專利名稱：超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)及其鉆井方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及徑向水平鉆井技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)及利用該鉆井系統(tǒng)進行鉆井的方法。
背景技術(shù)：
在當前能源緊張的形勢下，提高老油區(qū)油氣采收率及強化對非常規(guī)油氣資源的開發(fā)對于保障我國能源安全具有重要價值。徑向水平井技術(shù)相對于常規(guī)的水平鉆井技術(shù)，具有準確、快捷，鉆進速度高，造價低等優(yōu)點。尤其在提高老油田產(chǎn)能和采收率方面，更具有顯著的優(yōu)勢。在油田開發(fā)的中后期，可利用此技術(shù)在老井內(nèi)鉆出徑向水平井眼，使老井更新、 死井復活，有效地開采死油區(qū)，殘余油區(qū)和采用常規(guī)方法難以開采的薄油層、稠油層、低滲油氣層，大幅度提高原油采收率和可采儲量。但目前徑向水平井鉆井過程中主要采用水及混合磨料的水作為破巖流體，該類流體易對儲層造成污染，尤其是對于老油井及水敏性地層，水極易進入地層造成水鎖或產(chǎn)生水化，造成油氣井減產(chǎn)；同時水射流的破巖門限壓力較高，普通砂巖需要40MPa以上，對地面增壓泵要求較高。近期研究發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳既具有接近于氣體的低粘度和易擴散性，也具有接近于液體的高密度和溶解性好的特點，對油儲層無傷害，且超臨界二氧化碳射流的破巖門限壓力比水射流要小的多。鑒于以上原因，本發(fā)明在充分考慮常規(guī)徑向水平井鉆井技術(shù)及超臨界二氧化碳流體特殊性質(zhì)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)及其鉆井方法，為徑向水平井技術(shù)的發(fā)展提供一條新途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對目前徑向水平鉆井技術(shù)存在的問題，提供一種新的有利于儲層保護的超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)及其鉆井方法。為解決上述關(guān)于超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)的技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)，包括設(shè)置在地上的液體二氧化碳供應(yīng)裝置，所述液體二氧化碳供應(yīng)裝置包括液體二氧化碳儲罐，和經(jīng)高壓管線與所述液體二氧化碳儲罐連接的增壓泵；設(shè)置在井筒內(nèi)的鉆井裝置，所述鉆井裝置包括油管以及安裝在所述油管底部的轉(zhuǎn)向器，還包括套裝在所述油管內(nèi)的柔性鉆桿，所述柔性鉆桿穿過所述轉(zhuǎn)向器在井筒的底部由垂直方向轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较?，所述柔性鉆桿具有中空的供超臨界二氧化碳流體流過的鉆桿通道，所述鉆桿通道的頂部與所述增壓泵的出口連接，所述柔性鉆桿的水平方向部分的端部安裝有超臨界二氧化碳噴射鉆頭，所述超臨界二氧化碳噴射鉆頭設(shè)有連通所述鉆桿通道的噴嘴；設(shè)置在井口處的井內(nèi)壓力控制裝置；設(shè)置在地上的固液氣三相分離裝置，包括與所述井內(nèi)壓力控制裝置連接的固液氣三相分離器；還包括設(shè)置在地上的二氧化碳回收裝置，所述二氧化碳回收裝置與所述固液氣三相分離器連接。作為優(yōu)選，所述二氧化碳回收裝置包括經(jīng)管線依次連接的二氧化碳回收罐、過濾器、壓縮機和制冷機，所述二氧化碳回收罐的進口與所述固液氣三相分離器連接，所述制冷機的出口經(jīng)回注管線與所述高壓管線連通。作為優(yōu)選，所述液體二氧化碳供應(yīng)裝置還包括分別與所述液體二氧化碳儲罐連接的冷卻器和壓力平衡罐。作為優(yōu)選，所述液體二氧化碳儲罐內(nèi)的液體二氧化碳的壓力為2 4MPa，溫度為-20°C 0°C。作為優(yōu)選，所述增壓泵為三柱塞泵。作為優(yōu)選，所述井內(nèi)壓力控制裝置包括多組并聯(lián)設(shè)置的節(jié)流閥。作為優(yōu)選，所述二氧化碳回收罐的工作壓力2 5MPa。作為優(yōu)選，所述回注管線上安裝有單向閥。為解決上述關(guān)于利用超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)進行鉆井的鉆井方法技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是所述的鉆井方法，包括如下步驟液體二氧化碳儲罐中的液態(tài)二氧化碳經(jīng)增壓泵增壓后進入柔性鉆桿；液態(tài)二氧化碳沿鉆桿通道向下運行，通過地層溫度升溫達到31. TC以上，達到超臨界態(tài)；在井筒底部，柔性鉆桿通過轉(zhuǎn)向器實現(xiàn)由垂直方向到水平方向的轉(zhuǎn)變；超臨界二氧化碳由超臨界二氧化碳噴射鉆頭的噴嘴沿水平方向噴出，形成水平方向的超臨界二氧化碳射流，沿井筒的徑向破碎井筒底部側(cè)壁的巖石，最終形成徑向水平井眼。作為優(yōu)選，所述的鉆井方法還包括二氧化碳回收步驟二氧化碳由超臨界二氧化碳噴射鉆頭的噴嘴噴出破巖后，攜帶破碎巖石后形成的巖屑及部分地層流體上返至地面， 經(jīng)過固液氣三相分離器，潔凈的二氧化碳氣體進入二氧化碳回收罐，再經(jīng)過過濾器、壓縮機和制冷機后進入增壓泵，經(jīng)增壓泵增壓后重新注入柔性鉆桿的鉆桿通道。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)在運行時，液體二氧化碳儲罐中的二氧化碳經(jīng)增壓泵增壓后進入柔性鉆桿的鉆桿通道，在井筒內(nèi)向下運行過程中，被地層加熱，當溫度升至31. 1°C時，達到超臨界態(tài)， 經(jīng)過轉(zhuǎn)向器后，二氧化碳流體由垂直向下流動轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较蛄鲃樱詈笞猿R界二氧化碳噴射鉆頭的噴嘴沿水平方向噴射而出，形成水平方向的超臨界二氧化碳射流，從而沿井筒的徑向側(cè)鉆、破碎井筒底部側(cè)壁的巖石，最終形成徑向水平井眼。二氧化碳噴出破巖后， 攜帶破碎巖石后形成的巖屑及部分地層流體上返至地面，經(jīng)過固液氣三相分離器后，潔凈的二氧化碳進入二氧化碳回收裝置進行回收后進入增壓泵增壓，重新注入柔性鉆桿的鉆桿通道，實現(xiàn)二氧化碳的循環(huán)利用。本發(fā)明由于采用潔凈的超臨界二氧化碳流體作為破巖流體，該流體對油儲層不會產(chǎn)生污染，從而較好地保護了油儲層；由于超臨界二氧化碳流體的破巖門限壓力比水射流要小的多，因而對鉆井系統(tǒng)的各裝置的指標要求相對低一些，且能大大提高破巖效率。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明 附圖是本發(fā)明實施例的試驗裝置流程圖中1-液體二氧化碳儲罐；2-高壓管線；3-閥門；4-增壓泵；5-二氧化碳注入管線； 6-柔性鉆桿；7-井口 ；8-井筒；81-井筒環(huán)空；9-油管；10-轉(zhuǎn)向器；11-超臨界二氧化碳噴射鉆頭；12-徑向水平井眼；13-井內(nèi)壓力控制裝置；14-二氧化碳回收管線；15-固液氣三相分離器；16-二氧化碳回收罐；17-過濾器；18-壓縮機；19-制冷機；20-回注管線；21-單向閥；22-壓力平衡罐；23-冷卻器；24-地層。
具體實施例方式如附圖所示，超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)，包括設(shè)置在地上的液體二氧化碳供應(yīng)裝置，所述液體二氧化碳供應(yīng)裝置包括液體二氧化碳儲罐1，所述液體二氧化碳儲罐1內(nèi)的二氧化碳的壓力為2 4MPa，溫度為-20°c 0°C，以保證二氧化碳為液態(tài)，和經(jīng)高壓管線2與液體二氧化碳儲罐1連接的增壓泵4，高壓管線2上設(shè)有閥門3，此處所說的高壓管線2是指承壓能力達35 MPa以上的管線；設(shè)置在井筒8內(nèi)的鉆井裝置，所述鉆井裝置包括油管9以及安裝在所述油管9底部的轉(zhuǎn)向器10，還包括套裝在所述油管9內(nèi)的柔性鉆桿6，所述柔性鉆桿6可以在一定范圍內(nèi)彎曲，所述柔性鉆桿6穿過所述轉(zhuǎn)向器10在井筒8 的底部由垂直方向轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较颍鋈嵝糟@桿6具有中空的供超臨界二氧化碳流體流過的鉆桿通道，所述鉆桿通道的頂部經(jīng)二氧化碳注入管線5與所述增壓泵4的出口連接，所述柔性鉆桿6的水平方向部分的端部安裝有超臨界二氧化碳噴射鉆頭11，所述超臨界二氧化碳噴射鉆頭11設(shè)有連通所述鉆桿通道的噴嘴；靠近井口 7設(shè)置的井內(nèi)壓力控制裝置13 ； 設(shè)置在地上的固液氣三相分離裝置，包括與所述井內(nèi)壓力控制裝置13經(jīng)二氧化碳回收管線14連接的固液氣三相分離器15，所述固液氣三相分離器15可將二氧化碳攜帶出來的巖屑及地層水進行分離，分離出的巖屑及地層水排空，分離后的二氧化碳經(jīng)管線進入二氧化碳回收裝置。其中，所述二氧化碳回收裝置包括經(jīng)管線依次連接的二氧化碳回收罐16、過濾器 17、壓縮機18和制冷機19，所述二氧化碳回收罐16的進口與所述固液氣三相分離器15連接，所述制冷機19的出口經(jīng)回注管線20及閥門3與所述高壓管線2連通，所述回注管線20 上安裝有單向閥21，可防止二氧化碳儲罐1中流出的液態(tài)二氧化碳倒灌。所述二氧化碳回收罐16的工作壓力為2 5MPa，能夠容納返排出的二氧化碳及部分未分離出來的地層水等雜質(zhì)；所述過濾器17可過濾回收罐中16流出的二氧化碳，并將固液氣三相分離器15未分離掉的水分去除；所述壓縮機18將經(jīng)過過濾器17過濾后的二氧化碳壓縮至5MPa，此時二氧化碳處于高密度氣態(tài)；所述制冷機19將壓縮機18壓縮后的高密度二氧化碳降溫至0°C 以下，使二氧化碳處于液態(tài)。通過過濾器17、壓縮機18和制冷機19的聯(lián)合作用使回收的液態(tài)二氧化碳通過回注管線20與從液體二氧化碳儲罐1流出的液態(tài)二氧化碳在閥門3處匯合，進入增壓泵4，實現(xiàn)二氧化碳的循環(huán)使用。其中，所述液體二氧化碳供應(yīng)裝置還包括分別與所述液體二氧化碳儲罐1連接的冷卻器幻和壓力平衡罐22。所述冷卻器23用于冷卻二氧化碳儲罐1內(nèi)的二氧化碳，保證溫度在_20°C 0°C ；所述壓力平衡罐22在增壓泵4抽吸二氧化碳儲罐1內(nèi)的二氧化碳液體后，用于補充二氧化碳儲罐1的壓力，保證二氧化碳儲罐1內(nèi)壓力在2 之間，防止二氧化碳儲罐1內(nèi)的二氧化碳氣化導致增壓泵4吸入二氧化碳氣體，造成泵頭氣鎖。其中，所述增壓泵4為三柱塞泵。用于將液態(tài)二氧化碳增壓至超臨界二氧化碳門限破巖壓力以上，通過二氧化碳注入管線5將其注入柔性鉆桿6的鉆桿通道。其中，所述井內(nèi)壓力控制裝置13包括多組并聯(lián)設(shè)置的節(jié)流閥。所述井內(nèi)壓力控制裝置13用于控制井筒環(huán)空81內(nèi)的壓力在5MPa以上，保證井筒8中二氧化碳處于超臨界態(tài)或高密度氣態(tài)，從而保證井筒環(huán)空81中的二氧化碳流體具有較好的攜巖能力。設(shè)置多組并聯(lián)的節(jié)流閥，可在某個節(jié)流閥出現(xiàn)故障的情況下保證壓力控制裝置的正常運行。利用本發(fā)明的超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)進行鉆井的方法如下 鉆井之前，將轉(zhuǎn)向器10通過油管9下放到井筒8內(nèi)預定深度。柔性鉆桿6及前端的超臨界二氧化碳噴射鉆頭11穿過油管9的中空通道進入轉(zhuǎn)向器10，穿過轉(zhuǎn)向器10后完成從垂直到水平的轉(zhuǎn)向。液態(tài)二氧化碳儲罐1中的液態(tài)二氧化碳經(jīng)過高壓管線2及閥門3進入增壓泵4， 被增壓以后，通過二氧化碳注入管線5進入柔性鉆桿6的鉆桿通道；液態(tài)二氧化碳沿柔性鉆桿6的鉆桿通道向下運行過程中，被地層M加熱，由于地溫梯度為20 50°C /km,因此液態(tài)二氧化碳沿柔性鉆桿6的鉆桿通道向下運行幾百米即可超過31. 1°C，很容易達到超臨界狀態(tài)(二氧化碳的超臨界態(tài)溫度為31. ΓΟ;柔性鉆桿6中的超臨界二氧化碳流體通過超臨界二氧化碳噴射鉆頭11的噴嘴噴射而出，形成水平方向的超臨界二氧化碳射流從而沿井筒的徑向側(cè)鉆、破碎井筒底部側(cè)壁的巖石，最終形成徑向水平井眼12。噴射出的二氧化碳攜帶破碎巖石形成的巖屑及部分地層流體沿油管9與井筒8之間的井筒環(huán)空81上返至地面，經(jīng)過設(shè)置在地面的井內(nèi)壓力控制裝置13及二氧化碳回收管線14進入固液氣三相分離器15，分離出的二氧化碳通過管線進入二氧化碳回收罐16 ；二氧化碳回收罐16中的二氧化碳通過管線進入過濾器17，過濾器17可進一步過濾二氧化碳中含有的雜質(zhì)；經(jīng)過過濾的二氧化碳通過管線進入壓縮機18，被增壓至5MPa ；經(jīng)過增壓后的二氧化碳通過管線進入制冷機19，被降溫到0°C以下，此時二氧化碳為液態(tài)；液態(tài)二氧化碳通過回注管線20與從二氧化碳儲罐1流出的液態(tài)二氧化碳在閥門3處匯合，進入增壓泵4，從而實現(xiàn)二氧化碳的循環(huán)利用。本發(fā)明由于采用潔凈的超臨界二氧化碳流體作為破巖流體，該流體對油儲層不會產(chǎn)生污染，從而較好地保護了油儲層；由于超臨界二氧化碳流體的破巖門限壓力比水射流要小的多，因而能大大提高破巖效率，而且還實現(xiàn)了二氧化碳的循環(huán)利用，對于老井增產(chǎn)、 非常規(guī)油氣藏的開發(fā)具有重要應(yīng)用價值。以上所述為本發(fā)明最佳實施方式的舉例，其中未詳細述及的部分均為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的公知常識。本發(fā)明的保護范圍以權(quán)利要求的內(nèi)容為準，任何基于本發(fā)明的技術(shù)啟示而進行的等效變換，也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)，其特征在于，包括設(shè)置在地上的液體二氧化碳供應(yīng)裝置，所述液體二氧化碳供應(yīng)裝置包括液體二氧化碳儲罐，和經(jīng)高壓管線與所述液體二氧化碳儲罐連接的增壓泵；設(shè)置在井筒內(nèi)的鉆井裝置，所述鉆井裝置包括油管以及安裝在所述油管底部的轉(zhuǎn)向器，還包括套裝在所述油管內(nèi)的柔性鉆桿，所述柔性鉆桿穿過所述轉(zhuǎn)向器在井筒的底部由垂直方向轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较颍鋈嵝糟@桿具有中空的供超臨界二氧化碳流體流過的鉆桿通道，所述鉆桿通道的頂部與所述增壓泵的出口連接，所述柔性鉆桿的水平方向部分的端部安裝有超臨界二氧化碳噴射鉆頭，所述超臨界二氧化碳噴射鉆頭設(shè)有連通所述鉆桿通道的噴嘴；設(shè)置在井口處的井內(nèi)壓力控制裝置；設(shè)置在地上的固液氣三相分離裝置，包括與所述井內(nèi)壓力控制裝置連接的固液氣三相分離器；還包括設(shè)置在地上的二氧化碳回收裝置，所述二氧化碳回收裝置與所述固液氣三相分離器連接。
2.如權(quán)利要求1所述的超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)，其特征在于所述二氧化碳回收裝置包括經(jīng)管線依次連接的二氧化碳回收罐、過濾器、壓縮機和制冷機，所述二氧化碳回收罐的進口與所述固液氣三相分離器連接，所述制冷機的出口經(jīng)回注管線與所述高壓管線連通。
3.如權(quán)利要求1所述的超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)，其特征在于所述液體二氧化碳供應(yīng)裝置還包括分別與所述液體二氧化碳儲罐連接的冷卻器和壓力平衡罐。
4.如權(quán)利要求1所述的超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)，其特征在于所述液體二氧化碳儲罐內(nèi)的液體二氧化碳的壓力為2 4MPa，溫度為-20°C 0°C。
5.如權(quán)利要求1所述的超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)，其特征在于所述增壓泵為三柱塞泵。
6.如權(quán)利要求1所述的超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)，其特征在于所述井內(nèi)壓力控制裝置包括多組并聯(lián)設(shè)置的節(jié)流閥。
7.如權(quán)利要求2所述的超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)，其特征在于所述二氧化碳回收罐的工作壓力2 5MPa。
8.如權(quán)利要求2所述的超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)，其特征在于所述回注管線上安裝有單向閥。
9.一種權(quán)利要求1所述的超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)的鉆井方法，其特征在于，包括如下步驟液體二氧化碳儲罐中的液態(tài)二氧化碳經(jīng)增壓泵增壓后進入柔性鉆桿； 液態(tài)二氧化碳沿鉆桿通道向下運行，通過地層溫度升溫達到31. 1°C以上，達到超臨界態(tài)； 在井筒底部，柔性鉆桿通過轉(zhuǎn)向器實現(xiàn)由垂直方向到水平方向的轉(zhuǎn)變；超臨界二氧化碳由超臨界二氧化碳噴射鉆頭的噴嘴沿水平方向噴出，形成水平方向的超臨界二氧化碳射流， 沿井筒的徑向破碎井筒底部側(cè)壁的巖石，最終形成徑向水平井眼。
10.如權(quán)利要求9所述的超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)的鉆井方法，其特征在于，還包括二氧化碳回收步驟二氧化碳由超臨界二氧化碳噴射鉆頭的噴嘴噴出破巖后，攜帶破碎巖石后形成的巖屑及部分地層流體上返至地面，經(jīng)過固液氣三相分離器，潔凈的二氧化碳氣體進入二氧化碳回收罐，再經(jīng)過過濾器、壓縮機和制冷機后進入增壓泵，經(jīng)增壓泵增壓后重新注入柔性鉆桿的鉆桿通道。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超臨界二氧化碳徑向水平井鉆井系統(tǒng)及其鉆井方法，所述鉆井系統(tǒng)包括液體二氧化碳供應(yīng)裝置；設(shè)置在井筒內(nèi)的鉆井裝置，包括油管、安裝在油管底部的轉(zhuǎn)向器和套裝在油管內(nèi)的柔性鉆桿，該柔性鉆桿穿過轉(zhuǎn)向器后實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，柔性鉆桿具有中空的鉆桿通道，柔性鉆桿的水平方向部分的端部安裝有超臨界二氧化碳噴射鉆頭，該噴射鉆頭上設(shè)有連通鉆桿通道的噴嘴；設(shè)置在井口處的井內(nèi)壓力控制裝置；設(shè)置在地上的固液氣三相分離裝置和二氧化碳回收裝置。本發(fā)明采用超臨界二氧化碳流體作為破巖流體，不會對油儲層產(chǎn)生污染，有效地保護了油儲層，大大提高了破巖效率，實現(xiàn)了二氧化碳的循環(huán)利用，對于老井增產(chǎn)、非常規(guī)油氣藏的開發(fā)具有重要應(yīng)用價值。
文檔編號E21B7/18GK102409976SQ20111039608
公開日2012年4月11日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者倪紅堅, 宋慧芳, 宋維強, 杜玉昆, 王瑞和, 雷鵬, 霍洪俊 申請人:中國石油大學(華東)