CN112502628A - 一种钻井装置及钻井方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种钻井装置，包括连续油管和钻头，设置在所述连续油管和所述钻头之间的控温组件，所述控温组件用于对流向所述钻头的钻井液进行周期性微波加热，且所述控温组件还用于对流向所述钻头的钻井液进行冷却，以向所述钻头提供冷热交替的钻井液。本申请的钻井装置使冷热交替的射流作用于井底岩石，岩石在冷、热交替的钻井液的作用下发生疲劳破坏，在远低于岩石抗拉/抗压强度的交变载荷作用下，破碎的岩屑从岩体脱离，从而实现辅助钻头高效破岩。
Description
技术领域
本发明涉及石油勘探开发技术领域，更具体地，涉及一种钻井装置及钻井方法。
背景技术
目前，我国东部大部分油田已经进入开发中后期，含水率甚至高达98％，面临着上产乏力、稳产吃力的问题。而西部油气资源潜力巨大，叠合盆地剩余油气资源量占全国剩余油气总量的40％以上。虽然西部油气资源潜力巨大，但西部盆地约79％的油气资源埋藏于4500米以深的地层，深部地层岩石胶结致密、硬度高、可钻性差，研磨性强，常规的钻井方式往往存在机械钻速慢、效率低、成本高的问题，这大大制约了我国西部油气资源的高效勘探开发。
高压水射流钻井技术被认为是提高机械钻速的有效方式之一，其利用高能流体辅助破岩，并对井底岩屑进行有效清洁。但对于深部、超深部地层，不仅岩石硬度和密度大幅增加，岩石性质也逐渐从脆性转变为塑性、硬塑性。常规的高压水射流破岩门限压力高，技术应用效果差。虽然添加井下射流增压装置可以提高水射流破岩效果，但在高温高压恶劣环境下，射流增压装置工作寿命短，限制了该技术在深部地层的大规模推广应用。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种钻井装置及钻井方法，用于解决上述技术问题。
第一方面，本申请提供了一种钻井装置，包括连续油管和钻头，以及设置在所述连续油管和所述钻头之间的控温组件，所述控温组件用于对流向所述钻头的钻井液进行周期性微波加热，且所述控温组件还用于对流向所述钻头的钻井液进行冷却，以形成冷热交替的钻井液，所述冷热交替的钻井液作用于岩石以辅助所述钻头破岩。
包括连续油管和钻头，设置在所述连续油管和所述钻头之间的控温组件，所述控温组件用于对流向所述钻头的钻井液进行周期性微波加热，且所述控温组件还用于对流向所述钻头的钻井液进行冷却，以向所述钻头提供冷热交替的钻井液。
在根据第一方面的一个实施例中，所述控温组件包括控温腔、设置在所述控温腔内部的换热管以及设置在所述控温腔上部的微波天线；
所述换热管与冷流体流通管相连通，所述冷流体流通管向所述换热管内部输送冷流体，且从所述换热管内部输出冷流体；
所述微波天线通过波导管连接微波发生器，所述波导管将所述微波发生器产生的微波传到至所述微波天线。
在根据第一方面的一个实施例中，所述波导管和所述冷流体流通管均容置在所述连续油管内部，所述波导管和所述冷流体流通管间隔设置。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述冷流体流通管管壁的外表面设有耐高温纳米多孔气凝胶隔热层，用于降低所述冷流体流通管与其外部的钻井液的热交换。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述换热管管壁的外表面沿垂直管壁向外的方向依次设有聚合物-纳米颗粒复合涂层、碳-碳涂层和碳化硅晶须涂层。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述聚合物-纳米颗粒复合涂层中的纳米颗粒占所述聚合物-纳米颗粒复合涂层的体积百分比为1％-20％，且所述纳米颗粒的热传导率不小于800W/m·K；
所述聚合物-纳米颗粒复合涂层中的聚合物与纳米颗粒之间的界面热阻小于5×10-8m2·K/W。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述换热管构造为螺旋状。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述冷流体流通管包括冷流体进入管和冷流体排出管，所述冷流体进入管的入口和所述冷流体排出管的出口连接地面制冷机，以实现冷流体的循环利用。
在根据第一方面的一个实施方式中，所述控温腔内部设有温度传感器，用于监测所述控温腔内的钻井液的温度。
第二方面，本申请提供了一种钻井方法，包括以下步骤：
向控温腔中泵入钻井液；
周期性地微波加热所述控温腔中的钻井液，使钻井液无惰性瞬时升温；
冷却所述控温腔中的钻井液；
冷热交替的钻井液从所述控温腔中流向钻头，并从钻头喷嘴喷出形成冷热交替射流冲击岩石表面，以进行钻探。
与现有技术相比，本申请具有以下优点：
1)冷热交替的射流作用于井底岩石，岩石在冷、热交替的钻井液的作用下发生疲劳破坏，在远低于岩石抗拉/抗压强度的交变载荷作用下，破碎的岩屑从岩体脱离，从而实现辅助钻头高效破岩。
2)冷流体流通管管壁的外表面涂覆耐高温纳米多孔气凝胶隔热材料，大大减弱了冷流体流通管内的冷流体与钻井液的热交换作用。
3)换热管表面涂覆聚合物-纳米颗粒复合涂层、碳-碳涂层和碳化硅晶须涂层，防止因冷流体温度较低而在换热管的表面产生霜冻现象进而导致的热交换效率低的问题，同时防止钻井液的有机和无机化学物质腐蚀换热管的外表面。
4)换热管构造为螺旋状结构，延长了钻井液与换热管的接触时间，提高了热交换效率。
5)冷热交替的射流辅助钻头高效破岩，延长了钻头使用寿命，减少了起钻和下钻的时间，降低了钻井成本。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
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显示了根据本申请的一种钻井装置的结构示意图。
图2显示了图1中的换热管的表面涂层的结构示意图。
图3显示了图1中的控温腔的结构示意图。
图4-图7显示了岩石发生破碎的过程示意图。
附图标记：
1-地面泵组；2-微波发生器；3-冷流体进入管；4-冷流体排出管；5-波导管；6-连续油管；7-水泥环；8-微波天线；9-流体控温腔；10-温度传感器；11--换热管；12-钻头；13-岩屑；21-换热管管壁；22-聚合物-纳米颗粒复合涂层；23-碳-碳涂层；24-碳化硅晶须涂层。
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。
热力破岩方式是指利用热流体、辐射流、粒子流、火焰等方式产生高温并作用于岩石表面，岩石内部迅速传热并产生非均匀应力，进而形成大量微裂缝，最终导致岩石破碎。Potter等人研究表明，相比常规破岩方式，热力破岩方式可以更好地节约钻井成本。而且井越深，节约成本越多，经济效益越好。这说明利用温度效应破碎岩石效率更高。
当低温流体与储层高温岩石接触时，岩石表面温度会发生骤降，内部颗粒发生收缩而产生拉应力；当高温流体与储层岩石接触时，岩石内部颗粒发生膨胀而产生压应力。冷、热流体交替接触岩石，会使岩石产生疲劳破坏，在远低于岩石抗拉/抗压强度的交变载荷作用下，岩石即可发生破碎。此方法破岩效率远高于常规破岩方式。本发明基于以上背景和原理，提出了一种钻井装置及方法。
图1显示了根据本申请的一种钻井装置，如图1所示，该钻井装置包括连续油管6和钻头12，设置在连续油管6和钻头12之间的控温组件，控温组件用于对流向钻头13的钻井液进行周期性微波加热，还用于对流向钻头13的钻井液进行冷却，以向钻头12提供冷热交替的钻井液。
该实施例中，控温组件包括控温腔9、设置在控温腔9内部的换热管11、以及设置在控温腔9上部的微波天线。换热管11与冷流体流通管相连通，用于向换热管11内部输送冷流体，以及从换热管11内部输出冷流体。冷流体可以为液氮、液氧、冷氮气、冷空气等。
其中，冷流体流通管包括冷流体进入管3和冷流体排出管4，冷流体在井口处从冷流体进入管3的入口流入，通过换热管11对控温腔9内的钻井液降温。降温后的冷流体从井口的冷流体排出管4的出口排出。经过地面制冷机降温后重新注入冷流体进入管3中，实现循环利用。
优选地，冷流体流通管管壁的外表面设有耐高温纳米多孔气凝胶隔热层，用于降低冷流体流通管与其外部的钻井液的热交换。
其中，该耐高温纳米多孔气凝胶隔热材料由气凝胶和无机陶瓷纤维毡组成，气凝胶可以是纳米氧化铝气凝胶或纳米氧化硅气凝胶中的一种或两种。无机陶瓷纤维毡可以是硅酸铝陶瓷纤维毡、高硅氧陶瓷纤维毡、莫来石陶瓷纤维毡中的一种或几种。该耐高温纳米多孔气凝胶隔热层的厚度为200μm～1mm。
优选地，如图2所示，换热管11管壁的外表面沿垂直管壁21向外的方向依次设有聚合物-纳米颗粒复合涂层22、碳-碳涂层23和碳化硅晶须涂层24。该涂层可防止因冷流体温度较低而在换热管11的表面形成霜冻进而导致热交换效率低的问题。此外，由于钻井液中含有多种有机和无机化学物质，具有较强的腐蚀性，通过在换热管11管壁的外表面设置该涂层，可以有效防止换热管11被有机和无机化学物质腐蚀。
其中，聚合物一般是低效热导体，可能会影响热传递效率，本申请通过在聚合物基上分散纳米颗粒，形成聚合物-纳米颗粒复合涂层，可以弥补聚合物对热传导的影响。此外，纳米颗粒还可以为该涂层提供表面粗糙度，从而阻止换热管11的表面形成霜冻。
聚合物可以为树脂基质，该树脂基质可以是聚酯、聚氨酯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚芳醚酮、聚酰胺中的一种或者几种。纳米颗粒可以是石墨烯、碳纳米管、氮化硼纳米管、碳化硼、硅酸硼、碳酸钙、硫酸钙中的一种或者几种。
碳-碳涂层23表面涂覆的碳化硅晶须涂层24进一步提升了螺旋换热管的耐高温、抗氧化、抗腐蚀能力。
优选地，聚合物-纳米颗粒复合涂层中的纳米颗粒占所述聚合物-纳米颗粒复合涂层的体积百分比为1％-20％，且纳米颗粒的热传导率不小于800W/m·K；聚合物-纳米颗粒复合涂层中的聚合物与纳米颗粒之间的界面热阻小于5×10-8m2·K/W。
聚合物-纳米颗粒复合涂层22、碳-碳涂层23和碳化硅晶须涂层24的厚度可以分别为在5μm—500μm之间选取。
更加优选地，如图3所示，换热管11构造为螺旋状结构。螺旋状结构可以尽量延长换热管11与钻进液之间的热交换时间，以对控温腔9内的钻井液进行更充分的冷却。
此外，还可以根据井深、冷流体流通管与钻井液的热交换系数、井口冷流体的温度等参数计算出冷流体在冷流体流通管内的热损耗，进而得到冷流体在螺旋状换热管内的温度。并通过控制地面注入的冷流体的温度，保证螺旋状换热管内合适的冷流体温度-即在保证冷流体与钻井液之间较高的热交换效率的同时，不使钻井液发生凝固。
在图1所示的实施例中，微波天线8设置在控温腔9的顶部，波导管5容置在连续油管内部，微波发生器2设置在地面泵组1内，波导管5连接微波天线8和微波发生器2，用于将微波发生器2产生的微波传到至微波天线8。通过地面控制微波发生器的周期性间歇开关，实现对控温腔内钻井液的周期性无惰性加热，钻井液从连续油管6与波导管5、冷流体流通管之间的空间注入，在控温腔9中被加热或冷却后，从钻头喷嘴喷出后形成冷热交替的射流。其中，微波发生器的开关周期为1-30分钟。
由于微波加热是无惰性瞬时升温(室温25℃下，频率为1KHz时水的介电常数高达78.5，吸收微波能力极强，可实现钻井液的无惰性瞬时升温)，因此，在微波天线8对控温腔9内部的钻井液进行加热时，控温腔9内部的钻井液能够瞬时升温(此时，虽然换热管中的冷流体会对控温腔9内部的钻井液进行冷却，但由于时间很短，且冷却的效果远远不如微波加热的效果明显，因此，在微波天线8对控温腔9内部的钻井液加热时，换热管11不会对钻井液的温度造成影响)，升温后的钻井液从钻头喷出并作用到岩石上。在微波天线8不对控温腔9内部的钻井液进行加热时，钻井液在控温腔9内被换热管11中的冷流体冷却后从钻头喷出并作用到岩石上。岩屑13从连续油管6和套管之间的环形空间返出。
优选地，控温腔9内部设有温度传感器10，用于监测控温腔9内的钻井液的温度。
本申请还提供了一种钻井方法，包括以下步骤：向控温腔中泵入钻井液；周期性地微波加热所述控温腔中的钻井液，使钻井液无惰性瞬时升温；冷却所述控温腔中的钻井液；冷热交替的钻井液从所述控温腔中流向钻头，并从钻头喷嘴喷出形成冷热交替射流冲击岩石表面，以实现钻探。
在一具体的实施例中，在钻探开始之前，首先需要通井、洗井，做好作业准备。然后利用波导管5将微波天线8连接到位于连续油管6末端的流体控温腔9中，将螺旋换热管11固定于流体控温腔9中。开启地面泵组，从冷流体进入管3的入口注入冷流体。之后利用连续油管6将钻井液泵入控温腔9中，周期性的开启和关闭微波发生器，微波天线8周期性地间隙辐射控温腔内的钻井液，并通过控温腔9内的温度传感器检测其内部钻井液的温度。冷热交替的钻井液从钻头13的喷嘴喷出，高速冲击岩石表面，岩石颗粒发生疲劳破坏，在拉、压应力交替作用下岩石逐渐破碎，破碎后的岩屑被钻井液携带出井筒。钻至目标层位后，关闭地面泵组，施工结束。该方法破岩速度远高于常规钻井方法，适用于深部高硬、高研磨性地层的钻探。
下面详细说明岩石破碎的过程，参见图4-图7。图4示出了还未开始钻探时岩石的内部结构示意图，此时，岩石中存在原生裂缝。图5示出了岩石在压应力作用下产生裂缝扩展的示意图，当微波天线8对控温腔9内的钻井液进行微波加热时，钻井液升温，高温热钻井液从钻头13的喷嘴高速喷出并剧烈作用于岩石表面，岩石颗粒在高温作用下发生膨胀，岩石内部的原生裂缝在压应力作用下扩展。如6示出了岩石在拉应力作用下产生裂缝扩展的示意图，当关闭微波加热器时，控温腔9内的钻井液在换热管11的作用下冷却，是控温腔9内的钻井液降温，低温冷钻井液从钻头13的喷嘴高速喷出并作用于岩石表面，岩石颗粒发生收缩，岩石内部的裂缝在拉应力作用下继续扩展。如此反复，岩石在冷、热钻井液交替作用下发生疲劳破坏，在远低于岩石抗拉/抗压强度的交变载荷作用下，破碎的岩屑从岩体脱离，从而实现辅助钻头高效破岩，如图7所示。
综上所述，本申请解决了常规钻井技术在深部高硬、高研磨性地层钻速慢、破岩效果差、成本高的问题，可有效保障我国深部油气资源的高效开发利用。相比现有技术，本申请具有以下优势：1)冷热交替的射流作用于井底岩石，岩石在冷、热交替的钻井液的作用下发生疲劳破坏，在远低于岩石抗拉/抗压强度的交变载荷作用下，破碎的岩屑从岩体脱离，从而实现辅助钻头高效破岩。
2)冷流体流通管管壁的外表面涂覆耐高温纳米多孔气凝胶隔热材料，大大减弱了冷流体流通管内的冷流体与钻井液的热交换作用。
3)换热管表面涂覆聚合物-纳米颗粒复合涂层、碳-碳涂层和碳化硅晶须涂层，防止因冷流体温度较低而在换热管的表面产生霜冻现象进而导致的热交换效率低的问题，同时防止钻井液的有机和无机化学物质腐蚀换热管的外表面。
4)换热管构造为螺旋状结构，延长了钻井液与换热管的接触时间，提高了热交换效率。
5)冷热交替的射流辅助钻头高效破岩，延长了钻头使用寿命，减少了起钻和下钻的时间，降低了钻井成本。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.一种钻井装置，包括连续油管和钻头，其特征在于，还包括设置在所述连续油管和所述钻头之间的控温组件，所述控温组件用于对流向所述钻头的钻井液进行周期性微波加热，且所述控温组件还用于对流向所述钻头的钻井液进行冷却，以形成冷热交替的钻井液，所述冷热交替的钻井液作用于岩石以辅助所述钻头破岩。
2.根据权利要求1所述的钻井装置，其特征在于，所述控温组件包括控温腔、设置在所述控温腔内部的换热管以及设置在所述控温腔上部的微波天线；
所述换热管与冷流体流通管相连通，所述冷流体流通管向所述换热管内部输送冷流体，以及从所述换热管内部输出冷流体；
所述微波天线通过波导管连接微波发生器，所述波导管将所述微波发生器产生的微波传到至所述微波天线。
3.根据权利要求2所述的钻井装置，其特征在于，所述波导管和所述冷流体流通管均容置在所述连续油管内部，所述波导管和所述冷流体流通管间隔设置。
4.根据权利要求1所述的钻井装置，其特征在于，所述冷流体流通管管壁的外表面设有耐高温纳米多孔气凝胶隔热层，用于降低所述冷流体流通管与其外部的钻井液的热交换效率。
5.根据权利要求1所述的钻井装置，其特征在于，所述换热管管壁的外表面沿垂直管壁向外的方向依次设有聚合物-纳米颗粒复合涂层、碳-碳涂层和碳化硅晶须涂层。
6.根据权利要求5所述的钻井装置，其特征在于，所述聚合物-纳米颗粒复合涂层中的纳米颗粒占所述聚合物-纳米颗粒复合涂层的体积百分比为1％-20％，且所述纳米颗粒的热传导率不小于800W/m·K；
所述聚合物-纳米颗粒复合涂层中的聚合物与纳米颗粒之间的界面热阻小于5×10- 8m2·K/W。
7.根据权利要求1-6任一项所述的钻井装置，其特征在于，所述换热管构造为螺旋状。
8.根据权利要求2所述的钻井装置，其特征在于，所述冷流体流通管包括冷流体进入管和冷流体排出管，所述冷流体进入管的入口和所述冷流体排出管的出口均连接地面制冷机，以实现冷流体的循环利用。
9.根据权利要求1所述的钻井装置，其特征在于，所述控温腔内部设有温度传感器，用于监测所述控温腔内的钻井液的温度。
10.一种钻井方法，其特征在于，包括以下步骤：
向控温腔中泵入钻井液；
周期性地微波加热所述控温腔中的钻井液，使钻井液无惰性瞬时升温；
冷却所述控温腔中的钻井液；
冷热交替的钻井液从所述控温腔中流向钻头，并从钻头喷嘴喷出形成冷热交替的射流冲击岩石表面，以进行钻探。
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