一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头技术

本发明专利技术涉及干热岩钻探钻具技术领域，特别涉及一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头，基于水射流高能冲击破碎、侵蚀和水楔作用，复合液氮冷冲击冷裂作用于干热岩，两种射流相互增强彼此致裂效果；以喷头装置致裂辅助钻进设备对干热岩同时进行致裂和钻进工作，在整个钻进过程中始终钻进已经致裂的干热岩体，最终达到高效率的钻进效果。本发明专利技术的有益效果在于：同时利用低温冻结效应产生裂纹，且所产生裂纹会在高压水射流水楔作用下进一步扩展；利用高压水射流冲击产生裂纹，且所产生裂纹也会在液氮低温诱裂作用下进一步扩展，从而利用液氮冷冲击复合高压水射流共同作用降低干热岩整体度，大幅提升后期机械钻进效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头


[0001]本专利技术涉及干热岩钻探钻具
，特别涉及一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头。

技术介绍

[0002]地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源。与水热型地热资源相比，更多的热能储存于地下无水或少水的高温岩体中形成干热岩型地热资源。钻井是干热岩开发的关键环节。目前，干热岩开发过程中，钻井成本占到总成本的70％左右。过高的钻井成本与较长的钻井周期严重制约了干热岩的大规模开发利用。
[0003]目前钻井成本居高不下，对干热岩开发有严重制约的原因主要分为两种：一是干热岩地层多为高温高压下形成的火成岩与变质岩，如花岗岩、花岗闪长岩、石英岩、玄武岩等，地层研磨性强、可钻性差，一些岩层单轴抗压强度可达240MPa以上。二是常规回转钻进方法，碎岩效率低，钻头磨损快。
[0004]有鉴于此，亟待一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头，同时利用低温冻结效应产生裂纹，且所产生裂纹会在高压水射流水楔作用下进一步扩展；利用高压水射流冲击产生裂纹，且所产生裂纹也会在液氮低温诱裂作用下进一步扩展，从而利用液氮冷冲击复合高压水射流共同作用降低干热岩整体度，大幅提升后期机械钻进效率。

技术实现思路

[0005]为了解决以上现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头，同时利用低温冻结效应产生裂纹，且所产生裂纹会在高压水射流水楔作用下进一步扩展；利用高压水射流冲击产生裂纹，且所产生裂纹也会在液氮低温诱裂作用下进一步扩展，从而利用液氮冷冲击复合高压水射流共同作用降低干热岩整体度，大幅提升后期机械钻进效率。
[0006]为了实现上述目标，本专利技术的技术方案为：一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]S1，通过地质探测确定地热区位置，根据地热区位置进行现场勘测，从而确定干热岩储层位置以及定位井孔坐标；
[0008]S2，根据S1所定位的井孔坐标利用钻孔设备钻设主井眼井口；
[0009]S3，利用钻进设备在上覆岩层钻设主井眼，并采用套管和普通水泥浆固井直至钻设至干热岩层；
[0010]S4,停止钻进设备的运作，将喷头由S3中钻设的主井眼中放入，喷头主体位置固定在干热岩层上方20cm～30cm处；
[0011]S5，将液氮和高压水同时泵送入喷头当中，由于喷头出水口口径较小，产生高压水射流，将高压水射流对干热岩层表面高能冲击破碎，对整体度较高的部分进行破碎造缝，对
天然纹理及裂隙高压水射流侵入从而达到裂隙扩展效果；同时持续散射液氮射流，由于液氮冷冲击温度极低，散射至干热岩层表面使得干热岩迅速降温，产生冷热交替效果，干热岩内部热应力较大，从而诱发裂纹；高压水射流侵入液氮冷冲击诱发的裂纹中，通过高压水的水楔作用，驱使裂纹继续扩展，加强液氮冷冲击造缝效果，同时液氮冷冲击散射至高压水射流破碎形成的裂缝当中，进一步扩展冷裂增强高压水射流造缝效果，两种射流相互辅助相互加强致裂效果，直至主井眼形成裂隙率较大且贯通的裂隙缝网；
[0012]S6，完成S5中操作之后，暂停泵送液氮和高压水，此时干热岩层岩体经过S4-S5步骤之后破碎程度较大，具有贯通的裂隙缝网，整体度较小，利用钻孔设备对干热岩层岩体进行钻进；
[0013]S7,在主井眼钻设面上循环S4至S6，循环推进。
[0014]进一步的，所述高压水射流泵送压力控制在200～300MPa之间。
[0015]进一步的，所述扩散的液氮射流泵送压力控制在2～4MPa之间。
[0016]进一步的，所述喷头将液氮散射和高压水射流同时作用对干热岩层表面进行造缝，所述喷头与钻机设备同时持续对干热岩层表面进行造缝和破碎。
[0017]进一步的，所述喷头包括：喷头主体、轴封件、第一套管头、散射喷嘴和球阀，所述喷头主体内开设有过水管路和液氮腔，所述过水管路开设在所述喷头主体轴心线上并且贯穿所述喷头主体，所述液氮腔开设在所述过水管路侧并且环绕所述过水管路。
[0018]进一步的，所述轴封件固定安装在所述液氮腔输入口，所述散射喷嘴固定安装在所述液氮腔输出口处，所述散射喷嘴由三通管、支路喷管和第二套管头组成，所述三通管与所述第二套管头转动连接，所述支路喷嘴固定连接在所述三通管两侧，所述支路喷管上沿管路外径开设有若干第一出水口，所述第一出水口沿外径螺旋分布。
[0019]进一步的，所述第一套管头固定安装在所述过水管路输入口处，所述球阀转动安装在所述过水管路输出口处，所述球阀与控制电机传动连接，所述控制电机固定安装在所述喷头主体外侧壁上，所述球阀安装进所述过水管路输出口端开设有矩形槽，所述矩形槽中心处开设有第二出水口，所述第二出水口贯穿所述球阀。
[0020]进一步的，所述液氮腔包括：输入段、扩展段和输出段，所述输入段和输出段截面半径小于所述扩展段的截面半径。
[0021]进一步的，所述液氮腔输入段与不锈钢液氮软管连通，所述不锈钢液氮软管输入端与液氮罐输出口连通且所述不锈钢液氮软管之间通过设置有第一单向阀和液氮增压泵；所述过水管路输入口通过连接管与高压水泵连通，所述连接管上设置有第二单向阀。
[0022]有益效果：
[0023]本专利技术提供的一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头，利用液氮预处理辅助高压水射流利用液氮低温作用会诱发裂纹，高压水射流会侵入低温诱发的裂纹，通过高压水的水楔作用，驱使裂纹继续扩展；同时，高压水射流冲击产生的裂纹，受到液氮低温诱裂作用下也继续扩展。实现高压水射流和液氮互相增进彼此的致裂效果。同时本专利技术提供的装置能够将液氮和高压水射流结合为一体，并且无需人工手动操作下井致裂，自动化程度较高，与钻进设备共同使用，将预处理和钻进结合起来，利用较短时间的致裂过程制造深度较浅的贯通裂纹，从而辅助钻进设备同时进行钻设，大幅提升机械钻进效率。
附图说明
[0024]图1为本专利技术一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头主体立体结构示意图；
[0025]图2为本专利技术一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头散射喷嘴和球阀立体结构示意图；
[0026]图3为本专利技术一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头球阀立体结构示意图1；
[0027]图4为本专利技术一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头球阀立体结构示意图2；
[0028]图5为本专利技术一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头主体截面结构示意图；
[0029]附图标记：1-喷头主体，2-轴封件，3-第一套管头，4-散射喷嘴，5-球阀，11-过水管路，12-液氮腔，41-三通管，42-支路喷管，43-第二套管头，44-第一出水口，51-控制电机，52-矩形槽，53-第二出水口，12本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头，其特征在于，包括以下步骤：S1，通过地质探测确定地热区位置，根据地热区位置进行现场勘测，从而确定干热岩储层位置以及定位井孔坐标；S2，根据S1所定位的井孔坐标利用钻孔设备钻设主井眼井口；S3，利用钻进设备在上覆岩层钻设主井眼，并采用套管和普通水泥浆固井直至钻设至干热岩层；S4,停止钻进设备的运作，将喷头由S3中钻设的主井眼中放入，喷头主体位置固定在干热岩层上方20cm～30cm处；S5，将液氮和高压水同时泵送入喷头当中，由于喷头出水口口径较小，产生高压水射流，将高压水射流对干热岩层表面高能冲击破碎，对整体度较高的部分进行破碎造缝，对天然纹理及裂隙高压水射流侵入从而达到裂隙扩展效果；同时持续散射液氮射流，由于液氮冷冲击温度极低，散射至干热岩层表面使得干热岩迅速降温，产生冷热交替效果，干热岩内部热应力较大，从而诱发裂纹；高压水射流侵入液氮冷冲击诱发的裂纹中，通过高压水的水楔作用，驱使裂纹继续扩展，加强液氮冷冲击造缝效果，同时液氮冷冲击散射至高压水射流破碎形成的裂缝当中，进一步扩展冷裂增强高压水射流造缝效果，两种射流相互辅助相互加强致裂效果，直至主井眼形成裂隙率较大且贯通的裂隙缝网；S6，完成S5中操作之后，暂停泵送液氮和高压水，此时干热岩层岩体经过S4-S5步骤之后破碎程度较大，具有贯通的裂隙缝网，整体度较小，利用钻孔设备对干热岩层岩体进行钻进；S7,在主井眼钻设面上循环S4至S6，循环推进。2.根据权利要求1所述的一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头，其特征在于，所述高压水射流泵送压力控制在200～300MPa之间。3.根据权利要求2所述的一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头，其特征在于，所述扩散的液氮射流泵送压力控制在2～4MPa之间。4.根据权利要求3所述的一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头，其特征在于，所述喷头将液氮散射和高压水射流同时作用对干热岩层表面进行造缝，所述喷头与钻机设备同时持续对干热岩层表面进行造缝和破碎。5.根据权利要求1所述的一种液氮冷冲击复合高压水射流破碎干热岩的方法及喷头，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘佳亮，金宇，李锦扬，朱斌，高建平，苏小鹏，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：