一种利用液氮进行干热岩钻井的新方法技术

本发明专利技术公开了一种利用液氮进行干热岩钻井的新方法，该方法采用液氮作为钻井液进行干热岩钻井，通过液氮的低温作用在干热岩表面产生拉伸应力，诱导微裂缝的萌生和扩展，从而降低干热岩的强度，提高钻头的破岩效率。液氮在井底气化后氮气从环空上返，并将破岩形成的岩屑携带至地面。本方法将液氮的冷冲击作用和氮气欠平衡钻井的优势相结合，可大幅提高干热岩钻井的机械钻速，并可有效解决干热岩钻井中的井漏问题，极大地降低干热岩钻井成本。本发明专利技术内容有望为我国干热岩资源的开发提供新的技术储备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用液氮进行干热岩钻井的新方法，属于油气井工程领域与地热资源开发领域。
技术介绍
地热是一种埋藏在地壳深部，以热能形式存在的可再生清洁能源。地热能资源丰富，可用来进行居民供暖、温泉开发和蒸汽发电等。地热能具有多种存在形式，其中最具开发潜力的为干热岩。干热岩是指埋深在3km以上，温度在200～650℃之间，且基本不含天然流体的地壳岩体，岩性以片麻岩、花岗岩为主。统计资料显示，我国干热岩资源潜力巨大，且开发过程中不会产生CO2、粉尘颗粒和废水等污染物，因此合理地开发利用这部分能源对我国的经济和能源结构具有重要意义。干热岩钻井技术是开发地热能资源的关键，钻井成本也是总成本的重要组成部分。由于干热岩强度大、温度高、岩体不稳定以及天然裂隙发育，因此在干热岩中钻井极具挑战性。干热岩岩性以花岗岩为主，研磨性强，机械钻速低；常规钻井液在高温环境下容易降解从而失去携岩、护壁和循环的功能；此外，常规的高比重钻井液在干热岩中漏失较严重，导致钻井成本急剧上升。实践表明，采用清水、充气钻井液或者纯气体进行控压钻井是一种行之有效的办法，可在一定程度上减少钻井液漏失和提高机械钻速。然而，这些技术难以从根本上解决干热岩钻井中机械钻速低、井下工具寿命短等问题，寻求一种更加高效的干热岩钻井新方法仍然具有很大的必要性。液氮是一种无色无味、温度极低(-195.8℃)的流体，其与储层岩石接触时导致岩石表面温度骤降，引起岩石颗粒收缩并产生拉伸应力，当拉应力超过岩石的强度时可诱发微裂隙的萌生或者原生裂隙的扩展。研究表明，液氮的低温作用可改变岩石内部孔隙结构、降低岩石强度并且提高岩石渗透率，由于液氮的这一特性，其已在石油工程压裂增产领域获得应用。本专利技术基于以上背景，提出一种采用液氮进行干热岩钻井的新方法。高压液氮从钻头喷嘴喷出形成液氮射流，与钻头切削齿进行水力-机械联合破岩。井底岩石在液氮的低温作用下产生微裂缝，强度降低，可提高切削齿的切削效率。此外，液氮在井底快速气化变为氮气，使得井底岩石处于局部欠平衡的应力状态，进一步降低破岩的门限压力。液氮气化后，氮气经由环空上返携岩，达到氮气气体钻井的效果，因而可有效解决井漏问题，提高本专利技术所提出的方法的技术适应性。
技术实现思路
本专利技术针对干热岩钻井难度大、成本高等问题，提出一种采用液氮进行干热岩钻井的新方法。高压液氮射流在井底与钻头切削齿进行水力-机械联合破岩，提高了机械钻速；液氮气化后氮气从环空上返携带岩屑至地面，解决干热岩钻井中井漏严重的问题。为实现该方法，本专利技术专利所采用的技术方案为：对于干热岩上部覆盖的浅部含水层，采用普通的钻井技术钻穿，钻至不含水的干热岩层顶部时采用表层套管固井，水泥浆返至地面。随后下入钻柱利用高压氮气将井筒内剩余钻井液替出井筒，钻井液顶替完毕后采用液氮作为钻井液进行干热岩地层的钻进。高压液氮由地面液氮泵产生，压力最高可达40MPa，液氮经过钻杆内部通道从井口流至钻头。钻头类型采用带长保径面的PDC钻头或者普通牙轮钻头，可根据实际地层情况进行调整。高压液氮经过钻头喷嘴喷出，形成高速液氮射流，喷嘴直径在3～6mm之间，喷嘴数量和直径大小可根据实际钻井水力参数设计进行调整。从喷嘴喷射出的液氮射流与钻头切削齿进行水力-机械联合破岩，克服干热岩研磨性强、可钻性差的缺点。干热岩井底温度在200℃以上，在高压液氮射流(-195.8℃)的作用下承受400℃左右的温差。井底干热岩在冷冲击效应下表面萌生微裂缝，并且原生裂缝进一步扩展沟通，岩石强度降低，从而提高钻头切削齿的切削效率。液氮在接触井底岩石后气化成为氮气，使井底岩石处于欠平衡应力状态，降低破岩门限压力，提高机械钻速。液氮从喷嘴喷出后对井下工具起冷却作用，从而延长钻具和钻头在干热岩高温环境下的工作寿命。气化后的氮气携带岩屑从井筒与钻柱之间的环空上返至地面，实现氮气钻井的技术优势，减少钻井液的漏失以及干热岩产能的损失。气体钻井和保径钻头配合，使所钻井眼形状规则，有利于后期的固井和完井作业。有益效果本专利技术所提出的利用液氮进行干热岩钻井的新方法，可有效克服干热岩层钻井中岩石强度大、温度高、漏失严重等问题，从而节约钻井成本，并且可保护干热岩热储产能。液氮射流的冷冲击效应和钻头切削齿联合破碎井底岩石，改变了井底岩石的应力状态，提高了破岩效率；液氮气化后氮气从环空上返携岩，可有效解决干热岩钻井中钻井液的恶性漏失问题。本专利技术有望为我国地热能的开发利用提供新的技术储备。附图说明图1是施工示意图；图2是液氮射流-钻头切削齿联合破岩示意图；图3是氮气环空携岩示意图；图中：1-井筒；2-钻头；3-钻杆；4-液氮射流；5-井底岩石；6-液氮泵；7-钻头切削齿；8-岩石破碎坑；9-岩屑；10-氮气。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明：如图1所示，液氮泵6将高压液氮从钻杆3顶部泵送至井底钻头2处，液氮通过钻头喷嘴喷出，形成高速液氮射流4。钻头切削齿与液氮射流4联合作用于井底干热岩5的表面，井底岩石5在水力-机械的联合作用下破碎，破碎形成的岩屑由氮气携带，从钻杆3和井筒1之间的环空返至地面。如图2所示，高速液氮射流4冲击井底岩石5表面，使井底岩石5表面处产生巨大温度梯度和拉伸应力，在拉伸应力的作用下井底岩石5表面产生微裂缝，并且原生裂缝进一步发育和扩展。钻头切削齿7和液氮射流4联合作用于井底岩石5上，井底岩石5在热应力、射流冲击力和切削齿作用力的联合效应下形成体积破碎坑8。如图3所示，液氮射流4在井底气化形成的氮气10经过钻杆3与井筒1之间的环空上返。钻井过程中形成的岩屑9在氮气10的拖曳作用下沿所述环空从井底上返至地面。以上所述仅为本专利技术示意性的具体实施方式，并非用以限制本专利技术的实施范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本专利技术的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用液氮进行干热岩钻井的新方法，其特征在于：该方法利用液氮作为钻井液，在干热岩地层内进行钻进。所述液氮温度为‑195.8℃，通过钻头喷嘴喷出形成液氮射流作用于所述干热岩表面。钻头切削齿与所述液氮射流对所述干热岩进行水力‑机械联合破岩，达到提高机械钻速和减少钻井液漏失的目的。

【技术特征摘要】
1.一种利用液氮进行干热岩钻井的新方法，其特征在于：该方法利用液氮作为钻井液，在干热岩地层内进行钻进。所述液氮温度为-195.8℃，通过钻头喷嘴喷出形成液氮射流作用于所述干热岩表面。钻头切削齿与所述液氮射流对所述干热岩进行水力-机械联合破岩，达到提高机械钻速和减少钻井液漏失的目的。2.如权利要求1所述一种利用液氮进行干热岩钻井的新方法，其特征在于：所述干热岩温度在200℃以上，在所述液氮的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄中伟，李冉，李根生，武晓光，晏鹏森，宋先知，盛茂，张逸群，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11