CN113216883A - 一种气爆惯性虹吸负压钻井系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气爆惯性虹吸负压钻井系统及工艺，涉及钻井技术领域，包括钻井系统包括：钻井装置包括钻杆与钻头；注气装置，包括氮气源，氮气源通过注气管线连通钻杆；增压注水装置，包括脉冲增压储能水罐，脉冲增压储能水罐通过注水管线连通钻杆；井筒的井口处通过返回管线连通有返回物回收设备。本发明还公开了一种气爆惯性虹吸负压钻井工艺。本发明在欠平衡钻井工艺的基础上，利用液体控化产生活塞效应进行虹吸产生尾流，产生纵向垂直作用于井底截面积岩层的拉应力，加大地层撬动，并利用虹吸将岩屑携带返回，实现钻井，在发挥了欠平衡钻井工艺提速优势上，大大提高钻井效率，并解决了传统欠平衡钻井的诸多问题。
Description
技术领域
本发明涉及钻井技术领域，更具体地说，它涉及一种气爆惯性虹吸负压钻井系统及工艺。
背景技术
目前石油工程中从钻到采，只利用了作用力，而反作用力没有被利用，导致工程效率最多完成50％，如石油开采率还没有超过40％，煤炭可燃冰等难动用的能源大部分还不可利用，地热钻井成本失衡的局面始终达不到人类社会高速发展的需要，导致能源危机极大的阻碍人类生存发展的主要矛盾。
传统钻井工艺采用液体作为钻井液循环携带岩屑保持进尺。钻井液受到地球引力影响产生累积压强，累积压强对井底岩石产生压持效应，使其力学特性显示以塑性和韧性为主，使得岩石可钻性变差。由于钻井液产生的累积压强的大小与液柱的高度和密度成正比，钻井能力与钻机功率、井深、直径、钻头材质、液体比重、岩层力学性质相关，这种状况造成了钻头破岩难度随着井深增加而加大，使得传统钻井工艺钻速慢、深井钻机功率巨大、运行成本居高不下。
为了解决传统钻井工艺井下岩石力学特性的问题，现有技术中已提出并研发了欠平衡钻井工艺，采用低密度钻井液作为钻井循环介质。以气体钻井液举例说明：气体作为钻井液的优势是地球引力对气体介质基本不产生累积压强，可作为循环介质起到携带岩屑，气体介质具备了携带岩屑的功能后，释放了井底岩层的压持效应，使岩层的塑性及韧性转变为脆性，给钻头破岩创造了有利条件，大幅提高机械钻速。
但是上述气体欠平衡工艺在实际应用中还存在诸多难题：
(1)气体钻井最忌惮的是井内出水。因为水对井底产生累积压强，会阻碍甚至停止气体循环。目前应对办法是增加压缩机/增压机功率将气体压力大幅度升高，抵消出水产生的累积压强，这导致现场设备投资及运行成本巨大；
(2)施加钻压造成钻具出现挠度会使钻具与井壁产生摩擦发热，岩屑在上返过程中与钻具、井壁发生粘卡现象；
(3)由于直径出现变化，钻挺与钻杆接头处容易出现旋流，可使细小岩屑产生堆积。由于井内湿度影响，岩屑堆积严重时可能发生抱钻事故；
(4)气体控化难度大于液体，只要利用地球引力液体就从高处向低处自动导向流动，而气体必须由密封管控方向否则会发生泄漏污染环境；
(5)由于气体流速快又携带岩屑对管件冲击很大，特别在转弯处很容易击穿管件；
(6)由于陀螺效应的存在防斜打直有难度，所以钻压也很关键。
基于上述难题的欠平衡钻井技术应用范围大大缩小，但是其优势仍然很明显，比传统液体钻井的钻速提高了5-8倍，钻机功率可减小60％。如果更换气锤钻井可提高机械钻速10-15倍。
基于上述问题，本发明提出一种在发挥欠平衡钻井工艺提速优势基础上，解决传统欠平衡钻井工艺诸多难题的气爆惯性虹吸负压系统及工艺。
发明内容
针对实际运用中这一问题，本发明目的在于提出一种气爆惯性虹吸负压钻井系统及工艺，具体方案如下：
一种气爆惯性虹吸负压钻井系统，所述钻井系统包括：
钻井装置，其伸入井筒内，所述钻井装置包括钻杆与钻头，所述钻杆内形成注入通道，所述钻杆与所述井筒之间形成返回通道；
注气装置，用于向钻杆内注气，包括氮气源，所述氮气源通过注气管线连通所述钻杆；
增压注水装置，用于向钻杆内增压注水，包括脉冲增压储能水罐，所述脉冲增压储能水罐通过注水管线连通所述钻杆，所述脉冲增压储能水罐出水端还连通有钻井液排空管线；
所述井筒的井口处通过返回管线连通有返回物回收设备。
进一步的，所述增压注水装置上还包括注气补水装置，所述注气补水装置用于向脉冲增压储能水罐内注气补水，包括钻井液储存罐与泵，所述钻井液储存罐通过补气管线连通所述脉冲增压储能水罐，所述补气管线上设有泵，所述脉冲增压储能水罐出水端通过泄压排空管线连通气储存罐。
进一步的，所述注气管线上依次设有第一电控阀门、第二电控阀门以及第三电控阀门；
所述注水管线上依次设有第四电控阀门、第五电控阀门；
所述注水管线与注气管线并联，所述第四电控阀门、脉冲增压储能水罐与第五电控阀门位于第一电控阀门与第三电控阀门之间，且与所述第二电控阀门并联；
所述补气管线上设有第六电控阀门，所述泄压排空管线上设有第七电控阀门；
所述返回管线上设有第八电控阀门；
所述注气管线上还设有压力传感器、气体流量传感器以及钻杆压力传感器；
所述返回管线上还设有套管压力传感器。
进一步的，所述脉冲增压储能水罐的出水端还设有钻井液排空管线，所述钻井液排空管线上设有第九电控阀门。
进一步的，所述钻井液储存罐、气储存罐以及返回物回收设备上设有安全模组。
进一步的，所述钻井装置还包括钻井平台以及封井器，所述井筒安装于所述钻井平台下方，所述钻杆自钻井平台上方向下延伸至井筒内，所述封井器安装于井筒顶端位置处，用于密封井筒。
一种气爆惯性虹吸负压钻井工艺，该钻井工艺包括如下步骤：
1)将钻杆布置到井筒内，并在钻杆与井筒内壁之间形成返回通道；
2)注气：根据各个传感器测量数值，关闭第四电控阀门与第五电控阀门，打开第一电控阀门、第二电控阀门、第三电控阀门，氮气源通过注气管线向井内输送氮气；
3)增压注水：关闭第二电控阀门、第六电控阀门、第七电控阀门、第九电控阀门以及泵，开启第四电控阀门以及第五电控阀门，用氮气源内的高压氮气将脉冲增压储能水罐内钻井液推入井内；
4)根据井内状况，调节增压注水频率，并重复步骤2)与步骤3)中操作，对井内持续注气、增压注水，钻井液与氮气间隔进入钻杆内，在气体欠平衡的基础上利用液体控化产生活塞效应进行虹吸产生尾流，产生拉应力，加大地层撬动凸鼓力，以实现钻井；
5)利用虹吸将钻井产生的各种介质经返回通道输送至返回物回收设备。
进一步的，所述步骤3)还包括注气补水：根据各传感器测量数值，关闭第四电控阀门与第五电控阀门，开启第九电控阀门、第六电控阀门与第七电控阀门，泵向脉冲增压储能水罐内补充钻井液，过程中，第九电控阀门遇液自动关闭。
进一步的，所述步骤2)中进入井内氮气流速达到15.24m/s，并且氮气压力随井深及出水量的增加而增加。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明中，通过设置注气装置、增压注水装置，通过钻井装置向井内持续注气、增压注水，在欠平衡工艺的基础上，利用液体控化产生活塞效应进行虹吸产生尾流，地层表面产生负压，使得地层表面与地层内部形成压差，并产生纵向垂直作用于井底截面积岩层的拉应力，加大地层撬动，实现钻井工程，并利用虹吸将岩屑携带返回，本发明发挥了欠平衡钻井工艺提速优势，大大提高钻井效率，并解决了传统欠平衡钻井的诸多问题，负压钻井的机械钻速完胜目前所有钻井工艺，将带领地热能开发走向商业化爆发式应用阶段。
附图说明
图1为本发明的实施例的整体示意图。
附图标记：1、钻杆；2、钻头；3、注入通道；4、返回通道；5、氮气源；6、脉冲增压储能水罐；7、井筒；8、泵；9、第一电控阀门；10、第二电控阀门；11、第三电控阀门；12、第四电控阀门；13、第五电控阀门；14、第六电控阀门；15、第七电控阀门；16、第八电控阀门；17、压力的传感器；18、气体流量传感器；19、钻杆压力传感器；20、套管压力传感器；21、第九电控阀门；22、安全模组；23、钻井平台；24、封井器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
需要注意的是，本发明中钻井基于液体和气体在自然环境中的特征，包括：
液体在自然环境中的特征：1、液体受温度影响在零度以上时会发生蒸发膨胀，在零度以下会结冰收缩；2、液体在地球引力作用下会产生累积压强，压强大小取决于液体高度和密度；3、液体受地球引力影响其作用力垂直向下，受月球引力影响产生潮涨潮落，在真空中可以悬浮；4、如果利用机械做功改变液体相流方向，它的累积压强所产生的作用力与反作用力功率相同(不计摩擦阻力)；5、液体受外力基本不被压缩，可以传导压强，在控化条件下才能够改变方向；6、液体的流速与压力成正比。在末流中流体流速越高，所受阻力越大；7、液体只有在气体和真空环境中产生虹吸及惯性现象，这种现象会产生反作用力尾流效果，而这种尾流效果在惯性产生后大于作用力本身效果上百倍；8、液体密度大于气体，在相同质量情况下运动速度小于气体上千倍，在真空中可达上万倍。
气体在自然环境中的特征：1、可吞可吐；2、可压缩可爆发；3、不产生累积压强(工业上可忽略)；4、易流动需控化；5、密度是清水的1/800。当其气动力大于液体时密度只是液体的1/10；当气动力达到爆发点后气体密度达到液体1/3；当其产生惯性现象时密度会瞬间减小，此时反作用力立刻转变为尾流虹吸力；6、液体在气体中运动受密度影响小，受引力影响大；7、气体累积压强小而惯性虹吸力作用大。气体传导力、穿透力好于密度大的液体。
本发明基于上述特征，在气体欠平衡钻井技术上利用液体控化产生活塞效应进行虹吸产生尾流，产生纵向垂直作用于井底截面积岩层的拉应力，将加大地层撬动凸鼓力效果，以实现钻井，大大提高了钻井速度。
具体地，如图1所示，一种气爆惯性虹吸负压钻井系统，钻井系统包括：钻井装置、注气装置以及增压注水装置，通过注气装置与增压注水装置向钻井装置内持续性注入氮气与钻井液，实现气爆惯性虹吸负压钻井。
在一个可能的实施例中，如图1所示，钻井装置，其伸入井筒7内，钻井装置包括钻杆1与钻头2，钻杆1内形成注入通道3，钻杆1与井筒7之间形成返回通道4。
钻井装置还包括钻井平台23以及封井器24，井筒7安装于钻井平台23下方，钻杆1自钻井平台23上方向下延伸至井筒7内，封井器24安装于井筒7顶端位置处，用于密封井筒7。
注气装置，用于向钻杆1内注气，包括氮气源5，氮气源5通过注气管线连通钻杆1，注气管线上依次设有第一电控阀门9、第二电控阀门10以及第三电控阀门11。第一电控阀门9作为电源总开关，第二电控阀门10作为井内注气开关，第三电控阀门11作为井控开关。
注气管线上还设有压力的传感器17、气体流量传感器18以及钻杆压力传感器19。其中压力的传感器17与气体流量传感器18设置于第一电控阀门9之前，且靠近氮气源5，钻杆压力传感器19设置于第三电控阀门11之后，且靠近钻杆1。
增压注水装置，用于向钻杆1内增压注水，包括脉冲增压储能水罐6，脉冲增压储能水罐6通过注水管线连通钻杆1；注水管线上依次设有第四电控阀门12、第五电控阀门13。第四电控阀门12与第五电控阀门13作为注水控制开关。
注水管线与注气管线并联，第四电控阀门12、脉冲增压储能水罐6与第五电控阀门13位于第一电控阀门9与第三电控阀门11之间，且与第二电控阀门10并联。
脉冲增压储能水罐6出水端还连通有钻井液排空管线，钻井液排空管线上设有第九电控阀门21，第九电控阀门21作为脉冲增压储能水罐6排空开关。
增压注水装置上还包括注气补水装置，注气补水装置用于向脉冲增压储能水罐6内注气补水，包括钻井液储存罐与泵8，钻井液储存罐通过补气管线连通脉冲增压储能水罐6，补气管线上设有泵8，脉冲增压储能水罐6出水端通过泄压排空管线连通气储存罐。
补气管线上设有第六电控阀门14，第六电控阀门14位于第四电控阀门12与脉冲增压储能水罐6之间，作为脉冲增压储能水罐6加注阀门；泄压排空管线上设有第七电控阀门15，第七电控阀门15位于脉冲增压储能水罐6与第七电控阀门15之间，第七电控阀门15作为脉冲增压储能水罐6泄压排空开关。
脉冲增压储能水罐6的出水端还设有钻井液排空管线，钻井液排空管线上设有第九电控阀门21。
井筒7的井口处通过返回管线连通有返回物回收设备，返回管线上设有第八电控阀门16，第八电控阀门16作为套管控制开关，返回管线上还设有套管压力传感器20。
钻井液储存罐、气储存罐以及返回物回收设备上设有安全模组22。安全模组22用于气体检测、液位监控、气体排空监控等。
一种气爆惯性虹吸负压钻井工艺，该钻井工艺包括如下步骤：
首先，1)将钻杆1布置到井筒7内，并在钻杆1与井筒7内壁之间形成返回通道4。
接着，2)注气：根据各个传感器(包括压力的传感器17、钻杆压力传感器19以及套管压力传感器20)测量数值，关闭第四电控阀门12与第五电控阀门13，打开第一电控阀门9、第二电控阀门10、第三电控阀门11，氮气源5通过注气管线向井内输送氮气，即向钻杆1内注入通道3输送氮气。
气体要作为循环介质起到携带岩屑等其它钻井液必备的作用，必须具备两个要素，即在步骤2)中进入井内氮气流速达到15.24m/s，并且氮气压力随井深及出水量的增加而增加。
再接着，3)增压注水：关闭第二电控阀门10、第六电控阀门14、第七电控阀门15、第九电控阀门21以及泵8，开启第四电控阀门12以及第五电控阀门13，用氮气源5内的高压氮气将脉冲增压储能水罐6内钻井液推入井内，即将钻井液推入注入通道3。
在增压注水的过程中，为了避免脉冲增压储能水罐6内出现供水不足的情况，步骤3)还包括注气补水：根据各传感器测量数值，关闭第四电控阀门12与第五电控阀门13，开启第九电控阀门21、第六电控阀门14与第七电控阀门15，泵8向脉冲增压储能水罐6内补充钻井液，过程中，第九电控阀门21遇液自动关闭。
然后，4)根据井内状况，调节增压注水频率，并重复步骤2)与步骤3)中操作，对井内持续注气、增压注水，钻井液与氮气间隔进入钻杆1内，在气体欠平衡的基础上利用液体控化产生活塞效应进行虹吸产生尾流，产生拉应力，加大地层撬动凸鼓力，以实现钻井。最后，5)利用虹吸将钻井产生的各种介质经返回通道4输送至返回物回收设备。
使用欠平衡工艺钻井，井深越深对于地层的撬动力越大，本发明中采用气体与液体作用形成的负压，使得地层表面与地层内部形成压差，可提前进入深井撬动效果，使钻头2剥离岩屑拥有更轻松的效果，同时返屑效果也更好。
尾流虹吸动力是利用气体(氮气)动力产生的，因为气体在产生动力的同时，密度只要增加1/3倍时，它的推动即可产生爆发力。由于密度小，它的穿透能力才会强，阻力也小，所以被虹吸的各种介质会自动有序储藏在气体的体积之中，这就是尾流效应的核心所在。
其中，虹吸能力的大小与爆发力、压力、流速、流量成正比。负压作用时间长短与井筒7高度成正比，所需负压频率与液量控化有关，井内负压效果保持人为可控。
机械钻速与负压大小有关，负压每兆帕可提升进尺速度0.1米/分钟(例如35兆帕，可提高3.5米/分钟)。
并且，在氮气的低温条件下，可有效冷却钻头2与地层之间摩擦产生的热量，有助于避免岩屑在上返过程中与钻具、井筒7井壁发生粘卡的现象出现。
本发明的具体实施原理为：本发明中在发挥欠平衡钻井工艺提速优势的基础上，针对传统欠平衡工艺的诸多难题，将自然科学气液两相相对理论应用于钻井工程，采用气爆惯性虹吸负压钻井技术，在井下压力为35兆帕时，钻井效率可提高35倍-50倍，如果达到惯性制导力，钻井转速可提高100倍-200倍，大大提高了钻井效率。
高速钻井的应用前景不仅仅局限于石油钻井，以开发地热新能源为目的的地热钻井工程应用将成为主流，负压钻井的机械钻速超越目前所有钻井工艺，将带领地热能开发走向商业化爆发式应用阶段。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种气爆惯性虹吸负压钻井系统，其特征在于，所述钻井系统包括：
钻井装置，其伸入井筒(7)内，所述钻井装置包括钻杆(1)与钻头(2)，所述钻杆(1)内形成注入通道(3)，所述钻杆(1)与所述井筒(7)之间形成返回通道(4)；
注气装置，用于向钻杆(1)内注气，包括氮气源(5)，所述氮气源(5)通过注气管线连通所述钻杆(1)；
增压注水装置，用于向钻杆(1)内增压注水，包括脉冲增压储能水罐(6)，所述脉冲增压储能水罐(6)通过注水管线连通所述钻杆(1)，所述脉冲增压储能水罐(6)出水端还连通有钻井液排空管线；
所述井筒(7)的井口处通过返回管线连通有返回物回收设备。
2.根据权利要求1所述的气爆惯性虹吸负压钻井系统，其特征在于，所述增压注水装置上还包括注气补水装置，所述注气补水装置用于向脉冲增压储能水罐(6)内注气补水，包括钻井液储存罐与泵(8)，所述钻井液储存罐通过补气管线连通所述脉冲增压储能水罐(6)，所述补气管线上设有泵(8)，所述脉冲增压储能水罐(6)出水端通过泄压排空管线连通气储存罐。
3.根据权利要求2所述的气爆惯性虹吸负压钻井系统，其特征在于，所述注气管线上依次设有第一电控阀门(9)、第二电控阀门(10)以及第三电控阀门(11)；
所述注水管线上依次设有第四电控阀门(12)、第五电控阀门(13)；
所述注水管线与注气管线并联，所述第四电控阀门(12)、脉冲增压储能水罐(6)与第五电控阀门(13)位于第一电控阀门(9)与第三电控阀门(11)之间，且与所述第二电控阀门(10)并联；
所述补气管线上设有第六电控阀门(14)，所述泄压排空管线上设有第七电控阀门(15)；
所述返回管线上设有第八电控阀门(16)；
所述注气管线上还设有压力的传感器(17)、气体流量传感器(18)以及钻杆压力传感器(19)钻杆压力传感器(19)；
所述返回管线上还设有套管压力传感器(20)。
4.根据权利要求1所述的气爆惯性虹吸负压钻井系统，其特征在于，所述脉冲增压储能水罐(6)的出水端还设有钻井液排空管线，所述钻井液排空管线上设有第九电控阀门(21)。
5.根据权利要求2所述的气爆惯性虹吸负压钻井系统，其特征在于，所述钻井液储存罐、气储存罐以及返回物回收设备上设有安全模组(22)。
6.根据权利要求1所述的气爆惯性虹吸负压钻井系统，其特征在于，所述钻井装置还包括钻井平台(23)以及封井器(24)，所述井筒(7)安装于所述钻井平台(23)下方，所述钻杆(1)自钻井平台(23)上方向下延伸至井筒(7)内，所述封井器(24)安装于井筒(7)顶端位置处，用于密封井筒(7)。
7.一种气爆惯性虹吸负压钻井工艺，其特征在于，该钻井工艺包括如下步骤：
1)将钻杆(1)布置到井筒(7)内，并在钻杆(1)与井筒(7)内壁之间形成返回通道(4)；
2)注气：根据各个传感器测量数值，关闭第四电控阀门(12)与第五电控阀门(13)，打开第一电控阀门(9)、第二电控阀门(10)、第三电控阀门(11)，氮气源(5)通过注气管线向井内输送氮气；
3)增压注水：关闭第二电控阀门(10)、第六电控阀门(14)、第七电控阀门(15)、第九电控阀门(21)以及泵(8)，开启第四电控阀门(12)以及第五电控阀门(13)，用氮气源(5)内的高压氮气将脉冲增压储能水罐(6)内钻井液推入井内；
4)根据井内状况，调节增压注水频率，并重复步骤2)与步骤3)中操作，对井内持续注气、增压注水，钻井液与氮气间隔进入钻杆(1)内，在气体欠平衡的基础上利用液体控化产生活塞效应进行虹吸产生尾流，产生拉应力，加大地层撬动凸鼓力，以实现钻井；
5)利用虹吸将钻井产生的各种介质经返回通道(4)输送至返回物回收设备。
8.根据权利要求9所述的气爆惯性虹吸负压钻井系统及工艺，其特征在于，所述步骤3)还包括注气补水：根据各传感器测量数值，关闭第四电控阀门(12)与第五电控阀门(13)，开启第九电控阀门(21)、第六电控阀门(14)与第七电控阀门(15)，泵(8)向脉冲增压储能水罐(6)内补充钻井液，过程中，第九电控阀门(21)遇液自动关闭。
9.根据权利要求9所述的气爆惯性虹吸负压钻井系统及工艺，其特征在于，所述步骤2)中进入井内氮气流速达到15.24m/s，并且氮气压力随井深及出水量的增加而增加。
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