CN114382434A - 一种用于深水的表层导管自钻进固井装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于深水的表层导管自钻进固井装置,包括表层导管以及固定于表层导管底端的第一钻头,第一钻头底部设置有多个高压喷嘴,表层导管内部设置有第二钻头,第二钻头底部设置有注液喷嘴,第二钻头顶部分别通过第一钻铤、第二钻铤与钻杆相连接,第二钻铤侧壁套设有旋转密封套,旋转密封套嵌于表面导管内,内壁与第二钻铤侧壁相紧贴,外壁与表层导管内壁相紧贴,与表层导管密封形成环空空间。本发明还提出了一种用于深水的表层导管自钻进固井方法,解决了表层导管下放易于导致井口下沉的问题,保证了水下井口的纵向稳定性,又克服了深水钻井作业环境对表层导管下放的限制,兼顾了深水作业的时效性和安全性,有利于海洋油气的勘探开发。
Description
技术领域
本发明涉及油气勘探开发技术领域,具体涉及一种用于深水的表层导管自钻进固井装置及方法。
背景技术
随着陆地油气资源的产量已难以满足国家经济发展的需求,海洋石油逐渐成为了当前勘探开发的重点。海洋钻井过程中,表层导管不仅需要对井眼和地层进行封隔,还需要承受防喷器组以及下部所连接管柱组合的重力荷载,当表层导管的承载力不足时,将会导致水下井口失稳与沉降,制约海洋油气的开发。
目前,海洋钻井过程中采用半潜式钻井平台下放表层导管方式为:在浅水海域利用钻入法下放表层导管以及在深水海域利用喷射法下放表层导管;采用钻入法下放表层导管过程与在陆地钻井过程中下放一开套管过程相似,即先利用钻头钻出一开井眼后再起钻下放表层套管,注入水泥完成固井作业;采用喷射法下放表层导管则是将钻头、井下动力钻具组合、喷射钻进送入工具等提前安装于导管内部,利用导管自身重力配合循环系统提供的水射流冲洗形成井眼,使得导管外壁与地层摩擦接触,提高了导管的承载能力。
相比于采用喷射法下放表层导管,采用钻入法下放的表层导管与地层之间存在水泥环,水泥环的胶结作用有效提升了表层导管的承载能力。但是,当钻井作业环境为深水或超深水时,采用钻入法下放导管的起下钻周期过长,不仅增加了钻井作业的成本,还容易发生井筒坍塌以及导管下放困难等问题,影响后续施工作业。采用喷射法下放导管虽然能够增加导管的喷射深度,提高导管的承载力,但是随着地层埋深的增加,喷射过程中导管所遇到的阻力急剧增加,当作业深度过深时,存在套管下放时间较长以及喷射法无法实施的问题,特别是针对一些黏土较少的深水地层,当采用喷射法下放导管时,由于地层与导管之间的摩擦作用无法为水下井口和防喷器组提供有效支撑,导致水下井口面临纵向失稳的风险,而传统的钻入法无法克服深水环境对钻井作业的约束。
因此,亟需提出一种用于深水的表层导管自钻进固井装置及方法,解决由于深水弱摩擦作用地层中,只能通过一次钻进将导管下放至指定地层深度处,且对导管与地层之间环空空间进行固井作业后,无法直接下钻钻进二开井眼的不足。
发明内容
本发明旨在克服现有海洋深水钻井作业导管下方方法的不足,提供一种用于深水的表层导管自钻进固井装置及方法,既解决了传统喷射法下放表层导管时因表层导管承载力不足易于导致水下井口下沉的问题,又避免了传统钻入法在深水、超深水钻井作业的局限性,大幅度提高了钻井效率。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种用于深水的表层导管自钻进固井装置,包括表层导管以及固定于表层导管底端的第一钻头;
所述表层导管内部设置有第二钻头,第二钻头顶部分别通过第一钻铤、第二钻铤与钻杆相连接,第二钻铤侧壁套设有旋转密封套,旋转密封套嵌于表层导管内,与表层导管密封形成环空空间;
所述第一钻头底部设置有多个高压喷嘴,第二钻头底部设置有注液喷嘴。
优选地,所述第一钻头采用45号钢制成,表面镀有硬质合金钢层,第二钻头采用硬质合金钢制成。
优选地,所述第一钻铤尺寸设置为9-1/2″,第二钻铤尺寸设置为8″,钻杆尺寸设置为5-7/8″,表层导管尺寸为30″。
一种用于深水的表层导管自钻进固井方法,采用如上所述的用于深水的表层导管自钻进固井装置,具体包括以下步骤:
步骤1,将钻杆与钻井平台相连接,根据海底泥线的位置分别确定一开钻井设计深度和二开钻井设计深度,将第一钻头下放至泥线深度处,第一钻头底部与海底泥层相紧贴;
步骤2,利用钻井平台控制钻杆旋转,钻杆带动第一钻头随表面导管旋转对海底岩石进行破碎,同时通过钻杆向第二钻头内注入高压水流,高压水流经第二钻头底部的注液喷嘴流入表面导管内部的环空空间后,经第一钻头的高压喷嘴喷出形成高压射流,配合第一钻头对海底岩石进行破碎,当第一钻头钻进至一开钻井设计深度时,完成一开钻井作业,形成一开钻井井眼;
步骤3,控制钻井平台上提钻杆,使得第一钻头脱离一开钻井井眼底面,通过钻杆向第二钻头内注入水泥浆,水泥浆经第二钻头底部的注液喷嘴流入表层导管内部的环空空间后,将水泥浆沿第一钻头的高压喷嘴流入表层导管外壁与地层之间的空隙,当水泥浆由一开钻井井眼底面上返至泥线深度时,将第一钻头下放至一开钻井井眼底面,待水泥浆凝固形成表层套管固井水泥环后,完成一开固井作业,控制钻井平台上提钻杆,使得旋转密封套脱离表层导管;
步骤4,利用钻井平台控制钻杆旋转并向第二钻头施加向下的压力,第二钻头对第一钻头进行破碎后,从第一钻头内部穿出继续钻进,当第二钻头钻进至二开钻井设计深度时,完成二开钻井作业,形成二开钻井井眼;
步骤5,控制钻井平台上提钻杆将第二钻头和旋转密封套取出后下入套管和注浆管柱,利用注浆管柱向套管与表层导管之间的空隙内注入水泥浆,当水泥浆由二开钻井井眼底面上返至泥线深度时,停止注入水泥浆,待水泥浆凝固形成套管固井水泥环后,完成二开固井作业;
步骤6,取出注浆管柱,将防喷器组和隔水管依次安装在一开钻井井眼顶部,在一开钻井井眼与钻井平台之间建立流体循环通道。
优选地,所述套管的外径小于表层导管的内径,套管的长度大于表层导管的长度。
本发明所带来的有益技术效果:
本发明提出了一种用于深水的表层导管自钻进固井装置及方法,既解决了采用传统喷射法下放表层导管时因导管承载力不足而导致水下井口下沉的问题,又避免了深水钻井作业环境对钻入法下放表层导管的局限性。本发明既保证了深水、超深水钻井作业过程中水下井口的纵向稳定,又兼顾了深水环境钻井作业和固井作业的时效性,大幅度降低了多次开钻作业的时间成本,提高了深水环境下的钻井效率,有利于海洋油气的勘探开发。
附图说明
图1为本发明一种用于深水的表层导管自钻进固井装置的结构示意图。
图2为本发明一开钻井作业过程的示意图。
图3为本发明一开固井作业过程的示意图。
图4为本发明一开固井后井身结构的示意图。
图5为本发明二开钻井作业过程的示意图。
图6为本发明二开固井作业过程的示意图。
图7为本发明二开固井后井身结构的示意图。
图中,1、钻杆,2、旋转密封套,3、第二钻铤,4、第一钻铤,5、第一钻头,6、环空空间,7、表层导管,8、第二钻头,9、注液喷嘴,10、高压喷嘴,11、海底泥层,12、一开钻井井眼,13、海水,14、水泥浆,15、表层导管固井水泥环,16、二开钻井井眼,17、套管,18、套管固井水泥环,19、隔水管,20、放喷器组,21、三开钻井钻柱组合。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例以中国某海域为例,该海域水深为800m,海域中浅部地层主要是以石英为主的粉砂质地层,粘土含量较低,采用传统喷射法下放表层导管时,由于地层对表层导管外壁的粘结力较低且表层导管的喷射设计深度较大,使得传统喷射法的作业成本高、风险大,而采用钻入法下放表层导管,由于存在一开井眼易坍塌、水下井眼难以定位的问题,该海域也无法使用钻入法下放表层导管。因此,在该海域中采用本发明提出的一种用于深水的表层导管自钻进固井装置和方法。
本发明提出的一种用于深水的表层导管自钻进固井装置,如图1所示,包括表层导管7以及固定于表层导管7底端的第一钻头5,第一钻头5底部设置有多个高压喷嘴10,用于喷射高压水射流对海底岩石进行破碎,表层导管7用于支撑井身结构,其中表层导管7外径设置为30″,第一钻头5尺寸设置为36″。
表层导管7内部设置有第二钻头8,第二钻头8尺寸设置为26″,第二钻头8的底部设置有注液喷嘴9,第二钻头8的顶部分别通过第一钻铤4、第二钻铤3与钻杆1相连接,钻杆1旋转时带动第二钻头8旋转,其中,第一钻铤4外径为设置为9-1/2″、长度为28.8m,第二钻铤3外径设置为8″、长度为28.8,钻杆1直径设置为5-7/8″。第二钻铤3侧壁上套设有旋转密封套2,旋转密封套2位于第二钻铤3顶部7.6m位置处,旋转密封套2嵌于表层导管7内,旋转密封套2的内壁与第二钻铤3侧壁相紧贴,外壁与表层导管7内壁相紧贴,用于对表层导管顶端进行封堵,旋转密封套2与表层导管7密封形成环空空间6,当钻杆1带动第二钻铤3旋转时,表层导管7随第二钻铤3一同旋转,使得设置于表层导管7底部的第一钻头5旋转钻进。
同时,由于海底浅部地区地层中主要为海底泥,地层强度较低,所以本实施例中第一钻头5采用45号钢制成,钻头表面镀有硬质合金钢,第二钻头8采用20CrMo号硬质合金钢制成,20CrMo号硬质合金钢的材料强度高于45号钢的材料强度,使得第二钻头8向下钻进时能够破碎第一钻头5并从第一钻头5中钻出。
本发明还提出了一种用于深水的表层导管自钻进固井方法,采用如上所述的用于深水的表层导管自钻进固井装置,具体包括如下步骤:
步骤1,将钻杆1与钻井平台相连接,根据海底泥线的位置分别确定一开钻井设计深度和二开钻井设计深度,将第一钻头5下放至泥线深度处,使得第一钻头5底部与海底泥层相紧贴。
步骤2,利用钻井平台控制钻杆1旋转,使得第一钻头5随表层导管7旋转,第一钻头5对海底岩石进行破碎,同时通过钻杆1向第二钻头8内注入高压水流,高压水流经第二钻头8底部的注液喷嘴流入表面导管7内部的环空空间6,使得表层导管7内部充入高压水流,表层导管7内的高压水流经第一钻头5底部的高压喷嘴10喷出形成高压水射流,高压水射流不仅能够辅助第一钻头5进行破岩作业,还能对第一钻头进行冲洗、提高钻头的钻进速率,如图2所示,当第一钻头5钻进至一开钻井设计深度时,完成一开钻井作业,形成一开钻井井眼。
步骤3,控制钻井平台上提钻杆1,使得表层导管自钻进固井装置的第一钻头5从一开钻井井眼底面拔出,第一钻头5脱离一开钻井井眼底面,通过钻杆1向第二钻头8内注入水泥浆,水泥浆经第二钻头8底部的注液喷嘴9流入表层导管7内部的环空空间6后,经第一钻头5的高压喷嘴10流入表层导管7外壁与地层之间的空隙中进行固井作业,形成表层导管固井水泥环15,如图3所示,当水泥浆由一开钻井井眼底面上返至泥线深度时,将第一钻头5下放至一开钻井井眼底面,如图4所示,同时在钻井平台上放置水泥浆样品进行侯凝,观测水泥浆样品的固结情况,确保表层导管固井水泥环的固结质量,待水泥浆凝固形成表层套管固井水泥环后,即完成一开固井作业,此时通过控制钻井平台上提钻杆1,钻杆1向上拽动第二钻铤3,第二钻铤3向上挤压将旋转密封套2从表层导管7中顶出,使得旋转密封套2与表层导管7分离,海水注入表层导管7内。
步骤4,利用钻井平台控制钻杆1旋转并向第二钻头8施加向下的压力,第二钻头8向下旋转钻进将第一钻头5破碎损坏后,从第一钻头5内部穿出继续向下钻进,如图5所示,当第二钻头8钻进至二开钻井设计深度时,完成二开钻井作业,形成二开钻井井眼。
步骤5,控制钻井平台上提钻杆1将第二钻头8和旋转密封套2取出,利用钻井平台向二开钻井井眼内下入套管17和注浆管柱,本实施例中套管17外径为20″,利用注浆管柱向套管17与表层导管7之间的空隙中内注入水泥浆,形成套管固井水泥环18,如图6所示,当水泥浆由二开钻井井眼底面上返至泥线深度时,停止注入水泥浆,待水泥浆凝固形成套管固井水泥环后,完成二开固井作业。
步骤6,取出注浆管柱,将防喷器组20和隔水管19依次安装在一开钻井井眼顶部,如图7所示,建立井筒与钻井平台之间的流体循环通道。
本发明可继续利用钻井平台控制钻杆经流体循环通道,下放用于进行三开钻井的钻柱组合21,即可继续进行三开钻井作业,通过三开钻井作业获取海底中更深地层处的油气资源。本发明克服了传统钻入法和喷射法在深水钻井作业中的局限性,既保证了钻井作业安全性,又提高了钻井作业的时效性和经济性,有利于海洋油气资源的勘探开发。
在本发明描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于深水的表层导管自钻进固井装置,其特征在于,包括表层导管以及固定于表层导管底端的第一钻头;
所述表层导管内部设置有第二钻头,第二钻头顶部分别通过第一钻铤、第二钻铤与钻杆相连接,第二钻铤侧壁套设有旋转密封套,旋转密封套嵌于表层导管内,与表层导管密封形成环空空间;
所述第一钻头底部设置有多个高压喷嘴,第二钻头底部设置有注液喷嘴。
2.根据权利要求1所述的一种用于深水的表层导管自钻进固井装置,其特征在于,所述第一钻头采用45号钢制成,表面镀有硬质合金钢层,第二钻头采用硬质合金钢制成。
3.根据权利要求1所述的一种用于深水的表层导管自钻进固井装置,其特征在于,所述第一钻铤尺寸设置为9-1/2″,第二钻铤尺寸设置为8″,钻杆尺寸设置为5-7/8″,表层导管尺寸为30″。
4.一种用于深水的表层导管自钻进固井方法,其特征在于,采用权利要求1所述的用于深水的表层导管自钻进固井装置,具体包括以下步骤:
步骤1,将钻杆与钻井平台相连接,根据海底泥线的位置分别确定一开钻井设计深度和二开钻井设计深度,将第一钻头下放至泥线深度处,第一钻头底部与海底泥层相紧贴;
步骤2,利用钻井平台控制钻杆旋转,钻杆带动第一钻头随表面导管旋转对海底岩石进行破碎,同时通过钻杆向第二钻头内注入高压水流,高压水流经第二钻头底部的注液喷嘴流入表面导管内部的环空空间后,经第一钻头的高压喷嘴喷出形成高压射流,配合第一钻头对海底岩石进行破碎,当第一钻头钻进至一开钻井设计深度时,完成一开钻井作业,形成一开钻井井眼;
步骤3,控制钻井平台上提钻杆,使得第一钻头脱离一开钻井井眼底面,通过钻杆向第二钻头内注入水泥浆,水泥浆经第二钻头底部的注液喷嘴流入表层导管内部的环空空间后,将水泥浆沿第一钻头的高压喷嘴流入表层导管外壁与地层之间的空隙,当水泥浆由一开钻井井眼底面上返至泥线深度时,将第一钻头下放至一开钻井井眼底面,待水泥浆凝固形成表层套管固井水泥环后,完成一开固井作业,控制钻井平台上提钻杆,使得旋转密封套脱离表层导管;
步骤4,利用钻井平台控制钻杆旋转并向第二钻头施加向下的压力,第二钻头对第一钻头进行破碎后,从第一钻头内部穿出继续钻进,当第二钻头钻进至二开钻井设计深度时,完成二开钻井作业,形成二开钻井井眼;
步骤5,控制钻井平台上提钻杆将第二钻头和旋转密封套取出后下入套管和注浆管柱,利用注浆管柱向套管与表层导管之间的空隙内注入水泥浆,当水泥浆由二开钻井井眼底面上返至泥线深度时,停止注入水泥浆,待水泥浆凝固形成套管固井水泥环后,完成二开固井作业;
步骤6,取出注浆管柱,将防喷器组和隔水管依次安装在一开钻井井眼顶部,在一开钻井井眼与钻井平台之间建立流体循环通道。
5.根据权利要求4所述的一种用于深水的表层导管自钻进固井方法,其特征在于,所述套管的外径小于表层导管的内径,套管的长度大于表层导管的长度。
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