CN101892806A - 高温高压空气喷射破岩钻井的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高温高压空气喷射破岩钻井的方法及装置，属于空气钻井技术，这种高温高压空气喷射破岩钻井的方法将空气加压到20兆帕以上，经传输管道进入高压空气加热喷射枪或火焰喷射器，成为高温高压气体后，高速射向岩石，使岩石的上表层迅速升温，产生明显的温度梯度，温度差以随之而来的线性热膨胀使岩石破裂产生裂缝，高速射向岩石的热气流将产生的裂缝的岩石剪切破碎成碎片；碎片随着传输管道外圈与井下套管壁间或井壁间形成的环型空间，在高速上升的热气流携带下经通道之间无数次的碰撞，形成微小粉末及空气混合体升向地表排出。本发明在高硬度、高温度的万米环境下能够继续向下钻进，可开采地下上千度高品位热能资源。
Description
技术领域：本发明涉及的是空气钻井技术，具体涉及的是高温高压空气喷射破岩钻井的方法及装置。
背景技术：钻井技术是以挖、墩、钻的方法开采盐液地下水、煤炭和油气资源为目的的方法及技术，现已延续上千年的历史了。而以钻杆、金刚钻头和以水基为介质循环冷却排屑方法的钻井技术也有百年的历史了。尽管近些年来发展起来的空气钻井技术从费用和钻速都有所降低和提高，而设备庞大，钻井费用居高不下，钻进深度已经局限在12000米左右，已无法提高钻进深度，停滞不前。而以高温高压空气为循环介质传递动能及热能喷射破岩的方法及技术装置，堪称一场钻井技术的革命。它将以无钻杆、无钻头的方式展现在人们的眼前，为大力开发地球深部万米以下的干热岩石浆体中上千度巨大高品位热能资源奠定了技术保障，为改变能源结构，利用、开发绿色环保型(地热)资源开辟了新的技术通道。
发明内容：本发明的目的是提供一种高温高压空气喷射破岩钻井的方法，此方法用于解决常规钻井技术钻进深度局限在12000米的问题，本发明的另一个目的是提供这种高温高压空气喷射破岩钻井的方法使用的装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种高温高压空气喷射破岩钻井的方法将空气加压到20兆帕以上，经传输管道进入高压空气加热喷射枪或火焰喷射器，成为高温高压气体后，高速射向岩石，使岩石的上表层迅速升温，产生明显的温度梯度，温度差以随之而来的线性热膨胀使岩石破裂产生裂缝，高速射向岩石的热气流将产生的裂缝的岩石剪切破碎成碎片；碎片随着传输管道外圈与井下套管壁间或井壁间形成的环型空间，在高速上升的热气流携带下经通道之间无数次的碰撞，形成微小粉末及空气混合体升向地表排出。
上述方案中高压空气加热喷射枪将高压气体的温度加热到1500度至2000度之间，形成高温高压气体。
上述方案中火焰喷射器点燃后火焰温度可达到2000度以上。
上述高温高压空气喷射破岩钻井的方法使用的装置包括空气压缩机、增压机、液压升降机架、气电输送管、钻井平台、高压空气加热喷射枪或火焰喷射器、排泄管，空气压缩机连接增压机，再通过输气软管连接至气电输送管，气电输送管向下伸入井下套管中，气电输送管连接高压空气加热喷射枪或火焰喷射器；液压升降机架控制气电输送管的升降，液压升降机架安装在钻井平台上，气电输送管与井下套管壁间或井壁间的环形空间与地面上的排泄管连接。
上述方案中高压空气加热喷射枪由枪体、喷头、电加热组件构成，枪体的头部为喷头，枪体由绝缘板制成，电加热组件排列在枪体内，枪体的长度在6米以上，以保证将高压气体的温度加热到1500度至2000度之间。
上述方案中火焰喷射器通过油气输送管与油气储罐连接，油气输送管上安装调节阀和油泵，用于控制油气的流量及油气的输送，从而调节火焰的温度。
上述方案中的排泄管连接引风机，用于将微小粉末及空气混合体抽出。
有益效果：
1、本发明是利用空气为介质传递动能和热能的方法，将深埋地表下高温坚硬的岩石通过喷射剪切高温分解破碎岩石，在高硬度、高温度的万米环境下能够继续向下钻进，可开采地下上千度高品位热能资源。
2、因为气体高温高压会使岩石破裂分解，本发明中喷头与岩石没有机械接触，采用这种方法钻进地热井口，深度越深时，成本会成线性降低，能耗会随地下岩石温度升高而降低，气体压裂有增高实现高深度、降低钻井成本的目的。
附图说明：
图1是本发明实施例1的装置结构示意图；
图2是图1中气电输送管及电缆连接关系的结构示意图；
图3是图1中高压空气加热喷射枪的结构示意图；
图4是本发明实施例2的装置结构示意图；
图5是图4中气电输送管及电缆连接关系的结构示意图；
图6是图4中火焰喷射器的结构示意图。
1空气压缩机、2增压机、3气电输送管、4高压空气加热喷射枪、5火焰喷射器、6液压升降机架、7钻井平台、8井下套管、9排泄管、10枪体、11喷头、12电加热组件、13油气输送管、14油气储罐、15引风机、16点火器、17油气喷头、18火线、19燃烧腔、20封口器、21平盘卡盘、22胶芯、23绝缘支撑件、24外接电源线、25输气软管、26电缆耦合器、27连接管箍、28零线、29变压器、30输电电缆、31井壁
具体实施方式：
结合附图对本发明做进一步说明：
实施例1：
由于空气可以直接从周围环境中获取，这种高温高压空气喷射破岩钻井的方法通过多组空气压缩机1及增压机2，使空气压力增压到20兆帕至30兆帕后，经传输管道进入高压空气加热喷射枪4加热后，高温高压气体的温度可加热到1500度至2000度之间，通过加热枪喷头11高速射向岩石，岩石遇到如此高温高压高速的热气体流，会导致岩石其上表层迅速升温，使这个岩石产生明显的温度梯度，温度差会以随之而来的线性热膨胀使岩石破裂，同时在高压高速热气流喷射的作用下，岩石上表层的膨胀导致天然裂缝的形成，沿井底平面方向剪应力的形成，促使有利于剪切破碎。在高温梯度地带岩石会迅速分裂分解产生直径几毫米的圆盘似岩石碎片，这些碎片会随着气电输送管3外圈与井下套管8间或井壁31间形成的环型空间，在高速上升的热气流携带下经通道之间无数次的碰撞，形成微小粉末及空气混合体升向地表排出，为了使微小粉末及空气混合体提升的快，排出效果更好，采用与排泄管9连接引风机15的方法将它们抽出；上述碎片排出的环形空间从下到上有二部分构成，即气电输送管3外圈与井壁31间形成的环形空间和气电输送管3外圈与井下套管8间形成的环形空间。
图1是本发明实施例1的装置结构示意图，如图所示，该装置包括空气压缩机1、增压机2、液压升降机架6、气电输送管3、钻井平台7、高压空气加热喷射枪4、排泄管9，空气压缩机1连接增压机2，空气压缩机1和增压机2分别连接有控压阀门，再通过输气软管25连接至气电输送管3，气电输送管3向下伸入井下套管8中，气电输送管3连接高压空气加热喷射枪4，高压气体经输气软管25进入气电输送管3，再进入高压空气加热喷射枪4加热，成为高温高压气体后，被高速喷射向岩石；液压升降机架6控制气电输送管3的升降，液压升降机架6安装在钻井平台7上，气电输送管3与井下套管8壁之间或井壁31的环形空间与地面上的排泄管9连接，排泄管9连接引风机15。气电输送管3的上端用封口器20密封，气电输送管3在井口部位通过平盘卡盘21固定在钻井平台7上，气电输送管3中每隔一段距离通过绝缘支撑件23将火线及零线固定，火线18及零线28是由与变压器29连接的输电电缆30伸入到气电输送管3中形成，火线18及零线28连接至高压空气加热喷射枪4，井口采用胶芯22密封。
参阅图2，气电输送管3通过连接管箍27连接起来，火线18和零线28分别通过电缆耦合器26连接起来，电缆耦合器26通过固定在绝缘支撑件上，绝缘支撑件固定在气电输送管3上。
参阅图3，高压空气加热喷射枪4由枪体10、喷头11、电加热组件12构成，枪体10的头部为喷头11，枪体10由绝缘板制成，电加热组件12排列在枪体10内，枪体10的长度在6米以上。
实施例2：
这种高温高压空气喷射破岩钻井的方法将空气加压到20兆帕以上，经传输管道进入火焰喷射器5，火焰喷射器5点燃后火焰温度可达到2000度以上，高温高压气体高速射向岩石，使岩石的上表层迅速升温，产生明显的温度梯度，温度差以随之而来的线性热膨胀使岩石破裂产生裂缝，高速射向岩石的热气流将产生的裂缝的岩石剪切破碎成碎片；碎片随着传输管道外圈与气电输送管3外圈与井下套管8间或井壁31间形成的环型空间，在高速上升的热气流携带下经通道之间无数次的碰撞，形成微小粉末及空气混合体升向地表排出。
图4是本发明实施例2的装置结构示意图，如图所示，该装置包括空气压缩机1、增压机2、液压升降机架6、气电输送管3、钻井平台7、火焰喷射器5、排泄管9，多组大排量空气压缩机1连接增压机2，空气压缩机1和增压机2分别连接有控压阀门，再通过输气软管25连接至气电输送管3，气电输送管3向下伸入井下套管8中，气电输送管3连接火焰喷射器5，火焰喷射器5通过油气输送管13与油气储罐14连接，油气输送管13上安装调节阀和油泵；液压升降机架6控制气电输送管3的升降，液压升降机架6安装在钻井平台7上，气电输送管3外圈与井下套管8间或井壁31间形成的环型空间与地面上的排泄管9连接，排泄管9连接引风机15；气电输送管3的上端用封口器20密封，外接电源线24穿过封口器20密封，从气电输送管3中甩出，气电输送管3在井口部位通过平盘卡盘21固定在钻井平台7上，气电输送管3中每隔一段距离通过绝缘支撑件23将油气输送管13及外接电源线24固定，井口采用胶芯22密封。
参阅图5，气电输送管3通过连接管箍27连接起来，火线通过电缆耦合器26连接起来，油气输送管13也通过电缆耦合器26连接，电缆耦合器26通过固定在绝缘支撑件上，绝缘支撑件固定在气电输送管3上。
参阅图6，火焰喷射器5的点火器16与火线连接，点火器16和油气喷头17被分别固定在气电输送管3上，油气喷头17的下方是燃烧腔19。
本发明井下设备部件采用钨钢耐高温材质制备，钻井深度能够向12000米以下深度进行，甚至达到干热岩石30000米以下的深度，而钻井直径达1米以上。
如果采用传统旋转钻井技术，例如挖掘一个深度10公里的干热岩地热井成本需6000多万美元，按照地下每百米深度，平均温度梯度为3到5度测算，按每百米最低3度三万米就是900度，而现有的金刚石钻头耐温度在400～500度之间，这样的深度和高温环境是现有钻井技术无法实现的。然而如果采用本发明，因为气体高温高压会使岩石破裂分解，因此喷头与岩石不会有机械接触，如果采用这种方法钻进地热井口的话，深度越深时，成本只会成线性降低，能耗会随地下岩石温度升高而降低。
Claims (7)
1.一种高温高压空气喷射破岩钻井的方法，其特征在于：这种高温高压空气喷射破岩钻井的方法将空气加压到20兆帕以上，经传输管道进入高压空气加热喷射枪(4)或火焰喷射器(5)，成为高温高压气体后，高速射向岩石，使岩石的上表层迅速升温，产生明显的温度梯度，温度差以随之而来的线性热膨胀使岩石破裂产生裂缝，高速射向岩石的热气流将产生的裂缝的岩石剪切破碎成碎片；碎片随着传输管道外圈与井下套管(8)壁间或井壁(31)间形成的环型空间，在高速上升的热气流携带下经通道之间无数次的碰撞，形成微小粉末及空气混合体升向地表排出。
2.根据权利要求1所述的高温高压空气喷射破岩钻井的方法，其特征在于：所述的高压空气加热喷射枪(4)将高压气体的温度加热到1500度至2000度之间，形成高温高压气体。
3.根据权利要求1所述的高温高压空气喷射破岩钻井的方法，其特征在于：所述的火焰喷射器(5)点燃后火焰温度可达到2000度以上。
4.一种权利要求1或2或3所述的高温高压空气喷射破岩钻井的方法使用的装置，其特征在于：它包括空气压缩机(1)、增压机(2)、液压升降机架(6)、气电输送管(3)、钻井平台(7)、高压空气加热喷射枪(4)或火焰喷射器(5)、排泄管(9)，空气压缩机(1)连接增压机(2)，再通过输气软管(25)连接至气电输送管(3)，气电输送管(3)向下伸入井下套管(8)中，气电输送管(3)连接高压空气加热喷射枪(4)或火焰喷射器(5)；液压升降机架(6)控制气电输送管(3)的升降，液压升降机架(6)安装在钻井平台(7)上，气电输送管(3)与井下套管(8)壁间或井壁(31)间的环形空间与地面上的排泄管(9)连接。
5.根据权利要求4所述的高温高压空气喷射破岩钻井的方法使用的装置，其特征在于：所述的高压空气加热喷射枪(4)由枪体(10)、喷头(11)、电加热组件(12)构成，枪体(10)的头部为喷头(11)，枪体(10)由绝缘板制成，电加热组件(12)排列在枪体(10)内，枪体(10)的长度在6米以上。
6.根据权利要求4所述的高温高压空气喷射破岩钻井的方法使用的装置，其特征在于：所述的火焰喷射器(5)通过油气输送管(13)与油气储罐(14)连接，油气输送管(13)上安装调节阀和油泵。
7.根据权利要求4所述的高温高压空气喷射破岩钻井的方法使用的装置，其特征在于：所述的排泄管(9)连接引风机(15)。
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