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一种用干冰钻井液辅助破岩的钻井方法

阅读：167发布：2021-03-02

IPRDB可以提供一种用干冰钻井液辅助破岩的钻井方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用干冰钻井液辅助破岩的钻井方法，属于干热岩地热钻井施工技术领域，特别涉及一种运用颗粒状干冰作为钻井液，充分利用二氧化碳不同相态变化时吸热，冷却钻具，在钻头前部岩体产生温度梯度，岩体热破裂，致使岩体性质弱化，起到辅助破岩的作用。在干冰钻井液循环过程中，可充分发挥其功能：(1)冷却、润滑钻头；(2)辅助破岩；(3)携带岩屑；(4)维持井壁系统稳定性。同时在地面实现干冰钻井液循环利用。本发明可解决高温高压下钻井的难题，克服由于高温高压环境造成的钻具稳定性差、钻井液性能差、岩层可钻性差、钻孔稳定性差、钻井施工成本高等技术难题，有效解决了干热岩地热开发钻井施工的技术不足。，下面是一种用干冰钻井液辅助破岩的钻井方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种干冰钻井液辅助破岩的钻井方法，其特征在于将颗粒状干冰作为干热岩地热钻井施工用钻井液，干冰在高温高压的环境下吸收热量发生相态变化，达到冷却钻具目的，同时在钻头前部岩体产生温度梯度，致使岩体热破裂，岩体性质弱化，起到辅助破岩的作用，同时，干冰钻井液充分发挥其功能：(1)冷却、润滑钻头；(2)携带岩屑；(3)维持井壁系统稳定性；

具体实施步骤为：

(1)在地热异常区根据具体情况，确定钻井实施方案后进行准备工作，包括现场勘探、井孔定位、钻机就位；

(2)安装干冰钻井液循环利用系统相关设备，并连通干冰钻井液输送管路(7)，干冰钻井液相关设备包括干冰钻井液高压注入泵(8)、颗粒状干冰制得装置(9)、CO2气体制冷换热器(10)、固气分离装置(11)、排气检测装置(20)；

(3)进行干热岩钻井上部100-300m范围内的密封套管施工，从而保证超临界二氧化碳流体的密封，提供足够的流体压力维持井壁稳定；

(4)根据钻井方案，进行钻井，钻进过程中，颗粒状干冰作为钻井液，经过钻杆(14)、钻铤(16)和钻头(18)内部通道到达井孔底部，经一系列钻井液功能后，携带岩屑由钻杆与井壁之间的环形空间返回地面，然后经过固气分离装置(11)、制冷换热器(10)，在颗粒状干冰制得装置(9)中重新生成干冰，再次被注入到井底，从而达到连续循环的目的；

(5)在钻进过程中，应用排气检测装置（20）实时监测气体排量及携屑情况，并结合钻压、钻速、泵压、携岩屑的二氧化碳气体的各个参数，适时调整干冰钻井液注入量，有效保证破岩效率和携岩屑的能力，确保各工序有序进行；

(6)按照钻井方案，依次循环进行，直至钻进目标层，钻井结束。

2.按照权利要求1所述的一种干冰钻井液辅助破岩的钻井方法，其特征在于：所述步骤（3）中，维持井壁稳定的超临界CO2流体压力P流≧P地+P孔，式中P流为超临界CO2 - 流体压力，P地为井壁处地层压力，P孔为井壁处地层岩体的孔隙压。

说明书全文

一种用干冰钻井液辅助破岩的钻井方法

技术领域

[0001] 本发明属于干热岩地热钻井施工技术领域，特别涉及一种运用颗粒状干冰作为钻井液，在地热钻井施工中吸收热量发生相态变化，达到冷却钻具目的，同时在钻头前部岩体产生温度梯度，致使岩体热破裂而弱化，进而在高温高压环境下生成的超临界二氧化碳更易于破岩、排渣、护壁的钻井方法，具体为一种用干冰钻井液辅助破岩的钻井方法。

背景技术

[0002] 地热作为绿色的、可再生的资源，被世界各国确定为维系社会可持续发展的新的“绿色能源”。干热岩地热一般是指温度在200℃以上的岩体中蕴藏的地热能资源，可以经过人工开采从岩体中直接提取热量用于发电。

[0003] 在干热岩地热开发利用中，首先需要解决的就是高温高压下钻井破岩技术，高温钻井液技术一直被认为是钻井液技术乃至于钻井技术水平高低的重要标志。钻井过程中，钻井液的主要作用是冷却和润滑钻头、携带和悬浮岩屑、稳定井壁和平衡地层压力，钻井液是保证钻井成败的关键技术之一。高温高压下钻井特点使其对于钻井液的性能要求较高，主要表现为：(1)抗高温高压性；(2)有助于钻井破岩；(3)对钻具无腐蚀性；(4)对环境无污染。

[0004] 干冰是在1个标准大气压下、-78.5 ℃存在的固态二氧化碳，干冰蓄冷是水冰的2倍，吸收热量后升华成二氧化碳气体，无任何残留、无毒性、无异味。其制作简单方便、二氧化碳来源充足、成本很低。干冰具有良好的物理特性：易挥发，当温度高于-78.5℃时就会发生升华，吸收热量迅速转化为无毒、无味的二氧化碳气体；同时，体积会迅速膨胀600-800倍，故在有限容积内，干冰遇高温吸热会发生相态的变化，转化成的气态二氧化碳会对容器壁产生高压，且有可能发生爆炸。当二氧化碳流体的温度、压力达到31.1℃和7.4MPa时，二氧化碳流体就处于超临界状态。超临界二氧化碳兼有气体和液体双重性质：密度大，通常是气体的几百倍，近于液体；粘度低，比液体粘度要小两个数量级，扩散系数高，约为液体的10-100倍。故超临界二氧化碳流具有气体的低粘度和易扩散、液体的高密度和易溶解的特性。

[0005] 因此，在高温高压、低渗透性、致密坚硬的干热岩体中进行钻井施工，利用颗粒状干冰作为钻井液，随钻头钻进过程中，干冰会吸热发生物理相态变化，钻进处岩体温度降低，在岩体内产生温度梯度，从而产生热应力，岩体发生热破裂，岩体性质弱化，便于钻具破岩。同时由于颗粒状干冰吸热，降低了钻具的温度，提高了钻具的稳定性和使用寿命。此外，伴随着颗粒状干冰吸热发生物理相态的转变，生成的超临界二氧化碳流可以润滑钻头，平衡钻井井壁应力以及地应力，同时将钻具破岩产生的岩屑携带出井底，保持井底清洁，避免钻头重复切削，减少磨损，提高了破岩速度及效率。干冰作为钻井液，不仅可以起到冷却钻头、排渣、护壁的作用，而且可以实现辅助破岩的作用。

发明内容

[0006] 由高温高压下钻井特点及其对钻井液性能的要求决定，常规的钻井液已无法满足干热岩地热开发钻井的要求。为了克服高温高压下钻井施工中存在的由于高温高压导致的钻具稳定性差、钻井液抗高温性能差、岩层可钻性差、钻孔稳定性差、钻井施工成本高等技术不足，本发明公开了一种干热岩钻井施工中运用颗粒状干冰作为钻井液来辅助破岩的钻井方法。

[0007] 本发明是采用如下的技术方案实现的：

[0008] 一种用干冰钻井液辅助破岩的钻井方法：颗粒状干冰作为干热岩地热钻井施工用钻井液，经过钻杆和钻头内部通道到达井孔底部，干冰在高温高压的环境下吸收热量发生相态变化，生成超临界二氧化碳，达到冷却钻具目的，同时钻头前部岩体产生温度梯度，致使岩体热破裂，岩体性质弱化，起到辅助破岩的作用。在干冰钻井液循环过程中，充分发挥其功能：(1)冷却、润滑钻头；(2)辅助破岩；(3)携带岩屑；(4)维持井壁系统稳定性。经一系列钻井液功能后，携带岩屑由钻杆与井壁之间的环空返回地面，然后进行气固分离、降温冷却，重新生成颗粒状干冰，再次被注入到井底。与此同时，应用排气检测装置实时监测气体排量及携屑情况，并结合钻压、钻速、泵压、携岩屑的二氧化碳气体的各个参数，适时调整干冰钻井液注入量，有效保证破岩效率和携岩屑的能力，确保各工序有序进行，直至钻进目标层，钻井结束。

[0009] 其具体实施步骤为：

[0010] (1)在地热异常区域，根据其地质条件确定钻井实施方案。

[0011] (2)完成钻井施工前的准备工作，如井孔定位、钻机就位等。

[0012] (3)安装干冰钻井液循环利用系统相关设备，并连通干冰钻井液输送管路，干冰钻井液相关设备包括干冰钻井液高压注入泵、颗粒状干冰制得装置、CO2气体制冷换热器、固气分离装置、排气检测装置。

[0013] (4)进行干热岩钻井上部100-300m范围内的密封套管施工，从而保证二氧化碳或者超临界二氧化碳气体的密封，提供足够的气体压力维持井壁稳定。

[0014] (5)钻井施工，钻进过程中，颗粒状干冰作为钻井液，经过钻杆和钻头内部通道到达井孔底部，经一系列钻井液功能后，携带岩屑由钻杆与井壁之间的环形空间返回地面，然后经过固气分离装置、制冷换热器，重新生成颗粒状干冰，再次被注入到井底，从而达到连续循环的目的。

[0015] (6)在钻进过程中，应用排气检测装置实时监测气体排量及携屑情况，并结合钻压、钻速、泵压、携岩屑的二氧化碳气体的各个参数，适时调整干冰钻井液注入量，有效保证破岩效率和携岩屑的能力，确保各工序有序进行。

[0016] (7) 按照钻井方案，依次循环进行，直至钻进目标层，钻井结束。

[0017] 上述一种用干冰钻井液辅助破岩的钻井方法，所述步骤（4）中，维持井壁稳定的超临界CO2气体压力P气≧P地+P孔，式中P气为超临界CO2气体压力，P地为井壁处地层压力，P孔为井壁处地层岩体的孔隙压。

[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）颗粒状干冰制备简单，成本低廉，安全无毒，本发明对井口排出的二氧化碳进行回收，实现了循环利用；（2）利用干冰钻井液进行辅助破岩，颗粒状干冰在遇高温岩体吸热，发生物理相态变化，造成钻进岩体接触表面温度降低，在岩体内产生温度梯度，从而在热应力作用下岩体发生热破裂，产生微小裂隙，弱化了钻进岩体的力学性能；（3）干冰钻井液发生物理相态的变化，会有效的降低钻具的温度，特别是钻头的温度，使得钻具的稳定性大幅提升，使用寿命延长，同时生成的超临界二氧化碳流可以起到对钻头的润滑作用，大幅提高了钻进速度，使破岩效率大幅提升；（4）采用干冰钻井液循环系统，从而实现了二氧化碳的循环高效利用和保护环境的目的，降低钻井成本。

附图说明

[0019] 图1为干冰钻井液辅助破岩钻井过程示意图。

[0020] 图2为干冰钻井液循环利用系统示意图。

[0021] 图3为干冰钻井液辅助破岩机理图。

[0022] 图中：1-天车，2-游动滑车，3-大钩，4-干冰钻井液控制阀，5-井架，6-转盘，7-干冰钻井液输送管路，8-干冰钻井液高压注入泵，9-颗粒状干冰制得装置，10-CO2气体制冷换热器，11-固气分离装置，12-固井水泥环，13-套管，14-钻杆，15-井壁，16-钻铤，17-携带岩屑的超临界CO2气体，18-耐高温钻头，19-颗粒状干冰钻井液，20-排气检测装置。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图1、图2、图3对本发明做进一步说明。

[0024] 在某圈定的干热岩地热开发区域施工注入井和生产井，施工过程中运用颗粒状干冰作为钻井液辅助破岩的钻井方法，具体步骤如下：

[0025] (1)根据地质条件勘查结果，决定将注入井和生产井布置在深度2000m、温度200℃的花岗岩层中，钻井液为颗粒状干冰，注入压力大于50MPa 。

[0026] (2)完成钻井施工前的准备工作，如井孔定位、钻机就位等。首先根据井组布置方案及间距进行井孔定位，然后进行钻井设备安装。按作业规程组装井架5，包括天车1、游动滑车2、大沟3、干冰钻井液控制阀4、转盘6、干冰钻井液输送管路7等设备。并按要求选取钻杆14、钻铤16、耐高温钻头18，保证钻井设备具有一定的耐高温特性。

[0027] (3)安装干冰钻井液循环利用系统相关设备，并连通干冰钻井液输送管路7，干冰钻井液相关设备包括干冰钻井液高压注入泵8、颗粒状干冰制得装置9、CO2气体制冷换热器10、固气分离装置11、排气检测装置20。

[0028] (4)进行干热岩钻井上部100-300m范围内的密封套管施工，从而保证二氧化碳或者超临界二氧化碳气体的密封，根据2000m处岩层应力状况与孔隙压大小，需要60Mpa的气体压力才能够维持井壁稳定。

[0029] (5)进行钻井施工，钻进过程中，颗粒状干冰作为钻井液，经过钻杆14和钻头18内部通道到达井孔底部，经一系列钻井液功能后，携带岩屑由钻杆14与井壁15之间的环形空间返回地面，然后经过固气分离装置11、CO2气体制冷换热器10、在颗粒状干冰制得装置9中重新生成颗粒状干冰，再次被注入到井底，从而达到连续循环的目的。在干冰钻井液循环过程中起到以下作用：①冷却、润滑钻头；②辅助破岩；③携带岩屑；④维持井壁系统稳定性。

[0030] (6)在钻进过程中，应用排气检测装置20实时监测气体排量及携屑情况，并结合钻压、钻速、泵压、携岩屑的二氧化碳气体的各个参数，适时调整干冰钻井液注入量，有效保证破岩效率和携岩屑的能力，确保各工序有序进行。

[0031] (7)按照钻井方案，依次循环进行，直至钻进目标层，钻井结束。

[0032] 图2为干冰钻井液循环利用系统示意图，图中干冰钻井液高压注入泵8、颗粒状干冰制得装置9、CO2气体制冷换热器10、固气分离装置11、排气检测装置20依次连接，干冰钻井液高压注入泵8通过干冰钻井液控制阀4和干冰钻井液输送管路7连接，排气检测装置20的入口与井口密封连接。

[0033] 图3为干冰钻井液辅助破岩机理图，其机理为干冰吸热使钻头前部岩体产生温度梯度，岩体发生热破裂，力学性能劣化，从而起到辅助破岩的功能。

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