CN113090189B - 一种钻井系统及其方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油勘探开发领域的一种钻井系统及其方法和应用。所述钻井系统包括：冷流体流通管道、连续油管、流体控温腔。所述方法通过换热管中的冷流体对流体控温腔内的钻井液降温；流体控温腔设计成风琴管结构，钻井液在腔内形成强烈的自振空化作用，自振空化低温钻井液从喷嘴高速喷出作用于井底干热岩，在拉应力作用下岩石表面产生微裂缝。同时，自振空化作用下钻井液形成强烈的空泡涡旋流，空泡破裂产生强大的破坏作用，进一步提高破岩能力。本发明解决了干热岩钻井机械钻速慢、钻井成本高、井下工具仪器寿命短的问题，可有效保障我国干热岩资源的高效开发利用。
Description
技术领域
本发明涉及石油勘探开发的干热岩钻井领域，更进一步说，涉及一种钻井系统及其方法和应用。
背景技术
干热岩是指内部不存在或者仅含有少量流体、温度在150～650℃之间、致密不渗透的异常高温岩体。我国干热岩资源量巨大，埋深在3～10km地层深处的干热岩资源总量可达2.5×1025J标准热量，相当于860×1012t标准煤，按2％的采收率计算，相当于我国2018年全国能源消费总量(46.2×108t)的3700倍。此外，干热岩开发过程中不会产生废水、CO2和颗粒污染物，有利于保护自然环境。因此，高效、经济地开发利用干热岩资源，可有效优化我国的能源结构、保障能源安全。
干热岩岩性以花岗岩、片麻岩和闪长岩为主，岩石硬度大、研磨性强、可钻性极差，导致机械钻速慢、破岩效率低、钻井成本高。干热岩地层属于异常高温环境，钻头、井下动力钻具、随钻测量仪器工作寿命短、性能差；常规钻井液体系在高温环境下易发生水解变化，从而失去携岩和保护井壁的作用，也使得井塌、井漏、卡钻等井下事故大量增加。
采用清水、纯气体和充气钻井液进行控压钻井可在一定程度上提高机械钻速和减少井下事故，但无法从根本上解决干热岩地层机械钻速慢、钻井成本高、井下工具、仪器寿命短等问题。公开号为CN 106368608A的中国专利公开了一种利用液氮进行干热岩钻井的新方法，其提出利用液氮作为钻井液进行干热岩钻井，该方法利用液氮的冷冲击作用，井底岩石在液氮低温作用下产生微裂缝，降低岩石的强度，进而提高干热岩钻井效率。但是低温液氮从钻头喷嘴喷出后，压力快速下降，体积急剧膨胀，在焦耳-汤姆逊作用下，钻头喷嘴温度急剧下降而结冰，大大影响了液氮辅助破岩作用。液氮在井底快速气化成氮气，在氮气作用下将岩屑携带至地面，对于大颗粒岩屑的携岩效果较差。此外，液氮钻井对工具的耐低温性能有极高的要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种钻井系统，具体地说涉及一种钻井系统及其方法和应用。所述钻井系统为一种提高干热岩钻井效率的钻井系统。本发明所述系统在井底钻头或井下钻具组合上方设有风琴管结构的流体控温腔，流体控温腔内部设有换热管，换热管内部的冷流体通过热交换作用，降低流体换热腔内钻井液的温度。流体控温腔设计成风琴管结构，将其作为自激震荡腔，钻井液在流体控温腔内降温的同时形成强烈的自振空化作用。自振空化低温钻井液从喷嘴高速喷出作用于井底干热岩，高温岩石表面温度发生骤降，岩石颗粒发生强烈收缩而产生拉应力，在拉应力作用下岩石表面产生微裂缝，同时原生裂缝进一步扩展。此外，自振空化作用下钻井液形成强烈的空泡涡旋流，空泡破裂产生强大的破坏作用，进一步提高破岩能力。同时，也改善了井底流场，提高了清岩效果。本发明解决了现有技术在干热岩钻井存在的机械钻速慢、破岩效果差、钻井成本高、井下工具仪器寿命低的问题，可有力支撑我国干热岩资源的高效开发利用。
具体地，本申请目的之一所述的钻井系统，可包括以下部件：冷流体流通管道、连续油管、流体控温腔。
所述流体控温腔位于所述连续油管近钻头末端，井底钻头或井下钻具组合上方；所述冷流体流通管道固定于连续油管内部；所述冷流体流通管道可包括换热管和腔外冷流体流通管线；所述换热管位于所述流体控温腔内，所述腔外冷流体流通管线位于所述流体控温腔外部并一直延伸到地面；所述腔外冷流体流通管线连通换热管。
所述的钻井系统还包括高压注入泵、制冷换热器；所述高压注入泵和制冷换热器分别连接连续油管。
所冷流体流通管道(包括换热管和腔外冷流体流通管线)内流通有冷流体；所述冷流体可选自液氮、液氧、冷空气、冷氮气等中的至少一种。冷流体流通管道中，冷流体的入口温度与冷流体的类型选择有关。比如选择液氮时入口温度就是约-195℃，选择液氧时入口温度为约-183℃，冷氮气入口温度则高于-195℃。出口温度与入口温度和换热管的热交换量有关，热交换效果越好出口流体温度会越高。换热管内的冷流体通过热交换作用，对流体控温腔内的钻井液降温。低温钻井液流经下部的井下工具、仪器，也会带走一部分热量，降低井下工具仪器的温度，延长其使用寿命。
换热管的传热效率大小直接决定了钻井液降温效果的好坏。钻井液内部含有多种化学物质，具有腐蚀性。此外，温度较低的冷流体易在换热管表面形成霜冻，降低了换热效果。为了提高换热管的传热效率，提高换热管表面的抗腐蚀性，防止霜冻现象的产生，本发明优选在换热管外表面涂覆有多层复合涂层；所述多层复合涂层从基管(即换热管)外表面沿垂直管壁向外依次为聚合物-纳米颗粒复合涂层、碳-碳涂层和碳化硅晶须涂层。最内层是聚合物-纳米颗粒复合涂层，即在聚合物树脂基质上分散有纳米颗粒。由于聚合物一般传热效率较低，因此在聚合物树脂基质上分散有换热效果较好的纳米颗粒，进而提高螺旋换热管的传热效率。此外，分散的纳米颗粒增加了聚合物表面的粗糙度，会防止霜冻现象的产生。中间层是碳—碳涂层，其作用是提高螺旋换热管表面的硬度、强度、抗腐蚀能力和耐磨性。在外层是碳化硅晶须涂层，其作用是进一步提高换热管的耐高温、抗氧化、抗腐蚀和耐磨性能。所述的聚合物—纳米颗粒复合涂层、碳-碳涂层和碳化硅晶须涂层厚度分别为10μm～1mm，优选为5μm～500μm；进一步地，其中，所述聚合物-纳米颗粒复合涂层优选为100μm～500μm，所述碳-碳涂层厚度优选为50μm～300μm，所述碳化硅晶须涂层厚度优选为100μm～500μm。
所述多层复合涂层中每层均为采用涂覆法进行涂覆，涂覆方法可选自：静电涂覆、喷涂、气相沉积等方法；其中，所述的聚合物-纳米颗粒复合涂层，由包含纳米颗粒和聚合物树脂基质材料在内的组分混合后，纳米颗粒均匀地分散在聚合物树脂基质材料中，再进行涂覆。
其中，
所述的纳米颗粒占所述的聚合物-纳米颗粒复合涂层总体积的体积百分比为1％～20％，优选为8％～12％。
所述聚合物树脂基质材料可选自聚酯、聚氨酯、聚丙烯、聚酰胺、聚芳醚酮、聚胺、聚苯硫醚中的一种或者多种；
所述纳米颗粒可选自石墨烯、碳纳米管、碳化硼、氮化硼纳米管、硅酸硼、碳酸钙、硫酸钙中的一种或者多种。
所述聚合物树脂基质材料与周围纳米颗粒之间的界面热阻小于5×10-8m2·K/W，优选不超过1×10-8m2·K/W；
所述的纳米颗粒的热传导率≥800W/m·K，优选≥1000W/m·K；
所述流体控温腔内设有温度传感器，用于监测腔内的流体温度。经过冷却后的流体控温腔内的流体温度一般可保持在0℃～60℃，优选为10℃～30℃。
所述换热管构造优选为螺旋状，换热管设计成螺旋状的目的是尽量延长冷流体与钻井液间的热交换时间。利用流体控温腔内的温度传感器实时监测内部流体的温度。根据井深、腔外冷流体流通管线与钻井液的热交换系数、流通管线入口的冷流体温度等参数可计算出冷流体在螺旋换热管内的温度。再根据螺旋换热管与钻井液的热交换系数，可计算得到冷流体与换热腔内钻井液的热交换量。通过控制地面冷流体的温度，即可确保冷流体在螺旋换热管内达到最合适的温度——温度足够低以提高冷却钻井液的效果，又不会使钻井液发生冷凝。本发明中应尽量降低腔外冷流体流通管线内的冷流体与钻井液的热交换作用。因此，在腔外冷流体流通管线表面优选涂覆有耐高温的纳米多孔气凝胶隔热材料。所述纳米多孔气凝胶隔热材料可由包含气凝胶和无机陶瓷纤维毡在内的组分组成；其中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多种；所述无机陶瓷纤维毡可选自硅酸铝陶瓷纤维毡、高硅氧陶瓷纤维毡、莫来石陶瓷纤维毡中的一种或多种。所述纳米多孔气凝胶隔热材料厚度可为10μm～1mm，优选为100μm～500μm。
所述纳米多孔气凝胶隔热材料可以通过溶胶-凝胶法和常压干燥进行制备，具体方法步骤可参考公开号为CN10799099A的一种纳米多层复合隔热材料及其制备方法中的纳米多孔气凝胶复合材料的制备方法。具体气凝胶的制备方法可见参考如下专利：公开号为CN106809842A的一种耐高温氧化硅气凝胶材料的制备方法，或者公开号为CN105753447A的一种二氧化硅有机杂化光固气凝胶保温材料的制备方法；或者公开号为CN108249901A的一种耐高温气凝胶材料的制备方法；或者公开号为CN108435106A的一种块状钛基气凝胶的制备方法。
所述流体控温腔设计成风琴管结构，不仅可以使钻井液在腔内发生自振空化现象，而且具有一定的截流作用，增加钻井液在控温腔内的停滞时间以提高换热效果。所述流体控温腔自上到下依次是进液区、流体扰动区、流体碰撞区和出液区。进液区上端为上大下小的喇叭口，流体通过进液区时产生一定的涡量扰动，进液区下端连接所述流体扰动区，进液区下端具体可为等径筒体。钻井液通过进液区进入流体扰动区，所述流体扰动区的孔径大于进液区下端孔径。所述流体扰动区可分为上端部分和下端部分，所述上端部分连接进液区，具体可为上小下大的喇叭口，所述下端部分连接流体碰撞区，所述下端部分具体可为等径贯通的等径筒体；所述流体碰撞区为连接所述流体扰动区下端部分与出液区的环形壁面(即流体控温腔内底部壁面)，流体会与该壁面发生碰撞，最后从出液区喷出。所述出液区为贯通的筒体，优选可为等径贯通的筒体。优选地，所述流体扰动区下端部分的孔径可为进液区下端孔径的1.3～1.8倍。所述流体扰动区内钻井液的涡量扰动进一步放大，形成离散的涡环。钻井液在流体碰撞区内与管壁发生碰撞，诱发出新的压力振荡波，震荡波向上传播，又产生新的压力振荡和涡量扰动。当压力激动频率与流体控温腔体的固有频率相匹配时，压力振荡和涡量扰动大幅放大，形成共振。所述流体扰动区下端部分的孔径大于所述出液区的孔径。优选地，所述流体扰动区孔径可为出液区孔径的1.5～2.3倍。自振空化钻井液从钻头喷嘴高速喷出，钻井液中的空泡破裂，产生强大的破坏作用，进一步辅助破坏岩石。
优选地，所述进液区长度与流体扰动区长度比为(0.2～1.5)：1，优选为(0.5～1)：1；所述流体扰动区长度与出液区长度比为(2～8)：1，优选为(4～6)：1。
本发明通过流体控温腔内部螺旋状换热管内部的冷流体对钻井液降温，同时钻井液在风琴管结构的流体控温腔内部产生强烈的自振空化作用。自振空化低温钻井液从钻头喷嘴高速喷出作用于高温干热岩岩石表面，岩石颗粒发生强烈收缩而产生拉应力，岩石内部原生裂缝扩展的同时又产生新的微裂缝。自振空化钻井液内部存在空泡涡旋流，空泡破裂后产生强大的破坏作用，进一步辅助破坏岩石。此外，低温钻井液还可以冷却、润滑钻头，大幅延长钻头寿命。岩屑则从连续油管与套管的环形空间返出。冷流体从流通管道出口返出后，在地面通过制冷换热器冷却到所需温度后，又经过高压注入泵泵入冷流体流通管道入口，实现冷流体的循环使用。
本发明目的之二是提供所述的钻井系统进行钻井的方法，可包括以下步骤：
1)通井、洗井；
2)搭建所述钻井系统；将所述高压注入泵和制冷换热器分别连接连续油管；
所述流体控温腔固定于所述连续油管近钻头末端；
所述冷流体流通管道固定于连续油管内部，包括：将所述换热管固定于所述流体控温腔中，将所述腔外冷流体流通管线固定于所述流体控温腔外部并一直延伸到地面；所述腔外冷流体流通管线连接换热管；
3)开启所述高压注入泵，从所述冷流体流通管道入口注入冷流体；
4)利用连续油管将钻井液泵入流体控温腔中，利用流体控温腔内的温度传感器实时监测内部钻井液的温度；钻井液经由流体控温腔降温并发生自振空化作用，流经井下工具仪器并对其降温，最后从钻头喷嘴喷出高速低温钻井液；
5)高速低温钻井液冲击岩石表面，岩石颗粒快速收缩，在拉应力作用下原生裂缝进一步扩展，同时产生新的微裂缝。自振空化作用下钻井液形成空泡涡旋流，空泡破裂后产生强大的破坏作用，辅助岩石逐渐破碎。破碎后的岩屑被钻井液携带出井筒；
6)冷流体从所述冷流体流通管道出口排出，经过地面制冷换热器冷却后，在高压注入泵作用下重新泵入冷流体流通管道入口，实现冷流体的循环使用；
7)钻至目标层位后，关泵，施工结束。
步骤4)中，利用流体控温腔内的温度传感器实时监测腔内钻井液的温度；经过冷却后的流体控温腔内的流体温度可保持在0℃～60℃，优选为10℃～30℃。
本发明目的之三是所述的钻井系统和/或所述的进行钻井的方法在干热岩钻井中的应用。
本发明的效果
本发明所述的系统及方法具有以下效果：
(1)通过螺旋换热管内的冷流体对流体控温腔内的钻井液降温，低温钻井液高速从钻头喷嘴喷出并作用于干热岩表面，岩石颗粒快速收缩，在拉应力作用下原生裂缝进一步扩展，同时产生新的微裂缝，实现辅助钻头高效破岩；
(2)钻井液流经风琴管结构的流体控温腔，发生强烈的自振空化作用，自振空化作用下钻井液形成空泡涡旋流，自振空化钻井液从钻头喷嘴高速喷出，钻井液中的空泡破裂，产生强大的破坏作用，进一步辅助破坏岩石；
(3)低温钻井液流经井下工具仪器并对其进行降温，同时还可以冷却、润滑钻头，大幅延长了井下工具仪器和钻头的使用寿命；
(4)螺旋换热管表面涂覆有聚合物-纳米颗粒复合涂层、碳-碳涂层和碳化硅晶须涂层，不仅提高了冷流体与钻井液之间的换热效率，防止产生霜冻现象，而且提高了螺旋换热管表面的耐磨、耐腐蚀、耐高温性能。腔外冷流体流通管线表面涂覆耐高温纳米多孔气凝胶隔热材料，大大减弱了墙外流通管线内的冷流体与钻井液之间的换热效果；
(5)该方法大大提高了高硬、高研磨性干热岩地层的机械钻速，降低了作业成本。
附图说明
图1为本发明所述的钻井系统示意图；图1中，1—冷流体流通管道入口，2—水泥环，3—连续油管，4—螺旋换热管，5—流体控温腔，6—温度传感器，7—钻头，8—冷流体流通管道出口，9—连续油管作业车，10—制冷换热器，11—高压注入泵，12—岩屑。
图2为本发明所述流体控温腔内部风琴管结构；图2中，21—进液区，22—流体扰动区，23—流体碰撞区，24—出液区，25—涡流环。
图3a～3c为本发明所述自振空化低温钻井液破碎干热岩的机理示意图；图中，31—岩体，32—岩石内部原生裂缝，33—钻头，34—钻齿，35—低温钻井液，36—空泡，37—拉应力下裂缝扩展，38—产生新的微裂缝，39—拉应力，310—破碎的岩屑。
图4为本发明所述螺旋换热管表面复合涂层；图4中，41—基管，42—聚合物-纳米颗粒复合涂层，43—碳-碳涂层，44—碳化硅晶须涂层。
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。
实施例1
本发明中所述的提高干热岩钻进效率的钻井系统包括高压注入泵、冷流体流通管道、连续油管、流体控温腔、制冷换热器在内的部分；
所述冷流体流通管包括螺旋换热管和腔外冷流体流通管线；
螺旋换热管表面41涂覆有多层复合涂层。所述多层复合涂层由基管沿垂直管壁向外依此是聚合物—纳米颗粒复合涂层42、碳-碳涂层43和碳化硅晶须涂层44。聚合物—纳米颗粒复合涂层42，即在聚合物树脂基质中均匀分散有纳米颗粒。其中纳米颗粒热传导率至少是1500W/m·K。聚合物树脂基质与纳米颗粒之间的界面热阻为5×10-9m2·K/W。纳米颗粒占聚合物—纳米颗粒复合涂层的体积百分比为10％。碳—碳涂层43作用是提高螺旋换热管表面的硬度、强度、抗腐蚀能力和耐磨性。最外层的碳化硅晶须涂层44作用是进一步提高螺旋换热管4的抗氧化、抗腐蚀和耐磨性能。聚合物-纳米颗粒复合涂层42的厚度为300μm、碳-碳涂层43的厚度为150μm、碳化硅晶须涂层44的厚度为300μm。
所述腔外冷流体流通管线外表面设有耐高温的纳米多孔气凝胶隔热材料；
所述纳米多孔气凝胶隔热材料厚度为300μm～400μm。所述纳米多孔气凝胶隔热材料由包含气凝胶和高硅氧陶瓷纤维毡的组分制成；所述气凝胶选自纳米氧化铝气凝胶。
流体控温腔5设计成风琴管结构，不仅可以使钻井液在腔内发生自振空化现象，而且具有一定的截流作用增加钻井液在控温腔内的停滞时间以提高换热效果。
流体控温腔5自上到下依次是进液区21、流体扰动区22、流体碰撞区23和出液区24。进液区21上端为上大下小的喇叭口，进液区21下端为等径贯通的筒体，下端连接流体扰动区22；流体通过进液区21时产生一定的涡量扰动。钻井液通过进液区进入流体扰动区22，流体扰动区22的孔径大于进液区21下端孔径。所述流体扰动区可分为上端部分和下端部分，上端部分连接进液区，具体为上小下大的喇叭口，下端部分连接流体碰撞区，所述下端部分为等径贯通的等径筒体。所述流体碰撞区为连接所述流体扰动区下端部分与出液区的环形壁面(即流体控温腔内底部壁面)。所述出液区为等径贯通的筒体。具体地，流体扰动区22下端部分的孔径是进液区21下端孔径的1.5倍。流体扰动区22内钻井液的涡量扰动进一步放大，形成离散的涡环。钻井液在流体碰撞区23与管壁发生碰撞，诱发出新的压力振荡波，振荡波向上传播，又产生新的压力振荡和涡量扰动。当压力激动频率与流体控温腔5的固有频率相匹配时，压力振荡和涡量扰动大幅放大，形成共振。流体扰动区22下端部分孔径是出液区24孔径的1.8倍。
下面对本申请的技术方案进行进一步介绍：
(1)通井、洗井，做好施工准备；
(2)搭建钻井系统；所述高压注入泵11和制冷换热器分别连接连续油管；所述流体控温腔固定于所述连续油管的近钻头末端，位于井底钻头上方；所述冷流体流通管道固定于连续油管内部；所述冷流体流通管道包括螺旋换热管和腔外冷流体流通管线；将所述螺旋换热管4固定于风琴管结构的流体控温腔5中，所述腔外冷流体流通管线位于所述流体控温腔外部并一直延伸到地面；所述腔外冷流体流通管线连接螺旋换热管。开启高压注入泵11，从地面冷流体流通管线入口1注入冷氮气；
(3)利用连续油管3将钻井液泵入流体控温腔5中，所述流体控温腔内设有温度传感器；利用温度传感器6实时监测内部钻井液的温度；经过冷却后的流体控温腔内的流体温度在10℃～30℃之间；
(4)钻井液经由流体控温腔5降温并发生自振空化作用，高速低温钻井液35冲击岩体31，岩石颗粒快速收缩，在拉应力作用下原生裂缝32进一步扩展，同时产生新的微裂缝38。自振空化作用下钻井液中形成空泡涡旋流，空泡36破裂后产生强大的破坏作用，辅助钻齿34进一步破碎岩石。破碎后的岩屑12被钻井液携带出井筒；
(5)冷流体从冷流体流通管道出口8排出，经过地面制冷换热器10冷却后，在高压注入泵11作用下重新泵入冷流体流通管道入口1，实现冷流体的循环使用；
(6)钻至目标层位后，关泵，施工结束。
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 (21)
1.一种钻井系统，其特征在于包括以下部件：冷流体流通管道、连续油管、流体控温腔；
所述流体控温腔位于所述连续油管末端，位于井底钻头或井下钻具组合上方；所述冷流体流通管道固定于连续油管内部；所述冷流体流通管道包括换热管和腔外冷流体流通管线；所述换热管位于所述流体控温腔内，所述腔外冷流体流通管线位于所述流体控温腔外部并一直延伸到地面；所述腔外冷流体流通管线连接换热管；
所述换热管外表面设有多层复合涂层；所述多层复合涂层由基管沿垂直管壁向外依次为聚合物-纳米颗粒复合涂层、碳-碳涂层和碳化硅晶须涂层。
2.根据权利要求1所述的钻井系统，其特征在于：
所述冷流体流通管道内部流动有冷流体；所述冷流体选自液氮、液氧、冷空气、冷氮气中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的钻井系统，其特征在于包括以下部件：高压注入泵、制冷换热器；所述高压注入泵和制冷换热器分别连接连续油管。
4.根据权利要求1所述的钻井系统，其特征在于：
所述流体控温腔内设有温度传感器；
所述换热管构造为螺旋状。
5.根据权利要求1所述的钻井系统，其特征在于：
所述聚合物-纳米颗粒复合涂层、碳-碳涂层和碳化硅晶须涂层厚度分别为5μm~1mm。
6.根据权利要求5所述的钻井系统，其特征在于：
所述聚合物-纳米颗粒复合涂层为100μm~500μm。
7.根据权利要求5所述的钻井系统，其特征在于：
所述碳-碳涂层厚度为50μm~300μm。
8.根据权利要求5所述的钻井系统，其特征在于：
所述碳化硅晶须涂层厚度为100μm~500μm。
9.根据权利要求1所述的钻井系统，其特征在于：
所述的聚合物—纳米颗粒复合涂层，包含纳米颗粒和聚合物树脂基质材料，所述纳米颗粒均匀地分散在聚合物树脂基质材料中，再进行涂覆，即得；
其中，所述的纳米颗粒占所述的聚合物—纳米颗粒复合涂层总体积的体积百分比为1%~20%。
10.根据权利要求9所述的钻井系统，其特征在于：
所述的纳米颗粒占所述的聚合物—纳米颗粒复合涂层总体积的体积百分比为8%~12%。
11.根据权利要求9所述的钻井系统，其特征在于：
所述聚合物树脂基质材料与纳米颗粒之间的界面热阻小于5×10-8m2·K/W；
所述的纳米颗粒的热传导率≥800W/m·K。
12.根据权利要求11所述的钻井系统，其特征在于：
所述聚合物树脂基质材料与纳米颗粒之间的界面热阻不超过1×10-8m2·K/W。
13.根据权利要求11所述的钻井系统，其特征在于：
所述的纳米颗粒的热传导率≥1000W/m·K。
14.根据权利要求1所述的钻井系统，其特征在于：
所述腔外冷流体流通管线外表面设有耐高温的纳米多孔气凝胶隔热材料；
所述纳米多孔气凝胶隔热材料厚度为10μm~1mm。
15.根据权利要求14所述的钻井系统，其特征在于：
所述纳米多孔气凝胶隔热材料厚度为100μm~500μm。
16.根据权利要求14所述的钻井系统，其特征在于：
所述纳米多孔气凝胶隔热材料由包含气凝胶和无机陶瓷纤维毡在内的组分组成；
所述气凝胶选自纳米氧化铝气凝胶或纳米氧化硅气凝胶中的至少一种；
所述无机陶瓷纤维毡选自硅酸铝陶瓷纤维毡、高硅氧陶瓷纤维毡、莫来石陶瓷纤维毡中的一种或多种。
17.根据权利要求1~16任一项所述的钻井系统，其特征在于：
所述流体控温腔为风琴管结构，所述流体控温腔自上到下依次包括进液区、流体扰动区、流体碰撞区和出液区；
所述进液区上端为上大下小的喇叭口，下端连接所述流体扰动区；
钻井液通过所述进液区进入所述流体扰动区；所述流体扰动区的孔径大于所述进液区下端孔径；
所述流体扰动区上端部分连接进液区，下端部分连接流体碰撞区；
所述流体碰撞区为连接所述流体扰动区下端部分与出液区的壁面；
所述流体扰动区下端部分的孔径大于所述出液区的孔径；
所述出液区为贯通的筒体。
18.根据权利要求1~17任一项所述的钻井系统进行钻井的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）通井、洗井；
2）搭建所述钻井系统；将高压注入泵和制冷换热器分别连接连续油管；
所述流体控温腔固定于所述连续油管近钻头末端；
所述冷流体流通管道固定于连续油管内部，将所述换热管固定于所述流体控温腔中，将所述腔外冷流体流通管线固定于所述流体控温腔外部并一直延伸到地面；所述腔外冷流体流通管线连接换热管；
3）开启高压注入泵，从所述冷流体流通管道入口注入冷流体；
4）通过连续油管将钻井液泵入流体控温腔中，利用流体控温腔内的温度传感器实时监测腔内钻井液的温度；钻井液经由流体控温腔降温并发生自振空化作用，最后从钻头喷嘴喷出高速低温钻井液；
5）高速低温钻井液冲击岩石表面，自振空化作用下钻井液形成空泡涡旋流，岩石破碎，岩屑被钻井液携带出井筒；
6）冷流体从所述冷流体流通管道出口排出，经过制冷换热器冷却后，在高压注入泵作用下重新泵入冷流体流通管道入口，实现冷流体的循环使用；
7）钻至目标层位后，关泵，施工结束。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：
所述步骤4）中，利用流体控温腔内的温度传感器实时监测腔内钻井液的温度；经过冷却后的流体控温腔内的流体温度保持在0℃~60℃。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：
所述的经过冷却后的流体控温腔内的流体温度保持在10℃~30℃。
21.根据权利要求1~17任一项所述的钻井系统或根据权利要求18~20任一项所述的进行钻井的方法在干热岩钻井中的应用。
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Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114233256A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-03-25 | 中国石油大学(华东) | 一种气凝胶纳米流体改善稠油热采开发效果的方法 |
| CN114307857A (zh) * | 2022-01-11 | 2022-04-12 | 内蒙古恒星化学有限公司 | 硅粉加料系统 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2544376A1 (fr) * | 1983-04-13 | 1984-10-19 | Inst Francais Du Petrole | Methode et dispositif pour effectuer des operations telles que des mesures dans un lieu ou regne une temperature elevee |
| JP2001524630A (ja) * | 1997-11-24 | 2001-12-04 | エルウッド チャンプネス | ツール冷却装置 |
| CN101787867A (zh) * | 2010-01-28 | 2010-07-28 | 吉林大学 | 钻井泥浆强制冷却循环系统 |
| CN103058712A (zh) * | 2013-01-10 | 2013-04-24 | 湖南南方搏云新材料有限责任公司 | 低密度炭/炭复合材料C/SiC复合涂层及其制备工艺 |
| CN104832106A (zh) * | 2015-03-16 | 2015-08-12 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种钻井用强化脉冲pdc钻头 |
| CN106368608A (zh) * | 2016-08-26 | 2017-02-01 | 中国石油大学(北京) | 一种利用液氮进行干热岩钻井的新方法 |
| CN107165576A (zh) * | 2017-07-07 | 2017-09-15 | 中国石油大学(北京) | 钻井系统 |
| CN108911760A (zh) * | 2018-08-08 | 2018-11-30 | 航天材料及工艺研究所 | 碳纤维增强树脂梯度碳化非烧蚀型热防护材料及制备方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9453373B2 (en) * | 2012-08-09 | 2016-09-27 | James H. Shnell | System and method for drilling in rock using microwaves |
-
2019
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Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2544376A1 (fr) * | 1983-04-13 | 1984-10-19 | Inst Francais Du Petrole | Methode et dispositif pour effectuer des operations telles que des mesures dans un lieu ou regne une temperature elevee |
| JP2001524630A (ja) * | 1997-11-24 | 2001-12-04 | エルウッド チャンプネス | ツール冷却装置 |
| CN101787867A (zh) * | 2010-01-28 | 2010-07-28 | 吉林大学 | 钻井泥浆强制冷却循环系统 |
| CN103058712A (zh) * | 2013-01-10 | 2013-04-24 | 湖南南方搏云新材料有限责任公司 | 低密度炭/炭复合材料C/SiC复合涂层及其制备工艺 |
| CN104832106A (zh) * | 2015-03-16 | 2015-08-12 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种钻井用强化脉冲pdc钻头 |
| CN106368608A (zh) * | 2016-08-26 | 2017-02-01 | 中国石油大学(北京) | 一种利用液氮进行干热岩钻井的新方法 |
| CN107165576A (zh) * | 2017-07-07 | 2017-09-15 | 中国石油大学(北京) | 钻井系统 |
| CN108911760A (zh) * | 2018-08-08 | 2018-11-30 | 航天材料及工艺研究所 | 碳纤维增强树脂梯度碳化非烧蚀型热防护材料及制备方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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