CN103790516A - 一种利用热力射流高效破岩的钻井新方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种利用热力射流高效破岩的钻井新方法，以及整套施工方案。其系统组成包括：连续油管作业机，电测仪器车，电缆，空气注入管道、燃料注入管道，燃料反应腔及热力射流喷嘴，地面泵组等。该技术利用岩石持续受热表面产生裂缝直至裂解的原理，通过热力射流作用于深井硬地层的岩石，在高温高压的流体介质的传热和冲击力作用下实现非接触式高效破岩，提高了井底能量利用率。该技术工艺流程简单，结合了连续油管钻井技术，无需更换钻头，减少起下钻的时间，降低管柱的磨损，节约了钻井作业的成本。本发明创造性的将热力射流技术引入连续油管钻井中，有利于连续管技术的推广应用，实现油气资源的高效开采。

Description

一种利用热力射流高效破岩的钻井新方法

技术领域

本发明涉及到石油开采领域，将连续管技术与热力射流技术相结合，是实现高效破岩的钻井新技术。本发明利用热力射流和岩石热裂解原理，实现井下非接触式破岩，其深井硬地层的破岩效率远远高于常规钻井。

背景技术

我国中东部油田均已逐渐进入开发后期，剩余油气资源中约40％处于深部地层(＞4500m)。近年来发现的特大油气田，如塔里木、川东北、松辽油田等均处于深部地层，因此深层油气的勘探开发已经成为我国油气发展的重大战略需求。深部地层岩石硬度高，可钻性差，随着井深的增加，钻机机械能量和水力能量沿程损失大，能量有效利用率低，常规机械方法钻速低、周期长，制约了我国深层油气的高效开发进程。因此亟需开发一种适用于深层硬地层的高效钻井新方法，以实现我国油气资源可持续发展的战略目标。

高压水射流技术是提高钻井速度的有效途径之一，近十几年来得到了迅速的发展。高压水射流的破岩门限压力高，要实现深井条件下辅助钻头破岩的条件，必须通过井下增压装置来提高射流压力。但在井下高温高压的复杂工作环境中，射流增压装置的工作寿命低，限制了该技术的推广应用。岩石热裂解，作为一种岩石破碎的方法，在上世纪40年代提出，已在采矿业和地热井等领域有初步应用。它利用热空气、火焰等高温介质加热岩石，使其内部产生非均匀膨胀应力，不断在岩石内部形成微裂缝，直至岩石裂解破碎。

现代大多数研究都是从高压水射流破岩和岩石热裂解的机理与规律展开的。美国国防部在70年代对空气热裂解钻井技术应用于采矿业进行了资助，达到了钻井速度5倍于常规钻井的结果。美国Potter Drilling公司改进了空气热裂解技术，在井筒中使用流体，通过工作液传递热量，进一步扩大了热裂解钻井技术的应用范围。在2009年，美国能源部对岩石热裂解在地热井的应用进行了资助，预计在未来几年展开地热井的钻井试验。但在油气井工程中，热力射流钻井技术尚未出现。

热力射流破岩钻井技术从本质上讲，是利用燃料燃烧的化学能产生具有一定温度和压力的高温热力射流，冲击岩石后迅速传热，致使岩石表面产生裂缝直至裂解。与常规钻井技术相比热力射流破岩结合连续油管钻井新方法有以下优点：1)在深井硬地层中，井底能量利用率提高，钻速大大提高；2)结合连续管作业，减少或者不使用钻头，减少了起下钻时间；3)热力射流作用于深井硬地层岩石后，岩石的孔隙度和渗透率增加明显，有利于后续的油气开采；4)该技术工艺较为简单，成本较低，安全可靠。

考虑热力射流和岩石热裂解原理，结合连续油管技术，本发明人根据多年从事岩石破碎方面的实践和经验，以高效破岩，提高钻速为目的，提出本发明的热力射流钻井新方法。

发明内容

本发明的目的是将热力射流钻井技术引用到连续油管钻井中，突破现有常规钻井方式对于钻深层高硬度岩石机械钻速低，周期长的技术瓶颈，实现高效破岩，进而实现高效经济的油气资源开发，尽可能提高油藏的动用程度及最终的采收率，保障国家能源战略安全。

热力射流破岩钻井方法，即利用具有高温高压特性的热力射流代替现有的机械和水力破岩方式。这样就彻底解决了破岩效率低、井底能量不足等关键问题。热力射流持续冲击岩石，由于快速传热致使岩石表面裂解，并在射流冲击作用下高效破岩。采用连续油管进行作业，无需更换钻头和钻柱旋转，大大简化了工艺流程，降低了钻井成本。

该钻井方式下，利用置于连续油管内部的管线将燃料和空气送入井下的热力射流反应腔内，控制反应腔内的温度达到400-500℃，压力达到30MPa，在该温度和压力下，从连续油管注入反应腔内的水处于超临界状态。当温度达到374.1℃，压力达到21.83MPa时，因高温而膨胀的水的密度和因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相等，水达到超临界状态，此时水的液体和气体没有区别，完全交融在一起，呈现出高温高压的均相流体状态。在超临界状态下水具有良好的性质：超临界水具有极强的氧化能力，有机物和氧气在超临界水中具有极大的溶解度。反应腔内燃料，氧气与水共存，水作为良好的溶解剂和助燃剂，在超临界水环境中，燃烧反应不受相间转移的限制，燃料和氧气混合充分，能量利用率高，燃烧反应完全彻底，生成二氧化碳和水，在超临界水环境中产生的具有高温高压的流体介质从喷射装置前端的热力射流喷嘴处发出。同时氧化反应进行过程中释放出大量热，反应一旦开始热量就可以维持反应持续进行，无需再借助外界的补给，钻进过程中实现能量的自给自足。

同时，深井硬地层岩石主要以花岗岩和大理石为主，岩石本身的导热系数较低，当加热速率较大时，由于热传导在时间和空间中的迟滞效应，加热速度越大，热膨胀率就越高，产生裂缝的速度也越快。岩石的变化主要受到温度梯度的影响。热力射流的破岩原理就基于很高的加热速度，燃料反应和热力射流喷射过程中水一直处于超临界状态，从喷嘴射出后作用于井底，高速射流持续冲击井底岩石，在其冲击下岩石主体破坏为毫秒量级。岩石受热后，由于内部各种矿物组分的热膨胀率不同，岩石内部会产生热应力；矿物颗粒之间或者岩石内部缺陷处出现微裂缝并且逐渐扩展破裂；在持续热力射流的冲击和加热作用下，岩石表面的碎片剥落，应力得以释放，新的岩面显露，从而达到持续破岩的作用。

由于超临界态下的水密度低，钻进过程中使井底一直处于欠平衡状态，减少压持效应，利于井底岩石自动剥离，机械钻速得到提高。同时欠平衡近井地带的孔隙度和渗透率均有提高，有利于后期稳定高效的油气开采。水经由井底，将破碎岩屑返排至地面，完成循环。

热力射流与岩石热裂解的研究向深井高硬度地层发展更加具有现实意义。由于常规机械钻进的延伸极限在12km到15km之间，技术较为复杂，加上深井机械钻速很低，部分地区和地层仅达到1-2m／h，完井周期较长，钻井成本较高，因此需要高效的钻井新技术。在这样的工程背景下，本发明人创造性提出将连续油管技术应用到热力射流钻井中，并形成了整套的施工方案。热力射流钻井系统组成主要包括：连续油管作业机、电测仪器车、空气注入管道、燃料注入管道、热力射流反应腔、热力射流喷射装置、地面泵组等。各部分的功能如下所述：

连续油管作业机：实现管线的送进；空气和燃料注入管道：置于连续油管内部，将空气和燃料注入井下反应腔的通道；燃料反应腔：安装在连续油管末端，燃料和空气于该装置内进行反应。该装置内的电阻丝与电缆连接，控制反应的进行；热力射流喷嘴：可设计为多种结构适用于不同特性的射流，置于射流反应腔前端，是热力射流的发生装置，射流作用于深层岩石上。同时，喷射装置周围均匀分布有多个流体通道，高速流体经过通道，将破碎的岩屑携带出井筒，同时起到冷却、保护喷射头的作用。电测仪器车：将电缆连接于地面和反应腔之间，控制反应腔内反应的进行；地面泵组：提供高速流体(冷水)，高温高压下的超临界水作为射流反应的溶解剂和助燃剂，同时用于岩屑的冷却和返排，清洗井底。

热力射流钻井新技术的工艺特征是：

1.通井、洗井；

2.将电缆穿入连续油管中，连接到位于连续油管末端的燃料反应腔内；

3.开启地面泵组，从连续油管内泵入高速流体，同时通过连续油管作业机将空气和燃料注入热力射流反应腔中；

4.开连续油管作业机，管线送入目标层段；

5.通过电缆控制热力射流反应腔内电阻丝加热，反应腔内温度和压力升高，使得从连续油管内泵入的水达到超临界状态，超临界水与有机燃料充分混合，溶解大量氧气，超临界水极强的氧化性支持燃烧反应迅速进行。反应过程中释放大量热，热量可以维持反应持续进行，无需外界能量补给。

6.热力射流从喷嘴发出，作用于井底岩石上，岩石受热后，内部会产生热应力矿物颗粒之间或者岩石内部缺陷处出现微裂缝并且逐渐扩展破裂；在持续射流的冲击作用下，岩石表面的碎片剥落，应力得以释放，新的岩面显露，钻进持续进行。

7.钻至目标层位，关做业机，关泵，取出作业管柱，完成作业。

本发明提出的热力射流钻井新方法，通过岩石受到热力射流的作用产生裂解，从而达到高效破岩的目的，该方法相比于常规深井钻进，主要以下优点：

1.超临界水使燃料和氧气充分混合，热力射流能量利用率高，喷射过程中能量自给自足，在深井硬地层钻进速度远远高于常规钻井；

2.工艺流程较为简单，钻进过程中无需钻头，减少起下时间，钻柱无需旋转，降低钻柱磨损。现场适应性好；

3.热力射流作用后，低密度的超临界水使近井地带始终处于局部欠平衡状态，储层渗透率提高，有利于后期开采作业。

4.钻井成本低，安全性高。

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为热力射流钻井技术系统示意图。

图2为热力射流反应腔和喷嘴局部示意图

图3为岩石受力传热破碎机理图

附图标号说明：

1.水泥环2.连续油管3.燃料和空气通道4.电阻丝5.热力射流介质6.连续油管作业车7.环空8.岩屑9.热力射流反应腔10.热力射流喷嘴11.热力射流反应腔12.电缆13.热力射流喷嘴14.连续油管15.燃料和空气通道16.电阻丝17.热力射流通道18.热力射流介质19.热量传递层20.井底岩石21.热传递产生热应力，裂缝起裂22.热量在岩石内部传递23.岩石持续受热，天然裂缝扩展破裂24.碎片剥落，热应力释放

具体实施方式

本发明创造性的提出将热力射流和岩石热裂解技术应用于深井硬地层钻井中，并形成了整套的施工方案。很好的解决了深井硬地层破岩效率低，井底能量不足等关键问题。配合使用连续油管钻井技术，无需更换钻头，大大节省了起下钻的时间，降低了管柱的磨损。同时，热力射流破岩的能量利用率高，在深井硬地层中的非接触式破岩大大提高钻井速度，可以极大缩短钻进时间。热力射流钻井同时能够使近井地带的孔隙度和渗透率增加，有利于后期更高效的有效开采。

热力射流破岩钻井的系统组成主要包括：连续油管作业机，空气注入管道、燃料注入管道、热力射流反应腔、热力射流喷嘴、电测仪器车、地面泵组等。下面结合附图，对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。将作业长度的电缆12穿入连续管2中，为减少压力损失，以及更好的送进管线，应当选择尺寸不同的连续油管：下部管线使用小尺寸连续管，长度比设计孔眼深度略长，上部使用大尺寸连续管；将热力射流反应腔9和热力射流喷嘴10连接于连续油管的末端。分别将燃料和空气注入管道从地面连接至热力射流反应腔9内，反应腔内电阻丝4通过电缆控制开始加热，热力射流喷嘴10置于燃烧装置的前端，这样组成了完整的井下钻进管柱，通过连续油管的下入，可实现管线的送进。

3.将地面泵组，连续油管作业车6以及相应的管线进行连接。

4.下入管柱，开启地面泵组，从连续油管内泵入高速流体，开始循环作业。

5.向热力射流反应腔9内注入燃料和空气，开连续油管作业机，电缆12控制反应腔9中电阻丝4加热，温度压力升高至450℃以上，井口回压和液柱压力调节井底压力在20MPa以上。该条件下水达到超临界状态，热力射流5产生冲蚀地层破岩。控制连续油管速度，平稳进入。

6.具有高温高压的高速流体介质5从喷嘴10射出，破碎岩石。同时将井底产生的岩屑携带至地面，完成循环。

7.除了高速射流对于地层岩石的冲击作用，如图3，高温高压的流体介质18持续对地层岩石20加热，在热传递的作用下岩石的状态经历三个过程：A热传递产生热应力；B持续受热天然裂缝扩展破裂；C碎片剥落，应力释放，露出新的岩面。

8.完成作业后停止注入燃料和空气，关闭电测仪器车，关地面泵组，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 (8)

1.一种利用热力射流破岩的钻井新方法，以及整套施工方案，其系统组成主要包括：连续油管作业机，电测仪器车，电缆，反应物注入管道，燃料反应腔、热力射流喷嘴，地面泵组等。其特征是：通过控制燃料反应腔内的温度和压力，利用水达到超临界态而具有良好的溶解性和助燃性，促使燃料和空气充分混合燃烧反应，从喷嘴处发出具有高温高压特性的热力射流，持续冲击岩石后传热，致使岩石表面产生裂缝乃至裂解，降低岩石破碎的门限压力，实现在深井硬地层中射流冲击作用下岩石的高效破碎。施工过程中由连续油管完成管线的不断送进，实现连续钻进，节省起下管柱时间，减小管柱磨阻。工艺过程简单，易于操作，现场适应性强。

2.根据权利要求1所述的热力射流高效破岩钻井新方法，以及整套施工方案，其特征是：燃料反应腔内的温度维持在400℃以上，静液柱压力和井口回压维持井底压力大于20MPa，在该温度和压力下水始终处于超临界状态。超临界水具有极强的氧化性，且对有机物燃料和氧气具有极强的溶解能力。燃烧反应中有机物、氧气和水形成均一相，克服相间物质传输阻力，使得气液两相反应转化为单相反应，同时高温高压环境大大提高了有机物的氧化速率。因此，燃烧反应进行迅速，在超临界水的环境中产生具有高温高压的流体介质，反应过程中释放大量的热使得水一直处于超临界状态，燃烧反应持续进行。所以热力射流一旦产生，便无需能量的补给，实现能量的自给自足。

3.根据权利要求1所述的热力射流高效破岩钻井新方法，以及整套施工方案，其特征是：煤油等有机燃料在反应腔内进行剧烈的燃烧反应，生成水和二氧化碳，释放大量的热能。从喷嘴处射出的水和二氧化碳均处于超临界状态，持续对井底岩石产生冲击力；同时深井硬地层花岗岩、大理石等岩石热膨胀系数大，燃烧反应产生的巨大热量在井底持续高速传递，岩石表面产生裂缝直至裂解，加速岩石的破坏。该新方法基于热量传递和流体介质冲击破岩，实现了非机械非接触式破岩作业。

4.根据权利要求1所述的热力射流高效破岩钻井新方法，以及整套施工方案，其特征是：燃料反应腔前端连接热力射流喷嘴，用于将高温高压的流体介质喷出，作用于井底。热力射流喷嘴可采用直线型、锥形等多种喷嘴内部结构，改变射流的流动特性，适用于直射流、旋转射流、连续射流、脉冲射流等多种作业方式。

5.根据权利要求1所述的热力射流高效破岩钻井新方法，以及整套施工方案，其特征是：超临界水在450℃、27MPa下的密度仅为0.128g／cm³，故超临界水射流冲击到井底后，液柱压力降低会使井底岩石处于局部欠平衡状态，有利于降低钻进过程中的压持效应，有利于岩屑自动剥离，机械钻速得到提高。同时，井底的欠平衡状态有利于缓解近井地带的污染堵塞，便于后期开采作业提高采收率。

6.根据权利要求1所述的热力射流高效破岩钻井新方法，以及整套施工方案，其特征是：该钻井方式下，水通过连续油管注入燃料反应装置内，达到超临界状态后，以高速射流的方式作用于井底，携带岩屑通过环空返回地面。整个过程实现了流体环境下的钻进，这样可以通过井口的回压控制井筒压力，防止井喷等事故的发生。

7.根据权利要求1所述的热力射流高效破岩钻井新方法，以及整套施工方案，其特征是：该方法与连续油管技术相配合，通过连续油管的下入实现管线的送进，无需使用钻头，下入一次管柱完成钻井作业，减少了起下作业管柱的时间，节约地面设备的占地面积，现场应用适应性强。

8.根据权利要求1所述的热力射流高效破岩钻井新方法，以及整套施工方案，其特征是：连续油管、空气和柴油注入通道均缠绕于连续管作业机上。利用穿入连续油管内的电缆控制反应装置内反应的进行。反应装置内的电阻丝通电后发热，使反应腔内流体的温度达到400℃以上，为燃烧反应进行提供必要温度。

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