[發明專利]一種鉆井系統及其方法和應用

有效

• 申請號: 201911334255.0
• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN113090189B
• 公開（公告）日: 2023-08-08
• 發明（設計）人: 耿黎東;蔣海軍;王敏生;思娜;光新軍
• 申請（專利權）人: 中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院
• 主分類號: E21B7/18
• 分類號: E21B7/18;E21B21/00;E21B21/06
• 代理公司: 北京知舟專利事務所(普通合伙) 11550
• 代理人: 楊茜

本發明涉及石油勘探開發領域的一種鉆井系統及其方法和應用。所述鉆井系統包括：冷流體流通管道、連續油管、流體控溫腔。所述方法通過換熱管中的冷流體對流體控溫腔內的鉆井液降溫；流體控溫腔設計成風琴管結構，鉆井液在腔內形成強烈的自振空化作用，自振空化低溫鉆井液從噴嘴高速噴出作用于井底干熱巖，在拉應力作用下巖石表面產生微裂縫。同時，自振空化作用下鉆井液形成強烈的空泡渦旋流，空泡破裂產生強大的破壞作用，進一步提高破巖能力。本發明解決了干熱巖鉆井機械鉆速慢、鉆井成本高、井下工具儀器壽命短的問題，可有效保障我國干熱巖資源的高效開發利用。

技術領域

本發明涉及石油勘探開發的干熱巖鉆井領域，更進一步說，涉及一種鉆井系統及其方法和應用。

背景技術

干熱巖是指內部不存在或者僅含有少量流體、溫度在150～650℃之間、致密不滲透的異常高溫巖體。我國干熱巖資源量巨大，埋深在3～10km地層深處的干熱巖資源總量可達2.5×10²⁵J標準熱量，相當于860×10¹²t標準煤，按2％的采收率計算，相當于我國2018年全國能源消費總量(46.2×10⁸t)的3700倍。此外，干熱巖開發過程中不會產生廢水、CO₂和顆粒污染物，有利于保護自然環境。因此，高效、經濟地開發利用干熱巖資源，可有效優化我國的能源結構、保障能源安全。

干熱巖巖性以花崗巖、片麻巖和閃長巖為主，巖石硬度大、研磨性強、可鉆性極差，導致機械鉆速慢、破巖效率低、鉆井成本高。干熱巖地層屬于異常高溫環境，鉆頭、井下動力鉆具、隨鉆測量儀器工作壽命短、性能差；常規鉆井液體系在高溫環境下易發生水解變化，從而失去攜巖和保護井壁的作用，也使得井塌、井漏、卡鉆等井下事故大量增加。

采用清水、純氣體和充氣鉆井液進行控壓鉆井可在一定程度上提高機械鉆速和減少井下事故，但無法從根本上解決干熱巖地層機械鉆速慢、鉆井成本高、井下工具、儀器壽命短等問題。公開號為CN?106368608A的中國專利公開了一種利用液氮進行干熱巖鉆井的新方法，其提出利用液氮作為鉆井液進行干熱巖鉆井，該方法利用液氮的冷沖擊作用，井底巖石在液氮低溫作用下產生微裂縫，降低巖石的強度，進而提高干熱巖鉆井效率。但是低溫液氮從鉆頭噴嘴噴出后，壓力快速下降，體積急劇膨脹，在焦耳-湯姆遜作用下，鉆頭噴嘴溫度急劇下降而結冰，大大影響了液氮輔助破巖作用。液氮在井底快速氣化成氮氣，在氮氣作用下將巖屑攜帶至地面，對于大顆粒巖屑的攜巖效果較差。此外，液氮鉆井對工具的耐低溫性能有極高的要求。

發明內容

為了解決現有技術中存在的上述問題，本發明提出一種鉆井系統，具體地說涉及一種鉆井系統及其方法和應用。所述鉆井系統為一種提高干熱巖鉆井效率的鉆井系統。本發明所述系統在井底鉆頭或井下鉆具組合上方設有風琴管結構的流體控溫腔，流體控溫腔內部設有換熱管，換熱管內部的冷流體通過熱交換作用，降低流體換熱腔內鉆井液的溫度。流體控溫腔設計成風琴管結構，將其作為自激震蕩腔，鉆井液在流體控溫腔內降溫的同時形成強烈的自振空化作用。自振空化低溫鉆井液從噴嘴高速噴出作用于井底干熱巖，高溫巖石表面溫度發生驟降，巖石顆粒發生強烈收縮而產生拉應力，在拉應力作用下巖石表面產生微裂縫，同時原生裂縫進一步擴展。此外，自振空化作用下鉆井液形成強烈的空泡渦旋流，空泡破裂產生強大的破壞作用，進一步提高破巖能力。同時，也改善了井底流場，提高了清巖效果。本發明解決了現有技術在干熱巖鉆井存在的機械鉆速慢、破巖效果差、鉆井成本高、井下工具儀器壽命低的問題，可有力支撐我國干熱巖資源的高效開發利用。

具體地，本申請目的之一所述的鉆井系統，可包括以下部件：冷流體流通管道、連續油管、流體控溫腔。

所述流體控溫腔位于所述連續油管近鉆頭末端，井底鉆頭或井下鉆具組合上方；所述冷流體流通管道固定于連續油管內部；所述冷流體流通管道可包括換熱管和腔外冷流體流通管線；所述換熱管位于所述流體控溫腔內，所述腔外冷流體流通管線位于所述流體控溫腔外部并一直延伸到地面；所述腔外冷流體流通管線連通換熱管。