一种钻探改造干热岩储层的装置及方法

技术领域

本发明涉及干热岩钻探技术领域，更具体的说是涉及一种钻探改造干热岩储层的装置及方法。

背景技术

干热岩是一种绿色清洁能源，取之不尽用之不竭，在干热岩开发过程中，通常要钻注采井，并对干热岩储层进行改造，以便增大换热体积，增强储层连通性。

目前常用的方法是水力压裂、化学和热刺激等。水力压裂法对地层影响较大，易产生微地震，形成的单一高渗透性裂隙热交换面积小，同时方向控制较困难。热刺激法在热刺激结束后随着温度回升，部分裂缝将闭合。化学刺激在高温环境下与岩体矿物反应速度快，难以渗透至热储层深部，且对井下套管柱造成腐蚀性破坏。

因此，为了改变现有的技术缺陷，且能够同时应对主井眼内裂缝发育和不发育的不同情况，如何提供一种能够有效钻探改造干热岩储层的装置及方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种钻探改造干热岩储层的装置，旨在解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钻探改造干热岩储层的装置，包括：依次连接的钻头、微孔钻探器、动力短节、上接头、连接接头串和连续油管；

所述钻头的底部安装有多个前端喷嘴；所述钻头内部中央具有封堵柱，所述封堵柱上套设有弹簧；所述微孔钻探器为两端开口的筒状结构，且靠近所述动力短节的侧壁上周向均布有多个侧向喷嘴，所述侧向喷嘴与所述微孔钻探器内部连通；所述微孔钻探器的内侧壁上滑动连接有控制套，所述控制套的轴心开设有两端贯穿所述控制套的流道，所述流道与所述封堵柱对应；所述连续油管通过所述连接接头串与上接头、动力短节和钻头组成的底部钻具组合连接。

通过上述技术方案，本发明采用高压水力喷射破岩装置，主井眼成井后将连续油管、井下微孔喷射改造工具等设备下放至井底，通过将地面混合完成的高压磨料射流泵送至井底，对目的层段进行喷射破岩，通过控制套在微孔钻探器内的移动控制侧向喷嘴的开闭，对井筒附近裂缝进行加深，同时使井筒与地层中原有裂隙连通，形成裂缝型网格，该装置通过排量调节控制套的位置，实现前端喷嘴和侧向喷嘴的切换喷射，进而完成井筒附近裂缝的加深，提高改造效果。

优选的，在上述一种钻探改造干热岩储层的装置，所述流道为两级的阶梯孔，所述流道朝向所述动力短节一端的孔径大于朝向所述封堵柱一端的孔径；所述流道朝向所述封堵柱一端的孔径小于所述封堵柱的直径。能够满足流道的喷射和封堵功能。

优选的，在上述一种钻探改造干热岩储层的装置，所述封堵柱的端面与所述微孔钻探器朝向所述钻头方向的端面平齐；所述控制套的长度小于所述微孔钻探器朝向所述钻头方向的端面至所述侧向喷嘴的长度。能够满足控制套对前端喷嘴和侧向喷嘴的切换功能。

优选的，在上述一种钻探改造干热岩储层的装置，所述连续油管的注入端连接有可通过地面管汇切换流体来源的射流混合增压设备和泥浆泵。能够满足泥浆喷射的压力供给需求。

优选的，在上述一种钻探改造干热岩储层的装置，所述微孔钻探器侧壁具有外销孔，所述外销孔位于所述侧向喷嘴与所述微孔钻探器朝向所述动力短节的端面之间；所述控制套的侧壁具有与所述外销孔对应的内销孔。当钻进完成后，通过地面管汇将钻井介质由钻井液切换为高压磨料射流，通过增大排量推动控制套下行，剪断销钉后控制套下行至底部，堵住钻头上的前端喷嘴，然后微孔钻探器上的侧向喷嘴开始工作，可对微孔侧壁上继续通过高压射流形成微孔，提高改造效果。销钉能够满足钻进过程中控制套的稳定性，防止其在定向侧钻时对前端喷嘴造成封堵，导致钻井液无法冲洗井底岩屑。

本发明还在上述的钻探改造干热岩储层的装置的基础上提供了一种钻探改造干热岩储层的方法，针对主井眼内天然裂缝发育的热储层进行钻探改造，包括以下步骤：

S1、主井眼钻成后，将上述的钻探改造干热岩储层的装置下入至欲改造层段，在地面通过射流混合增压设备将高压磨料射流混合完毕并增压，通过连续管送入到微孔钻探器处，大排量的高压磨料射流驱动控制套剪断销钉后向钻头方向移动，使得封堵柱封堵流道，侧向喷嘴处流道打开，高压磨料射流通过侧向喷嘴对目的层段进行喷射破岩，形成裂缝并加深；

S2、步骤S1完成后，停止喷射或降低射流排量，通过弹簧推动控制套复位，封堵侧向喷嘴，打开前端喷嘴，上提或下放连续油管以使钻探改造干热岩储层的装置到达下一待改造层段，重复步骤S1和S2，逐次完成干热岩储层的多段改造直至满足改造要求。

通过上述技术方案，本方法采用高压水力喷射破岩，主要针对主井眼内天然裂缝发育的热储层进行钻探改造，通过将地面混合完成的高压磨料射流泵送至井底，对目的层段进行喷射破岩，对井筒附近裂缝进行加深，同时使井筒与地层中原有裂隙连通，形成裂缝型网格。该方法主要利用的是地层天然裂隙，能增大改造体积，降低微震风险，还可配合化学刺激法实施，提高改造效果。

本发明还在上述的钻探改造干热岩储层的装置的基础上提供了一种改进的钻探改造干热岩储层的装置，包括上述的钻探改造干热岩储层的装置；还包括依次连接在所述上接头和连接接头串之间的井底随钻测量工具、定向器和井下推进器，并采用泥浆脉冲传输控制；或者还包括连接在所述上接头和连接接头串之间的定向器、井底随钻测量工具和井下推进器，并采用电缆传输控制。

通过上述技术方案，本装置通过定向器带动钻探改造干热岩储层的装置转动至预调整的工具面角后锁死，进而调整钻进方向；通过将地面混合完成的高压磨料射流泵送至井底，对目的层段进行喷射破岩，通过控制套微孔钻探器内的移动，控制侧向喷嘴的开闭，对井筒附近裂缝进行加深，同时使井筒与地层中原有裂隙连通，形成裂缝型网格，该装置通过喷射压力调节控制套的位置，实现前端喷嘴和侧向喷嘴的切换喷射，进而完成井筒附近裂缝的加深，提高改造效果。

优选的，在上述一种钻探改造干热岩储层的装置中，地面还设置有对井底随钻测量工具上传数据进行解码并将技术人员指令编码下发至定向器和井下推进器的地面测控设备。近井底随钻测量工具，可实时测量井斜、方位、工具面角、温度等数据，并通过泥浆脉冲或井下电缆将测得的参数传递到地面测控设备上，由地面技术人员下发进一步指令。

本发明还在上述的改进的钻探改造干热岩储层的装置的基础上提供了一种钻探改造干热岩储层的方法，针对主井眼内裂缝数量低或连通性差的热储层进行钻探改造，包括以下步骤：

S1、将上述改进的钻探改造干热岩储层的装置下入至测井显示天然裂缝发育段进行定向侧钻，利用高压钻井液驱动动力短节带动钻头对干热岩储层进行回转或冲击钻进破岩，钻出新的微小井眼，钻进过程中井底随钻测量工具将测得的井眼轨迹参数上传至地面，经地面测控设备解算后判断是否需要定向，如需进行连续油管定向作业，通过地面测控设备产生钻井液压力脉冲或电缆信号下传操纵定向器，定向器将工具面角旋转至计划位置后锁死，进行滑动定向钻进作业；

S2、步骤S1中的微小分支井眼钻井过程中，泥浆泵将钻井液加压后注入连续油管，泥浆由控制套的流道进入钻头，通过前端喷嘴向井底喷射，对侧钻井井底进行喷射破岩；

S3、步骤S1中的微小分支井眼钻井完成后，通过地面管汇将入井流体由钻井液切换为经射流混合增压设备混合增压后的高压磨料射流，通过增大射流排量，驱动控制套向钻头方向移动，使得封堵柱封堵流道，控制套的外侧壁下行将侧向喷嘴处的流道打开，高压射流通过侧向喷嘴向四周井壁喷射，对目的层段附近裂缝进行加深；

S4、步骤S3完成后，停止喷射或降低射流排量，通过弹簧推动控制套复位，封堵侧向喷嘴，打开前端喷嘴，上提或下放连续油管以使钻探改造干热岩储层的装置到达下一待改造层段，重复步骤S1和S2，逐次完成干热岩储层的多段改造直至满足改造要求。

通过上述技术方案，本方法主要针对主井眼内裂缝数量低或连通性差的热储层进行钻探改造，通过定向器带动钻探改造干热岩储层的装置转动至预调整的工具面角后锁死，控制钻进轨迹朝向天然裂缝发育段；该方法能避开主井眼内裂缝不发育层段，增大改造体积，降低微震风险，还可配合化学刺激法实施，提高改造效果。

优选的，在上述一种钻探改造干热岩储层的方法中，所述热储层裂缝分布情况通过成像测井、双侧向电阻率测井、声波远探测的测井结果进行评价。上述提供的两种钻探改造干热岩储层的装置实质上是根据热储层裂缝分布情况而针对采用的，使用的针对性更强，效果更好。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种钻探改造干热岩储层的装置及方法，具有以下有益效果：

1、本发明设计的两种钻探改造干热岩储层的装置以及相应的方法是根据热储层裂缝分布情况而针对采用的，能够分别对主井眼内天然裂缝发育的热储层和主井眼内裂缝数量低或连通性差的热储层进行钻探改造，能增大改造体积，降低微震风险，还可配合化学刺激法实施，提高改造效果。

2、本装置采用高压磨料射流实施侧向喷射破岩，沟通地层原有裂隙，形成体积缝网，改造干热岩储层；也可利用钻井液的动力驱动装置回转或冲击，带动钻头进行定向钻进。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的实施例1的钻探改造干热岩储层装置的结构示意图。

图2附图为本发明提供的实施例2的采用泥浆脉冲传输控制的钻探改造干热岩储层装置的结构示意图。

图3附图为本发明提供的实施例3的采用电缆传输控制的钻探改造干热岩储层装置的结构示意图。

图4附图为本发明提供的实施例1-3的工作状态及外部控制结构的示意图。

图5附图为本发明提供的实施例1-3的动力短节驱动钻进工作状态的结构示意图。

图6附图为本发明提供的实施例1-3的侧喷射工作状态的结构示意图。

图7附图为本发明提供的实施例1-3的下喷射工作状态的结构示意图。

其中：

1-钻头；2-微孔钻探器；3-动力短节；4-上接头；5-连接接头串；6-连续油管；7-前端喷嘴；8-封堵柱；9-弹簧；10-侧向喷嘴；11-控制套；12-流道；13-射流混合增压设备；14-泥浆泵；15-井底随钻测量工具；16-定向器；17-井下推进器；18-地面测控设备。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参见附图1，本发明实施例公开了一种钻探改造干热岩储层的装置，包括：依次连接的钻头1、微孔钻探器2、动力短节3、上接头4、连接接头串5和连续油管6；

钻头1的底部安装有多个前端喷嘴7；钻头1内部中央具有封堵柱8，封堵柱8上套设有弹簧9；微孔钻探器2为两端开口的筒状结构，且靠近动力短节3的侧壁上周向均布有多个侧向喷嘴10，侧向喷嘴10与微孔钻探器2内部连通；微孔钻探器2的内侧壁上滑动连接有控制套11，控制套11的轴心开设有两端贯穿控制套11的流道12，流道12与封堵柱8对应；连续油管6通过连接接头串5与上接头4、动力短节3、微孔钻探器2和钻头1组成的底部钻具组合连接。

为了进一步优化上述技术方案，流道12为两级的阶梯孔，流道12朝向动力短节3一端的孔径大于朝向封堵柱8一端的孔径；流道12朝向封堵柱8一端的孔径小于封堵柱8的直径。

为了进一步优化上述技术方案，封堵柱8的端面与微孔钻探器2朝向钻头1方向的端面平齐；控制套11的长度小于微孔钻探器2朝向钻头1方向的端面至侧向喷嘴10的长度。

为了进一步优化上述技术方案，连续油管6的注入端连接有可通过地面管汇切换流体来源的射流混合增压设备13和泥浆泵14。

为了进一步优化上述技术方案，微孔钻探器2侧壁具有外销孔，外销孔位于侧向喷嘴10与微孔钻探器2朝向动力短节3的端面之间；控制套11的侧壁具有与外销孔对应的内销孔。

本实施例的钻探改造干热岩储层的方法，针对主井眼内天然裂缝发育的热储层进行钻探改造，包括以下步骤：

S1、主井眼钻成后，将上述的钻探改造干热岩储层的装置下入至欲改造层段，在地面通过射流混合增压设备13将高压磨料射流混合完毕并增压，通过连续管6送入到微孔钻探器2处，大排量的高压磨料射流驱动控制套11剪断销钉后向钻头1方向移动，使得封堵柱8封堵流道12，侧向喷嘴10处流道打开，高压磨料射流通过侧向喷嘴10对目的层段井壁进行喷射破岩，形成裂缝并加深；

S2、步骤S1完成后，停止喷射或降低射流排量，通过弹簧9推动控制套11复位，封堵侧向喷嘴10，打开前端喷嘴7，上提或下放连续油管以使钻探改造干热岩储层的装置到达下一待改造层段，重复步骤S1和S2，逐次完成干热岩储层的多段改造直至满足改造要求。

钻探改造干热岩储层的装置采用高压磨料射流实施侧向喷射破岩，沟通地层原有裂隙，形成体积缝网，改造干热岩储层；也可利用钻井液的动力驱动钻探改造干热岩储层的装置回转或冲击，带动钻探改造干热岩储层的装置前端携带的钻头1进行定向侧钻钻进，其不同工作状态下工具内结构变化如图5-7所示。

实施例2：

参见附图2，本实施例在实施例1的基础上进行改进，还包括依次连接在上接头4和连接接头串5之间的井底随钻测量工具15、定向器16和井下推进器17，并采用泥浆脉冲传输控制。

为了进一步优化上述技术方案，地面还设置有对井底随钻测量工具15上传数据进行解码并将技术人员指令编码下发至定向器16和井下推进器17的地面测控设备18。

本实施例的钻探改造干热岩储层的方法，针对主井眼内裂缝数量低或连通性差的热储层进行钻探改造，包括以下步骤：

S1、将上述改进的钻探改造干热岩储层的装置下入至测井显示天然裂缝发育段进行定向侧钻，利用高压钻井液驱动动力短节3带动钻头1对干热岩储层进行回转或冲击钻进破岩，钻出新的微小井眼，钻进过程中井底随钻测量工具15将测得的井眼轨迹参数上传至地面，经地面测控设备18解算后判断是否需要定向，如需进行连续油管定向作业，通过地面测控设备18产生钻井液压力脉冲或电缆信号下传操纵定向器15，定向器15将工具面角旋转至计划位置后锁死，进行滑动定向钻进作业；

S2、步骤S1中的微小分支井眼钻井过程中，泥浆泵14将钻井液加压后注入连续油管6，泥浆由控制套11的流道进入钻头1，通过前端喷嘴7向井底喷射，对侧钻井井底进行喷射破岩；

S3、步骤S1中的微小分支井眼钻井完成后，通过地面管汇将入井流体由钻井液切换为经射流混合增压设备13混合增压后的高压磨料射流，通过增大射流排量，驱动控制套11向钻头1方向移动，使得封堵柱8封堵流道12，控制套11的外侧壁下行将侧向喷嘴10处的流道打开，高压射流通过侧向喷嘴10向四周井壁喷射，对目的层段附近裂缝进行加深；

S4、步骤S3完成后，停止喷射或降低射流排量，通过弹簧9推动控制套11复位，封堵侧向喷嘴10，打开前端喷嘴7，上提或下放连续油管6以使钻探改造干热岩储层的装置到达下一待改造层段，重复步骤S1和S2，逐次完成干热岩储层的多段改造直至满足改造要求。

为了进一步优化上述技术方案，热储层裂缝分布情况通过成像测井、双侧向电阻率测井、声波远探测的测井结果进行评价。

地面测控设备18可将井底随钻测量工具15上传的泥浆脉冲信号或电信号解码后提供至技术人员，技术人员按照定向要求通过电缆或泥浆脉冲下传信号至定向器16，定向器16带动钻探改造干热岩储层的装置转动至预调整的工具面角后锁死，进而调整钻进方向。

射流混合增压设备13首先将射流介质与磨料混合均匀，随后将其加压至30MPa以上，通过连续油管6将其泵入井内，流过钻探改造干热岩储层的装置的侧向喷嘴形成磨料射流冲击井壁岩石，形成具有一定深度的孔眼。

近井底随钻测量工具15可实时测量井斜、方位、工具面角、温度等数据，并通过泥浆脉冲或井下电缆将测得的参数传递到地面测控设备18上，由地面技术人员下发进一步指令。

实施例3：

参见附图3，本实施例在实施例1的基础上进行改进，还包括连接在上接头4和连接接头串5之间的定向器16、井底随钻测量工具15和井下推进器17，并采用电缆传输控制。

本实施例的其他结构和方法均与实施例2相同，在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。