CN104929513A - 微波辅助破岩气体钻井装备及气体钻井井壁冻结方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微波辅助破岩气体钻井装备，气体钻井设备包括钻井台架、高压气源系统、供电和控制系统，高压气源系统设有冷凝器，并采用氮气作为气源，控制系统包括微波发生控制系统；钻头为为微波辅助破岩PDC钻头；钻杆为导电钻杆。同时本发明给出的气体钻井井壁冻结方法是：将氮气增压后注入井内，并开始钻进；当钻遇出水层后，停止注入氮气，利用微波辅助破岩PDC钻头对出水地层井壁进行径向射孔作业；将氮气冷凝为低温高压的液氮；将液氮注入至井下出水层，液氮循环至出水层被完全冷冻。本发明应用液氮冷冻冻结地层，有效解决了气体钻井不适于在出水地层作业的缺陷，提高了机械钻速，降低了钻井成本。

Description

微波辅助破岩气体钻井装备及气体钻井井壁冻结方法

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井、地质勘探以及矿山钻探等行业领域的一种气体钻井装备及应用该装备的气体钻井井壁冻结方法。

背景技术

气体钻井技术提高钻井速度明显，储层保护效果好，而且综合钻井成本低，因此在石油钻井工程中已得到广泛应用，但气体携岩能力有限，地层水进入井眼环空后，与岩屑混合后会粘结成块，粘附在钻具与井壁上，堵塞环空通道，造成粘附卡钻甚至掩埋钻具等复杂事故。

发明内容

本发明的目的首先是为了进一步提高钻井速度和效能的微波辅助破岩气体钻井装备，同时本发明还就气体钻井施工中遇地层水出现的问题，提出了一种利用微波辅助破岩气体钻井装备的气体钻井井壁冻结方法。

本发明采用如下技术方案：

首先，微波辅助破岩气体钻井装备，包括井上部分的气体钻井设备和井下部分的钻杆、钻头，其中，气体钻井设备包括钻井台架、高压气源系统、供电和控制系统；钻头为PDC钻头，包括钻头镶体以及分布在钻头镶体上的刀翼、切削齿、接头；钻杆包括钻杆本体和连接在钻杆本体两端的接头，其特征是：气体钻井设备中高压气源系统设有冷凝器，并采用氮气作为气源，控制系统包括微波发生控制系统；所述钻杆为导电钻杆，钻杆本体内嵌入线缆，钻杆接头处嵌入独立导电线圈；所述钻头为微波辅助破岩PDC钻头，其中：每个刀翼内部嵌入辅助破岩微波发生器，钻头镶体内部嵌入线缆，在接头处嵌入独立导电线圈，线缆连接在导电线圈和辅助破岩微波发生器之间。

上述微波辅助破岩气体钻井装备的技术方案进一步包括：

所述辅助破岩微波发生器包括由磁控管、矩形波导管、同轴波导管、调谐反射镜和电极针组成，其中同轴波导管由外部导电壳和绝缘套筒组成。

电极针连接有旋转驱动机构，该旋转驱动机构包括单一电机或者电机与变速器结合的驱动机构，电极针横向尺寸小于微波辐射的波长。

其次，应用前述微波辅助破岩气体钻井装备的气体钻井井壁冻结方法，包括以下步骤：

（1）使用氮气作为气源，将氮气增压后注入井内，并开始钻进；

（2）当钻遇出水层后，停止注入氮气，钻柱停止转动，利用微波辅助破岩PDC钻头对出水地层井壁进行径向射孔作业；

（3）将氮气冷凝为低温高压的液氮；

（4）将液氮注入至井下出水层，液氮循环一定时间后，井底形成完整性好、强度高、不透液的临时加固体；至出水层被完全冷冻，地层不出水，停止注入液氮作业。

上述的气体钻井井壁冻结方法步骤（3）所述的氮气冷凝为低温高压的液氮是通过冷凝器用冷却水将压缩机排出高温高压的氮气转换为低温高压的液氮。

本发明的装备由于采用了微波辅助破岩PDC钻头，配合高压氮气作为气源，在现有气体钻井技术和优点的基础上，具有钻井速度更快、效能更高、成本更低的优势。且氮气为惰性气体，可以防止井下爆炸燃烧，并且氮气导热性差，易于将液氮排放到井底。

另外利用该装备的气体钻井井壁冻结方法的优点是，气体钻井钻遇出水地层，依靠液氮冻结地层流体，减少岩屑与液体混合粘附；另外将天然岩土变成冻土，形成完整性好、强度高、不透液的临时加固体，达到加固地层、减少地层流体流出的目的，这项技术大大拓宽了气体钻井的使用范围。

附图说明

图1、根据本发明的微波辅助破岩气体钻井装备现场布置示意图

图2、导电钻杆剖面示意图

图3、微波辅助破岩PDC钻头结构示意图

图4、井底辅助破岩微波发生装置示意图

图5、气体钻井井壁冻结方法流程示意图。

图中：

1氮气钻井设备                       2发电机组

3电控房                             4控制电缆

5司钻控制台                         6导电钻杆  

7电缆                               8导电线圈  

9辅助破岩微波发生器               10磁控管

11矩形波导管                        12同轴波导管

13调谐反射镜                        14电极针

15外部导电壳                        16绝缘套筒

17微波辅助破岩PDC钻头              18刀翼

19制氮车                            20空压机  

21膜氮装置                          22增压机

23冷凝器  。                        

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

结合附图1-3，微波辅助破岩气体钻井装备，包括井上部分的气体钻井设备1和井下部分的钻杆、钻头。其中，气体钻井设备1包括钻井台架、高压气源系统（包括制氮车19、空压机20、膜氮装置 21、增压机22和冷凝器23、供电（发电机组2）和控制系统（控制电缆4和电控房3、司钻控制台5、微波发生控制系统）；钻头为微波辅助破岩PDC钻头17，包括钻头镶体以及分布在钻头镶体上的刀翼18、切削齿、接头，每个刀,18内部嵌入辅助破岩微波发生器9，钻头镶体内部嵌入线缆7（电缆），在接头处嵌入独立导电线圈8，线缆7连接在导电线圈8和辅助破岩微波发生器9之间。钻杆为导电钻杆6，钻杆本体内嵌入线缆7，钻杆接头处嵌入独立导电线圈8。

结合附图4，辅助破岩微波发生器包括由磁控管、矩形波导管、同轴波导管、调谐反射镜和电极针组成，其中同轴波导管由外部导电壳和绝缘套筒组成。

电极针连接有旋转驱动机构，该旋转驱动机构包括单一电机或者电机与变速器结合的驱动机构，电极针横向尺寸小于微波辐射的波长。

实施例2

结合图1和图5，气体钻井井壁冻结方法主要是：地层不出水的情况下，氮气钻井设备1，将氮气增压后注入井内，并开始钻进；当钻遇地层出水的情况，停止注入氮气，钻柱停止转动，利用微波辅助破岩PDC钻头17对出水地层井壁进行径向射孔作业；通过地面发电机组2组成的供电系统提供井底辅助破岩微波发生器9所需的电能,通过电控房3控制整个钻机供电,通过司钻控制台的微波发生控制系统开启井壁辅助破岩微波发生器9，钻柱停止转动，不进行注氮气作业；磁控管10产生微波辐射,产生的微波辐射通过矩形波导管11进行传输，并通过矩形波导管11内部的调谐反射镜13调节波导管的尺寸，以保证微波沿电极针方向最大化集中,微波辐射通过同轴波导管12的传导在电极14针尖端聚集，电极针14尖端与材料接触后，接触点以下的材料内部会形成一个局部高温区，而且还会不断吸收能量，最终导致材料熔化，形成孔洞；径向射孔作业完成后，打开制氮车19，制氮车19制造的氮气首先通过空压机20进行初步压缩，然后利用膜氮装置21将氮气提纯后输入压缩机22，压缩机22将氮气压缩为高温高压的氮气，冷凝器23用冷却水将压缩机排出高温高压的氮气冷凝为低温高压的液氮；液氮循环一定时间后，井底形成完整性好、强度高、不透液的临时加固体；直至出水地层被完全冷冻，地层不出水，停止注入液氮作业。

Claims (5)

1.微波辅助破岩气体钻井装备，包括井上部分的气体钻井设备和井下部分的钻杆、钻头，其中，气体钻井设备包括钻井台架、高压气源系统、供电和控制系统；钻头为PDC钻头，包括钻头镶体以及分布在钻头镶体上的刀翼、切削齿、接头；钻杆包括钻杆本体和连接在钻杆本体两端的接头，其特征是：气体钻井设备中高压气源系统设有冷凝器，并采用氮气作为气源，控制系统包括微波发生控制系统；所述钻杆为导电钻杆，钻杆本体内嵌入线缆，钻杆接头处嵌入独立导电线圈；所述钻头为微波辅助破岩PDC钻头，其中：每个刀翼内部嵌入辅助破岩微波发生器，钻头镶体内部嵌入线缆，在接头处嵌入独立导电线圈，线缆连接在导电线圈和辅助破岩微波发生器之间。

2.根据权利要求1所述的微波辅助破岩气体钻井装备，其特征是：所述辅助破岩微波发生器包括由磁控管、矩形波导管、同轴波导管、调谐反射镜和电极针组成，其中同轴波导管由外部导电壳和绝缘套筒组成。

3.根据权利要求2所述的微波辅助破岩气体钻井装备，其特征是：电极针连接有旋转驱动机构，该旋转驱动机构包括单一电机或者电机与变速器结合的驱动机构，电极针横向尺寸小于微波辐射的波长。

4.应用权利要求1、2或3所述微波辅助破岩气体钻井装备的气体钻井井壁冻结方法，其特征是以下步骤：

（1）使用氮气作为气源，将氮气增压后注入井内，并开始钻进；

（2）当钻遇出水层后，停止注入氮气，钻柱停止转动，利用微波辅助破岩PDC钻头对出水地层井壁进行径向射孔作业；

（3）将氮气冷凝为低温高压的液氮；

（4）将液氮注入至井下出水层，液氮循环至出水层被完全冷冻，地层不出水，停止注入液氮作业。

5.根据权利要求4所述的气体钻井井壁冻结方法，其特征是以下步骤：步骤（3）所述的氮气冷凝为低温高压的液氮是通过冷凝器用冷却水将压缩机排出高温高压的氮气转换为低温高压的液氮。