专利名称：降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及径向水平井钻井，特别涉及环空注入氮气泡沫欠平衡钻进径向水平井，提高水力喷射破岩的装置。
背景技术：
径向水平井钻井是利用高压水射流的能量，由垂直井眼在某一层位或不同层位沿径向钻出一个或多个水平分支井眼的钻井技术，由于要在约O. 3m内完成从垂向到水平方向的转向。传统径向水平井技术是指利用一套系统设备和方法在油气井中(主要是套管井)进行套管段铣(或套管开窗)，既锻铣套管径向水平井技术，近几年国内外各公司、研究单位着重研究套管内开窗径向水平井技术。参阅图I。1995年,Carl Landers等人发明了一种新型径向水平钻井系统,不需要 对套管进行锻铣和扩孔。第一步通过下入一球形铣刀对套管进行局部开孔，孔钻成后取出铣刀；第二步下入一柔性管，管前部联接一水力喷嘴。泵的能量通过水力喷嘴作用于地层，软管依据破岩速度不停的进行送进，通过这种方法可以在地层中钻进长度可达61m。参阅图2。1999年，Michael Uthe等人提出通过钻径向水平井的方法来提高油气藏的采收率。并提出一种径向水平钻井系统，Michael Uthe提出用“水射流切割”喷嘴进行井下装置切割，而不需要先下入磨铣钻头。这种系统在井下装置中有一个伸缩装置，用来控制水平段钻杆延伸长度，进而增加钻进距离。当一个水平段钻完后，旋转转向装置并定位。再开始另一水平井眼钻进。参阅图3。2001年，Roderick D. McLeod等人提出了水力喷射侧钻系统，这个系统可以由在井口的操作人员完成从垂直方向到水平方向的90度转向；并且考虑井底压力的因素来控制钻进。操作流程首先下入转向器工具，然后在转向器内下入前端安装喷头的软管；到喷头到达指定位置后使用磨料射流来进行套管开孔，套管开孔完成后更换清水或其它合适的钻井液在储层中进行钻进。参阅图4。2005年，David A. Belew等人提出了促进水平井钻井方法与系统，定位一个套管鞋，在套管鞋一侧上开口，在该开口内钻延伸井眼。连接一根钻杆，与销子有效组合成一个万向接头，到达套管铣鞋端后，插入套管中并通过套管鞋处的开口，到套管铣鞋端基本紧靠在套管上；然后钻杆和套管铣鞋端开始旋转钻孔，直到套管铣鞋端在套管上形成一个开口 ；钻杆和套管铣鞋端从套管撤回，挠性软管带着喷嘴通过井眼穿过套管开口 ；然后流体从喷嘴中喷出，冲击和侵蚀地层物质。2007年，李根生、黄中伟等人提出了水力喷射侧钻径向分支水平井眼方法与装置(申请号200710176846. O)，该发明包括了三种工作方式(I)下入转向器并由油管锚I固定，由定向接头2通过电测确定转向器的方位。再下入机械钻头通过转向器后磨铣套管进行开窗，起出钻头后下入带有喷嘴的挠性管，从窗口边喷射清水介质边进入地层；(2)下入转向器并由油管锚I固定，由定向接头2通过电测确定转向器的方位。再下入带有喷嘴的挠性管，用混和有石英砂的磨料射流作为工作介质，直接射穿套管。然后只更换磨料类型，边喷射磨料射流边进入地层，完成一个分支井眼的钻进。(3)下入转向器并由油管锚I固定，由定向接头2通过电测确定转向器的方位。再下入带有喷嘴的挠性管，用混和有石英砂的磨料射流作为工作介质，直接射穿套管。然后起出该挠性管，更换为清水射流喷嘴，再下入井下，通过转向器后边喷射清水介质射流边进入地层。上述技术可归纳为(I)用普通油管把转向器下到预定层位后固定，再用连续油管将井下钻孔和喷射工具从其中下入到转向器位置。工具在井下可反复连续开窗和钻出多条径向分支水平井眼。适用于套管井或裸眼井。套管开窗可用喷射管连接的磨料射流喷头在套管上切割开窗，并延伸进地层水平钻进；(2)用连续油管把水动力螺杆钻具驱动的机械磨铣头下到转向器位置，磨铣头通过转向器后在套管上磨铣开窗，然后起出磨铣头，再下入喷射管连接的水射流喷头延伸进地层水平钻进。其中喷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。可见，水射流喷头在径向水平井作业中起着非常重要的作用，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。前人提出的径向水平钻井系统只对径向水平钻井系统的结构进行了优化改进，没有考虑围压对水射流压力的影响。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的装置，在环空中注入泡沫，降低井底围压、提高射流钻头的射流能量、提高径向水平井破岩效率的方法。本实用新型采用的技术方案是降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的装置，包括泡沫发生器、径向水平钻井系统和消泡装置。在井下套管内有径向水平钻井系统，径向水平钻井系统主要由油管锚、定向接头、限位接头、转向器、挠性管、清水射流喷头和油管组成，油管的下端连接有一个油管锚，油管锚固定在套管内壁上；油管锚的作用是把井下装置和套管壁固定起来，避免其轴向移动或转动。在油管锚的下端连接有定向接头；定向接头的作用是下入电测仪器到定向接头，由定向接头的方位来确定转向器在井下的方位。定向接头的下端螺纹连接有限位接头；限位接头的下端连接转向器；转向器内有弧形孔；转向器的作用是改变清水射流喷头和挠性管的方向为水平方向。挠性管穿过油管、油管锚、定向接头和限位接头的中心孔，同时穿过转向器的弧形孔，在挠性管的下端连接有清水射流喷头；清水射流喷头上带有射流喷嘴，能喷射开地层并在地层中前进。挠性管是高压流体通道，可弯曲通过转向器。在井场有泡沫发生器和消泡装置，泡沫发生器的进气口连接一台空压机，泡沫发生器的进液口连接注液泵，泡沫发生器出口连接管线；管线的另一端连通挠性管和油管之间的环形空间；消泡装置的进口连通套管与油管之间的环形空间；消泡装置的出口有管线连接泡沫发生器的回液口。注液泵将泡沫基液从储液罐内输送到泡沫发生器，再与空压机输送来的氮气混合形成泡沫，可以灵活地调节和控制液体、氮气的流量大小，并且保持稳定，获得不同的泡沫气液比和泡沫质量。简述降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的装置的钻井过程。在欠平衡钻井时，氮气泡沫钻井液由钻柱井口注入，流经钻柱，钻头，在井底携带钻头破碎的岩屑与地层产出流体后，由环空返出地面。泡沫经泡沫发生器进入油管和连续管油管组成的环空间隙，沿着转向器的内壁进入环空，然后携岩上返，经出口进入机械消泡装置进行消泡。消泡后的基液由离心泵输送到基液储存罐，完成循环。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。本实用新型的有益效果在环空中注入泡沫可降低井底围压。由于泡沫的密度比较低，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，有利于提高钻进效率。结合围压对射流喷头射流压力的影响，通过环空注入氮气泡沫，降低井底围压，从而得到提高破岩效率。同时增加井眼在油藏中的长度、扩大泄油面积、提高采收率、降低油井管·理和环境保护等费用，提高了经济效益。
图I是Carl Landers发明的径向水平钻井系统。图2是Michael Uthe发明的径向水平钻井系统。图3是Roderick D. McLeod提出的水力喷射侧钻系统。图4是David A. Belew提出的促进水平井钻井方法与系统。图5是本实用新型降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的装置的结构示意图。图中1_油管锚，2-定向接头，3-限位接头，4-转向器，5-挠性管，6-清水射流喷头，7-泡沫发生器，8-管线，9-套管，10-油管。
具体实施方式
实施例I :参阅图5。降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的装置，包括泡沫发生器7、径向水平钻井系统和消泡装置。在井下套管9内有径向水平钻井系统。径向水平钻井系统由油管锚I、定向接头2、限位接头3、转向器4、挠性管5、清水射流喷头6和油管10组成。油管10的下端连接有一个油管锚I,油管锚I固定在套管9内壁上。在油管锚I的下端连接有定向接头2。定向接头2的下端螺纹连接有限位接头3 ;限位接头3的下端连接转向器4。转向器4内有弧形孔。挠性管5穿过油管10、油管锚I、定向接头2和限位接头3的中心孔，同时挠性管5穿过转向器4的弧形孔，在挠性管5的下端连接有清水射流喷头6。清水射流喷头6上分布有射流喷嘴。在井场上有一台泡沫发生器7和一台消泡装置，泡沫发生器7的进气口连接一台空压机，泡沫发生器7的进液口连接注液泵，泡沫发生器7出口连接管线8。管线8的另一端连通挠性管5和油管10之间的环形空间。消泡装置的进口连通套管9与油管10之间的环形空间。消泡装置的出口有管线连接泡沫发生器7的回液口。降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的装置，径向水平井的工作方式下入转向器4并由油管锚I固定，由定向接头2通过电测确定转向器4的方位。再下入机械钻头通过转向器4后磨铣套管进行开窗，起出钻头后下入带有喷嘴的挠性管5，从窗口边喷射清水介质边进入地层。喷嘴布置有往前和往后喷射的孔眼，前部孔眼喷出的射流用于破碎岩石，向后射出的射流产生反作用力，用于推动挠性管5及喷嘴在地层中前进。移动或转动转向器4，可以重复钻进。或者下入转向器4并由油管锚I固定，由定向接头2通过电测确定转向器4的方位后，下入带有喷嘴的挠性管5，用混和有石英砂的磨料射流作为工作介质，直接射穿套管。然后只更换磨料类型，边喷射磨料射流边进入地层，完成一个分支井眼的钻进。喷嘴也布置有两个方向喷射的孔眼。移动或转动转向器4，可以重复钻进。泡沫经泡沫发生器7进入油管和连续管油管组成的环空间隙，沿着转向器4的内壁进入环空，然后携岩上返，经出口进入机械消泡装置进行消泡。消泡后的基液由离心泵输送到基液储存罐，完成循环。其中，可以通过控制计量泵的排量和空压机的气量来控制泡 沫气液比，并可实现不同的泡沫环空上返速度。泡沫进入环空后，环空的液柱压力降低，同时由于环空与水平井眼连通，所以水平段的静液压力降低，即井底围压降低，又由于在相同围压条件下，随着射流压力的升高，参与破岩的射流流量增大，射流的流速和水功率相对增力口，与低射流压力相比，同一截面上的压力增大，因此破岩能力相对增大；另外，随着射流压力的升高，射流的卷吸能力增加，参与破岩的射流能量增加，射流的冲击、剪切及拉伸作用加强，破岩能力相对增强。可见，当井底围压降低时，相当于射流压力升高，从而提高了水射流喷头6的破岩效率。
权利要求1. 一种降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的装置，包括泡沫发生器(7)、径向水平钻井系统和消泡装置，其特征是 在井下套管(9)内有径向水平钻井系统，径向水平钻井系统主要由油管锚(I)、定向接头(2)、限位接头(3)、转向器(4)、挠性管(5)、清水射流喷头(6)和油管(10)组成，油管(10)的下端连接有一个油管锚(1)，油管锚(I)固定在套管(9)内壁上；在油管锚(I)的下端连接有定向接头⑵；定向接头⑵的下端螺纹连接有限位接头⑶；限位接头⑶的下端连接转向器⑷；转向器⑷内有弧形孔；挠性管(5)穿过油管(10)、油管锚(I)、定向接头(2)和限位接头(3)的中心孔，同时穿过转向器(4)的弧形孔，在挠性管(5)的下端连接有清水射流喷头￠);清水射流喷头(6)上带有射流喷嘴； 在井场有泡沫发生器(7)和消泡装置，泡沫发生器(7)的进气口连接一台空压机，泡沫发生器(7)的进液口连接注液泵，泡沫发生器(7)出口连接管线(8);管线(8)的另一端连通挠性管(5)和油管(10)之间的环形空间；消泡装置的进口连通套管(9)与油管(10)之间的环形空间；消泡装置的出口有管线连接泡沫发生器(7)的回液口。
专利摘要降低井底环空围压提高径向水平井破岩效率的装置，应用于径向水平井钻井。包括泡沫发生器、径向水平钻井系统和消泡装置。油管的下端连接油管锚，油管锚固定在套管内壁上；在油管锚的下端连接有定向接头；定向接头的下端螺纹连接有限位接头；限位接头的下端连接转向器；转向器内有弧形孔；挠性管穿过油管、油管锚、定向接头和限位接头的中心孔，同时穿过转向器的弧形孔，在挠性管的下端连接有清水射流喷头。在井场有泡沫发生器和消泡装置。效果是通过环空注入氮气泡沫，降低井底围压，从而得到提高破岩效率。同时增加井眼在油藏中的长度、扩大泄油面积、提高采收率、降低油井管理和环境保护费用，提高经济效益。
文档编号E21B7/18GK202596579SQ20122015797
公开日2012年12月12日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者李根生, 黄中伟, 毕刚, 何爱国, 马东军, 申瑞臣, 迟焕鹏 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油集团钻井工程技术研究院