CN109577859A - 一种连续管高压电脉冲-机械复合破岩钻井方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于带电缆连续管高压电脉冲‑机械复合破岩钻井方法。所述钻井方法的***组成为：地面电源及控制设备、连续管滚筒、去离子泵及其泥浆净化***、电缆、液压管线、连续管注入头、井架、带电缆连续管、功率放大及电脉冲发生器、连续管连接头、井下动力钻具以及电极钻头等。所述钻井破岩方法将传统连续管钻井与高压电脉钻井破岩方法（包括电脉冲破岩和液电破岩）结合起来，既能钻直井，也可用于钻定向井（包括水平井）；将高压电脉冲发生装置置于下部钻具组合中，提高了能量的转换效率；同时还具有电缆下放方便、破岩效率高、井壁质量好、深井钻进成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于石油天然气钻采开发过程中的一种高效破岩钻井方法，尤指一种用于带电缆连续管高压电脉冲-机械复合破岩钻井方法。
背景技术
石油及天然气勘探勘探开发领域不断扩展，高效破岩钻井技术的研究势在必行。传统的机械旋转钻井在钻井高温高压的深井、超深井时，具有钻探效率低、施工难度大、钻井费用高等缺点，需要依靠新的破岩技术。
目前较为前沿的钻井破岩方式主要有：水射流破岩、粒子射流破岩、激光钻井破岩、超声波及热能破岩等。粒子流破岩对喷嘴的要求和设备的工艺要求较高；激光钻井破岩受激光功率的限制，目前还处于实验探索阶段；超声波破岩的适用很有局限性，要求岩石是脆性的；水射流破岩、激光钻井破岩、超声波破岩都还处于实验验证阶段用于钻井的可能性还有待进一步验证。
高压电脉冲破岩钻进利用电脉冲破碎，电脉冲放电破岩钻进已经被很多国家证实其可行性。这种方法具有破岩效率高、井壁质量好、深井钻进成本低等优点，是目前为止具有潜力、接近工业化的破岩方式。按脉冲放电的所处的介质将其分为两种类型：即电脉冲破岩和液电破岩。电脉冲破岩的原理为：高压短脉冲放电电压下（电压上升时间<500ns），岩石的击穿场强小于液体介质（如电导率小于300us/cm的水或油），放电等离子体通道在岩石内部形成；等离子通道形成后，高压电脉冲电源中的能量释放到等离子体通道中，并对通道加热（可达104K）；等离子体通道受热膨胀，产生冲击应力波(可达109~1010Pa)并对周围岩石做功，使得岩石内部产生“内伤”；当冲击应力波对岩石的作用超过岩石的自身强度时，岩石就被破坏。而当放电等离子体产生在液体介质时，会在液体介质中产生放电的压力波；同时液体介质会产生气泡，气泡的溃灭会产生另一部分的压力波。这两部分的机械压力波作用在岩石上，当这部分机械压力波超过岩石的自身强度时，岩石就发生破坏，这就是液电破岩。
目前，俄罗斯、欧盟、日本和美国等国家和地区都对等离子体钻井技术进行了研究和开发。2007年英国的Strathclyde大学提出了一种高压脉冲等离子体钻井方法。这种方法实现了钻井液的循环，并可以实现浅直井。当钻井深度过大时，用这种方法钻井容易致使井壁垮塌，同时井眼轨迹容易偏斜。针对上述问题2012年国内浙江大学闫克平等人提出一种脉冲等离子体钻井***。这种钻机***保留了传统的钻柱旋转特性，因此能够很好地保证所钻直井的井壁质量，同时能够保证更深的钻井深度。当今钻井行业为了追求更高的油气采收率，对于定向井（包括水平井）的要求也日益增加。这种方法只能钻直井，因此在一定程度上具有局限性。
发明内容
基于以上工程背景,本发明提供了一种用于带电缆连续管高压电脉冲-机械复合破岩钻井方法。其将高压电脉冲破岩钻井方式（包括电脉冲破岩和液电破岩）与连续管钻井方式相结合，电缆下放方便；将传统旋转钻井破岩与高压电脉冲钻井破岩相结合，破岩效率大大提高；将电极钻具与井下动力钻具相结合，适用于钻各种类型的井（直井、定向井等），更符合石油钻井发展的趋势；同时，将高压电脉冲发生装置置于井下，随钻头一起封装于下部钻具组合中，提高了能量的转换效率、降低了不必要的沿程电力能耗损失；此外，无论是地层水，还是用于平衡井底压力、携带岩屑的钻井液，均为高压电脉冲钻井技术提供了良好的液体条件。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于带电缆连续管高压电脉冲-机械复合破岩钻井方法。所述的连续管高压电脉冲-机械复合破岩钻井方法的钻井***包括：地面电源及控制设备、连续管滚筒、去离子泵及其泥浆净化***、电缆、液压管线、连续管注入头、井架、带电缆连续管、功率放大及电脉冲发生器、连续管连接头、井下动力钻具和电极钻头；地面电源及控制设备1的作用是为整个电脉冲钻机提供电源并控制电极井下高压脉冲频次，脉冲频率可为5-30HZ；去离子泵及其泥浆净化***为钻井过程中提供去离子钻井液并循环钻井液携带出岩屑；功率放大及电脉冲发生器的作用是产生用于破碎岩石的瞬时击穿高电压，工作电压可为10-50KV；连续管连接头的作用为连接旋转的下部钻具组合与上部非旋转的带电缆连续管，同时传递电力与钻井液压力；井下动力钻具利用钻井液压力产生旋转运动并带动下部的钻具组合与电极钻头转动；电极钻头用于破碎岩石，使得井眼逐渐向地层深部延伸；电极钻头12上面包括用于电破岩的高、低压脉冲电极以及用于机械钻进和保护井壁的钻齿（普通牙齿和保径及规整齿）；这种方法继承了传统连续管钻井的大部分工艺：如使用井下动力钻具实现钻头的旋转破岩动作，利用钻井液循环实现平衡地层压力、岩屑的上排等功能；通过设计钻头的牙齿排布的同时控制钻压转速实现定向井作业。
在整个连续管高压电脉冲-机械复合破岩钻井方法中，采用电脉冲方法破岩时，破碎岩石的主动力为高压电脉冲在岩石内部产生的瞬时高温与应力波；而采用液电方法破岩时，液电破岩产生的液体应力波只对岩石起到预破碎的作用。之后，机械旋转运动配合所述电极钻头12不断暴露出新的岩石，充分增加电极钻头与岩石的接触，还可保证破碎的岩屑尽快运移出井底。机械旋转运动配合钻具上的保径及规整齿能保证井径大小，规整井壁，保证井壁质量。
在钻直井时，利用机械旋转钻进运动校正钻进方向，防止井眼歪斜；钻定向井时，机械旋转钻进运动配合导向工具控制井眼轨迹方向。地面电源放在地面，功率放大及电脉冲发生器置于井下，随电极钻头一起封装于下部钻具组合中。功率放大及电脉冲发生器、连续管连接头、井下动力钻具和电极钻头12组成的下部钻具组合可与随钻测量与导向工具结合，实现对定向井（包括水平井）的钻进以及对井斜方位的实时测量记录。连续管连接头的用于连接下部旋转的钻柱与上部非旋转的带缆连续管柱，可同时传递电力与钻井液压力。
与现有钻井技术相比,本发明具有以下特点和优势：
1）高压电脉冲钻井方式与连续管钻井方式相结合，工况合适，电缆下放方便；
2）传统旋转钻井破岩与高压电脉冲钻井破岩相结合，技术传承性好，钻井效率提高2-3倍；
3）将电极钻具与井下动力钻具相结合，适用于钻各种类型的井（直井、定向井等），更符合石油钻井发展的趋势；
4）将高压电脉冲发生装置置于井下，随钻头一起封装于下部钻具组合中，提高了能量的转换效率、降低了不必要的沿程电力能耗损失；
5）无论是地层水，还是用于平衡井底压力、携带岩屑的钻井液，均为高压电脉冲钻井技术提供了良好的液体条件。
附图说明
图1为等离子体电脉冲应力波-机械复合破岩钻井方法钻直井示意图；
图2为等离子体电脉冲应力波-机械复合破岩钻井方法钻定向井示意图；
图3为等离子体电脉冲应力波-机械复合破岩钻井***的电力传输及阻抗示意图；
图4为高电压脉冲电极钻头工作原理图；
图5为电脉冲破岩与液电破岩原理示意图；
图1~图2中：1.地面电源及控制设备；2.连续管滚筒；3.去离子泵及其泥浆净化***；4.电缆；5.液压管线；6.连续管注入头；7.井架；8.带电缆连续管；9. 功率放大及电脉冲发生器；10.连续管连接头；11.井下动力钻具；12.电极钻头。
图3中：1-A.地面电源及控制设备；8-2.传输电缆等效电阻R1；9-A.功率放大器；9-B.电脉冲发生器储电电容C；9-C.电脉冲发生器转换器；9-D.电脉冲发生器内部阻抗R2；12-A.电极钻头同轴电缆；12-B.击穿地层等效阻抗R3（电脉冲破岩）或液体阻抗（液电破岩）。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施。因此,本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面结合附图描述本发明一些实施例的连续管高压电脉冲-机械复合破岩钻井方法。
本发明提供的一种连续管高压电脉冲-机械复合破岩钻井方法，如图1和图2所示，其中图1为所述钻井破岩方法钻直井的示意图；图2为所述钻井破岩方法钻定向井的示意图；所述钻井***包括：地面电源及控制设备1、连续管滚筒2、去离子泵及其泥浆净化***3、电缆4、液压管线5、连续管注入头6、井架7、带电缆连续管8、功率放大及电脉冲发生器9、连续管连接头10、井下动力钻具11和电极钻头12；所述地面电源及控制设备1的作用是为整个电脉冲钻机提供电源并控制电极井下高压脉冲频次，脉冲频率可为5-30HZ；所述去离子泵及其泥浆净化***3为钻井过程中提供去离子钻井液并循环钻井液携带出岩屑；所述功率放大及电脉冲发生器9的作用是产生用于破碎岩石的瞬时击穿高电压，工作电压可为10-50KV；所述连续管连接头10的作用为连接旋转的下部钻具组合与上部非旋转的所述带电缆连续管8，同时传递电力与钻井液压力；所述井下动力钻具11利用钻井液压力产生旋转运动并带动下部的钻具组合与所述电极钻头12转动；所述电极钻头12用于破碎岩石，使得井眼逐渐向地层深部延伸。
在整个等离子体电脉冲应力波-机械复合钻井破岩方法中，所述地面电源及控制设备1放在地面，所述功率放大及电脉冲发生器9置于井下，随所述电极钻头12一起封装于下部钻具组合中；整个***的电力传输及阻抗示意图如图3所示，这样做提高了能量的转换效率、降低了不必要的沿程电力能耗损失。所述功率放大及电脉冲发生器9、所述连续管连接头10、所述井下动力钻具11和所述电极钻头12组成的下部钻具组合可与随钻测量与导向工具结合，实现对定向井（包括水平井）的钻进以及对井斜方位的实时测量记录，如图2所示。所述连续管连接头10的用于连接下部旋转的钻柱与上部非旋转的带缆连续管柱，可同时传递电力与钻井液压力。
所述高电压电极钻头12（包括电极部分与钻齿部分）的工作原理如图4所示，其采用电脉冲破岩与机械复合破岩的方法相结合。首先，低电压接地电极与高电压中心电极分别与井底岩石接触，如图4（a）中所示。然后，电流经所述地面电源1、 所述电缆4、所述带电缆连续管8传到所述功率放大及电脉冲发生器9，所述功率放大及电脉冲发生器9产生的瞬时高电压经过所述连续管接头10达到低电压接地电极与高电压中心电极两端。高压短脉冲放电电压下（电压上升时间<300ns），岩石的击穿场强小于去离子钻井液（电导率小于300us/cm），放电等离子体通道在岩石内部形成，如图4（b）所示。等离子通道形成后，高压电脉冲电源中的能量释放到等离子体通道中，并对通道加热（可达104K）；等离子体通道受热膨胀，产生冲击应力波(可达109~1010Pa)并对周围岩石做功，使得岩石内部产生“内伤”；当冲击应力波对岩石的作用超过岩石的自身强度时，岩石就被破坏，如图4（c）所示。同时，破坏后的岩石经过钻具的机械旋转辅助运动，在钻井液的压力作用下，上排出井底，使得新形成的井底岩石面与低电压接地电极与高电压中心电极充分接触，完成新一轮的破岩工作。
所述高电压电极钻头12（包括电极部分与钻齿部分）还可采用液电破岩方法与机械复合破岩的方法相结合完成钻井破岩动作。当电极钻头12上的高、低压电极的放电等离子体产生在液体介质时，会在液体介质中产生放电的压力波；同时液体介质会产生气泡，气泡的溃灭会产生另一部分的压力波。这两部分的机械压力波作用在岩石上，当这部分机械压力波超过岩石的自身强度时，岩石就发生部分破坏。然后，在电极钻头12的钻齿部分的旋转切削作用下，岩石得到破碎。岩屑最终通过高压钻井液循坏作用上排出井底。电脉冲破岩与液电破岩原理区分示意图如图5所示。
值得注意的是：当采用电脉冲破岩方法与机械方法复合时，对钻井液的电导率有一定的要求。因此，在地面必须要有所述的钻井液去离子泵3以保证钻井液的电导率低于某一阈值（小于300us/cm）；而当采用液电破岩方法与机械方法复合时，所述的钻井液去离子泵3不是必须的。
就钻井破岩的动力而言，采用电脉冲破岩方法与机械方法复合破岩时，破碎岩石的主动力为高压电脉冲在岩石内部产生的瞬时高温与应力波；而采用液电破岩方法与机械方法复合破岩时，液电破岩产生的液体应力波只对岩石起到预破碎的作用。机械旋转运动配合所述电极钻头12不断暴露出新的岩石，充分增加电极钻头与岩石的接触，还可保证破碎的岩屑尽快运移出井底。机械旋转运动配合钻具上的保径及规整齿能保证井径大小，规整井壁，保证井壁质量，对井壁进行加固。在钻直井时，旋转运动能有效地校正钻进方向，防止井眼歪斜；在钻定向井时，机械旋转钻井配合导向工具能更有效地控制井眼轨迹方向。
Claims (6)
1.一种连续管高压电脉冲-机械复合破岩钻井方法，其特征在于，所述高压电脉冲-机械复合破岩钻井方法的钻井***包括：地面电源及控制设备1、连续管滚筒2、去离子泵及其泥浆净化***3、电缆4、液压管线5、连续管注入头6、井架7、带电缆连续管8、功率放大及电脉冲发生器9、连续管连接头10、井下动力钻具11和电极钻头12；所述地面电源及控制设备1的作用是为整个电脉冲钻机提供电源并控制电极井下高压脉冲频次，脉冲频率可为5-30HZ；所述去离子泵及其泥浆净化***3为钻井过程中提供去离子钻井液并循环钻井液携带出岩屑；所述功率放大及电脉冲发生器9的作用是产生用于破碎岩石的瞬时击穿高电压，工作电压可为10-50KV；所述连续管连接头10的作用为连接旋转的下部钻具组合与上部非旋转的所述带电缆连续管8，同时传递电力与钻井液压力；所述井下动力钻具11利用钻井液压力产生旋转运动并带动下部的钻具组合与所述电极钻头12转动；所述电极钻头12用于破碎岩石，使得井眼逐渐向地层深部延伸；所述电极钻头12上面包括用于电破岩的高、低压脉冲电极以及用于机械钻进和保护井壁的钻齿（普通牙齿和保径及规整齿）；所述方法继承了传统连续管钻井的大部分工艺：如使用井下动力钻具实现钻头的旋转破岩动作，利用钻井液循环实现平衡地层压力、岩屑的上排等功能；通过设计钻头的牙齿排布的同时控制钻压转速实现定向井作业。
2.根据权利要求1所述的连续管高压电脉冲-机械复合破岩钻井方法，采用电脉冲方法破岩时，破碎岩石的主动力为高压电脉冲在岩石内部产生的瞬时高温与应力波；而采用液电方法破岩时，液电破岩产`生的液体应力波只对岩石起到预破碎的作用。之后，机械旋转运动配合所述电极钻头12不断暴露出新的岩石，充分增加电极钻头与岩石的接触，还可保证破碎的岩屑尽快运移出井底。机械旋转运动配合钻具上的保径及规整齿能保证井径大小，规整井壁，保证井壁质量。
3.根据权利要求1所述的连续管高压电脉冲-机械复合破岩钻井方法，在钻直井时，利用机械旋转钻进运动校正钻进方向，防止井眼歪斜；钻定向井时，机械旋转钻进运动配合导向工具控制井眼轨迹方向。
4.根据权利要求1所述的连续管高压电脉冲-机械复合破岩方法，其特征在于，所述地面电源及控制设备1放在地面，所述功率放大及电脉冲发生器9置于井下，随所述电极钻头12一起封装于下部钻具组合中。
5.根据权利要求1所述的连续管高压电脉冲-机械复合破岩钻井方法，其特征在于，所述功率放大及电脉冲发生器9、所述连续管连接头10、所述井下动力钻具11和所述电极钻头12组成的下部钻具组合可与随钻测量与导向工具结合，实现对定向井（包括水平井）的钻进以及对井斜方位的实时测量记录。
6.根据权利要求1所述的连续管高压电脉冲-机械复合破岩钻井方法，其特征在于，所述连续管连接头10的用于连接下部旋转的钻柱与上部非旋转的带缆连续管柱，可同时传递电力与钻井液压力。
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