[发明专利]降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的方法及装置

说明书

技术领域

本发明是关于一种提高径向水平井破岩效率的方法及装置，尤其是一种向环空注入氮气泡沫降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的方法以及泡沫注入装置，属于石油钻井开采技术领域。

背景技术

径向水平井是指曲率半径远比常规钻井曲率半径更短的一种水平井，传统的径向水平井转向半径为300mm，新型径向水平井转向半径为100mm左右。该技术是近几十年来发展起来的一项新型油田增产技术。利用该技术可使死井复活，大幅度提高油井产量和原油采收率，且能降低钻井成本，是油田老井改造、油藏挖潜和稳产增产的有效手段，尤其适合于薄油层，垂直裂缝、稠油、低渗透等油藏的开发。

第1代径向水平井技术起步于20世纪80年代，其具体实施方式是首先通过机械方法锻铣施工层位套管，然后进行大直径扩孔，最后应用高压水射流在目的油层钻小直径的水平井。此方法可以大幅增加油藏的泄油半径，并能减小近井地层伤害对产能的影响，是提高单井产量的一种有效途径。此技术的缺点是锻铣套管和扩孔过程工艺复杂，施工时间长，对井筒造成永久损坏。因此20世纪末，石油科学家提出了不需锻铣套管的管内转向径向水平井技术。其特点是在转向处径向水平井的曲率半径小于套管内径，可在套管内完成由垂直向水平方向的转向。它的具体实施方式是首先利用磨铣钻头在套管上开孔(不需要锻铣套管和扩孔)，然后用连接自进式射流钻头的高压软管通过先前在套管上所钻的孔眼并在目的油层中钻小直径的水平井。此技术大大节约了施工成本，同时又扩大了油气层裸露面积，提高了单井油气产量，在老井和新井中都能应用，特别适用于老油田增产和开发小油田、边际油田等，是目前钻井行业发展的一个新方向。但是该技术发展缓慢，主要有以下四项问题亟待解决：1)形成一定直径的孔眼；2)具有一定的射流钻进速度；3)能够实现一定的延伸长度；4)钻出形状较为规则的孔眼。

径向水平井钻井技术的关键技术有：射流钻头破岩扩孔能力、自进式钻头牵引能力、超短半径转向装置、岩屑运移与循环压耗、套管开孔、软管轨迹控制等，其中水力破岩钻头是形成水平孔的关键，而水射流破岩效率是径向水平井能够顺利钻进的保证，其中射流钻头上安装有按照一定相位、角度布置的若干前射喷嘴和若干后射喷嘴；通过前射喷嘴和后射喷嘴的数量、直径、角度等布置方式来水平钻孔、水平移动、控制水平方向轨迹和清洗携带破碎的岩屑。国内外学者对水射流钻头设计研究做了大量的工作，取得了一定的成果，目前射流钻头主要有三种不同设计和工作原理的结构形式，即多孔射流喷嘴、单孔旋转射流喷嘴与直旋混合射流喷嘴。三种喷嘴都有一定的破岩能力，但由于在存在围压的条件下，旋转射流和真旋混合射流能量衰减迅速，破岩效果较差；同时由于其喷嘴内部结构复杂，压力损失较大。

由于氮气泡沫是一种分散的均匀流体，自身独特的结构特点决定了氮气泡沫流体具有许多优点，如：氮气为惰性气体与其它气体(天然气或氧气)等相比，对钻具和设备没有腐蚀性，而且防火防爆安全性好。氮气泡沫流体在石油工业的钻井、完井、采油以及压裂酸化等领域都显示出很大的应用潜力。向环空中注入氮气泡沫，氮气泡沫的密度比较低，孔内的冲洗介质的静液柱压力也比较低，减小了在孔底形成粉垫。人们采用寄生管注气方式来降低井底围压，而公知的寄生管注气工具，如图1所示，寄生管1与套管2相连接，钻井液由普通油管3进入油套环空，该公知的结构由于只有寄生管1与套管2相连接处的一个注气喷嘴11向油套环空内注入氮气泡沫A，因此在高气速的条件下，在井筒环形空间中，会形成气相分布不均匀的情况，造成流型不稳定，不利于降低井低环空围压。

有鉴于上述公知技术存在的缺陷，本发明人根据多年从事本领域和相关领域的生产设计经验，研制出本发明的降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的方法及泡沫注入装置，其通过在环空中注入泡沫来降低井底围压，从而提高射流钻头的射流能量，进而提高水射流钻头的破岩效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低径向水平井井底围压的装置与方法，尤其是一种能够降低井底环空围压且提高水力喷头破岩效率的方法及泡沫注入装置。