CN103790515A - 一种利用激光钻径向井的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种激光钻径向井的新方法，以及整套施工方案。其系统组成包括：车载式激光器、连续油管作业机、能量光纤、激光头、地面泵组等。该技术利用激光破岩的方式代替现有的水力破岩方式，其钻进速度为水力破岩方式的10～100倍，可形成规则大尺寸孔眼，而且激光作用后近井地带的储层物性有所改善，有利于后期油气开采；同时，其工艺流程较为简单，省去了现有技术下管柱进行套管开窗的过程，现场适应性强。本发明创造性的将激光钻井引入到径向井技术中，有利于径向井技术的推广应用，实现油气资源的高效开采，并提高其最终采收率。

Description

一种利用激光钻径向井的新方法

技术领域

本发明涉及到石油开采领域，为一种利用激光钻径向井的新方法，即利用高能激光破岩实现径向钻孔的新技术。

背景技术

超短半径侧钻水平井钻井技术(又称径向井钻井技术)是指在垂直井眼内沿径向钻出呈辐射状分布的一口或多口水平井眼。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。其根本特征是它能够在超短半径(<300mm)的垂直井井段中完成从垂直转向水平，避免了常规钻水平井中频繁造斜定向和复杂井眼轨迹控制等工艺过程，保证水平井准确进入目的层。它抛弃了传统的靠钻头旋转机械破岩的方法，采用了高压水射流破岩形成水平井眼的新技术，彻底解决了常规钻水平井技术所遇到的施加钻压困难和钻杆旋转带来的一系列问题，减少了井下事故的发生。也因此使得斜向器与水力破岩钻头成为该技术的主要难点。

径向井钻孔技术的发展主要经历了2个阶段：传统径向井技术和不扩孔径向井技术。

传统径向井技术的工艺原理为：首先在油气井的预定深度对套管进行锻铣，再利用大直径的扩孔工具对锻铣后的井眼进行扩径，然后下入并锚定转向器，通过液压或者机械的方式使转向器沿预定的方位支起，柔性钻管在液压作用下，经转向器90°弯曲后进入地层，高压射流破碎岩石并清洗井眼，最终形成径向井眼。由于扩孔工艺复杂，且成功率不高，成本较高，极大的限制了该技术的应用。

不扩孔径向井技术不需要套管段铣和大直径扩孔等复杂的前期准备，从根本上克服了传统径向井技术成本高、钻井效率低的难题。但是，在不扩孔的条件下，所使用的管线的种类及尺寸受到了一定的限制，而且在高压作业条件下，斜向器对管线的摩擦阻力大，使得送进困难，极大的限制了水平孔眼的延伸。因此，要求水力破岩钻头在有限的流量条件下不仅要破岩，还要提供自进力。但是，目前的水力破岩钻头技术水平很难满足这一要求。因此，限制了该技术的推广应用。

激光钻井技术从本质上讲，是利用激光器件把多种形式的能量转换成光子，光子经过聚焦成为强光束，将照射区域内的岩石通过热力破碎、熔化、蒸发等方式去除的技术。与常规钻井技术相比激光钻井技术主要有以下优点：1)钻速是常规钻井技术的10～100倍，减少钻时，降低钻井成本；2)无需同轴套管，使用或不使用套管情况下，可钻单一井径的井眼，钻机功率减少，套管成本减少；3)光子沿直线传播，所以井眼轨迹偏离预定轨道的情况减少；4)可减少或者不使用钻头，减少了起下钻时间；5)激光作用后井眼周围的岩石的孔隙度和渗透率均有增加，有利于生产。

激光钻井技术在国内外已进行了大量研究，研究人员发现：千瓦级的激光器可以满足激光破岩的需求，特别是光纤耦合的千瓦级激光器；激光破岩主要以热力破碎、熔化、蒸发等形式，其中热力破碎是效率最高的一种方式，且避免在井眼壁面形成致密釉化层；进一步研究表明，通过控制平均比功率或曝光时间可将激光破岩控制在热力破碎区域内，实现高效破岩；同时，研究还发现多束激光可以实现大孔眼钻进。综上所述，激光钻井技术可行性较高。

现代激光钻井的研究主要集中在向纵深钻进的领域。这主要是因为：常规机械钻进的延伸极限在12km到15km之间，而且技术较为复杂，完井周期较长，钻井成本较高，尤其是海上油气田的开发，因此迫切需要高效的钻井新技术；与此同时，“无机生油理论”认为在地下100km的深埋着丰富的油气资源，激光技术是最有可能的实现深层开采的技术。

综合考虑径向井技术与激光钻井技术的优缺点，本发明人根据多年从事径向井系统技术研究的经验，突破常规思维，将激光钻井技术与径向井技术有机结合，提出了利用激光钻径向井的新方法。

发明内容

本发明的目的是将高能激光钻井技术与径向水平钻井技术相结合，克服现有技术的缺陷，充分发挥激光钻井与径向井技术各自的优势，实现径向井技术的大规模应用，进而实现高效经济的开发油气资源，尽可能提高油藏的动用程度及其最终采收率，保障国家能源战略安全。

本发明提出利用激光破岩替代现有的水力破岩方式。此处的激光破岩是指由激光器器产生高能激光，经光纤传输至井下，经激光头照射与岩石之上，在数秒内使岩石表面加热至650℃以上，诱发热应力破碎岩石，同时引起周围岩石的脱水与蒸发，改善地层物性。这种破岩方式能够实现高效破岩，实验研究表明其破岩速度是常规破岩方式的10～100倍；同时，激光破岩形成孔眼几何形状规则；将激光能量控制在热力破碎范围内，可提高破岩效率以及能量利用率，提高井眼周围的孔隙度与渗透率，有利于后期稳定高效的油气开采。同时，彻底解决了破岩效率低、井底能量不足等关键问题，而且不需要高压流体的作用，在以超短半径由垂直转为水平弯道处管线的受力情况大为改善，配合使用滚珠式斜向器，将会极大地减少管线送进的摩擦阻力，有利于孔眼延伸。

光纤耦合激光器是激光钻井技术的关键。已有研究指出千瓦级光纤激光器可以将激光破岩控制在热力破碎阶段内，实现高效破岩。因此，现有的掺钕钇铝石榴石(Nd：YAG)激光器，工作波长1.06μm，通常商业上可以获得4KW的工业激光，可以满足地面破岩需求，若将其应用钻井还需要进一步研究。另外，我国已成功研制出商用石墨烯飞秒光纤激光器，同时创造了脉冲宽度最短(105fs)和峰值最高(70KW)两项石墨烯飞秒光纤激光器世界纪录。其性能指标均高于同类产品，具有很高的性价比和很强的市场竞争能力。性价比高，性能可靠的激光器的研制促进了激光应用于钻井的发展。

在这种背景下，本发明人创造性提出，将激光钻井技术应用到径向井钻井中，并形成了整套施工方案。其中，激光钻径向井的系统组成主要包括：车载式激光器、连续油管作业机、能量光纤、斜向器、激光头、激光头保持架、转向器、锚定器、地面泵组等。各部分的功能如下所述：

车载式激光器，产生高能激光；连续油管作业机，实现管线送进，以及为高速流体提供通道；能量光纤，将激光传送到激光头；斜向器，实现从垂直到水平的转向；激光头，激光作用在岩石上的输出口，通过透镜组控制能量、光束直径等参数；激光头保持架，安装在连续管的末端，为激光头提供支撑与保护，为高速流体提供通道；转向器，在一个孔眼完钻之后，旋转一定的角度，在同层位继续钻其他孔眼；锚定器，将作业管柱固定在作业层位；地面泵组，提供高速流体(压缩空气或清水)，冷却、保护激光头，清洗井底。

激光钻径向井的工艺流程的特征是：

1、通井、洗井；

2、将光纤穿入连续管中，并安装激光头及激光头保持架；

3、用油管将斜向器、转向器、锚定器等下入目的层，进行定位，并锚定；

4、下入连续油管以及光纤到斜向器出口；

5、开地面泵组，泵入高速流体；

6、开激光器，开连续管作业机，开始套管开窗，地层钻进，控制送入速度，平缓进入；

7、第一个孔眼完成钻进后，关闭激光，作业管线收回到垂直井筒内；

8、通过转向器，进行下一个孔眼的钻进；

9、重复步骤6、7、8，直至所有孔眼完成钻进；

10、关激光，关泵，取出作业管柱，完成作业。

本发明提出的利用激光钻径向井的新方法及其工艺与现有径向井技术相比。主要具有以下优点：

1、激光钻进速度是常规破岩方法的10～100倍；

2、管线不必承压，改善了管线受力情况，特别是在转弯处，有利于管线的送进；

3、无需专门的套管开窗过程，工艺流程较为简单，现场适应性好；

4、所钻井眼较为规则，尺寸可控制；

5、激光作用后，近井地带的储层物性得到控制，利于后期油气资源开采；

6、其延伸能力是传统技术所无法比拟的。

附图说明

以下附图对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明工具的范围。

图1为激光钻径向井系统组成及施工流程示意图

附图标号说明：

1、连续油管作业机 2、地层 3、水泥环 4、套管 5、斜向器 6、油气储层7、锚定器 8、地面泵组 9、车载激光器 10、油管 11、连续油管 12、光纤13、激光器保持架 14、激光束 15、激光头 16、辅助流体 17、转向器

具体实施方式

本发明创造性的提出将激光钻井技术应用于径向井技术，并形成了整套施工方案。彻底解决了破岩效率低、井底能量不足等关键问题。而且不需要高压流体的作用，在以超短半径由垂直转为水平弯道处管线的受力情况大为改善，配合使用滚珠式斜向器，将会极大地减少管线送进的摩擦阻力，有利于孔眼延伸。同时，激光钻井井下破岩的能量利用率高；钻井深度在理论上可以无限延伸；激光钻井的钻速是传统钻进方式的10～100倍，可极大缩短钻进时间；激光破岩的孔眼几何形状规则；其孔眼直径主要是激光光斑直径决定，可通过调节焦距来实现；激光钻井能使近井地带的孔隙度和渗透率增加，有利于后期稳定高效的油气开采。

激光钻径向井的系统组成主要包括：车载式激光器9、连续油管作业机1、能量光纤12、斜向器5、激光头15、激光头保持架13、转向器17、锚定器7、地面泵组8等。下面结合附图、工艺流程做进一步具体说明：

1、油井准备。将作业井进行通井、洗井，做好作业准备；

2、组装工具。首先，将作业长度的光纤12穿入到连续管11中，为了减少压力损失，以及更好的送进管线，应选择不同尺寸的连续管11，即下部管线使用小尺寸连续管，长度应比设计孔眼深度略长为宜，上部则使用大尺寸连续管；然后，将激光头保持架13放在光纤12与激光头15之间，在小尺寸连续管末端，将光纤12与激光头15连接；最后，通过激光头保持架13将激光头与小尺寸连续管11末端连接到一起，组成井下钻进管柱；这样通过连续管的下入，可实现管线的送进；同时，连续管可提供激光破岩所需的高速辅助气流或液流，还可以保持一定的形状，有利于形成规则井眼；激光头15作为激光作用于岩石的输出口，可通过透镜组控制能量、光束直径等参数；保持架13上均匀分布着多个高速辅助流体的通道，高速流体经通道，将经激光照射形成的岩石气液固多相流体携带出来，同时能够冷却、保护激光头；

3、下入管柱。将锚定器7、转向器17、斜向器5自下而上一次连接，最后连接在油管10的末端。用油管10将管柱下入预定井深，通过测井，定好方位后，用锚定器7实现定位；此外，由于管线不承受过高的压力，所以其受力情况有所改善，相应的斜向器5受力情况可有所改善，可以采用滚珠式斜向器，尽可能降低转弯摩阻，使得管线更加容易下入，也增加了水平井眼的延伸极限；转向器17在钻完一个孔眼后，可实现作业管柱整体转过一定角度达到设计方位，继续钻进；

4、下入钻进作业管柱。将地面泵组8、车载激光器9以及连续管作业机1相应管线进行连接，然后开连续管作业机1将钻进作业管柱下入到斜向器5的出口端，停止送进；

5、开地面泵组8，泵入高速流体，形成循环，工作正常后进行下一步；

6、开车载激光器9，开连续管作业机1，开始套管开窗，地层钻进等作业，控制送入速度，平稳进入，由于激光钻井无可比拟的钻井优势，可在短时间内形成较为规则大尺寸的较深孔眼，故可在短时间内完成所有孔眼的钻进，极大的节约了钻井时间；同时，其延伸极限得到扩展，但是针对不同的油藏，孔眼延伸长度并不是越长越好，故应进行合理设计；另外，经激光作用后近井地带的储层物性参数极大改善，对于后期油气开采十分有利。

7、第一个孔眼完成钻进后，关闭车载激光器9，将钻进管柱收回到斜向器5内；

8、通过转向器17完成转向，进行下一个孔眼的钻进；

9、重复步骤6、7、8，直至所有孔眼完成钻进；

10、关车载激光器9，关地面泵组8，取出作业管柱，完成作业。

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。

Claims (5)

1.一种激光钻径向井的新方法，以及整套施工方案，其系统组成主要包括：车载式激光器、连续油管作业机、能量光纤、激光头、激光头保持架等，其特征是：由车载式激光器产生高能激光，经能量光纤传输至井下，经激光头聚焦后作用于井底岩石，高能光束使岩石局部数秒内加热，诱导形成热应力破碎岩石，然后由高速辅助气流或液流将其清除，实现高速连续钻进，形成规则大尺寸孔眼；完钻一个孔眼后，通过简单转向即开始新的孔眼钻进，工艺过程较为简单，易于操作，现场适应性强。

2.根据权利要求1所述的激光钻径向井的新方法，以及整套施工方案，其特征是：光纤在连续管内部，由激光头保持架在连续管末端实现连接，这样通过连续管的下入，可实现管线的送进；同时，连续管可提供激光破岩所需的高速辅助气流或液流，还可以保持一定的形状，有利于形成规则井眼。

3.根据权利要求1所述的激光钻径向井的新方法，以及整套施工方案，其特征是：工艺较为简单，可操作性强，一趟下管柱即可完成所有孔眼钻进，并且省去了现有技术流程中起下套管开窗管柱的过程，简化了工艺流程，且钻进速度较快，钻时大为减少，1～2天即可完钻。

4.根据权利要求1所述的激光钻径向井的新方法，以及整套施工方案，其特征是：由于管线不承受过高的压力，其受力情况有所改善，相应的斜向器的受力情况有所改善，故选用滚珠式斜向器，降低了转弯摩阻，使得管线更加容易下入，也增加了水平井眼的延伸极限。

5.根据权利要求1所述的激光钻径向井的新方法，以及整套施工方案，其特征是：激光头作为激光作用岩石的输出口，可通过透镜组控制能量、光束直径等参数，从而控制所钻孔眼的尺寸。

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