CN107288540B - 一种油气钻井增产联作装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种油气钻井增产联作装置及方法，该装置包括：高压泵；高压连续油管；井下钻具组合，包括：钻头，与高压连续油管连接，钻头的前、后端分别开设有破岩喷嘴和推力喷嘴；井下切割短节，包括壳体和阀体，阀体具有轴向水力通道以及径向水力通道，壳体内设有射流通道，射流通道设有径向射流喷嘴，壳体内还设有钻进水通道，轴向水力通道与钻头的破岩喷嘴连通；当阀体在壳体内移动使得所述轴向水力通道与钻进水通道连通时，径向水力通道不与射流通道连通，当径向水力通道与射流通道连通时，轴向水力通道不与钻进水通道连通。本发明相比现有油气开采技术：(1)作业效率高；(2)增产效果好；(3)储层适应性广；(4)环境影响小。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油天然气开采装置及方法，特别适用于低渗透储层油气的开采。
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低孔低渗的特征，使得其单井产能低、采收率低、经济效益差，开发面临很多挑战。低渗透油气的开发主要采用水平井钻井和水平井分段压裂技术，但目前水平井钻井和水平井分段压裂为两个施工过程，水平井完钻后，起出钻杆，下入完井管柱，进行水平井分段压裂作业，施工工序复杂，建井周期较长，作业成本较高。
中国专利“一种煤层瓦斯抽放装置及方法”介绍了一种钻孔、固孔、冲屑、水动力致裂为一体的瓦斯抽放方法，但是该技术采用的是煤矿用钻机，钻机在矿井下作业，同时采用的常规钻杆钻井作业和割缝，作业压力较低，水力破岩和水力割缝效果差，对井下瓦斯抽采具有一定的效果，但是不适用于油气地面开发。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种油气钻井增产联作装置及方法，用于克服目前钻井、压裂方法施工工序复杂，建井周期较长，作业成本较高的缺陷。
为达上述目的，本发明提供一种油气钻井增产联作装置，其包括：
高压泵；
高压连续油管，其一端与高压泵连接；以及
井下钻具组合，其包括：
钻头，其与所述高压连续油管的另一端连接，所述钻头的前端开设有多个破岩喷嘴，所述钻头的后端开设有至少两个推力喷嘴；以及
井下切割短节，其安装于所述钻头的后端，所述井下切割短节包括壳体和能够在壳体内沿轴向方向移动的阀体，所述阀体具有轴向水力通道以及径向水力通道，所述壳体内设有与所述径向水力通道对应的射流通道，并且在射流通道外端设有径向射流喷嘴，所述壳体内还设有与所述轴向水力通道对应的钻进水通道，所述轴向水力通道与所述钻头的破岩喷嘴连通；
当所述阀体在壳体内移动使得所述轴向水力通道与所述钻进水通道连通时，所述径向水力通道不与所述射流通道连通，当所述径向水力通道与所述射流通道连通时，所述轴向水力通道不与所述钻进水通道连通。
所述的油气钻井增产联作装置，其中，还包括地面通信系统，其与所述井下切割短节通信连接。
所述的油气钻井增产联作装置，其中，还包括水处理装置，其设置于井口。
所述的油气钻井增产联作装置，其中，所述钻头包括PDC复合片。
所述的油气钻井增产联作装置，其中，所述井下切割短节的后端安装有井下动力钻具、MWD和LWD。
本发明还提供一种应用上述的油气钻井增产联作装置而实施的油气钻井增产联作方法，其包括以下步骤：
A.地面施工准备；
B.钻井作业：启动高压泵，钻井液通过所述高压连续油管从钻头的破岩喷嘴喷出，产生高压水射流进行破岩，同时井下钻具组合能够旋转，钻头旋转实现旋转破岩，破碎的岩石随钻井液从高压连续油管与井眼环空返排至地面；
C.第一次切换喷嘴：关闭井下切割短节的轴向水力通道，开启径向切割短节的径向射流喷嘴；
D.第一级增产作业：启动高压泵，利用井下切割短节的径向射流喷嘴对储层进行切割，对储层切割时拖动高压连续油管或使径向射流喷嘴旋转，以形成与井筒轴线平行的纵向面缝或与井筒轴线垂直的横向面缝；纵向面缝切割时管柱的拖动速度以及横向面缝切割时井下管柱的旋转速度根据储层力学性质、喷嘴尺寸、泵压等参数决定。
E.多次重复步骤D，完成后续面缝的切割；
F.第二次切换喷嘴：通过地面控制系统开启与所述钻头的破岩喷嘴连通的轴向水力通道，关闭所述井下切割短节的径向水力通道；
G.依次重复步骤B至步骤E，完成多个分支井眼的钻井增产一体化作业；
H.施工结束，关闭高压泵；
I.起出井下装置，在井眼中下入采油设备，进行生产。
所述的油气钻井增产联作方法，其中，在步骤D和步骤E之间还包括步骤D’，步骤D’为：
第二级增产作业：第一级增产作业完成后，关闭高压泵并拖动高压连续油管一定距离，开启高压泵进行第二级增产作业，每级增产作业形成的面缝之间未切割部分能为面缝提供支撑，防止面缝闭合。
所述的油气钻井增产联作方法，其中，在步骤B和步骤C之间还包括步骤B’，步骤B’为：
判断钻机是否继续钻进：当高压连续油管下放长度等于井眼设计深度时，停止钻进。
所述的油气钻井增产联作方法，其中，在步骤E和步骤F之间还包括步骤E’，步骤E’为：
判断钻机是否继续进行增产作业：连续油管在拖动过程中，井下切割短节从井下沿井筒不断向上移动，当井下切割短节脱离储层段时，完成切割增产作业，停止增产施工。
综上所述，本发明相比现有油气开采技术具有以下有益效果：
(1)作业效率高
该方法依靠高压水射流进行破岩，根据需要可以实现钻头旋转磨削破岩，能够实施快速而有效的钻井，不受储层岩性硬度限制。同时，完钻后，不需要起下钻，通过地面控制对破岩喷嘴和增产喷嘴的切换即能实现井下增产作业。整个钻井增产作业时间短，施工风险小，大幅降低成本。
(2)增产效果好
低渗透储层压裂时，由于不同岩层的岩石物性不同，水力压裂不能精确控制裂缝走向和缝长，水平井压裂容易产生纵向裂缝造成压裂效果差，也可能压开水层及气层，导致水和气体的提前侵入。该方法可以有效控制面缝的长度、深度、宽度，射流形成的部分岩屑能充当支撑剂，裂缝不易闭合。
(3)储层适应性广
部分复杂油气藏储层厚度变化较大，薄油层或薄互层发育，钻水平井井眼轨迹精确控制难度较大。该技术能钻超短半径水平井，提高储层钻遇率，并有效控制井眼轨迹，对薄储层进行有效改造。
(4)环境影响小
系统占地面积小，所有设备安装在连续油管拖车上，设备在很短的时间就可以安装完成；钻井增产一体化施工作业过程仅采用水或钻井液，减少了采用传统压裂方法作业造成的潜在化学品污染，用量是传统压裂技术的1/10，甚至更少。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为根据本发明的油气钻井增产联作装置的示意图；
图2为钻头的示意图；
图3为井下切割短节的剖视图；
图4为根据本发明的钻井增产联作后形成的井眼及裂缝的立体图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
首先如图1所示，本发明提供一种油气钻井增产联作装置，其主要包括：高压泵1、地面控制系统2、水箱3、水处理装置4、连续油管钻机5、高压连续油管6以及井下钻具组合7。
其中，所述高压泵1与所述水箱3流体连通，而所述高压连续油管6的其中一端与水箱3流体连通，另一端与井下钻具组合7连接，并且，所述高压连续油管6由连续油管钻机5架设并驱动。此外，所述水处理装置4设置于井口，钻井产生的岩屑从高压连续油管6与井眼环空中返回地面，经过水处理装置4处理后，泵入井底。
所述井下钻具组合7包括：钻头8以及井下切割短节9，所述钻头8位于所述井下切割短节9的前端。根据需要，井下切割短节9的后端还可以安装井下动力钻具10、MWD(Measure While Drilling，随钻测量装置)11、LWD(Logging While Drilling，随钻测井装置，图中未示出)、旋转接头(图中未标出)等工具。
再如图2所示，所述的钻头8为PDC钻头，钻头8的前端开设有多个破岩喷嘴13，破岩喷嘴13为钻井水力流体15冲击破岩提供水力通道；钻头8的后端开设有至少两个推力喷嘴14，推力喷嘴14对井下钻具组合7形成向前的推力提供水力通道。其中，所述破岩喷嘴13可以是自激振动喷嘴，也可以是普遍射流喷嘴。
根据需要，所述钻头8还可以包括PDC复合片20，在井下动力钻具10的作用下，带动钻头旋转，进而使PDC复合片20对井底岩石进行旋转破岩。
再结合图3所示，所述井下切割短节9包括壳体21和设置于壳体21内的阀体19，所述阀体19能够在壳体21内沿轴向方向移动。此外，阀体19具有沿轴向方向延伸的轴向水力通道16以及沿径向方向延伸的径向水力通道17。所述壳体21设有与所述径向水力通道17对应的射流通道23，并且在射流通道23外端设有径向射流喷嘴18。所述壳体21还设有钻进水通道22，所述钻进水通道22能够与所述轴向水力通道16连通。井下切割短节9与井下动力钻具10相连，并且地面控制系统2与井下切割短节9通信连接；钻井过程中，径向水力通道17与径向射流喷嘴18错开，径向水力通道17关闭，此时，轴向水力通道16与所述钻进水通道22连通，即钻进水通道22开启；需要进行增产作业时，在地面控制系统2发出指令，通过液压方式给阀体19施加轴向力，推动阀体19，使轴向水力通道16与钻进水通道22不连通，而径向水力通道17与径向射流喷嘴18对齐，即钻进水通道22关闭，径向水力通道17开启，高压水由径向射流喷嘴18喷出，实现钻井向割缝增产作业的转换。
其中，所述径向射流喷嘴18的数量与所述径向水力通道17的数量、位置相对应，径向射流喷嘴18可以是自激振动喷嘴，也可以是普通射流喷嘴，喷嘴直径可为0.5mm～10mm。
再有，所述高压泵1的工作排量为50～150L/min，工作压力可达300MPa。所述高压连续油管6可以是钢质连续管，也可以是多层结构的复合管或碳纤维管，抗压在150～300MPa之间，根据需要，管内敷设电缆。所述井下动力钻具10可以是电动钻具，可以是螺杆钻具或涡轮钻具。此外，所述流体15可以是水或酸性流体，也可以添加磨料。
本发明还提供一种油气钻井增产联作方法，其包括钻井和增产两部分，主要是由钻头上的破岩喷嘴13产生的高压水射流对岩石进行破碎，钻头旋转进一步破碎岩石，提高钻井机械钻速。当钻井达到预定深度，通过井下切割短节9的轴/径向射流喷嘴18进行射流切换，连续管回退，通过径向射流喷嘴18产生的高压水射流进行割缝增产作业，是一种集钻井和增产一体的油气开发方法。
该方法主要包括以下步骤：
A.地面施工准备：地面系统就位后，连接各装置，并确保连接牢固、密封可靠；
B.第一次启动地面高压泵1：高压泵1的工作排量为50～250L/min，工作压力最高可达300MPa；
C.钻井作业：钻井液通过高压连续油管6从钻头8的破岩喷嘴13喷出，产生高压水射流进行破岩，同时井下钻具组合7可以旋转，并且钻头8旋转实现旋转破岩，破碎的岩石随钻井液从高压连续油管6与井眼环空返排至地面；
D.判断钻机是否继续钻进：当高压连续油管6下放长度等于井眼设计深度时，停止钻进；
E.第一次切换喷嘴：通过地面控制系统2关闭井下切割短节9的钻进水通道22，即关闭了钻头8的破岩喷嘴13，开启径向切割短节9的径向射流喷嘴18；
F.第二次启动地面高压泵1：泵的工作排量为50～250L/min，工作压力最高可达300MPa；
G.第一级增产作业：通过地面加压，利用井下切割短节9的径向射流喷嘴18对储层进行切割，对储层切割时拖动高压连续油管6或使径向射流喷嘴18旋转，以形成与井筒轴线平行的纵向面缝或与井筒轴线垂直的横向面缝。形成的面缝的深度可达5m，宽度0.5～20mm；
H.第二级增产作业：第一级增产作业完成后，地面停泵并拖动高压连续油管6一定距离。开泵进行第二级增产作业，每级增产作业形成的面缝之间未切割部分能为面缝提供支撑，防止面缝闭合；
I.重复步骤F-G，完成后续面缝的切割。
J.判断钻机是否继续进行增产作业：连续油管6在拖动过程中，井下切割短节9从井下沿井筒不断向上移动，当井下切割短节9脱离储层段时，完成切割增产作业停止增产施工。
K.第二次切换喷嘴：通过地面控制系统开启破岩喷嘴13，关闭径向射流喷嘴18；
L.重复步骤C-J，完成多个分支井眼的钻井增产一体化作业。
M.施工结束：关闭地面高压泵1；
N.起出井下装置，在井眼中下入采油设备，进行生产。
实施例：
以一口在煤层气储层内的水平井为例，说明该钻井增产联作装置及方法：
1.准备油气钻井增产联作装置施工条件：将各装置进行连接，确保连接牢固、密封可靠；
2.启动高压泵1：高压泵的工作排量100L/min，工作压力为150MPa；
3.钻进作业：通过地面向井下动力钻具10供电，井下动力钻具10带动钻头8旋转对岩石进行旋转破岩；高压水射流通过钻头前方的破岩喷嘴13，对钻头8前方岩石进行破碎；钻头8后方的推力喷嘴14推动钻头8向前推移，进行钻进。钻井产生的岩屑从高压连续油管6与井眼环空中返回地面，经过地面水处理装置4处理后，泵入井底。
4.判断钻机是否钻进：当钻进深度未达到设计深度3000m，其中水平段长2000m，则继续钻进，重复步骤4；当钻井深度达到设计深度3000m时，关闭地面高压泵1，停止钻进作业。
5.切换喷嘴：通过地面控制系统2发出指令，使得井下切割短节9内的阀体19轴向移动，实现射流通道由轴向向径向转换，关闭破岩喷嘴13，开启径向射流喷嘴18。
6.割缝作业：通过地面加压，利用径向射流喷嘴18对储层进行切割，对储层切割时通过旋转接头使径向射流喷嘴18旋转，以形成垂直于井筒的横向面缝；
7.第一个面缝切割完成后，地面停泵并拖动管柱10m，开泵进行第二个面缝的切割。
8.判断钻机是否进行增产作业：当径向射流喷嘴18脱离出储层段，则停止作业。否则，重复步骤6-7；
10.施工结束：关闭地面高压泵；
11.起出井下装置，在井眼中下入采油设备，进行生产。
综上所述，本发明相比现有油气开采技术具有以下有益效果：
(1)作业效率高
该方法依靠高压水射流进行破岩，根据需要可以实现钻头旋转磨削破岩，能够实施快速而有效的钻井，不受储层岩性硬度限制。同时，完钻后，不需要起下钻，通过地面控制对破岩喷嘴和增产喷嘴的切换即能实现井下增产作业。整个钻井增产作业时间短，施工风险小，大幅降低成本。
(2)增产效果好
低渗透储层压裂时，由于不同岩层的岩石物性不同，水力压裂不能精确控制裂缝走向和缝长，水平井压裂容易产生纵向裂缝造成压裂效果差，也可能压开水层及气层，导致水和气体的提前侵入。该方法可以有效控制面缝的长度、深度、宽度，射流形成的部分岩屑能充当支撑剂，裂缝不易闭合。
(3)储层适应性广
部分复杂油气藏储层厚度变化较大，薄油层或薄互层发育，钻水平井井眼轨迹精确控制难度较大。该技术能钻超短半径水平井，提高储层钻遇率，并有效控制井眼轨迹，对薄储层进行有效改造。
(4)环境影响小
系统占地面积小，所有设备安装在连续油管拖车上，设备在很短的时间就可以安装完成；钻井增产一体化施工作业过程仅采用水或钻井液，减少了采用传统压裂方法作业造成的潜在化学品污染，用量是传统压裂技术的1/10，甚至更少。
相关技术术语的名词解释虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。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 (8)
1.一种油气钻井增产联作装置，其特征在于，包括：
高压泵；
高压连续油管，管内敷设电缆，其一端与高压泵连接；以及
井下钻具组合，其包括：
钻头，其与所述高压连续油管的另一端连接，所述钻头的前端开设有多个破岩喷嘴，所述钻头的后端开设有至少两个推力喷嘴；以及
井下切割短节，其安装于所述钻头的后端，所述井下切割短节包括壳体和能够在壳体内沿轴向方向移动的阀体，所述阀体具有轴向水力通道以及径向水力通道，所述壳体内设有与所述径向水力通道对应的射流通道，并且在射流通道外端设有径向射流喷嘴，所述壳体内还设有与所述轴向水力通道对应的钻进水通道，所述轴向水力通道与所述钻头的破岩喷嘴连通；
当所述阀体在壳体内移动使得所述轴向水力通道与所述钻进水通道连通时，所述径向水力通道不与所述射流通道连通，当所述径向水力通道与所述射流通道连通时，所述轴向水力通道不与所述钻进水通道连通；
还包括地面通信系统，其与所述井下切割短节通信连接；
所述井下切割短节的后端安装有井下动力钻具、MWD、LWD和旋转接头。
2.根据权利要求1所述的油气钻井增产联作装置，其特征在于，还包括水处理装置，其设置于井口。
3.根据权利要求1所述的油气钻井增产联作装置，其特征在于，所述钻头包括PDC复合片。
4.一种应用根据权利要求1至3中任一项所述的油气钻井增产联作装置而实施的油气钻井增产联作方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.地面施工准备；
B.钻井作业：启动高压泵，钻井液通过所述高压连续油管从钻头的破岩喷嘴喷出，产生高压水射流进行破岩，同时井下钻具组合能够旋转，钻头旋转实现旋转破岩，破碎的岩石随钻井液从高压连续油管与井眼环空返排至地面；
C.第一次切换喷嘴：关闭井下切割短节的轴向水力通道，开启径向切割短节的径向射流喷嘴；
D.第一级增产作业：启动高压泵，利用井下切割短节的径向射流喷嘴对储层进行切割，对储层切割时拖动高压连续油管或使径向射流喷嘴旋转，以形成与井筒轴线平行的纵向面缝或与井筒轴线垂直的横向面缝；
E.多次重复步骤D，完成后续面缝的切割；
F.第二次切换喷嘴：通过地面控制系统开启与所述钻头的破岩喷嘴连通的轴向水力通道，关闭所述井下切割短节的径向水力通道；
G.依次重复步骤B至步骤E，完成多个分支井眼的钻井增产一体化作业；
H.施工结束，关闭高压泵；
I.起出井下装置，在井眼中下入采油设备，进行生产。
5.根据权利要求4所述的油气钻井增产联作方法，其特征在于，在步骤D和步骤E之间还包括步骤D’，步骤D’为：
第二级增产作业：第一级增产作业完成后，关闭高压泵并拖动高压连续油管一定距离，开启高压泵进行第二级增产作业，每级增产作业形成的面缝之间未切割部分能为面缝提供支撑，防止面缝闭合。
6.根据权利要求5所述的油气钻井增产联作方法，其特征在于，在所述步骤D’中：纵向面缝切割时管柱的拖动速度以及横向面缝切割时井下管柱的旋转速度，根据储层力学性质、喷嘴尺寸、泵压的参数决定。
7.根据权利要求4所述的油气钻井增产联作方法，其特征在于，在步骤B和步骤C之间还包括步骤B’，步骤B’为：
判断钻机是否继续钻进：当高压连续油管下放长度等于井眼设计深度时，停止钻进。
8.根据权利要求4所述的油气钻井增产联作方法，其特征在于，在步骤E和步骤F之间还包括步骤E’，步骤E’为：
判断钻机是否继续进行增产作业：连续油管在拖动过程中，井下切割短节从井下沿井筒不断向上移动，当井下切割短节脱离储层段时，完成切割增产作业停止增产施工。
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