CN111305755A - 一种高温磨料射流钻井系统及钻井方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石油勘探开发领域的一种高温磨料射流钻井系统及钻井方法。所述系统组成包括：地面泵组、微波发生装置、连续油管、波导管、微波天线、加热腔、温度传感器、压力传感器、高温磨料射流装置等。所述钻井方法综合考虑了磨料射流和岩石热裂解作用，结合微波加热原理，通过高温磨料射流作用于井底岩石实现高效破岩。本方法解决了现有常规钻井技术对于深部硬地层、高研磨性地层存在的机械钻速低、钻头寿命短、破岩效果差等难题，为我国深层油气资源的高效开发提供了有力支撑。

Description

一种高温磨料射流钻井系统及钻井方法
技术领域
本发明涉及石油勘探开发领域，更进一步说，涉及一种高温磨料射流钻井系统及钻井方法。
背景技术
目前，我国中东部老油田已经进入开发晚期。油井的综合含水大幅提高，产能逐步降低。西部复杂叠合盆地剩余油气资源量占全国总量的45％左右，探明率不到20％，勘探开发潜力巨大。相比于中国东部盆地，西部盆地的油气资源更多集中分布于深部地层中(超过4500m)，约占西部复杂叠合盆地油气资源量的80％。然而，深部地层岩石胶结更致密、可钻性更差，导致机械钻速低；随着井深的增加，钻柱容易屈曲，钻头加压困难；深部地层温度较高，降低了井下钻具寿命，影响了钻井液的携岩能力。这些因素都制约了我国深层钻井技术的快速发展。因此，亟需开发一种适用于深部硬度层的高效破岩新方法，加快我国深层、超深层油气资源的开发进程，有效保障我国的能源安全。
深井硬地层、高研磨性地层钻井是目前世界上普遍存在且尚未解决的难题。我国川东北地区陆相自流井组合须家河组地层岩性致密，石英含量高，且多为硅质胶结，硬度大、研磨性强，平均钻速仅为0.35～0.75m/h。为了提高深井硬地层、高研磨性地层机械钻速，多种提速工具(混合钻头、旋冲工具、涡轮钻具、扭力冲击器、水力加压器等)和技术方案(气体钻井等)取得了快速发展，但仍存在较多问题。比如旋冲钻具是一种液压冲击短节，虽然试验效果较好，但使用寿命太短；高速涡轮虽然可以提供高转速，但施工泵压较高，高钻速下钻头在钻井液中的冷却效果较差，缩短了钻头寿命；气体钻井技术受到了地层的严格限制，对井壁稳定性要求较高，且成本较高。
高压水射流钻井技术是一种利用高能水射流破碎岩石，并充分清洗井底的高效破岩技术，近几十年来取得了快速发展。但是对于深部硬地层来说，不仅岩石的密度和硬度增加，而且还存在岩石性质从脆性向塑形或硬塑性转化的现象。单纯依靠高压水射流破碎深部硬地层岩石的效果并不理想。热力射流钻井技术是利用火焰、热空气、热流体等高温介质作用于岩石，对岩石形成冲击力并迅速传热，使岩石内部产生非均匀膨胀应力，岩石内部不断产生微裂缝，最终岩石发生破碎。热力射流破岩技术将高压水射流与岩石热裂解相结合，可以大大提高深井、超深井机械钻速，有望成为一种有效的深部硬地层高效破岩方法。
美国国防部于上世纪70年代资助了空气热裂解钻井的相关项目，并将其应用于采矿业中，发现钻速达到了常规钻井的5倍。苏黎世联邦理工大学探索了热裂解钻井技术，利用燃烧和氧化剂在井下发生化学反应，生成超临界水进行破岩。公开号为CN106195995A的中国专利公开了一种热力射流泵高加供汽系统，包括汽轮机、锅炉、一号高压加热器和热力射流泵，但该技术适用于锅炉，而不适用于油气钻井领域。公开号为CN107859484A的中国专利公开了一种模拟热力射流破岩的实验系统及方法，该系统主要包括：注入系统、模型系统、测量系统和控制器。该发明中包含有燃烧喷射机构，工艺复杂且有安全隐患。公开号为CN108252653A的中国专利提供了一种热力射流井下反应器。该热力射流井下反应器包括反应器本体，反应器本体为圆柱状结构，由上到下包括注入单元、反应单元和喷嘴单元。该技术需要向反应单元中注入燃料的燃料注入单元，向反应单元中注入氧气，工艺复杂而且危险性较大。公开号为CN105134152A的中国专利公开了一种热力射流开采天然气水合物的方法和系统。该方法包括：将燃烧反应装置下置于天然气水合物储层的井内目标位置，向其中注入氧气和燃料，并通电点火，燃料产物反应装置喷出形成高速射流，将天然气水合物分解。该方法比较复杂，而且需要氧气和燃料反应放热，不易实现自动化控制。公开号为CN107165576A的中国专利公开了一种钻井系统，该钻井系统包括：热力射流钻头、热力射流反应腔单元、输送管线单元和钻井液回收单元。该技术方案需要钻头，为传统接触式钻井。公开号为CN103790516B的中国专利提供了一种利用热力射流高效破岩的钻井方法，提出沿着不同管路注入燃料、氧气和水至井下，利用电阻丝加热引发燃料和氧气发生燃烧生成大量热，通过控制压力和温度使得井下水达到超临界状态。高温介质作用于岩石上，使得岩石发生热裂解，实现高效破岩。但利用燃料和氧气在井下发生燃烧反应不易控制，危险性较大，且设备复杂、繁琐。
高温磨料射流技术对岩石的破坏作用主要包括以下几点：(1)冲击作用。热力射流造成的弹性拉力在岩石中碰撞、反射并干扰岩体结构，降低岩石门限压力；(2)空泡溃蚀作用。热力射流与岩石孔隙中的水发生动量交换和紊动扩散，产生空泡并发生溃灭，对岩石造成损伤；(3)水楔作用。热流体进入岩石裂缝中，水楔作用影响下对岩体产生破坏；(4)岩石热裂解作用。高温热流体作用于岩石，诱使岩石发生热裂解，岩屑持续从岩石表面剥离，造成岩石破碎；(5)磨料颗粒冲蚀和磨削作用。高速热流体携带的磨料颗粒以高频冲蚀和磨削岩石，有效破碎地层岩石；(6)压持效应减小。高温热流体在井底形成井底冲击压力波和井底漫流作用提高了井眼净化效果，减小了岩石压持效应；(7)超临界水使得井底达到欠平衡状态。水在一定温度、压力下(超过22.1MPa、374℃)达到超临界态，密度降低，井底达到欠平衡状态，机械钻速大大提高。
微波是指频率在300MHz～300GHz之间的电磁波，其波长在1mm～1m之间。微波具有以下三个特点：(1)相比其他用于辐射加热的电磁波(如红外线、远红外线等)波长更长，具有更好的穿透性。微波透入介质时，介质损耗引起介质温度升高，使得介质材料的内部、外部几乎同时升温，形成体加热状态，加热时间大大缩短；(2)选择性加热。物质吸收微波的能力与介电常数有关，介电常数越大，吸波能力越强。比如水分子属于极性分子，介电常数较大，具有较强的微波吸收能力；(3)热惯性小。微波加热是瞬时升温加热，能耗很低。另一方面，微波频率瞬时可调，介质温度是无惰性改变，有利于自动化控制。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，综合考虑磨料射流和岩石热裂解，结合微波加热原理，本发明人针对深部硬地层，提出一种高温磨料射流钻井系统。具体地说涉及一种高温磨料射流钻井系统及钻井方法。所述钻井方法是一种利用微波加热水产生高温磨料射流使岩石发生热裂解的钻井新方法。通过综合考虑磨料射流和岩石热裂解作用，结合微波加热原理，突破现有常规钻井技术对于深部硬地层、高研磨性地层存在的机械钻速低、钻头寿命短、破岩效果差等难题，缩短钻井周期，实现高效破岩，有力支撑我国油气资源的高效开发，降低对外依赖度，进而保障我国的能源安全。
深井硬地层、高研磨性地层岩石以花岗岩和大理石为主，岩石本身热传导系数较低。岩石受热速率较高时，由于热传导在时间和空间上的迟滞效应，热膨胀率越大，微裂缝生成速度越快。本申请中高温磨料射流钻井原理是基于微波对水和微波强吸收剂的瞬时加热，高温水、微波强吸收剂和磨料从喷嘴喷出后作用于井底岩石，高速热水和高温微波强吸收剂进入岩石微裂缝中，在岩石内部形成非均匀应力场，岩石矿物颗粒之间出现微裂缝并逐步扩展破裂，岩石结构逐步破坏。同时磨料对岩石存在切削、磨蚀作用，进一步提高了岩石破碎效果。
本发明目的之一是提供一种高温磨料射流钻井系统，可包括以下部分：
连续油管3、微波发生装置2、波导管4、微波天线6、加热腔9、温度传感器7、压力传感器8、高温磨料射流装置10、地面泵组1；
其中，
地面泵组1通过连续油管3与加热腔9相连，加热腔9末端连接高温磨料射流装置10；
加热腔9内设置有微波天线6，温度传感器7和压力传感器8；
微波发生装置2通过波导管4与微波天线6相连。
所述高温磨料射流装置10包括喷嘴和多个流体通道；喷嘴11位于高温磨料射流装置10装置前端；喷嘴11周围均匀分布有多个流体通道；高速流体流经通道，将破碎的岩屑携带出井筒，同时也起到冷却喷嘴、延长喷嘴寿命的作用。
其中，
所述波导管4可置于连续油管3内部或外部；
当波导管4置于连续油管3内部时，钻井液从连续油管3与波导管4之间的环形空间注入；
当波导管4置于连续油管3外部时，钻井液从连续油管3内部注入，岩屑从连续油管3和波导管4与套管形成的剩余空间中返出。
在所述高温磨料射流装置10的喷嘴11的基材表面沉积有纳米多层膜，所述纳米多层膜从基材表面上向外依次设有金属过渡层、金属碳化物过渡层、金属碳氮化物过渡层和功能层；
所述金属过渡层的材质可包括选自Cr、Ti和W中的至少一种。
所述金属碳化物过渡层的材质可包括选自CrC、TiC和WC中的至少一种。
所述金属碳氮化物过渡层的材质可包括选自CrCN、TiCN和WCN中的至少一种。
所述功能层为交替的氮化硼层和石墨烯层。其中，氮化硼层和石墨烯层均可以与金属碳氮化物过渡层邻接。
所述基材的材质可为钢、铁、钛合金，和硬质合金中的至少一种。
所述金属过渡层、所述金属碳化物过渡层和所述金属碳氮化物过渡层的层厚独立地为80nm至150nm。
优选地，所述功能层的总厚度可为500nm至5000nm。
优选地，所述功能层的调制周期可小于15nm。
所述氮化硼层和所述石墨烯层的总层数为100至500层，且所述氮化硼层和所述石墨烯层的层数相同或不同。氮化硼+石墨烯计作两层。
优选地，所述氮化硼层的厚度与所述石墨烯层的厚度形成的调制比≤1且≥0.25。即0.25≤氮化硼层的厚度/所述石墨烯层的厚度(da/db)≤1。
优选地，所述氮化硼层的厚度与所述石墨烯层的厚度形成的调制比≤4且≥1。即1≤氮化硼层的厚度/所述石墨烯层的厚度(da/db)≤4。
所述的纳米多层膜的沉积制备方法，可包括如下步骤：1)清洗基材；2)采用非平衡磁控溅射金属过渡层材料在所述基材上制备金属过渡层，得到第1产物；3)采用非平衡磁控溅射金属碳化物过渡层材料在第1产物上制备金属碳化物过渡层，得到第2产物；4)采用非平衡磁控溅射金属碳氮化物过渡层材料在第2产物上制备金属碳氮化物过渡层，得到第3产物；5)采用静电层层自组装的方式在第3产物上制备功能层，得到覆有所述纳米多层膜的基材。
具体地，
在步骤1)中，将所述基材放入炉中，炉内压强为0.1至1.5Pa，用Ar离子束轰击所述基材，其中，Ar气流量为100至350sccm，离子源为0.5至1Kw，磁控频率为1至12Kw，负偏压为35至200V，时间为40至60min。
在步骤2)中，炉内压强为0.1至0.6Pa，Ar气流量为100至200sccm，离子源为0.5至1Kw，磁控频率为1至12Kw，靶功率为1至15Kw，负偏压为35至200V，时间为5至40min。
在步骤3)中，炉内压强0.1至0.6Pa，Ar气流量为100至200sccm，CH4或C2H2气流量10至100sccm，离子源为0.5至1Kw，磁控频率1至12Kw，靶功率为1至15Kw，负偏压为35至200V，时间为5至40min。
在步骤4)中，炉内压强0.3至1Pa，Ar气流量为80至200sccm，CH4或C2H2气流量为20至60sccm，N2气流量为5至40sccm，离子源为0.5至1Kw，磁控频率5至10Kw，负偏压为35至200V，时间为5至40min。
步骤5)可包括如下步骤：
5-1)将分散于第一溶剂的表面带有负电的改性氮化硼纳米片的分散液与水混合配制成改性氮化硼分散液；
5-2)将第3产物浸泡在改性氮化硼分散液中30至60min，经去离子水冲洗除去多余的氮化硼纳米颗粒，在氮气氛围下干燥，得到第4+N产物；
5-3)将分散于第二溶剂的表面带有正电的改性石墨烯纳米片的分散液与水混合配制成改性石墨烯分散液；
5-4)将第四产物浸泡在改性石墨烯分散液中30至60min，经去离子水冲洗除去多余的石墨烯纳米颗粒，在氮气氛围下干燥，得到第5+N产物；
5-5)重复上述5-2)和5-4)步骤进行静电层层自组装，得到覆有所述纳米多层膜的基材；
其中，N为重复的次数。
优选地，在步骤5-2)中，在氮气氛围下120至200℃干燥。
优选地，在步骤5-4)中，在氮气氛围下120至200℃干燥。
所述第一溶剂可包括选自异丙醇、十二烷基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺和N-甲基吡络烷酮中的至少一种。
所述第二溶剂独立地包括选自乙二胺与嘧啶的混合液、乙醇、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺和四氢呋喃中的至少一种。
在所述乙二胺与嘧啶的混合液中，所述乙二胺与所述嘧啶的体积比可为1∶(0.5-2)。
所述改性氮化硼分散液的浓度和所述改性石墨烯分散液的浓度独立地为0.1至0.5mg/mL。
具体地，
改性氮化硼分散液的制备方法可包括如下步骤：将氮化硼纳米粉末和第一溶剂混合后超声，然后离心，取液体上部剥离出的氮化硼纳米片分散液，用水稀释所述氮化硼纳米片分散液，得到所述表面带有负电的改性氮化硼分散液。
改性石墨烯分散液的制备方法可包括如下步骤：将氧化石墨烯纳米粉末放入亚硫酰氯中回流，然后烘干(例如70℃)，得到的粉末产物加入到第二溶剂中，保温后离心，取液体上部剥离出的石墨烯纳米分散液，用水稀释所述石墨烯纳米片分散液，得到所述表面带有正电的改性石墨烯分散液。
其中，
氮化硼纳米粉末和氧化石墨烯纳米粉末的粒径独立地为1至100nm。
优选地，
氮化硼纳米粉末和氧化石墨烯纳米粉末的粒径独立地为1至10nm。
改性氮化硼分散液的制备中和改性石墨烯分散液的制备中的离心速度独立地为800至1200rpm。
改性氮化硼分散液的制备中和改性石墨烯分散液的制备中的离心时间可为25至40分钟。
在改性氮化硼分散液的制备过程中，可超声分散18至25小时。
在改性石墨烯分散液的制备过程中，氧化石墨烯粉末可放入亚硫酰氯中回流9.5至10.5小时。
在改性石墨烯分散液的制备过程中，所述粉末产物在所述第二溶剂中的浓度可为8至15mg/mL。
在改性石墨烯分散液的制备过程中，保温的温度可为80至90℃，保温的时间可为10至15小时。
值得一提的是，改性氮化硼分散液中的改性氮化硼和改性石墨烯分散液中的改性石墨烯可为单层或多层薄膜，该薄膜的厚度能够满足调制周期≤15nm即可。
在本申请中，调制周期是指纳米多层膜的功能层中的相邻的氮化硼层和石墨烯层的两组成材料层厚度之和。
在本申请中，调制比是指纳米多层膜的功能层中的相邻的氮化硼层和石墨烯层的两组成材料层厚度之比。
本发明目的之二是提供所述的高温磨料射流钻井系统的钻井方法，可包括以下步骤：
1)通井、洗井；
2)连接各个部件；利用波导管将微波天线连接到位于连续油管3末端的加热腔9中；
3)开启地面泵组1，通过连续油管3将钻井液泵入加热腔中9；
4)开启微波发生装置2，微波天线6开始辐射加热钻井液，通过加热腔9中的温度传感器7和压力传感器8监控加热腔9内温度和压力，并且通过调节回压来控制加热腔9内压力高于22.1MPa，通过调节微波发生器来控制加热腔9内温度高于374℃，以保证水处于超临界状态；
5)从高温磨料射流装置10的喷嘴喷出高温磨料射流，高温水、微波强吸收剂和磨料进入岩石内部微裂缝，岩石逐渐扩展破裂，破碎后的岩屑被水携带出井筒；
6)钻至目标层位后，关闭地面泵组，完成施工。
其中，
所述钻井液包含水、微波强吸收剂和磨料颗粒；
所述微波强吸收剂分散于水中形成分散液，所述微波强吸收剂在分散液中的重量浓度为0.03～3wt％，优选为0.1～1wt％；
所述微波强吸收剂选自纳米金属氧化物，所述纳米金属氧化物选自γ-Fe2O3、纳米Fe3O4、纳米Ni2O3、纳米CeO2中的至少一种；
所述磨料颗粒选自石英砂、金刚砂、石榴石、橄榄石中的至少一种，优选为石英砂；所述磨料颗粒的粒径为20～40目；
所述磨料颗粒占钻井液总体积百分比的5～10％。
所述步骤4)中，加热腔(9)内压力高于22.1Mpa(优选压力范围22.1MPa～35MPa，更优选28～32MPa)，加热腔(9)内温度高于374℃(优选温度范围为374℃～500℃，更优选420～460℃)。
本申请所述的高温磨料射流钻井方法是利用波导管将地面产生的微波传递到井下微波天线，微波直接辐射加热腔中的水和微波强吸收剂。控制加热腔中的温度大于374℃，压力高于22.1MPa，在此温度、压力条件下，水为超临界态。超临界态水的液体和气体状态没有区别，完全相互交融在一起，呈现均相流体状态。超临界水密度较低，钻进过程中井底一直处于欠平衡状态，有利于清洗钻屑，降低了压实效应，提高了机械钻速。同时，欠平衡状态下，近井地带的孔隙度和渗透率有所提高，有利于后期提高油气采收率；超临界水黏度较低，流动性较好，扩散速度比液体快两个数量级，能够进入到任何大于其分子的空间，易渗入到微裂缝深部，使裂缝深部流体与高压射流流体连通为统一的压力体，可增大作用在岩石微裂缝表面上的压力，降低岩石门限钻压，提高破岩效率。利用放置于加热腔壁面的压力和温度传感器，监测加热腔内水的温度和压力，确保加热腔中水处于超临界状态。加热腔内水的温度依靠地面的微波发生装置控制，保证水温大于374℃。加热腔内水的压力通过控制井口回压进行调节，保证井底压力高于22.1MPa。
水的相对介电常数较大，具有较强的吸波能力。通过微波辐射加热腔内的水分子，使水分子剧烈碰撞、升温，形成均匀掺混的均相渗流，从喷嘴喷出后剧烈冲击岩石，产生的热应力疏通岩石中的微裂缝。热应力主要是由于岩石内部非均匀受力所引起的。非均匀受热程度越高，热应力越大，破岩效果越好。为了增强岩石内部的非均匀受热程度，在水中加入微波强吸收剂。微波强吸收剂吸波能力强于水，微波辐射后吸收剂的温度也高于水温。微波强吸收剂和水从喷嘴喷出后，吸收剂和水进入岩石微裂缝中，在岩石内部会形成非均匀分布的热量场，增大了岩石内部的非均匀受力程度，更有利于岩石发生热裂解。微波强吸收剂有很多种，常规的石墨、油页岩半焦等吸收剂易污染近井地带，不宜采用。纳米金属氧化物颗粒吸波效果佳，易进入岩石内部微裂缝，且绿色环保，因此本申请中采用纳米金属氧化物作为微波强吸收剂。纳米金属氧化物可以是γ-Fe2O3、纳米Fe3O4、纳米Ni2O3、纳米CeO2中的一种或者几种的混合物。为了增强破岩效果，在水中加入磨料。磨料可采用石英砂，粒径优选采用20～40目。
本申请中，喷嘴始终处于高温高压环境中，喷嘴材料需要较好的耐温耐压性能。此外，喷嘴内壁受到磨料颗粒的磨蚀作用易造成扩径，破岩过程中岩屑和磨料颗粒反溅冲击也会造成喷嘴损坏，严重影响了破岩效果。本发明综合利用磁控溅射沉积和静电层层自组装技术，在喷嘴基材表面生成过渡区和多层纳米膜。其中过渡区包括金属过渡层、金属氮化物过渡层和金属碳氮化物过渡层，主要采用磁控溅射沉积的方法得到。金属过渡层与钢铁、硬质合金等材料的结合力强；金属氮化物和金属碳氮化物过渡层是为了和纳米多层膜之间建立硬度梯度过渡区，提高基材与纳米多层膜间的结合力。纳米多层膜采用静电层层自组装方法得到，由石墨烯和氮化硼交替构成。
利用磁控溅射沉积法在基材表面生成过渡区(包括金属过渡层、金属碳化物过渡层和金属碳氮化物过渡层)，实现从金属基材到纳米多层膜的硬度梯度平稳过渡，提高基材与纳米多层膜间的结合力。利用静电层层自组装方法实现石墨烯、氮化硼的交替沉积，并通过调节调制周期和调制比对纳米多层膜的厚度、结构进行有效控制，提高纳米多层膜性能。该技术可提高工具表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性等特性，并可实现工具表面电信号的传导。
为了有效阻隔腐蚀物质和保护基体，需保证纳米多层膜的功能层叠加≥100层。为了保证纳米多层膜的超硬、耐磨、耐冲蚀性能，需保证调制周期小于15nm。当需要获得较强电信号时，调制比0.25≤da/db≤1；当需要获得超硬、耐磨性能时，调制比1≤da/db≤4。其中，da为单层氮化硼的厚度，db为单层石墨烯的厚度。
石墨烯、氮化硼纳米多层膜具有抗高温、耐磨蚀、耐冲蚀、耐腐蚀、硬度高等特点，使得基材表面完整性和稳定性大大提高，有效解决了钻井过程中喷嘴长时间受到高温环境影响寿命降低、扩径和反溅严重等问题。此外，石墨烯具有优异的导电性，而氮化硼本身绝缘，氮化硼与石墨烯形成的纳米多层膜可形成“导线”作用，实现工具表面信号的低干扰、高速传输。静电层层自组装技术制备方法简单，无需复杂的仪器设备，可将构筑单元(石墨烯、氮化硼)按照一定的顺序可控组装和复合，通过调节调制周期和调制比对纳米多层膜的厚度、结构和性能进行有效控制。
本发明人将连续油管技术应用于高温磨料射流钻井新方法中，并形成了整套施工方案。高温磨料射流钻井系统主要包括：连续油管、微波发生装置、波导管、微波天线、加热腔、温度传感器、压力传感器、高温磨料射流装置、地面泵组等。其中，当井眼尺寸较小时，波导管可以置于连续油管内部，水、微波强吸收剂和磨料从连续油管与波导管之间的环形空间注入，岩屑从连续油管与套管的环形空间返出；井眼尺寸较大时，波导管可以置于连续油管旁边，水、微波强吸收剂和磨料从连续油管内部注入，岩屑从连续油管和波导管与套管形成的剩余空间中返出。高温磨料射流装置由喷嘴和装置周围的多个流体通道组成。喷嘴位于射流装置前端，是高温磨料射流的发射装置。高温磨料射流装置周围均匀分布有多个流体通道，流体通过通道流出后，将破碎的岩屑带离井底，同时起到保护喷嘴的作用。
本发明的效果：
(1)该方法利用微波瞬时加热水产生的高温磨料射流作用于岩石，同时微波强吸收剂的加入，有利于提高吸波能力，岩石非均匀受热程度更高，加剧了岩石的热裂解作用，更有利于破岩。相比燃烧反应加热法，微波可以实现瞬时加热，加热速度极快，而且不需向加热腔中注入任何气体，不需要氧气和燃料反应放热，有利于地面实时控制，且装置更加简便、安全。高温磨料射流作用于井底岩石，高速热水与高温微波强吸收剂进入岩石微裂缝，在岩石内部形成非均匀应力场，岩石发生热裂解。同时，磨料颗粒对岩石存在切削、磨蚀作用，进一步提高了破岩效果。该技术在深层硬地层、研磨性强的地层机械钻速远高于常规钻井方法，钻速提高约3～5倍；
(2)超临界水密度较低，钻井过程中井底处于欠平衡状态，减小了压持效应，有利于清洗钻屑和提高机械钻速。同时，欠平衡式非接触钻井大大提高了机械钻速，欠平衡状态下，近井地带孔隙度、渗透率有所提高，有利于后期提高油气采收率；
(3)该方法不需要钻头，采用非接触式钻井，采用连续油管可节约管柱下入时间，喷嘴内、外壁和出口处沉积有金属过渡层、金属氮化物过渡层和氮化硼膜，提高了喷嘴硬度、耐磨性、耐冲蚀、耐高温性和耐磨蚀性，延长了使用寿命；
(4)工艺流程简单，安全性高；
(5)本发明提出的高温磨料射流钻井系统及钻井方法可应用于深部硬地层、研磨性地层钻井中，应用前景广阔。
附图说明
图1为喷嘴基材表面沉积的纳米多层膜结构示意图。
图2为高温磨料射流钻井系统示意图，其中图2-a代表井眼较小的情况，图2-b代表井眼较大的情况；
图2中，1-地面泵组，2-微波发生装置，3-连续油管，4-波导管，5-水泥环，6-微波天线，7-温度传感器，8-压力传感器，9-加热腔，10-高温磨料射流装置，11-喷嘴，12-流体通道，13-岩屑。
图3为高温磨料射流装置结构图；其中，1-喷嘴，2-流体通道。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。但本发明不受这些实施例的限制。
如无特别说明，本发明使用的试剂和材料均可市售获得。
喷嘴处理：
在所述高温磨料射流装置10的喷嘴11基材表面沉积纳米多层膜，所述方法包括以下步骤：
1、过渡层的制备
(1)喷嘴基材清洗：采用离子束轰击喷嘴(材质为硬质合金)。其中炉内压强为0.1Pa，Ar气流量为100sccm，离子源为0.5Kw，磁控频率为1Kw，负偏压为35V时间为40min。
(2)制备Ti金属过渡层：采用双Ti靶。其中炉内压强为0.1Pa，Ar气流量为100sccm，离子源为0.5Kw，磁控频率为1Kw，靶功率为1Kw，负偏压为35V，时间为5min。
(3)制备TiC过渡层：采用双Ti靶。炉内压强0.1Pa，Ar气流量为100sccm，CH4气流量10sccm，离子源为0.5Kw，磁控频率1Kw，靶功率为1Kw，负偏压为35V，时间为5min。
(4)制备TiCN过渡层：采用双Ti靶。炉内压强0.3Pa，Ar气流量为80sccm，C2H2气流量为20sccm，N2气流量为5sccm，离子源为0.5Kw，磁控频率5Kw，负偏压为35V，时间为5min。
2、石墨烯/氮化硼纳米多层膜的制备
(1)取3g粒径为1nm的氮化硼加入到300mL N-甲基吡络烷酮中，超声仪中超声分散18h，并在800rpm转速下离心25min，取液体上部剥离出的氮化硼纳米片分散液备用。取一定量去离子水加入到氮化硼纳米片分散液中，得到浓度为0.1mg/mL带负电的改性氮化硼纳米片的N-甲基吡络烷酮/水分散液；
(2)氧化石墨烯采用Hummers法制得。取1mg/mL的粒径为1nm的氧化石墨烯溶液30mL，将在70℃下其完全烘干。将烘干后的氧化石墨烯粉末放入亚硫酰氯中回流9.5h，并在70℃下进行烘干。将得到的粉末加入乙二胺和嘧啶(其中，乙二胺与嘧啶的体积比为1∶0.5)混合液中使粉末的浓度为8mg/mL，在80℃下保温并搅拌10h，之后在800rpm转速下离心25分钟，取液体上部剥离出的石墨烯纳米片分散液，加入适量去离子水，得到浓度为0.1mg/mL带正电的改性石墨烯分散液；
(3)将已覆过渡层的基片浸泡在带负电的改性氮化硼纳米片的N-甲基吡络烷酮/水分散液中30min，经去离子水反复冲洗，除去多余的纳米颗粒，在氮气氛围下120℃干燥，得到一层带负电性的氮化硼薄膜；
(4)再将上一步所得基片浸泡在带正电的改性石墨烯分散液中30min，经去离子水反复冲洗，除去多余的纳米颗粒，在氮气氛围下120℃干燥，得到一层带正电性的石墨烯薄膜；
(5)根据调制周期为15nm和调制比为4(即氮化硼层的厚度/所述石墨烯层的厚度)重复上述第(3)、(4)步多次；从而得到表面沉积有纳米多层膜的喷嘴，装备到高温磨料射流装置前端，备用。
实施例1
所述高温磨料射流钻井系统包括地面泵组1、微波发生装置2、连续油管3、波导管4、微波天线6、加热腔9、温度传感器7、压力传感器8、高温磨料射流装置10等，结合附图2对工艺的流程进行进一步介绍：
1.通井、洗井，做好作业准备；
2.利用波导管4将微波天线6连接到位于连续油管3末端的加热腔9中；
3.开启地面泵组1，利用连续油管3将水、微波强吸收剂和磨料颗粒泵入加热腔9中；
4.开启微波发生装置2，微波天线6开始辐射加热腔9中的水和微波强吸收剂。通过加热腔9中的温度传感器7和压力传感器8监测内部的温度和压力，并且通过调节回压来控制加热腔9内压力高于22.1MPa，通过调节微波发生装置2来控制加热腔9内温度高于374℃，以保证水处于超临界状态；
5.高温磨料射流从喷嘴11喷出，高温水、微波强吸收剂和磨料进入岩石内部微裂缝，岩石逐渐扩展破裂。破碎后的岩屑13被流经流体通道12的液体携带出井筒；
6.钻至目标层位后，关闭地面泵组1，完成施工。
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，对于本领域的技术人员，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 (10)

1.一种高温磨料射流钻井系统，其特征在于包括以下部分：
连续油管(3)、微波发生装置(2)、波导管(4)、微波天线(6)、加热腔(9)、温度传感器(7)、压力传感器(8)、高温磨料射流装置(10)、地面泵组(1)；
其中，
地面泵组(1)通过连续油管(3)与加热腔(9)相连，加热腔(9)末端连接高温磨料射流装置(10)；
加热腔(9)内设置有微波天线(6)，温度传感器(7)和压力传感器(8)；
微波发生装置(2)通过波导管(4)与微波天线(6)相连。
2.根据权利要求1所述的高温磨料射流钻井系统，其特征在于：
所述高温磨料射流装置(10)包括喷嘴(11)和多个流体通道；喷嘴(11)位于高温磨料射流装置(10)装置前端；喷嘴(11)周围均匀分布有多个流体通道；
在所述高温磨料射流装置(10)的喷嘴(11)基材表面沉积有纳米多层膜，所述纳米多层膜从基材表面上向外依次设有金属过渡层、金属碳化物过渡层、金属碳氮化物过渡层和功能层；
所述金属过渡层的材质包括选自Cr、Ti和W中的至少一种；
优选地，所述金属碳化物过渡层的材质包括选自CrC、TiC和WC中的至少一种；
优选地，所述金属碳氮化物过渡层的材质包括选自CrCN、TiCN和WCN中的至少一种；
优选地，所述功能层为交替的氮化硼层和石墨烯层；
优选地，所述基材的材质为钢、铁、钛合金，和硬质合金中的至少一种；
所述金属过渡层、所述金属碳化物过渡层和所述金属碳氮化物过渡层的层厚独立地为80nm至150nm；
优选地，所述功能层的总厚度为500nm至5000nm；
优选地，所述功能层的调制周期小于15nm。
3.根据权利要求2所述的高温磨料射流钻井系统，其特征在于：
所述氮化硼层和所述石墨烯层的总层数为100至500层；
优选地，所述氮化硼层的厚度与所述石墨烯层的厚度形成的调制比≤1且≥0.25；
优选地，所述氮化硼层的厚度与所述石墨烯层的厚度形成的调制比≤4且≥1。
4.根据权利要求2或3所述的高温磨料射流钻井系统，其特征在于：
所述的纳米多层膜的制备方法包括以下步骤：
1)清洗基材；2)采用非平衡磁控溅射金属过渡层材料在所述基材上制备金属过渡层，得到第1产物；3)采用非平衡磁控溅射金属碳化物过渡层材料在第1产物上制备金属碳化物过渡层，得到第2产物；4)采用非平衡磁控溅射金属碳氮化物过渡层材料在第2产物上制备金属碳氮化物过渡层，得到第3产物；5)采用静电层层自组装的方式在第3产物上制备功能层，得到覆有所述纳米多层膜的基材。
5.根据权利要求4所述的高温磨料射流钻井系统，其特征在于：
在步骤1)中，将所述基材放入炉中，炉内压强为0.1至1.5Pa，用Ar离子束轰击所述基材，其中，Ar气流量为100至350sccm，离子源为0.5至1Kw，磁控频率为1至12Kw，负偏压为35至200V，时间为40至60min；
优选地，在步骤2)中，炉内压强为0.1至0.6Pa，Ar气流量为100至200sccm，离子源为0.5至1Kw，磁控频率为1至12Kw，靶功率为1至15Kw，负偏压为35至200V，时间为5至40min；
优选地，在步骤3)中，炉内压强0.1至0.6Pa，Ar气流量为100至200sccm，CH4或C2H2气流量10至100sccm，离子源为0.5至1Kw，磁控频率1至12Kw，靶功率为1至15Kw，负偏压为35至200V，时间为5至40min；
优选地，在步骤4)中，炉内压强0.3至1Pa，Ar气流量为80至200sccm，CH4或C2H2气流量为20至60sccm，N2气流量为5至40sccm，离子源为0.5至1Kw，磁控频率5至10Kw，负偏压为35至200V，时间为5至40min。
6.根据权利要求4所述的高温磨料射流钻井系统，其特征在于：
步骤5)包括如下步骤：
5-1)将分散于第一溶剂的表面带有负电的改性氮化硼纳米片的分散液与水混合配制成改性氮化硼分散液；
5-2)将第3产物浸泡在改性氮化硼分散液中30至60min，经去离子水冲洗除去多余的氮化硼纳米颗粒，在氮气氛围下干燥，得到第4+N产物；优选在氮气氛围下120至200℃干燥；
5-3)将分散于第二溶剂的表面带有正电的改性石墨烯纳米片的分散液与水混合配制成改性石墨烯分散液；
5-4)将第四产物浸泡在改性石墨烯分散液中30至60min，经去离子水冲洗除去多余的石墨烯纳米颗粒，在氮气氛围下干燥，得到第5+N产物；优选在氮气氛围下120至200℃干燥；
5-5)重复上述5-2)和5-4)步骤进行静电层层自组装，得到覆有所述纳米多层膜的基材；
其中，N为重复的次数；
所述第一溶剂包括选自异丙醇、十二烷基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺和N-甲基吡络烷酮中的至少一种；和/或
所述第二溶剂独立地包括选自乙二胺与嘧啶的混合液、乙醇、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺和四氢呋喃中的至少一种；
优选地，在所述乙二胺与嘧啶的混合液中，所述乙二胺与所述嘧啶的体积比为1∶(0.5-2)。
7.根据权利要求6所述的高温磨料射流钻井系统，其特征在于：
所述改性氮化硼分散液的浓度和所述改性石墨烯分散液的浓度独立地为0.1至0.5mg/mL；
改性氮化硼分散液的制备如下：
将氮化硼纳米粉末和第一溶剂混合后超声，然后离心，取液体上部剥离出的氮化硼纳米片分散液，用水稀释所述氮化硼纳米片分散液，得到所述表面带有负电的改性氮化硼分散液；和/或
改性石墨烯分散液的制备如下：
将氧化石墨烯纳米粉末放入亚硫酰氯中回流，然后烘干，得到的粉末产物加入到第二溶剂中，保温后离心，取液体上部剥离出的石墨烯纳米分散液，用水稀释所述石墨烯纳米片分散液，得到所述表面带有正电的改性石墨烯分散液；
优选地，氮化硼纳米粉末和氧化石墨烯纳米粉末的粒径独立地为1至100nm；
优选地，改性氮化硼分散液的制备中和改性石墨烯分散液的制备中的离心速度独立地为800至1200rpm；
优选地，改性氮化硼分散液的制备中和改性石墨烯分散液的制备中的离心时间为25至40分钟；
优选地，在改性氮化硼分散液的制备过程中，超声分散18至25小时；
优选地，在改性石墨烯分散液的制备过程中，氧化石墨烯粉末放入亚硫酰氯中回流9.5至10.5小时；
优选地，在改性石墨烯分散液的制备过程中，所述粉末产物在所述第二溶剂中的浓度为8至15mg/mL；
优选地，在改性石墨烯分散液的制备过程中，保温的温度为80至90℃，保温的时间为10至15小时。
8.根据权利要求1～3之任一项所述的高温磨料射流钻井系统，其特征在于：
所述波导管(4)置于连续油管(3)内部或外部；
当波导管(4)置于连续油管(3)内部时，钻井液从连续油管(3)与波导管(4)之间的环形空间注入；
当波导管(4)置于连续油管(3)外部时，钻井液从连续油管(3)内部注入，岩屑从连续油管(3)和波导管(4)与套管形成的剩余空间中返出。
9.根据权利要求1～8之任一项所述的高温磨料射流钻井系统的钻井方法，其特征在于包括以下步骤：
1)通井、洗井；
2)连接各个部件；
3)开启地面泵组(1)，通过连续油管(3)将钻井液泵入加热腔中(9)；
4)开启微波发生装置(2)，微波天线(6)辐射加热钻井液，通过加热腔(9)中的温度传感器(7)和压力传感器(8)监控加热腔(9)内温度和压力；
5)从高温磨料射流装置(10)的喷嘴(11)喷出高温磨料射流，岩石逐渐破裂，破碎后的岩屑被水携带出井筒；
6)钻至目标层位后，关闭地面泵组，完成施工。
10.根据权利要求9所述的高温磨料射流钻井系统的钻井方法，其特征在于：
所述钻井液包含水、微波强吸收剂和磨料颗粒；
所述微波强吸收剂分散于水中形成分散液，所述微波强吸收剂在分散液中的重量浓度为0.03～3wt％；
所述微波强吸收剂选自纳米金属氧化物，所述纳米金属氧化物选自γ-Fe2O3、纳米Fe3O4、纳米Ni2O3、纳米CeO2中的至少一种；
所述磨料颗粒选自石英砂、金刚砂、石榴石、橄榄石中的至少一种，优选为石英砂，所述磨料颗粒的粒径为20～40目；
所述磨料颗粒占钻井液总体积百分比的5～10％；
优选地，
所述步骤4)中，加热腔(9)内压力高于22.1Mpa，优选压力范围22.1MPa～35MPa，加热腔(9)内温度高于374℃，优选温度范围为374℃～500℃。
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