CN105625945A - 用于低渗透储层的钻孔装置及其钻孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低渗透储层的钻孔装置及其钻孔方法，该钻孔装置包括：钻头，其上设有喷射孔和刮刀；喷射液输送组件，其包括与钻头连接的喷射管；导向机构，对喷射液输送组件和钻头进行导向，以保证钻头的钻进方向；和旋转机构，其与喷射液输送组件固定连接，并被输送的高压流体驱动从而带动钻头旋转破岩。该钻孔装置作业效率高、成本低且环境污染小。

Description

用于低渗透储层的钻孔装置及其钻孔方法

技术领域

本发明涉及石油开采技术领域，具体涉及一种用于提高低渗透储层导流能力的钻孔装置及钻孔方法。

背景技术

相比于传统油气资源，致密油气、页岩气和煤层气等非常规资源，由于其具有低孔低渗的特征，导致其单井产能低，采收率低，开发面临更多的挑战。目前，非常规油气的开发主要采用水平井钻井技术和水平井分段压裂技术。另外，复杂结构井和压裂在低渗透油气藏增产、增效中发挥着重要的作用。

水力压裂能增加井筒与储层的接触面积，有效减小油气流入井筒的阻力，提高油气的流动速率。但是水力压裂也存在一些弊端，包括：①压裂过程中压裂液对储层的伤害，容易堵塞油气流动通道。②水力压裂施工使用大量的水、支撑剂和化学添加剂，容易造成环境的污染。③水力压裂施工之前需要固井、射孔、洗井等作业，导致施工周期长。④压裂施工作业需要大型压裂泵组、压裂车和压裂液等，作业成本较高。⑤在非均质储层，不能有效控制裂缝的走向，造成改造有效性低，也可能造成压开水层及气层，导致水和气体的早侵。

多分支井也是提高低渗储层的开发效率的方式之一。但是传统的多分支水平井需要频繁造斜、定向和复杂的井眼轨迹控制等工艺过程，导致钻井工艺复杂，作业成本高。径向钻井技术采用高速射流侵蚀储层的破岩方式取代传统的旋转机械破岩方法，避免了传统方式的施加钻压和旋转钻杆带来的一系列问题，提高了钻井效率。在一个储层横截面钻出多个径向水平井眼，这些水平井段的长度可达100m，井眼直径可超过50mm。但是该方法在储层钻进过程中，高压喷射软管不旋转，仅仅依靠单纯的高速射流进行破岩，其效率低，作业时间很长，并增加了注入液体量，对储层产生了一定的污染。并且该方法受制于射流作用不能用于坚硬的岩石，否则很难形成孔道，因此该方法受到地层岩石特性、作业时间长和成本高的限制，难以有效推广与应用。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是，提供一种作业效率高、成本低且环境污染小的用于低渗透储层的钻孔装置。

针对该问题的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的用于低渗透储层的钻孔装置，包括：

钻头，其上设有喷射孔和刮刀；

喷射液输送组件，其包括与钻头连接的喷射管；

导向机构，对喷射液输送组件和钻头进行导向，以保证钻头的钻进方向；和

旋转机构，其与喷射液输送组件固定连接，并被输送的高压流体驱动从而带动钻头旋转破岩。

与现有技术相比，本发明的用于低渗透储层的钻孔装置具有以下优点。由于能够形成射流破岩和旋转磨削破岩共同作用到低渗透储层上，大大提高了作业效率，缩短了作业时间。而且由于不再仅依赖高速喷射破岩的方式，需要的喷射流体量少，对环境的影响小。

在一个实施例中，所述喷射液输送组件包括：

设在裸眼井中的外部油管，其与旋转机构的上端外侧固定连接，并允许高压流体进入旋转机构以驱动旋转机构；

连续油管，其进入裸眼井的部分位于外部油管内；和

分流及连接组件，其一端与连续油管连接，并允许其中一部分高压流体流向钻头，另一部分高压流体经外部油管与连接油管之间的环空间隙分流进入旋转机构并驱动旋转机构。连续油管的下端连接分流及连接组件，分流及连接组件连接喷射管的一端，喷射管的另一端穿过旋转机构连接钻头。外部油管与旋转机构的上端连接，从而在外部油管、连接油管和旋转机构三者之间形成一个环空间隙，高压流体分流从该环空间隙进入旋转机构的驱动腔内驱动旋转机构。这种结构采用高压流体来驱动旋转机构，在井下环境中使用安全且节能。在一个实施例中，所述分流及连接组件包括：

旋转短节，其设在外部油管内且与喷射管远离钻头的一端连接；

扶正器，其设在外部油管内且一端与旋转短节连接；

母扣，其设在外部油管内且与扶正器连接；

公扣，其与母扣配合；和

分流件，与连续油管连接，其将从连续油管流出的高压流体分成两部分，一部分高压流体流向钻头，另一部分高压流体流向旋转机构。由于喷射管一般是采用的高压软管，加上旋转短节与外部油管之间留有一定的间隙，在高压流体的作用下，容易造成喷射管偏移，采用扶正器能解决喷射管和旋转短节偏移的问题。再下入带公扣的连续油管时，公扣和母扣容易准确连接。从而为后续喷射破岩和旋转破岩提供保障。

在一个实施例中，所述导向机构包括与旋转机构的下端连接的导向鞋，所述导向鞋内设有导向轨道。在钻井领域，导向鞋技术比较成熟，导向轨道形状和弯曲角度根据实际需要设置，因此导向鞋能对喷射管和连接的钻头起到比较准确的导向作用，较准确地定位钻孔位置和钻孔角度。

在一个优选的实施例中，所述导向轨道包括弧形的轨道部分，所述喷射管具有一定的韧性和强度以在弧形的轨道部分移动。喷射管一般采用高压软管较多，喷射管具有一定的韧性因而在移动时能较好地适应弧形的轨道部分，喷射管具有一定的强度因而能够带动钻头旋转破岩。

在一个优选的实施例中，所述旋转机构采用中空马达，所述喷射管的一端穿过中空马达并与喷射液输送组件连接。中空马达与高压喷射管的连接方便，高压喷射管从中空马达中穿过进入导向鞋，中空马达也能对高压喷射管起到辅助导向的作用。

本发明还涉及一种用于低渗透储层的钻孔方法，其采用上述的钻孔装置。

在一个实施例中，该钻孔方法包括以下步骤：所述喷射液输送组件包括分流件，向喷射液输送组件中泵入高压流体后，高压流体在分流件处分流；其中一部分高压流体经喷射管和钻头向低渗透储层喷射；另一部分高压流体分流后驱动旋转机构从而带动钻头旋转破岩。通过分流件将高压流体分成两路：一路流体形成射流破岩；一路流体作为液压驱动源驱动旋转机构。不仅节约能源，而且减少了井下驱动旋转机构的难度，简化了连接结构，降低了钻孔成本。

在一个优选的实施例中，包括以下步骤：在钻完一个孔之后，将钻头上提到完全从钻完的孔内退出的位置，然后在地面旋转所述的钻孔装置到预定角度，再钻位于同一横截面的另一个孔。这种方法可实现在同一横截面环绕着井壁钻多个孔，从而提高低渗透储层的倒流能力，简单方便，容易操作。

在一个实施例中，钻完位于同一横截面的所有孔之后，先将钻头上提到完全从钻完的孔内退出的位置，然后上提所述的钻孔装置到另一预设的横截面进行钻孔。尤其是对于需要在不同横截面钻多个孔的井内，不需要将整个钻孔装置提出，在钻头收回以后，仅需要将所述的钻孔装置上提或下放一定距离就能实现在在同一口井的另一个高度层面进行钻孔，该操作简单方便，而且节省时间，极大地提高了钻孔效率。

附图说明

图1所示是本发明的用于低渗透储层的钻孔装置的一种具体实施例的结构示意图。

图2所示是图1中的用于低渗透储层的钻孔装置钻出多个分支孔时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明的用于低渗透储层的钻孔装置的一种具体实施例。在该实施例中，该用于低渗透储层的钻孔装置主要包括钻头6、喷射液输送组件、对钻头进行导向的导向机构和带动钻头旋转破岩的旋转机构。

在一个实施例中，该喷射液输送组件主要包括外部油管1、可输送从地面泵入的高压流体的连续油管2、与钻头连接的喷射管5和连接在连续油管2与喷射管之间的分流及连接组件。另外，外部油管1连接在旋转机构3的上端外侧，分流及连接组件均设在外部油管1与旋转机构3形成的腔体内，外部油管1与旋转机构3的驱动腔连通，因此高压液体进入旋转机构3的驱动腔内能驱动旋转机构3旋转。在一个优选的实施例中，旋转机构3例如采用中空马达，喷射管5可从中空马达中穿过，而且喷射管5与中空马达的连接很方便，中空马达还能对喷射管5起到辅助导向的作用。

在一个优选的实施例中，连接在连续油管2与喷射管之间部件包括固定连接在连续油管2上的分流件11、与分流件11固定连接的管插头式公扣10、与管插头式公扣10配合的管插头式母扣9、与母扣9固定连接的扶正器8和与扶正器8固定连接的旋转短节7。另外，该旋转短节7与喷射管5固定连接。旋转短节7一般由内套和外套构成，内套和外套可相对转动，内套与喷射管5固定连接，外套与扶正器8固定连接，因此旋转短节7的内套可跟随旋转机构一起转动，而外套不会一起旋转。

在一个实施例中，管插头式公扣10、管插头式母扣9、扶正器8和旋转短节7上均设有与喷射管5连通的流体通道。分流件11的一部分流体经扶正器8和旋转短节7进入喷射管，然后从钻头6前端的多个喷射孔形成射流射向储层。

在一个优选的实施例中，导向机构4采用内设有导向轨道的导向鞋。由于导向轨道包括弧形的轨道部分，这要求用作喷射管5的高压软管具有一定的韧性以适应弧形的轨道部分，因此在喷射管5在弧形轨道上移动时不容易因弯折损坏或断裂。还要求用作喷射管5的高压软管具有一定的强度以在旋转机构转动时喷射管5可有效地带动钻头6上的多个刮刀旋转破岩。

在一个优选的实施例中，该钻孔装置根据先后放入井内的顺序分为外部组件和内部组件。其中外部组件主要包括钻头6、喷射管5、导向鞋4、中空马达、外部油管1、旋转短节7、扶正器8和母扣9。其中，钻头6为其上面设有多个喷射孔和多个刮刀的结构，适于射流和旋转破岩。喷射管5的一端与钻头6固定连接，喷射管5的另一端穿过中空马达与旋转短节7固定连接。旋转短节7与扶正器8固定连接，扶正器8与母扣9固定连接对母扣9进行扶正。旋转短节7、扶正器8和母扣9均设在外部油管1内，外部油管1位于井下的一端与中空马达的上端固定连接从而将旋转短节7、扶正器8和母扣9环绕在外部油管1内。另外，喷射管5被导向鞋4导向。在安装时，内部组件是后下入井内，外部组件后下放入外部油管1内，内部组件与外部组件装配从而形成完整的钻孔装置。该内部组件主要包括依次连接的连续油管2、分流件11和公扣10。公扣10与母扣9扣合完成两部分之间的连接。连续油管2位于外部油管1内，且与外部油管1之间留有间隙以使流体可分流进入中空马达内。内部组件下入井内，由于母扣9被扶正器8扶正，公扣10插入母扣9内从而形成扣合。向连续油管2内泵入高压流体后，高压流体在分流件11处分流。一部分高压流体进入喷射管5从钻头6喷射出来，另一部分高压流体进入外部油管1与连续油管2之间的环空间隙，从而增大环空间隙内的压力，使得流体进入中空马达并对其进行驱动。中空马达旋转从而带动喷射管5以及钻头6旋转破岩。

本发明还涉及一种用于低渗透储层的钻孔方法，其采用上述的钻孔装置。在一个实施例中，在钻孔时，先向喷射液输送组件中泵入高压流体，该高压液体可采用酸液或添加磨料。高压流体在分流件11处分流，其中一部分高压流体经喷射管5和钻头6向低渗透储层喷射；另一部分高压流体分流后驱动旋转机构3从而带动钻头6旋转破岩。在钻完一个孔之后，将钻头上提到完全从钻完的孔内退出的位置，然后在地面旋转该钻孔装置到预定角度，例如90°或120°，再钻位于同一横截面的另一个孔。理论上，在地面可以使该钻孔装置旋转任意角度，但由于在一般情况下，在同一横截面钻3～4个孔就能起到很好的导流作用，因此钻过多的孔增产的作用相对比较有限，另外，多钻孔也会导致成本的增加。在钻完位于同一横截面的所有孔(例如3个孔)之后，先将钻头6上提到完全从钻完的孔内退出的位置，然后上提所述的钻孔装置到另一预设的横截面进行钻孔。

在一个实施例中，以一口在煤层气储层内的水平井为例，来说明该用于低渗透储层的钻孔装置的安装以及该用于低渗透储层的方法用于钻孔时的具体步骤。

该钻孔装置的安装包括以下步骤：

1)是对外部组件的连接。在地面将导向鞋4与中空马达通过螺纹连接，喷射管5穿过导向鞋4与中空马达内部进行安装。在喷射管5的一端装上带多个喷射孔和多个刮刀的射流喷射式钻头6，在喷射管5的另一端安装旋转短节7，旋转短节7上再安装扶正器8和插头式母扣9，最后将外部油管1的下端与中空马达的上端通过螺纹连接。将该连接后的外部组件下入井下目的位置。

2)是对内部组件的连接和下放。将连续油管2的下端与分流件11通过螺纹连接，在分流件11的下端连接管插头式公扣10。将该连接后的内部组件下入井下与插头式母扣9连接。完成该钻孔装置的安装或装配。

在一个优选的实施例中，该用于低渗透储层的方法在钻孔时包括以下具体步骤。

在钻孔时，从地面向连续油管2中泵入高压流体，高压流体经喷射管5由钻头6的喷嘴高速射向煤层进行冲击，破碎钻头前方煤岩。另一部分流体从分流件11流出，增大连续油管2与外部油管1之间的环空压力，使得流体进入中空马达的驱动腔，中空马达旋转带动喷射管5和钻头6旋转破岩。钻头6在地层中通过喷射破岩和旋转破岩，形成孔道，连续油管2不断向下移动，喷射管5在地层内部移动，当连续油管移动50m后，停止地面液体的泵入，钻完一个孔，如图1所示。

上提连续油管2，将射流破岩的钻头6上提至导向鞋5处，钻头6完全从钻完的孔内退出。通过地面对该钻孔装置的外部组件旋转120°，重复上面的钻孔步骤，完成第二个孔的钻进。第三个孔的钻进过程与第二个孔的钻进过程完全一样，只是在第二个孔的基础上对钻孔装置的外部组件旋转120°。

在钻完三个孔后，上提连续油管2，将射流破岩钻头6上提至导向鞋5处完全退出钻完的孔。再上提该钻孔装置的外部组件30m，重复以上的钻孔过程，完成另一个横截面的3个孔道的钻进，如图2所示。

起出该钻孔装置，安装采油设备进行生产。

虽然已经结合具体实施例对本发明进行了描述，然而可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进或替换。尤其是，只要不存在结构上的冲突，各实施例中的特征均可相互结合起来，所形成的组合式特征仍属于本发明的范围内。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种用于低渗透储层的钻孔装置，包括：

钻头，其上设有喷射孔和刮刀；

喷射液输送组件，其包括与钻头连接的喷射管；

导向机构，对喷射液输送组件和钻头进行导向，以保证钻头的钻进方向；和

旋转机构，其与喷射液输送组件固定连接，并被输送的高压流体驱动从而带动钻头旋转破岩。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷射液输送组件包括：

设在裸眼井中的外部油管，其与旋转机构的上端外侧固定连接，并允许高压流体进入旋转机构以驱动旋转机构；

连续油管，其进入裸眼井的部分位于外部油管内；和

分流及连接组件，其一端与连续油管连接，并允许其中一部分高压流体流向钻头，另一部分高压流体经外部油管与连接油管之间的环空间隙分流进入旋转机构并驱动旋转机构。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述分流及连接组件包括：

旋转短节，其设在外部油管内且与喷射管远离钻头的一端连接；

扶正器，其设在外部油管内且一端与旋转短节连接；

母扣，其设在外部油管内且与扶正器连接；

公扣，其与母扣配合；和

分流件，与连续油管连接，其将从连续油管流出的高压流体分成两部分，一部分高压流体流向钻头，另一部分高压流体流向旋转机构。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的装置，其特征在于，所述导向机构包括与旋转机构的下端连接的导向鞋，所述导向鞋内设有导向轨道。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述导向轨道包括弧形的轨道部分，所述喷射管具有一定的韧性和强度以在弧形的轨道部分移动。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的装置，其特征在于，所述旋转机构采用中空马达，所述喷射管的一端穿过中空马达并与喷射液输送组件连接。

7.一种用于低渗透储层的钻孔方法，其特征在于，采用权利要求1～6中任一项所述的钻孔装置。

8.根据权利要求7所述的钻孔方法，其特征在于，所述喷射液输送组件包括分流件，向喷射液输送组件中泵入高压流体后，高压流体在分流件处分流；其中一部分高压流体经喷射管和钻头向低渗透储层喷射；另一部分高压流体分流后驱动旋转机构从而带动钻头旋转破岩。

9.根据权利要求8所述的钻孔方法，其特征在于，在钻完一个孔之后，将钻头上提到完全从钻完的孔内退出的位置，然后在地面旋转所述的钻孔装置到预定角度，再钻位于同一横截面的另一个孔。

10.根据权利要求9所述的钻孔方法，其特征在于，钻完位于同一横截面的所有孔之后，先将钻头上提到完全从钻完的孔内退出的位置，然后上提所述的钻孔装置到另一预设的横截面进行钻孔。