CN103410443B - 一种热能和机械能结合的钻井方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热能和机械能结合的钻井方法及装置，其装置包括燃料罐（1）、双通道接头（6）、压缩机（10）、钻头（13）和钻杆（9），所述钻杆（9）的两端分别与所述双通道接头（6）和所述钻头（13）连接；所述双通道接头（6）包括外壳（38）和设置在所述外壳（38）内的燃料通道和空气通道，所述燃料罐（1）与所述燃料通道连接，所述压缩机（10）与所述空气通道连接；所述钻头（13）包括钻头本体（18）、设置在钻头本体（18）上端的上接头（16）和设置在钻头本体（18）下端的钻头切削齿（21）。本发明可实现燃烧热能和机械能联合破岩，显著提高破岩效率；另外，还可以利用燃烧热能将井壁陶瓷化，形成光滑坚硬的井壁，甚至可以不进行下套管固井，显著节约钻探成本。

Description

一种热能和机械能结合的钻井方法及装置

技术领域

本发明涉及钻井领域，更具体地说，涉及一种热能和机械能结合的钻井方法及装置。

背景技术

钻头是钻井过程中直接与岩石接触，通过切削、冲压封作用破碎岩石的工具。目前钻井工程中广泛应用机械能进行破岩，采用的钻头主要有：牙轮钻头、PDC钻头、金刚石钻头等。现场应用情况表明，牙轮钻头破岩效率低，单只钻头进尺少，容易发生掉牙轮卡钻等井下事故；PDC钻头磨损速度快，吃入困难；金刚石钻头也同样存在钻进速度慢、寿命较短的问题，这些都严重影响了油气勘探开发的速度。

为了提高钻探效率，国内外石油工作者都在加紧研究高效破岩工具和方法，并提出了一些热能钻井破岩方法，包括激光钻井、热熔钻井、等离子体通道钻井、热力综合破岩等技术。这些技术均论证了高温能够有效地降低岩石强度，从而使钻井速度提高10-100倍。这些技术目前大多处于室内研究阶段，配套装置也不成熟，离现场推广应用还存在一定距离。

面对油气勘探开发的程度加深、难度加大、开发成本高等问题，必须要提高钻井质量。我国东西部存在着大量的复杂坚硬地层，而西部地区油气藏埋藏普遍较深，急需解决深部地层钻井效率低的问题，提高破岩效率是加快钻井速度的最优途径。而目前用于钻井的钻头钻入深度已经局限在12000米左右，已无法提高钻井深度。

综上所述，常规机械破岩工具提高机械钻速效果不够显著、新型破岩技术的配套设备不能实现工业化应用，急需研发一种机械-热能综合破岩方法及装置，能通过机械-热能综合破岩方法提高钻进速度、节省钻井成本，并对于加快油气资源勘探开发速度具有重大的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种钻井效率高、易导向控制、可以进行深井钻探的热能和机械能结合的钻井方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种热能和机械能结合的钻井装置，包括燃料罐、双通道接头、压缩机、钻头和钻杆，所述钻杆的两端分别与所述双通道接头和所述钻头连接；所述双通道接头包括外壳和设置在所述外壳内的燃料通道和空气通道，所述燃料罐与所述燃料通道连接，所述压缩机与所述空气通道连接；所述钻头包括上接头、钻头本体、钻头切削齿、燃烧室，所述上接头上端与所述钻杆连接，所述上接头的下端与钻头本体连接，所述钻头切削齿设置在钻头本体的下端；在所述上接头内设置中心管路，中心管路的下端设置燃烧枪，所述燃烧枪的燃气进口与所述燃料通道连通，燃烧枪的空气进口与空气通道连通，燃烧枪的下端设置火焰喷嘴；在钻头本体内部设置燃烧室，在所述钻头本体的下端设有高温气体喷嘴，燃烧室的两端分别连通火焰喷嘴和高温气体喷嘴；在所述上接头内设有外环形管路，所述外环形管路与燃烧枪的空气入口相连通。

在本发明所述的热能和机械能结合的钻井装置中，所述钻头本体上设有造壁器，所述造壁器套装在所述燃烧室上，所述造壁器的内壁与所述燃烧室接触，造壁器的外壁超出所述钻头本体的外壁。

在本发明所述的热能和机械能结合的钻井装置中，所述双通道接头的外壳上设有上入口和下入口，所述外壳下端设有与所述钻杆连接的下接头，所述外壳内部设有与所述上入口连通的中心管，所述下接头内部设有与所述下入口连通的环空管。

在本发明所述的热能和机械能结合的钻井装置中，在所述钻头本体的外周设置第一冷却装置，所述钻头切削齿沿钻头本体的下端面周向间隔设置，在所述钻头切削齿的外周套装有第二冷却装置，所述第一冷却装置、第二冷却装置与接头上的外环形管路相连通。

在本发明所述的热能和机械能结合的钻井装置中，所述第一冷却装置包括第一多孔层，第一多孔层设置在钻头本体的外周面，并与钻头本体固连，在第一多孔层上设置有多个冷气流出孔，在第一多孔层和钻头本体外周面之间设置有第一环形冷气流通道，在钻头本体内设置有内环空管将第一环形冷气流通道与外环形管路相连通；所述第二冷却装置包括第二多孔层，第二多孔层设置在钻头切削齿的外周面，并与钻头切削齿固连，在第二多孔层上设置有多个冷气流出孔，在第二多孔层和钻头切削齿之间设置有第二冷气流通道，在钻头本体内设置有内环空管将第二环形冷气流通道与外环形管路相连通。

在本发明所述的热能和机械能结合的钻井装置中，在所述钻头本体的外周面和钻头切削齿的外周面均设置有高温隔热层。

在本发明所述的热能和机械能结合的钻井装置中，在所述钻头本体内设置有与外环形管路相连通的空气预热回路，所述空气预热回路与燃烧枪的空气入口相连通。

在本发明所述的热能和机械能结合的钻井装置中，所述燃烧枪内设有点火装置和混气室。

本发明还提供了一种热能和机械能结合的钻井方法，包括以下步骤：

S1，将燃料和空气分别输送至井下的燃烧枪内混合并点燃；

S2，燃烧后产生的高温燃气高速射向钻头正下方的岩石，使岩石的上表层迅速升温，岩石强度下降；

S3，钻头向下钻进，破坏岩石时产生的岩屑被高温燃气携带出井底；

S4，通过输送至井下的空气来冷却钻头。

在本发明所述的热能和机械能结合的钻井方法中在钻头上设有造壁器，造壁器被高温燃气加热，通过造壁器将井壁熔化，冷却后形成陶瓷井壁。

实施本发明的热能和机械能结合的钻井方法及装置，具有以下有益效果：

1、本发明将常规火焰热能破岩方法和常规机械破岩方法相结合，显著提高破岩效率，大幅度提高机械钻速，缩短建井周期，从而降低钻探成本；

2、用本发明可用于老井侧钻和分支井钻井，在进行老井眼侧钻挖潜等侧钻水平井不必考虑管线立体交叉，套管强度损坏等问题。常规老井眼侧钻和分支井钻井，在交叉部位，强度非常低，严重影响作业，甚至导致井眼报废等问题。

3、更容易导向控制，本发明振动小，几乎没有强烈振动，对导向器要求不高，轨迹控制相对容易，目前的国内水平能够容易实现。

4、可用于地下管线的铺设、古建筑物地基的加固和采石场边坡坍塌的治理。

5、由于目前钻探井深局限于12000米以内，井壁陶瓷化钻井破岩机理与常规破岩方法不一样，越深地层，地层压力越大，地层岩石温度越高，岩石越易熔化，井壁陶瓷化钻井越容易，钻进速度越高；另外井壁陶瓷化钻井还具有护壁性，更适合12000米上述的超深井钻探，开采地下上千度高品位热能资源。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明热能和机械能结合的钻井装置的结构示意图；

图2是未设置造壁器的钻头的结构示意图；

图3是设置造壁器的钻头的结构示意图；

图4是双通道接头的结构示意图；

图5是破岩和井壁陶瓷化过程示意图；

图6是设置高温隔热层的冷却装置结构示意图；

图7是未设置高温隔热层的冷却装置结构示意图；

图8是图3中的A-A向剖视图；

图9是图2的仰视图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2所示，本发明热能和机械能结合的钻井装置包括燃料罐1、双通道接头6、压缩机10、钻头13和钻杆9，钻杆9的两端分别与双通道接头6和钻头13连接。

双通道接头6包括外壳38和设置在外壳38内的燃料通道和空气通道，燃料罐1通过燃料管线5与燃料通道连接，压缩机10通过空气管线7与空气通道连接。钻杆9的内管和外管分别与燃料通道和空气通道连接。

钻头13包括上接头16、钻头本体18、钻头切削齿21、燃烧室25。上接头16上端与钻杆9连接，上接头16的下端与钻头本体18连接，钻头切削齿21设置在钻头本体18的下端。在上接头16内设置中心管路22，中心管路22的下端设置燃烧枪17，燃烧枪17的下端设置火焰喷嘴24。燃烧枪17内可以设置点火装置和混气室，燃料和空气在混气室内混合，点火装置将其引燃。在钻头本体内部设置燃烧室25，本实施例中的燃烧室25的中间宽，两端窄。在钻头本体18的下端设有高温气体喷嘴27，燃烧室25的两端分别连通火焰喷嘴24和高温气体喷嘴27。在上接头16内设有外环形管路23，外环形管路23与燃烧枪17的空气入口相连通。

燃料和空气在燃烧枪17内混合后点燃，经过火焰喷嘴24和燃烧室25充分燃烧，产生高温高速燃气，高温燃气温度超过700℃，经过高温气体喷嘴27，高速射向井壁陶瓷化钻头13正下方的岩石，使岩石的上表层迅速升温，岩石强度下降，为未加热的岩石强度的1/3或小于1/3，导热系数小的岩石产生明显的温度梯度，使岩石发生热力破坏，产生的岩屑被高温燃气携带通过排屑管15排出井底。

进一步的，如图3、图5、图8所示，钻头本体18上设有造壁器19，造壁器19套装在燃烧室25上，造壁器19的内壁与燃烧室25接触，造壁器19的外壁超出钻头本体18的外壁。造壁器19上部的外径大于钻头本体18的外径，其下部的外径等于钻头本体18外径，便于钻进和造壁。通过造壁器19将燃烧室25内高温燃气的热量传递到近钻头井眼32上方的井壁33，造壁器19压在井壁岩石表面,通过热作用使岩石成分的团聚状态发生改变,导致其熔化成玻璃状。地层岩石28中靠近造壁器19的部分为液相层29、软化层20和硬化层31，随着造壁器19向下移动，造壁器19以上的井壁岩石被低温的气流冷却，逐渐形成陶瓷井壁12。

利用燃烧的热能经过造壁器19将井壁熔化，冷却后形成陶瓷井壁12，使井眼更稳定，不容易发生坍塌和掉块等井下复杂情况，提高井眼质量；井壁岩石被造壁器压紧熔化的过程中，岩石成分的团聚状态发生改变,导致其熔化成玻璃状，孔隙度显著下降，高压流体不能通过，井筒和地层之间的流体不能发生流通，从而保护储层。

进一步的，如图4所示，双通道接头6的外壳38上设有上入口34和下入口40，外壳38下端设有与钻杆9连接的下接头37，外壳38内部设有与上入口34连通的中心管39，下接头37内部设有与下入口40连通的环空管41。中心管39上部与外壳38内腔壁之间设置密封件35，环空管41上部与外壳38内腔壁之间设置密封件35。中心管39与环空管41通过板筋固定成一整体。在中心管39和外壳38之间还设有支撑轴承36。

进一步的，上接头16内设有中心管路22和外环形管路23，中心管路22与中心管39连通，外环形管路23与环空管41连通。

进一步的，如图6、图7、图9所示，在钻头本体18的外周设置第一冷却装置20，钻头切削齿21沿钻头本体18的下端面周向间隔设置。在钻头切削齿21的外周套装有第二冷却装置47，第一冷却装置20、第二冷却装置47与接头上的外环形管路23相连通。

第一冷却装置包括第一多孔层44，第一多孔层44设置在钻头本体18的外周面，并与钻头本体18固连，在第一多孔层44上设置有多个冷气流出孔42，在第一多孔层44和钻头本体18外周面之间设置有第一环形冷气流通道43，在钻头本体18内设置有内环空管46将第一环形冷气流通道43与外环形管路23相连通；第二冷却装置47包括第二多孔层48，第二多孔层48设置在钻头切削齿21的外周面，并与钻头切削齿21固连，在第二多孔层48上设置有多个冷气流出孔，在第二多孔层48和钻头切削齿21之间设置有第二冷气流通道49，在钻头本体18内设置有内环空管46将第二环形冷气流通道与外环形管路23相连通。

进一步的，钻头本体18的外壁可以设置有隔热层45进行隔热。隔热层45将岩石向钻头本体18和钻头切削齿21传递辐射的热能隔热，使钻头本体18、钻头切削齿21的温度保持在400℃以内，保证钻头切削齿21的强度同时可进一步提高使用寿命。

进一步的，钻头本体18内设置有与外环形管路23相连通的空气预热回路26，空气预热回路26与燃烧枪17的空气入口相连通，钻头本体18内设置有连通外环形管路23的内环空管46，内环空管46与冷气流通道43和空气预热回路26相连通。

在工作时，燃料通过中心管路22进入燃烧枪17，空气进入外环形管路23、内环空管46、空气预热回路26进入燃烧枪17内燃烧。部分冷空气通过内环空管46进入冷却装置20，经过冷气流通道43，从冷气流出孔42排出，冷气流在耐第一多孔层44外表面形成冷气膜，通过处于低温状态的钻头13的钻头切削齿21旋转切削破坏其正下方的高温低强度的岩石，从而提高破岩效率。

进一步的，本发明的钻井装置还包括绞车2、钢丝绳3、转盘8、井口装置11和游车4。双通道接头6通过挂钩于游车4连接，绞车2通过钢丝绳3与游车4连接，通过绞车2实现双通道接头6、钻杆9和钻头13的升降。

本发明还提供了一种热能和机械能结合的钻井方法，该方法可以通过上述装置实现，其包括以下步骤：

S1，将燃料和空气分别输送至井下的燃烧枪内混合并点燃。

S2，燃烧后产生的高温燃气高速射向钻头正下方的岩石，使岩石的上表层迅速升温，岩石强度下降。

S3，钻头向下钻进，破坏岩石时产生的岩屑被高温燃气携带出井底。钻头上可以设置造壁器，造壁器被高温燃气加热，通过造壁器将井壁熔化，冷却后形成陶瓷井壁。

S4，通过输送至井下的空气来冷却钻头，保证钻头切削齿的强度同时可进一步提高使用寿命。

本发明与现有技术相比，具有以下有显著技术进步和有益效果：

1)，将常规火焰热能破岩方法和常规机械破岩方法相结合，显著提高破岩效率，大幅度提高机械钻速，缩短建井周期，从而降低钻探成本。

实验表明，大多数岩石强度随着温度升高，强度显著下降。例如，当温度为27～427℃时，辉长闪长岩的抗拉强度变化很大。327℃时的抗拉强度为1.5MPa，比室温条件下的抗拉强度低一个数量级；当T＝427～727℃时，抗拉强度继续降低，但与27～427℃时的变化值相比变化不大。当T>427℃时，抗拉强度的降低幅度没有超过327℃时最大值的20％；温度超过1100℃以上时，岩石开始融化。

常规钻井时，金刚石等材料做成的钻头钻头切削齿能在1200℃稳定工作。通过气膜冷却技术和高温隔热层使钻头本体和钻头钻头切削齿的温度低于400℃，其强度远远大于温度超过700℃的岩石的强度。

用处于低温的硬钻头切削齿去破坏处于高温的低强度的岩石，这种热能机械能联合破岩效率高于单纯的机械破岩或热能破岩的效率，其钻进速度远大于常规机械破岩或热能破岩的钻速。

井壁陶瓷化钻井进行时，靠热能和机械能进行破岩，热能进行破岩时，主要通过热传递的方式，热传递的方式包括热传导，热对流，热辐射。根据传热学可以确定岩石的温度场分布。不考虑岩石的热力破坏，岩石开始强度显著下降或开始熔化的温度为700℃，假设此温度定义为破岩温度，则井壁陶瓷化钻井机械钻速计算公式为：

若井眼为φ200mm，岩石的导热系数为0.8W/(m2.℃)，地层80℃，高温燃气的温度为2000℃。根据岩石传热学，利用有限元法计算知，700℃以上的岩石厚度为9.73mm，代入上式得：

$\mathrm{\υ}=\frac{9.73}{1}\×\frac{3600}{1000}=35.02(m/h)$

经理论计算，井壁陶瓷化钻井机械钻速达35.02m/h。还没有考虑热应力裂解情况。

导热系数在数值上等于一个厚度为1米、表面积为1平方米的平壁两侧维持1℃温差时，每小时通过该平壁的热量。由于岩石的导热系数低，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，这种热能和机械能联合破岩的方法的钻进速度将比上述理论计算的钻速更快。

2)利用燃烧的热，能经过造壁器将井壁融化，冷却后形成陶瓷井壁，使井眼更稳定，不容易发生坍塌和掉块等井下复杂情况，提高井眼质量。美日俄的文献都指出用(电)热熔法钻进在岩体中能形成具有结实孔壁的圆柱形通道，不用下套管，节约大量固井成本。

3)井壁陶瓷化钻井能有效保护储层。井壁岩石被造壁器压紧融化的过程中，岩石成分的团聚状态发生改变,导致其熔化成玻璃状，孔隙度显著下降，高压流体不能通过，井筒和地层之间的流体不能发生流通，从而保护储层。

经验表明，各种常规钻井方法，只要钻井液含水，储层就会被伤害，用目前任何一种压裂增产技术，都没有用纯氮气钻井(不含水)产量高。显然，用井壁陶瓷化钻井技术保护储层是非常重要的。

4)用于老井侧钻和分支井钻井。用井壁陶瓷化钻井技术进行老井眼侧钻挖潜等侧钻水平井不必考虑管线立体交叉，套管强度损坏等问题。常规老井眼侧钻和分支井钻井，在交叉部位，强度非常低，严重影响作业，甚至导致井眼报废等问题。

5)更容易导向控制。经验表明，井眼与油层的接触面积越大，产量显著增加，目前钻水平井、大位移井、水平分支井等复杂井越来越多，常用旋转导向工具进行导向控制。但是导向控制工具基本上被外国公司垄断，只提供服务，不买设备给中国，且服务日费高达1.5万美金。井壁陶瓷化钻井钻具振动小，几乎没有强烈振动，对导向器要求不高，轨迹控制相对容易，目前的国内水平能够容易实现。

6)可用于地下管线的铺设、古建筑物地基的加固和采石场边坡坍塌的治理。众所周知，土壤强度低、管线材料被氧化和锈蚀、介质具有腐蚀性，地下管线容易腐蚀，每年政府都要花费巨大的资金用于地下管线的安装和旧管线系统的维护。

7)用于超深井钻探。目前钻探井深局限于12000米以内，井壁陶瓷化钻井破岩机理与常规破岩方法不一样，越深地层，地层压力越大，地层岩石温度越高，岩石越易熔化，井壁陶瓷化钻井越容易，钻进速度越高；另外井壁陶瓷化钻井还具有护壁性，更适合12000米上述的超深井钻探。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种热能和机械能结合的钻井装置，其特征在于，包括燃料罐（1）、双通道接头（6）、压缩机（10）、钻头（13）和钻杆（9），所述钻杆（9）的两端分别与所述双通道接头（6）和所述钻头（13）连接；

所述双通道接头（6）包括外壳（38）和设置在所述外壳（38）内的燃料通道和空气通道，所述燃料罐（1）与所述燃料通道连接，所述压缩机（10）与所述空气通道连接；

所述钻头（13）包括上接头（16）、钻头本体（18）、钻头切削齿（21）、燃烧室（25），所述上接头（16）上端与所述钻杆（9）连接，所述上接头（16）的下端与钻头本体（18）连接，所述钻头切削齿（21）设置在钻头本体（18）的下端；在所述上接头（16）内设置中心管路（22），中心管路（22）的下端设置燃烧枪（17），所述燃烧枪（17）的燃气进口与所述燃料通道连通，燃烧枪（17）的空气进口与空气通道连通，燃烧枪（17）的下端设置火焰喷嘴（24）；在钻头本体内部设置燃烧室（25），在所述钻头本体（18）的下端设有高温气体喷嘴（27），燃烧室（25）的两端分别连通火焰喷嘴（24）和高温气体喷嘴（27）；在所述上接头（16）内设有外环形管路（23），所述外环形管路（23）与燃烧枪（17）的空气入口相连通；

在所述钻头本体（18）的外周设置第一冷却装置（20），所述钻头切削齿（21）沿钻头本体（18）的下端面周向间隔设置，在所述钻头切削齿（21）的外周套装有第二冷却装置（47），所述第一冷却装置（20）、第二冷却装置（47）与接头上的外环形管路（23）相连通。

2.根据权利要求1所述的热能和机械能结合的钻井装置，其特征在于，所述钻头本体（18）上设有造壁器（19），所述造壁器（19）套装在所述燃烧室（25）上，所述造壁器（19）的内壁与所述燃烧室（25）接触，造壁器（19）的外壁超出所述钻头本体（18）的外壁。

3.根据权利要求1所述的热能和机械能结合的钻井装置，其特征在于，所述双通道接头（6）的外壳（38）上设有上入口（34）和下入口（40），所述外壳（38）下端设有与所述钻杆（9）连接的下接头（37），所述外壳（38）内部设有与所述上入口（34）连通的中心管（39），所述下接头（37）内部设有与所述下入口（40）连通的环空管（41）。

4.根据权利要求1所述的热能和机械能结合的钻井装置，其特征在于，

所述第一冷却装置包括第一多孔层（44），第一多孔层（44）设置在钻头本体（18）的外周面，并与钻头本体（18）固连，在第一多孔层（44）上设置有多个冷气流出孔（42），在第一多孔层（44）和钻头本体（18）外周面之间设置有第一环形冷气流通道（43），在钻头本体（18）内设置有内环空管（46）将第一环形冷气流通道（43）与外环形管路（23）相连通；所述第二冷却装置（47）包括第二多孔层（48），第二多孔层（48）设置在钻头切削齿（21）的外周面，并与钻头切削齿（21）固连，在第二多孔层（48）上设置有多个冷气流出孔，在第二多孔层（48）和钻头切削齿（21）之间设置有第二冷气流通道（49），在钻头本体（18）内设置有内环空管（46）将第二环形冷气流通道与外环形管路（23）相连通。

5.根据权利要求1所述的热能和机械能结合的钻井装置，其特征在于，在所述钻头本体（18）的外周面和钻头切削齿（21）的外周面均设置有高温隔热层（45）。

6.根据权利要求1所述的热能和机械能结合的钻井装置，其特征在于，在所述钻头本体（18）内设置有与外环形管路（23）相连通的空气预热回路（26），所述空气预热回路（26）与燃烧枪（17）的空气入口相连通。

7.根据权利要求1所述的热能和机械能结合的钻井装置，其特征在于，所述燃烧枪（17）内设有点火装置和混气室。

8.一种热能和机械能结合的钻井方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将燃料和空气分别输送至井下的燃烧枪内混合并点燃；

S2，燃烧后产生的高温燃气高速射向钻头正下方的岩石，使岩石的上表层迅速升温，岩石强度下降；

S3，钻头向下钻进，破坏岩石时产生的岩屑被高温燃气携带出井底；

S4，通过输送至井下的空气来冷却钻头。

9.根据权利要求8所述的热能和机械能结合的钻井方法，其特征在于，在钻头上设有造壁器，造壁器被高温燃气加热，通过造壁器将井壁熔化，冷却后形成陶瓷井壁。