[发明专利]一种钻井系统及其方法和应用

说明书

本发明涉及石油勘探开发领域的一种钻井系统及其方法和应用。所述钻井系统包括：冷流体流通管道、连续油管、流体控温腔。所述方法通过换热管中的冷流体对流体控温腔内的钻井液降温；流体控温腔设计成风琴管结构，钻井液在腔内形成强烈的自振空化作用，自振空化低温钻井液从喷嘴高速喷出作用于井底干热岩，在拉应力作用下岩石表面产生微裂缝。同时，自振空化作用下钻井液形成强烈的空泡涡旋流，空泡破裂产生强大的破坏作用，进一步提高破岩能力。本发明解决了干热岩钻井机械钻速慢、钻井成本高、井下工具仪器寿命短的问题，可有效保障我国干热岩资源的高效开发利用。

技术领域

本发明涉及石油勘探开发的干热岩钻井领域，更进一步说，涉及一种钻井系统及其方法和应用。

背景技术

干热岩是指内部不存在或者仅含有少量流体、温度在150～650℃之间、致密不渗透的异常高温岩体。我国干热岩资源量巨大，埋深在3～10km地层深处的干热岩资源总量可达2.5×10²⁵J标准热量，相当于860×10¹²t标准煤，按2％的采收率计算，相当于我国2018年全国能源消费总量(46.2×10⁸t)的3700倍。此外，干热岩开发过程中不会产生废水、CO₂和颗粒污染物，有利于保护自然环境。因此，高效、经济地开发利用干热岩资源，可有效优化我国的能源结构、保障能源安全。

干热岩岩性以花岗岩、片麻岩和闪长岩为主，岩石硬度大、研磨性强、可钻性极差，导致机械钻速慢、破岩效率低、钻井成本高。干热岩地层属于异常高温环境，钻头、井下动力钻具、随钻测量仪器工作寿命短、性能差；常规钻井液体系在高温环境下易发生水解变化，从而失去携岩和保护井壁的作用，也使得井塌、井漏、卡钻等井下事故大量增加。

采用清水、纯气体和充气钻井液进行控压钻井可在一定程度上提高机械钻速和减少井下事故，但无法从根本上解决干热岩地层机械钻速慢、钻井成本高、井下工具、仪器寿命短等问题。公开号为CN 106368608A的中国专利公开了一种利用液氮进行干热岩钻井的新方法，其提出利用液氮作为钻井液进行干热岩钻井，该方法利用液氮的冷冲击作用，井底岩石在液氮低温作用下产生微裂缝，降低岩石的强度，进而提高干热岩钻井效率。但是低温液氮从钻头喷嘴喷出后，压力快速下降，体积急剧膨胀，在焦耳-汤姆逊作用下，钻头喷嘴温度急剧下降而结冰，大大影响了液氮辅助破岩作用。液氮在井底快速气化成氮气，在氮气作用下将岩屑携带至地面，对于大颗粒岩屑的携岩效果较差。此外，液氮钻井对工具的耐低温性能有极高的要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种钻井系统，具体地说涉及一种钻井系统及其方法和应用。所述钻井系统为一种提高干热岩钻井效率的钻井系统。本发明所述系统在井底钻头或井下钻具组合上方设有风琴管结构的流体控温腔，流体控温腔内部设有换热管，换热管内部的冷流体通过热交换作用，降低流体换热腔内钻井液的温度。流体控温腔设计成风琴管结构，将其作为自激震荡腔，钻井液在流体控温腔内降温的同时形成强烈的自振空化作用。自振空化低温钻井液从喷嘴高速喷出作用于井底干热岩，高温岩石表面温度发生骤降，岩石颗粒发生强烈收缩而产生拉应力，在拉应力作用下岩石表面产生微裂缝，同时原生裂缝进一步扩展。此外，自振空化作用下钻井液形成强烈的空泡涡旋流，空泡破裂产生强大的破坏作用，进一步提高破岩能力。同时，也改善了井底流场，提高了清岩效果。本发明解决了现有技术在干热岩钻井存在的机械钻速慢、破岩效果差、钻井成本高、井下工具仪器寿命低的问题，可有力支撑我国干热岩资源的高效开发利用。

具体地，本申请目的之一所述的钻井系统，可包括以下部件：冷流体流通管道、连续油管、流体控温腔。

所述流体控温腔位于所述连续油管近钻头末端，井底钻头或井下钻具组合上方；所述冷流体流通管道固定于连续油管内部；所述冷流体流通管道可包括换热管和腔外冷流体流通管线；所述换热管位于所述流体控温腔内，所述腔外冷流体流通管线位于所述流体控温腔外部并一直延伸到地面；所述腔外冷流体流通管线连通换热管。