冲空化旋转射流喷嘴的具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。另外，通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入具体的了解，然而所附图仅是提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

如图2、图4-图7所示，本发明提出的泡沫注入装置包括：沿套管2高度方向设置的至少一个环形注气寄生管5，环形注气寄生管5上均匀设置有多个能将泡沫注入套管2内部的出气口51，环形注气寄生管5上还设有与多个出气口51相连通的进气口50。注气寄生主管4的一端与进气口50相连接，另一端与设置在地面的泡沫产生装置相连接。

在一个具体实施例中，如图2、图3所示，环形注气寄生管5设置套管2的内部，与套管2的内壁固定连接，例如可以焊接在套管2的内壁面上，或采用其它公知的方式与套管相固定。注气寄生主管4设置在套管2的外部，与套管2固定连接，进气口50穿过所述套管2与注气寄生主管4相连接。

由于进气口50中的注气量大，容易产生气柱，故进气口50的直径略大于出气口51的直径。由于出气口51的孔眼直径较小，分布密集，其相互之间的排气量、排气速度对整个环空注气系统影响不大，各出气口51的直径相等。

本发明的降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的方法是将泡沫注入装置与井筒套管一起下入到井筒内进行固井，然后将连续油管6、与连续油管6相连接的钻孔机构由套管2下入到井下规定位置，即钻孔用喷嘴9、高压软管7、转向机构8由连续油管6下入到套管内规定深度，进行开窗作业，开窗完成后，由泡沫产生装置通过泡沫注入装置向连续油管6与套管2之间的油套环空20内注入氮气泡沫A，使该氮气泡沫A均匀地分布在油套环空20内，与自连续油管6进入到油套环空内的钻井液B混合后返出地面；建立该气体循环后，在钻井机构的钻进过程中，流入油套环空的携带砂岩的钻井液B在所述氮气泡沫A的携带下形成钻井液与氮气泡沫的混合液C一起返出地面，降低井底围压。

此外，本发明中的环形注气寄生管5通常是固定在开窗钻孔机构上部的套管2上，如位于转向机构8上部的套管上。根据需要进行水平井钻孔作业的数量、高度要求，可以在套管2上设置多个环形注气寄生管5，以保证在各层段的钻孔作业时，都能够注入泡沫，降低围压。

可以根据需要在套管2的外部设置与环形注气寄生管5数量相对应的注气寄生主管4，每个环形注气寄生管5的进气口50与其中一根注气寄生主管4相连通，使仅在作业层段的环形注气管5向油套环空20内注入气泡。

井筒环空中的含气率随注气量的增大而增大，随钻井液排量的增大而减小，注气量和钻井液排量直接改变气液两相的比例，即直接改变含气率。在一个层段进行水平井破岩作业时，可以在该层段作业空间内，在不同高度上设置多个环形注气寄生管5，位于同一作业层段的每个环形注气寄生管5可同时与设置在套管2外部的对应于该层段的一根注气寄生主管4相连通，通过该根注气寄生主管4对该层段进行注气，可以使得含气率增大，更有效的降低井底围压。当然，对应于一个作业层段，可以在套管2的外部设置与该层段设置的环形注气寄生管5数量相等的注气寄生主管4，位于同一个作业层段的每个环形注气寄生管5可以分别与对应于该层段的其中一个注气寄生主管4相连通，以进一步提高该作业层段井筒环空中的含气率。本发明的工作原理是：在径向水平井钻井中，岩石的破碎是靠水射流直接冲击完成的，试验证明，在围压条件下，随着射流压力的增加，射流破岩效率呈现出线性增加的趋势；随着围压的增加，破岩效率呈指数下降趋势。在同压差条件下，围压比射流压力对破岩效果的影响更大。

为此，本发明设计了一套能向径向油套环空20中均匀注入氮气泡沫降低井底围压的装置。该装置由高压软管7、连续油管6及套管2形成环形空间，形成一个动态系统，便于能够连续地循环氮气泡沫氮气泡沫进入环空空间，与钻井液混合后，然后携岩上返，经出口进入机械消泡装置进行消泡，消泡后的基液由离心泵输送到基液储存罐，完成循环。由寄生管注入均匀的氮气泡沫，其中寄生管由注气寄生主管4和环形注气寄生管5组成。在环形注气寄生管5上均匀分布若干个出气口51，环形注气寄生管5可以焊接在套管2内与套管2固定为一体，其进气口50通过连接接头与设置在套管2外部的注气寄生主管4相连接，再依次将套管与套管，注气寄生主管与注气寄生主管相连接，然后将套管2与注气寄生主管4、环形注气寄生管5一起下入到井下预定位置。通过地面氮气泡沫装置，向注气寄生主管4中注入氮气，氮气通过环形注气寄生管5的出气口51进入油套环空20中，形成均匀分布的气相。

同时下入注气寄生主管4、环形注气寄生管5和套管2后，锚定井下装置，下入电测仪器到定向接头12，由定向接头12的方位来确定转向器14在井下的方位。通过限位接头13来限制高压软管7前进距离；转向器14底端通过轴承17连接油管锚15。

完成上述作业后，进行径向水平井施工，在开窗完成后，地面泵车通过泡沫产生装置泵入氮气(泡沫)，通过注气寄生主管4、环形注气寄生管5将氮气泡沫均匀地注入油套环空20内。氮气泡沫通过寄生管进入油套环空20，钻井液通过连续油管6进入油套环空20，两者在油套环空20中混合，返出地面，完成一周循环。在气体循环建立后，高压水通过连续油管6和高压软管7，经喷嘴9高压喷射破碎地层，回流携带砂岩进入油套环空20，由高速气体(泡沫)携带返出地面。在这一过程中，连续油管6内流体处于气-液两相流动状态，而油套环空20中流体处于气-液-固三相流动状态，任一时刻井底的压力状态直接取决于井筒内各相流体的流动特性、相分布特性、地层流体的侵入状况及井口回压的控制值等。

采用本发明的方法和装置，氮气泡沫进入油套环空20后，油套环空20内的液柱压力降低，同时由于油套环空20与水平井眼连通，所以水平段的静液压力降低，即井底围压降低；同时，围压降低时，喷嘴9出口处射流压降增加、流速相应提高，因此破岩能力相对增大；围压的降低，还会引起孔眼底部岩石孔隙流体压力(底层压力)与孔眼内的压差增大，额外增加岩石在此压差作用下的拉伸、剪切破碎；泡沫流体的携岩能力高于清水介质。因此，当井底围压降低时，可多方面提高水射流喷头的破岩效率。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。

Claims (10)

1.一种降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的方法，包括：将泡沫注入装置与井筒套管一起下入到井筒内进行固井，然后将连续油管、与所述连续油管相连接的钻孔机构由所述套管下入到井下规定位置，进行开窗作业，开窗完成后，由泡沫产生装置通过所述泡沫注入装置向连续油管与套管之间的油套环空内注入氮气泡沫，使该氮气泡沫均匀地分布在所述油套环空内，与自所述连续油管进入到油套环空内的钻井液混合后返出地面；建立该气液循环后，在所述钻井机构的钻进过程中，流入油套环空的携带砂岩的钻井液在所述氮气泡沫的携带下一起返出地面，降低井底围压。

2.如权利要求1所述的降低井底环空围提高径向水平井破岩效率的方法，其特征在于，通过在套管的规定位置沿圆周均匀布置多个出气口，各所述出气口由设置在套管上的进气口与泡沫产生装置相连接，使泡沫能均匀地被注入到油套环空内。

3.如权利要求1所述的降低井底环空围提高径向水平井破岩效率的方法，其特征在于，通过将一环形注气寄生管与所述套管固定连接，该环形注气寄生管的周向均布有多个出气口，多个所述出气口与一进气口相连通，所述进气口与泡沫产生装置相连接，使泡沫能均匀地被注入到油套环空内。

4.如权利要求2或3所述的降低井底环空围提高径向水平井破岩效率的方法，其特征在于，所述进气口直径大于各所述出气口直径。

5.一种泡沫注入装置，其特征在于，所述泡沫注入装置包括：沿套管高度方向设置的至少一个环形注气寄生管，所述环形注气寄生管上均匀设置有多个能将泡沫注入所述套管内部的出气口，所述环形注气寄生管上还设有与多个所述出气口相连通的进气口；注气寄生主管的一端与所述进气口相连接，另一端与设置在地面的泡沫产生装置相连接。

6.如权利要求5所述的泡沫注入装置，其特征在于，所述环形注气寄生管设置所述套管内部，与所述套管内壁固定连接；所述注气寄生主管设置在所述套管的外部，所述进气口穿过所述套管与所述注气寄生主管相连接。

7.如权利要求5所述的泡沫注入装置，其特征在于，所述环形注气寄生管的顶部或内侧面设有所述出气口，从而能向上或沿径向喷出所述泡沫。

8.如权利要求6所述的泡沫注入装置，其特征在于，沿套管高度方向设有多个环形注气寄生管，每个所述环形注气寄生管的进气口均与所述注气寄生主管相连接。

9.如权利要求6所述的泡沫注入装置，其特征在于，沿套管高度方向设有多个环形注气寄生管，在所述套管的外部设有多个注气寄生主管，每个所述环形注气寄生管的进气口与其中一根所述注气寄生主管相连接。

10.如权利要求5至9任一项所述的泡沫注入装置，其特征在于，所述进气口的直径大于所述出气口的直径。

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