CN114562233B - 一种过热液体闪沸多孔喷射羽流相互作用的煤层气开采钻进方法 - Google Patents
一种过热液体闪沸多孔喷射羽流相互作用的煤层气开采钻进方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种过热液体闪沸多孔喷射羽流相互作用的煤层气开采钻进方法，适用于煤层气开采中的水平分支井钻进。所述方法是利用过热液体多孔闪沸喷射形成的羽流间相互作用，使冲击力均衡分布，有效提高成孔圆整性，增加钻孔的使用寿命，且闪沸产生的气液两相多级脉动冲击和热应力能够显著提升钻进效率。此外，使用无水化作业介质时还具有储层保护的效果，本发明结构简单、稳定可靠，成本低，无需额外复杂的机械机构即可达到较高的成孔圆整性和钻进效率，易于推广。
Description
技术领域
本发明属于煤层气开采钻进技术领域，具体涉及采用过热液体闪沸多孔喷射羽流相互作用实现钻进的方法。
背景技术
作为非常规天然气的一种，煤层气的高效开发利用有助于实现能源结构调整和减少温室气体排放的目标，其中在煤层气储层中钻进多层分支孔构造网状裂缝是提高采收率和单井产量的重要手段。目前水平分支孔主要使用的钻进方法有旋转射流、多喷嘴组合射流、以及直旋混合射流。然而，旋转射流钻头轴心射流速度低，破岩能力弱，在钻孔底部中心易形成凸台，阻碍了钻头前进；组合射流中每个单独喷嘴产生的水射流作用区域较为有限，煤体受力不均致使成孔形态不规则，从而诱发局部应力集中而削弱了钻孔稳定性，且多个喷嘴同时作用于煤岩产生的同源应力波之间的干涉导致凸台的出现，极大地降低了钻进效率；直旋混合射流钻头结构复杂，整体尺寸大，且高压流体在钻头内部经叶轮后形成螺旋运动轨迹，能量衰减严重，降低了钻进效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤层气开采钻进方法，尤其是一种过热液体多孔闪沸喷射，通过调节喷嘴布置、过热液体温度和压力的方式改变欠膨胀羽流间相互作用程度，使闪沸喷射冲击力均衡以保证成孔圆整性，同时利用过热液体闪沸产生的气液两相多级脉动冲击和热应力提升破煤效率的钻进方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种过热液体闪沸多孔喷射羽流相互作用的煤层气开采钻进方法，所述方法是以过热液体为钻进的作业介质，将作业介质的温度调节至满足完全闪沸喷射条件温度范围内，输送至闪沸喷射钻头，进行钻进作业，使过热液体闪沸产生的气液两相多级脉动冲击和热应力作用于目标煤层，实现破煤钻进。
所述完全闪沸喷射条件温度范围是通过过热液体的饱和蒸汽压力Ps、井底环空压力Pa和无量纲参数Pa/Ps<1计算获得。
所述闪沸喷射钻头通过如下方式设计：通过调节过热液体的温度和压力，并调节钻头的破煤喷嘴个数和角度布置，以控制多孔闪沸喷射羽流相互作用程度，满足闪沸喷射作用面积与所需钻孔直径相匹配且冲击力均衡。
进一步，所述煤层气开采钻进方法包括如下步骤：
(1)作业介质选取：选取物理化学性质稳定、无燃烧爆炸危险性、饱和蒸汽压符合使用条件，且不与目标储层矿物发生反应的作业介质，包括但不限于液态二氧化碳、液氮。
(2)环境参数获取：从地面向目标地层钻进主井以及水平导向孔，监测并记录井底环空压力Pa、温度Ta以及水平导向孔的直径，闪沸喷射钻头直径应略小于水平导向孔直径。
(3)闪沸喷射钻头设计：根据所选液体即作业介质破煤门限压力P0确定作业介质压力范围P＞P0，确定闪沸喷射钻头的破煤喷嘴布置间距d1，偏转角α，以及喷嘴喉部直径dt；确定原则是：对于同一种过热液体，多孔闪沸喷射羽流相互作用程度随着破煤喷嘴布置间距d1及偏转角度α的增大而减弱，随着破煤喷嘴个数的增加而增强，冲击均衡性与羽流相互作用程度呈正相关关系。
(4)确定作业介质温度和压力范围，满足冲击均衡性：当闪沸喷射钻头设计确定后，在作业过程中羽流相互作用可通过调整作业介质的温度控制，将作业介质饱和蒸汽压记为Ps，根据无量纲数Pa/Ps<1确定所需液体饱和蒸汽压范围Ps＞Pa，通过查表得到该饱和蒸汽压所对应的温度范围T＞T0，此时温度和压力分别为P0和T的液体即为过热液体。为提高冲击均衡性，将喷嘴喉部作业介质比体积记为vt，井底环控中作业介质比体积记为va，两个间隔最远喷嘴出口圆心距离记为d2，根据计算得到dc，冲击均衡性由参数/>控制，当Dn≥1时射流为完全闪沸状态，此时羽流之间表现为剧烈相互作用，冲击力均衡性最好，va可通过井底环空压力Pa、温度Ta查表得到，即/>此时Pt可通过P0、喷嘴喉部直径dt由经验公式计算得到，通过查表可得临界温度值T1，此时温度范围T＞T1＞T0，由此确定作业介质温度T＞T1和压力范围P＞P0。
(5)将闪沸喷射钻头从井筒输送至目标储层中预先钻好的水平导向孔内部。
(6)过热液体制备：通过增压泵将作业介质加压至所需压力P＞P0并输送至温度控制系统，根据(3)和(4)中计算，通过温度控制系统将作业介质加热至T＞T1温度范围，得到过热液体，储存在缓冲罐内；
(7)闪沸喷射钻进作业：将过热液体输送至闪沸喷射钻头，进行闪沸喷射钻进作业。
本发明中，饱和蒸汽压指的是在一定温度下，与液体处于相平衡的蒸汽所具有的压力，与液体本身的压力不同，一般液体的饱和蒸汽压Ps随着液体温度的升高而增加，当液体内部气泡的蒸汽压大于液体的压强时就形成了过热液体。因此，制备过热液体有升高温度和增加压力(使液体Ps增大，从而高于液体压力Pa，形成过热液体)两种途径；一定温度下液体的饱和蒸汽压可以通过查表获得。本发明中的过热液体需根据所选取液体种类，通过温压调控制备，温度范围的计算方法步骤(4)。
P是增压泵的输出压力，也就是液体本身的压力，饱和蒸汽压是取决于液体的温度和压力，但与液体本身的压力是两个参数，该液体压力可根据实际施工需求(破煤门限压力)调整。
过热液体是从喷嘴喷出之后，由于环境压力(井底环空压力)低于液体介质的饱和蒸汽压，即Pa/Ps<1，所以称之为过热液体。保证过热液体闪沸喷射需满足饱和蒸汽压高于环境压力，饱和蒸汽压由液体本身温度和压力决定，因而需进行温压调控满足过热液体闪沸喷射。
本发明的冲击力均衡可通过图3中的示意图说明，非闪沸工况液体射流多孔喷射作用于靶体表面若干个圆点，而完全闪沸工况可以在若干束射流中心形成低压区，压力梯度力的作用使得多束闪沸喷射向中心合并(羽流相互作用)，从而形成一个均匀的冲击区域，而不是若干个圆点；均衡性可通过闪沸羽流相互作用控制，可以通过Dn计算液体温度范围控制，射流冲击均衡性随着Dn的增加而增强，当Dn≥1时闪沸喷射均衡性较好。
与现有技术相比，采用本发明的钻进方法具有冲击力均衡、钻进孔壁圆整性高的效果，可保证钻孔稳定性，有效延长钻孔使用寿命，且闪沸喷射产生的气液两相流多级脉动效应和低温热应力可大大提高钻进效率，从而缩短施工时间。并且，本发明使用无水化作业介质时还具有储层保护的效果。除此之外，本发明需要的装备简单，稳定可靠，成本低，无需额外复杂的机械机构即可达到较高的成孔圆整性和钻进效率。
附图说明
图1为过热液体闪沸多孔喷射羽流相互作用钻进系统示意图。
图2为八喷嘴钻头三视图。其中A是主视图，B是左视图，C是俯视图，D是三维视图。
图3为八喷嘴布置钻头非闪沸喷射与完全闪沸喷射对比图。其中A是非闪沸喷射剖面图，B是完全闪沸喷射剖面图，C是非闪沸喷射冲击区域投影图，D是完全闪沸喷射冲击区域投影图。
其中，1-作业介质储罐；2-高压柱塞泵；3-温度调控系统；4-缓冲罐；5-柔性高压软管；6-闪沸喷射钻头；7-破煤喷嘴；8-扶正喷嘴；9-反推喷嘴；10-水平导向孔。
具体实施方式
下面将以八喷嘴闪沸喷射钻头为例，结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
如图1所示，煤层气开采钻进系统是利用过热液体闪沸多孔喷射羽流相互作用进行钻进，先用作业介质储罐1和高压柱塞泵2制备作业所需的高压液态作业介质，使用温度调控系统3将高压作业介质加热制备过热液体，将高压过热液体储存在缓冲罐4内，以削弱高压柱塞泵2造成的压力波动，然后由柔性高压软管5将过热液体输送至闪沸喷射钻头6。
本实施例中，闪沸喷射钻头以八喷嘴钻头为例，如图2所示，所述的闪沸喷射钻头包括破煤喷嘴7，扶正喷嘴8和反推喷嘴9，其中破煤喷嘴7用以破煤钻进，扶正喷嘴8用以保持钻头与孔壁之间有一定距离，防止钻头跑偏，反推喷嘴9为闪沸喷射钻头6前进提供反推力。
如图3所示，所述的破煤喷嘴7利用闪沸喷射羽流相互作用，可以大大提高冲击力均衡性，其相互作用程度取决于作业介质温度、破煤喷嘴7个数、破煤喷嘴7布置间距d以及偏转角度α，作业介质温度的升高、破煤喷嘴7个数增加、破煤喷嘴7布置间距d减小、破煤喷嘴偏转角度α减小均能增强羽流相互作用程度。
所述的扶正喷嘴8和反推喷嘴9对闪沸喷射钻头7的作用力仅与喷射流量和喷射速度有关，无需考虑羽流相互作用影响。
本实施例中，利用图1所示的钻进系统进行煤层气开采钻进，具体包括如下内容：
1、选取液态二氧化碳为作业介质。
2、从地面向目标地层钻进主井以及水平导向孔10，并记录井底环空压力Pa以及水平导向孔10的直径。
3、根据设备排量及实际需求确定闪沸喷射钻头喷嘴个数、布置间距d及偏转角α，完成钻头设计：
具体是，根据所选液体破煤门限压力P0确定作业介质压力范围P＞P0，确定喷嘴布置间距d1，偏转角α，以及喷嘴喉部直径dt。对于同一种过热液体，多孔闪沸喷射羽流相互作用程度随着喷嘴布置间距d1及偏转角度α的增大而减弱，随着喷嘴个数的增加而增强，冲击均衡性与羽流相互作用程度呈正相关关系。
4、当闪沸喷射钻头6设计确定后，在作业过程中羽流相互作用通过调整作业介质的温度控制，将作业介质饱和蒸汽压记为Ps，根据无量纲数Pa/Ps<1确定所需液体饱和蒸汽压范围Ps＞Pa，通过查表得到该饱和蒸汽压所对应的温度范围T＞T0，此时温度和压力分别为P0和T的液体即为过热液体。为提高冲击均衡性，将喷嘴喉部作业介质比体积记为vt，井底环控中作业介质比体积记为va，两个间隔最远喷嘴出口圆心距离记为d2，根据计算得到dc，冲击均衡性由参数/>控制，当Dn≥1时射流为完全闪沸状态，此时羽流之间表现为剧烈相互作用，冲击力均衡性最好，va可通过井底环空压力Pa、温度Ta查表得到，即此时Pt可通过P0、喷嘴喉部直径dt由经验公式计算得到，通过查表可得临界温度值T1，此时温度范围T＞T1＞T0，由此确定作业介质温度T＞T1和压力范围P＞P0。
5、将闪沸喷射钻头6从井筒输送至目标储层中预先钻好的水平导向孔10内部。
6、利用作业介质储罐1和高压柱塞泵2制备作业所需的压力为P＞P0的高压液态作业介质，使用温度调控系统3将高压作业介质加热制备过热液体，根据步骤3中计算的温度范围将作业介质温度调节至完全闪沸温度范围内，随后将高压过热液体储存在缓冲罐4内，以削弱高压柱塞泵2造成的压力波动。
7、然后由柔性高压软管5将过热液体输送至闪沸喷射钻头6，即可开始钻进作业。作业过程中可通过步骤4中给出的温度计算标准调整过热液体温度T＞T1，从而优化冲击力均衡性和钻进效率关系，作业结束后关闭作业介质供给，并将闪沸喷射钻头7取出，检查内部无压力残留后进行清洗以备下次使用；
8、在进行下一轮钻进作业时重复上述步骤1-7即可。
由以上实施过程可见，本发明所述的钻进方法主要是以井底环空压力Pa和破煤门限压力P0为参考，对温度参数的控制，钻进效果优势主要是射流冲击的均衡性。
Claims (6)
1.一种过热液体闪沸多孔喷射羽流相互作用的煤层气开采钻进方法，其特征在于：所述方法是以过热液体为钻进的作业介质，将作业介质的温度和压力调节至满足完全闪沸喷射条件温度和压力范围内，使其满足冲击均衡性，然后输送至闪沸喷射钻头即进行钻进作业，使过热液体闪沸产生的气液两相多级脉动冲击和热应力作用于目标煤层，实现破煤钻进；
所述过热液体是指：针对设计确定的闪沸喷射钻头，在作业过程中羽流相互作用通过调整作业介质的温度控制，将作业介质饱和蒸汽压记为Ps，根据无量纲数Pa/Ps<1确定所需液体饱和蒸汽压范围Ps＞Pa，通过查表得到该饱和蒸汽压所对应的温度范围T＞T0，此时作业介质压力和温度分别为P和T的液体即为过热液体；其中，Pa是井底环空压力，P是作业介质压力；
确定满足冲击均衡性的作业介质温度和压力范围的方法是：将喷嘴喉部作业介质比体积记为vt，井底环空中作业介质比体积记为va，两个间隔最远喷嘴出口圆心距离记为d2，根据计算得到dc，冲击均衡性由参数/>控制，当Dn≥1时射流为完全闪沸状态，此时羽流之间表现为剧烈相互作用，冲击力均衡性最好，va通过井底环空压力Pa、温度Ta查表得到，即/>Pt通过P0、喷嘴喉部直径dt由经验公式计算得到，通过查表得临界温度值T1，此时温度范围T＞T1＞T0，由此确定作业介质温度T＞T1和压力范围P＞P0；P0是作业介质破煤门限压力。
2.根据权利要求1所述的过热液体闪沸多孔喷射羽流相互作用的煤层气开采钻进方法，其特征在于：所述闪沸喷射钻头通过如下方式设计：根据作业介质破煤门限压力P0确定作业介质压力范围P＞P0，确定闪沸喷射钻头的破煤喷嘴布置间距d1、偏转角α以及喷嘴喉部直径dt，以控制多孔闪沸喷射羽流相互作用程度，满足闪沸喷射作用面积与所需钻孔直径相匹配且冲击力均衡。
3.根据权利要求1或2所述的过热液体闪沸多孔喷射羽流相互作用的煤层气开采钻进方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)作业介质选取：选取物理化学性质稳定、无燃烧爆炸危险性、饱和蒸汽压符合使用条件，且不与目标储层矿物发生反应的作业介质，包括但不限于液态二氧化碳、液氮；
(2)环境参数获取：从地面向目标地层钻进主井以及水平导向孔，监测并记录井底环空压力Pa、温度Ta以及水平导向孔的直径；
(3)闪沸喷射钻头设计：根据所选作业介质破煤门限压力P0确定作业介质压力范围P＞P0，确定闪沸喷射钻头的破煤喷嘴布置间距d1，偏转角α以及喷嘴喉部直径dt；确定原则是：对于同一种过热液体，多孔闪沸喷射羽流相互作用程度随着破煤喷嘴布置间距d1及偏转角α的增大而减弱，随着破煤喷嘴个数的增加而增强，冲击均衡性与羽流相互作用程度呈正相关关系；
(4)确定作业介质温度和压力范围，使其满足冲击均衡性，其中，作业介质温度T＞T1，压力范围P＞P0；
(5)将闪沸喷射钻头从井筒输送至目标储层中预先钻好的水平导向孔内部；
(6)过热液体制备：通过增压泵将作业介质加压至所需作业介质压力P＞P0并输送至温度控制系统，通过温度控制系统将作业介质加热至T＞T1温度范围，得到过热液体，储存在缓冲罐内；
(7)闪沸喷射钻进作业：将过热液体输送至闪沸喷射钻头，进行闪沸喷射钻进作业。
4.如权利要求3所述的过热液体闪沸多孔喷射羽流相互作用的煤层气开采钻进方法，其特征在于，在步骤(7)的作业过程中，通过步骤(4)中给出的温度计算标准调整过热液体温度T＞T1，优化冲击力均衡性和钻进效率关系。
5.如权利要求3所述的过热液体闪沸多孔喷射羽流相互作用的煤层气开采钻进方法，其特征在于，所述的破煤喷嘴布置个数不小于4，偏转角0°≤α≤30°。
6.如权利要求3中所述的过热液体闪沸多孔喷射羽流相互作用的煤层气开采钻进方法，其特征在于，闪沸喷射羽流相互作用程度取决于作业介质温度、破煤喷嘴个数、破煤喷嘴布置间距d1以及偏转角α，作业介质温度的升高、破煤喷嘴个数增加、破煤喷嘴布置间距d1减小、破煤喷嘴的偏转角α减小均能增强羽流相互作用程度。
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