CN114635642A - 一种双壁钻杆充气钻井系统及其钻井方法 - Google Patents

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    • E21B21/08—Controlling or monitoring pressure or flow of drilling fluid, e.g. automatic filling of boreholes, automatic control of bottom pressure

Abstract

本发明涉及钻井技术领域种的一种双壁钻杆充气钻井系统及其钻井方法。该系统主要包括气液双注适配器、双壁钻杆、井下混流器、自动节流管汇、泥浆气体分离器、旋转防喷导流装置、注气设备和环空液面测量装置；根据实钻井身结构、钻具参数、泥浆性能和目标井底压力设计泥浆举升所需的泥浆排量、气体排量、双壁钻杆初始下入深度、双壁钻杆最大下入深度以及节流套压调节范围；通过调节自动节流管汇的节流阀，改变井口节流套压，维持双壁钻杆充气钻进时泥浆循环罐液量恒定钻进。本发明适用于压力衰竭及溶洞裂缝性易漏失地层，特别是失返性漏失地层钻井；不仅能够降低钻井周期，降低泥浆损耗，而且能够实现气举穿漏的定向钻井。

Description

一种双壁钻杆充气钻井系统及其钻井方法
技术领域
本发明涉及钻井技术领域，尤其涉及一种双壁钻杆充气钻井系统及其钻井方法。
背景技术
地热钻井以及石油钻井过程中，很多井都遭遇恶性失返性漏失的影响，严重制约钻井进度和地层的钻遇率。漏失地层钻井可以采用充气钻井方式予以解决，该技术从注气工艺方式上可分为钻杆内充气钻井技术、套管寄生管注气技术、同心套管注气技术以及双壁钻杆充气技术等。
双壁钻杆充气钻井技术与传统的钻杆内充气钻井技术相比具有以下优势：①气液分别注入、效率更高效并且易于控制：②不降低钻井液密度及排量，更好发挥井下提速工具优势；③所需注气设备少，压力低，经济性好；④钻杆内注入纯液相可以使用常规MWD进行定向服务。双壁钻杆充气钻井技术的的实施，有望大幅减少常低压易漏地层井漏处理失效、解决漏塌同存负窗口地层安全高效钻井难题，进一步保障钻井施工成功率，具有良好推广及应用前景。
然而常规的双壁钻杆充气钻井技术，泥浆和气体从井口返出后，并不进行控制而直接排放，无法维持恒定的目标井底压力，从而导致井底压力控制不精确，造成井壁失稳、岩屑携带困难以及地层漏失严重问题。因此，如何确定合理的目标井底压力，并维持目标井底压力钻进，是双壁钻杆充气钻井技术的推广应用的一个技术关键。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种双壁钻杆充气钻井系统及其钻井方法。
其技术方案如下：
一种双壁钻杆充气钻井系统：包括气液双注适配器、双壁钻杆、井下混流器、自动节流管汇、泥浆气体分离器、旋转防喷导流装置、注气设备和环空液面测量装置。
防喷器组顶端安装旋转防喷导流装置，旋转防喷导流装置出口连接自动节流管汇，自动节流管汇下游连接泥浆气体分离器，泥浆气体分离器排液口连接振动筛，泥浆气体分离器排气口通向井场边缘；顶驱下端连接气液双注适配器；气液双注适配器下端依次连接双壁钻杆、井下混流器、常规单壁钻杆、钻铤和钻头；环空液面测量装置安装在井口用于测量气体和泥浆停止注入时环空泥浆液位。
气液双注适配器加工有气体孔道A和液体孔道A，双壁钻杆加工有气体孔道B和液体孔道B，井下混流器加工有气体孔道C和液体孔道C；注气设备注入气体，气体依次经过气体孔道A、气体孔道B和气体孔道C到达井眼环空；钻井泵注入泥浆，泥浆依次经过顶驱、液体孔道A、液体孔道B、液体孔道C、常规单壁钻杆、钻铤和钻头进入井眼环空并上返，到达井下混流器位置处，气体举升泥浆继续上返，到达旋转防喷导流装置后，依次经过自动节流管汇、泥浆气体分离器，分离后的泥浆到达振动筛和泥浆循环罐，分离后的气体排向大气。
根据所钻井的地层压力相关参数、环空泥浆液位及地层稳定性数据，计算双壁钻杆充气钻井需要维持的目标井底压力，目标井底压力大于地层孔隙压力及坍塌压力中的高值并小于地层漏失压力值；根据实钻井身结构、钻具参数、泥浆性能和目标井底压力设计泥浆举升所需的泥浆排量、气体排量、双壁钻杆初始下入深度、双壁钻杆最大下入深度以及节流套压调节范围；调节自动节流管汇的节流阀，通过改变井口节流套压，维持双壁钻杆充气钻进时泥浆循环罐液量恒定钻进。
优选的是，钻头上部连接有螺杆钻具。
优选的是，钻井泵排出管线和泥浆气体分离器排浆管线分别安装流量计，计量泥浆注入排量和返出排量，并通过两者的差值累计循环罐泥浆液量的变化值。
优选的是，所述当目标井底压力大于地层漏失压力值，双壁钻杆充气钻进时维持泥浆循环罐液量稳定下降，即地层微漏钻进，泥浆漏失速度小于10m³/h。
优选的是，对注入气体排量及泥浆排量、双壁钻杆下深及泥浆密度的任一或者组合进行调节，维持循环罐液量恒定或者稳定下降钻进。
一种双壁钻杆充气的钻井方法：所述钻井方法包括以下步骤：
a.防喷器组顶端安装旋转防喷导流装置，旋转防喷导流装置出口连接自动节流管汇，自动节流管汇下游连接泥浆气体分离器，泥浆气体分离器排液口连接振动筛，泥浆气体分离器排气口通向井场边缘；顶驱下端连接气液双注适配器；气液双注适配器下端依次连接双壁钻杆、井下混流器、常规单壁钻杆、钻铤和钻头；气液双注适配器加工有气体孔道A和液体孔道A，双壁钻杆加工有气体孔道B和液体孔道B，井下混流器加工有气体孔道C和液体孔道C；环空液面测量装置安装在井口用于测量气体和泥浆停止注入时环空泥浆液位；
b.根据所钻井的地层压力相关参数、环空泥浆液位及地层稳定性数据，计算双壁钻杆充气钻井需要维持的目标井底压力，目标井底压力大于地层孔隙压力及坍塌压力中的高值并小于地层漏失压力值；
c.根据实钻井身结构、钻具参数、泥浆性能和目标井底压力设计泥浆举升所需的泥浆排量、气体排量、双壁钻杆初始下入深度、双壁钻杆最大下入深度以及节流套压调节范围；
d.组装并下入钻具，双壁钻杆下深达到初始下入深度，连接双壁钻杆与气液双注适配器；首先开启注气设备，注入设计排量的气体，气体依次经过气体孔道A、气体孔道B和气体孔道C到达井眼环空，举升泥浆上返，当振动筛出口见到泥浆返出时，开启钻井泵注入设计排量的泥浆，泥浆依次经过顶驱、液体孔道A、液体孔道B、液体孔道C、常规单壁钻杆、钻铤和钻头进入井眼环空并上返，到达井下混流器位置处，气体举升泥浆继续上返；
e.泥浆返出稳定及立压稳定后，记录泥浆返出排量和注入排量，观察循环罐液位，并不断调节自动节流管汇的节流阀，通过改变节流套压，维持泥浆循环罐液量恒定钻进；
f.接单根时，先停止泥浆注入后再停止气体注入，钻具内气体和泥浆泄压后，连接双壁钻杆下入，先注入气体，振动筛见泥浆返出后，再注入泥浆，记录泥浆返出排量和注入排量，观察循环罐液位，并不断调节自动节流管汇的节流阀，通过改变节流套压，维持泥浆循环罐液量恒定钻进；
g.当双壁钻杆到达最大下入深度，停止注入泥浆和气体，向环空内注入泥浆压稳地层后起出钻具，重复步骤b～g。
优选的是，钻头上部连接有螺杆钻具。
优选的是，所述钻井泵排出管线和泥浆气体分离器排浆管线分别安装流量计，计量泥浆注入排量和返出排量，并通过两者的差值累计循环罐泥浆液量的变化值。
优选的是，当所述目标井底压力大于地层漏失压力值，双壁钻杆充气钻进时维持泥浆循环罐液量稳定下降，即地层微漏钻进，泥浆漏失速度小于10m³/h。
优选的是，对注入气体排量及泥浆排量、双壁钻杆下深及泥浆密度的任一或者组合进行调节，维持循环罐液量恒定或者稳定下降钻进。
本发明的有益效果是：
适用于压力衰竭及溶洞裂缝性易漏失地层，特别是失返性漏失地层钻井；不仅能够降低钻井周期，降低泥浆损耗，而且能够实现气举穿漏的定向钻井。
附图说明
图1是本发明的一种双壁钻杆充气钻井系统的总体设备及连接示意图。
图中：1.钻井泵，2.顶驱，3.气液双注适配器，4.注气设备，5.双壁钻杆，6.旋转防喷导流装置，7.防喷器组，8.套管，9.井下混流器，10.裸眼，11.常规钻具，12.自动节流管汇，13.泥浆气体分离器，14.振动筛，15.泥浆循环罐，16.环空液面测量装置，30.液体孔道A，31.气体孔道A，50.液体孔道B，51.气体孔道B，90.液体孔道C，91.气体孔道C。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步具体说明。
实施例1，一种双壁钻杆充气钻井系统，包括气液双注适配器3、双壁钻杆5、井下混流器9、自动节流管汇12、泥浆气体分离器13、旋转防喷导流装置6、注气设备4和环空液面测量装置16。
地层上部井眼下入套管8封隔，下部为裸眼10，套管8、裸眼10与钻具之间形成环空，钻具包括双壁钻杆5和常规钻具。钻头上部还可以连接有螺杆钻具。
防喷器组7顶端安装旋转防喷导流装置6，旋转防喷导流装置6出口连接自动节流管汇12，自动节流管汇12下游连接泥浆气体分离器13，泥浆气体分离器13排液口连接振动筛14和循环罐，泥浆气体分离器13排气口通向井场边缘。
顶驱2下端连接气液双注适配器3；气液双注适配器3下端依次连接双壁钻杆5、井下混流器9、常规单壁钻杆、钻铤和钻头。其中，常规单壁钻杆、钻铤和钻头构成常规钻具11。环空液面测量装置16安装在井口用于测量气体和泥浆停止注入时环空泥浆液位。
气液双注适配器3加工有气体孔道A31和液体孔道A30，双壁钻杆5加工有气体孔道B51和液体孔道B50。井下混流器9加工有气体孔道C91和液体孔道C90。
注气设备4的排出口连通气体孔道A31、气体孔道B51，气体孔道C91和井眼环空；钻井泵的排出口连通顶驱2、液体孔道A30、液体孔道B50、液体孔道C90、常规单壁钻杆、钻铤、钻头、井眼环空、旋转防喷导流装置6、自动节流管汇12、泥浆气体分离器13，泥浆气体分离器13连接振动筛14和循环罐。
注气设备4注入气体，气体依次经过气体孔道A31、气体孔道B51和气体孔道C91到达井眼环空。钻井泵1注入泥浆，泥浆依次经过顶驱2、液体孔道A30、液体孔道B50、液体孔道C90、常规单壁钻杆、钻铤和钻头进入井眼环空并上返，到达井下混流器9位置处，气体举升泥浆继续上返，到达旋转防喷导流装置6后，依次经过自动节流管汇12、泥浆气体分离器13，分离后的泥浆到达振动筛14和循环罐，分离后的气体排向大气。
根据所钻井的地层压力相关参数、环空泥浆液位及地层稳定性数据，计算双壁钻杆充气钻井需要维持的目标井底压力，目标井底压力大于地层孔隙压力及坍塌压力中的高值并小于地层漏失压力值。
根据实钻井身结构、钻具参数、泥浆性能和目标井底压力设计泥浆举升所需的泥浆排量、气体排量、双壁钻杆初始下入深度、双壁钻杆最大下入深度以及节流套压调节范围；调节自动节流管汇12的节流阀，通过改变井口节流套压，维持双壁钻杆充气钻进时泥浆循环罐液量恒定钻进。
实施例2，一种双壁钻杆充气钻井方法，包括以下步骤：
a.防喷器组7顶端安装旋转防喷导流装置6，旋转防喷导流装置6出口连接自动节流管汇12，自动节流管汇12下游连接泥浆气体分离器13，泥浆气体分离器13排液口连接振动筛14，泥浆气体分离器13排气口通向井场边缘；顶驱2下端连接气液双注适配器3；气液双注适配器3下端依次连接双壁钻杆5、井下混流器9、常规单壁钻杆、钻铤和钻头；气液双注适配器3加工有气体孔道A31和液体孔道A30，双壁钻杆5加工有气体孔道B51和液体孔道B50，井下混流器9加工有气体孔道C91和液体孔道C90；环空液面测量装置16安装在井口用于测量气体和泥浆停止注入时环空泥浆液位；
b.根据所钻井的地层压力相关参数、环空泥浆液位及地层稳定性数据，计算双壁钻杆充气钻井需要维持的目标井底压力，目标井底压力大于地层孔隙压力及坍塌压力中的高值并小于地层漏失压力值；
c.根据实钻井身结构、钻具参数、泥浆性能和目标井底压力设计泥浆举升所需的泥浆排量、气体排量、双壁钻杆初始下入深度、双壁钻杆最大下入深度以及节流套压调节范围；
d.组装并下入钻具，双壁钻杆5下深达到初始下入深度，连接双壁钻杆5与气液双注适配器3；首先开启注气设备4，注入设计排量的气体，气体依次经过气体孔道A31、气体孔道B51和气体孔道C91到达井眼环空，举升泥浆上返，当振动筛14出口见到泥浆返出时，开启钻井泵1注入设计排量的泥浆，泥浆依次经过顶驱2、液体孔道A30、液体孔道B50、液体孔道C90、常规单壁钻杆、钻铤和钻头进入井眼环空并上返，到达井下混流器9位置处，气体举升泥浆继续上返；
e.泥浆返出稳定及立压稳定后，记录泥浆返出排量和注入排量，观察循环罐液位，并不断调节自动节流管汇12的节流阀，通过改变节流套压，维持泥浆循环罐液量恒定钻进；
f.接单根时，先停止泥浆注入后再停止气体注入，钻具内气体和泥浆泄压后，连接双壁钻杆下入，先注入气体，振动筛见泥浆返出后，再注入泥浆，记录泥浆返出排量和注入排量，观察循环罐液位，并不断调节自动节流管汇12的节流阀，通过改变节流套压，维持泥浆循环罐液量恒定钻进；
g.当双壁钻杆到达最大下入深度，停止注入泥浆和气体，向环空内注入泥浆压稳地层后起出钻具，重复步骤b～g。
根据钻井作业方式不同，定向钻进时，钻头上部可以连接有螺杆钻具或者定向仪器。可以选择钻井泵1排出管线和泥浆气体分离器13排浆管线分别安装流量计，计量泥浆注入排量和返出排量，并通过两者的差值累计循环罐泥浆液量的变化值。当目标井底压力大于地层漏失压力值，双壁钻杆充气钻进时维持泥浆循环罐液量稳定下降，即地层微漏钻进，泥浆漏失速度小于10m³/h。可以对注入气体排量及泥浆排量、双壁钻杆下深及泥浆密度的任一或者组合进行改变后，然后利用节流阀调节节流套压，维持循环罐液量恒定或者稳定下降钻进。注气设备4的注气设计排量为20-90m³/h。
应该认为，此次公开的实施方式在全部方面为例示，并不是限制性的。上述的实施方式也可以在不脱离附加的权利要求书及其主旨的情况下以各种各样的形态进行省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种双壁钻杆充气钻井系统，包括钻井泵（1）、顶驱（2），其特征在于：还包括气液双注适配器（3）、双壁钻杆（5）、井下混流器（9）、常规钻具（11）、自动节流管汇（12）、泥浆气体分离器（13）、旋转防喷导流装置（6）、防喷器组（7）、注气设备（4）和环空液面测量装置（16）；
防喷器组（7）顶端安装旋转防喷导流装置（6），旋转防喷导流装置（6）出口连接自动节流管汇（12），自动节流管汇（12）下游连接泥浆气体分离器（13）；顶驱（2）下端连接气液双注适配器（3）；气液双注适配器（3）下端依次连接双壁钻杆（5）、井下混流器（9）、常规钻具（11）；环空液面测量装置（16）安装在井口用于测量气体和泥浆停止注入时环空泥浆液位；
气液双注适配器（3）设有气体孔道A（31）和液体孔道A（30），双壁钻杆（5）设有气体孔道B（51）和液体孔道B（50），井下混流器（9）设有气体孔道C（91）和液体孔道C（90）；
注气设备（4）的排出口连通气体孔道A（31）、气体孔道B（51），气体孔道C（91）和井眼环空；钻井泵（1）的排出口连通顶驱（2）、液体孔道A（30）、液体孔道B（50）、液体孔道C（90）、常规钻具（11）、井眼环空、旋转防喷导流装置（6）、自动节流管汇（12）、泥浆气体分离器（13），泥浆气体分离器（13）连接振动筛（14）和泥浆循环罐（15）。
2.根据权利要求1所述的一种双壁钻杆充气钻井系统，其特征在于：所述泥浆气体分离器（13）的排液口连接振动筛（14），泥浆气体分离器（13）的排气口通向井场边缘。
3.根据权利要求1所述的一种双壁钻杆充气钻井系统，其特征在于：所述常规钻具（11）包括常规单壁钻杆、钻铤和钻头。
4.根据权利要求3所述的一种双壁钻杆充气钻井系统，其特征在于：钻头上部连接有螺杆钻具。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种双壁钻杆充气钻井系统，其特征在于：钻井泵（1）的排出管线和泥浆气体分离器（13）的排浆管线分别安装流量计。
6.一种双壁钻杆充气钻井方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、防喷器组（7）顶端安装旋转防喷导流装置（6），旋转防喷导流装置（6）出口连接自动节流管汇（12），自动节流管汇（12）下游连接泥浆气体分离器（13），泥浆气体分离器（13）排液口连接振动筛（14），泥浆气体分离器（13）排气口通向井场边缘；顶驱（2）下端连接气液双注适配器（3）；气液双注适配器（3）下端依次连接双壁钻杆（5）、井下混流器（9）、常规单壁钻杆、钻铤和钻头；气液双注适配器（3）加工有气体孔道A（31）和液体孔道A（30），双壁钻杆（5）加工有气体孔道B（51）和液体孔道B（50），井下混流器（9）加工有气体孔道C（91）和液体孔道C（90）；环空液面测量装置（16）安装在井口用于测量气体和泥浆停止注入时环空泥浆液位；
b、根据所钻井的地层压力相关参数、环空泥浆液位及地层稳定性数据，计算双壁钻杆充气钻井需要维持的目标井底压力，目标井底压力大于地层孔隙压力及坍塌压力中的高值并小于地层漏失压力值；
c、根据实钻井身结构、钻具参数、泥浆性能和目标井底压力设计泥浆举升所需的泥浆排量、气体排量、双壁钻杆初始下入深度、双壁钻杆最大下入深度以及节流套压调节范围；
d、组装并下入钻具，双壁钻杆（5）下深达到初始下入深度，连接双壁钻杆（5）与气液双注适配器（3）；首先开启注气设备（4），注入设计排量的气体，气体依次经过气体孔道A（31）、气体孔道B（51）和气体孔道C（91）到达井眼环空，举升泥浆上返，当振动筛（14）出口见到泥浆返出时，开启钻井泵（1）注入设计排量的泥浆，泥浆依次经过顶驱（2）、液体孔道A（30）、液体孔道B（50）、液体孔道C（90）、常规单壁钻杆、钻铤和钻头进入井眼环空并上返，到达井下混流器（9）位置处，气体举升泥浆继续上返；
e、泥浆返出稳定及立压稳定后，记录泥浆返出排量和注入排量，观察泥浆循环罐（15）液位，并不断调节自动节流管汇（12）的节流阀，通过改变节流套压，维持泥浆循环罐液量恒定钻进；
f、接单根时，先停止泥浆注入后再停止气体注入，钻具内气体和泥浆泄压后，连接双壁钻杆下入，先注入气体，振动筛见泥浆返出后，再注入泥浆，记录泥浆返出排量和注入排量，观察泥浆循环罐（15）液位，并不断调节自动节流管汇（12）的节流阀，通过改变节流套压，维持泥浆循环罐液量恒定钻进；
g、当双壁钻杆到达最大下入深度，停止注入泥浆和气体，向环空内注入泥浆压稳地层后起出钻具，重复步骤b～g。
7.根据权利要求8所述的一种双壁钻杆充气钻井方法，其特征在于：钻头上部连接有螺杆钻具。
8.根据权利要求8或9所述的一种双壁钻杆充气钻井方法，其特征在于：所述钻井泵（1）排出管线和泥浆气体分离器（13）排浆管线分别安装流量计，计量泥浆注入排量和返出排量，并通过两者的差值累计循环罐泥浆液量的变化值。
9.根据权利要求8或9所述的一种双壁钻杆充气钻井方法，其特征在于：所述目标井底压力大于地层漏失压力值，双壁钻杆充气钻进时维持泥浆循环罐（15）液量稳定下降，即地层微漏钻进，泥浆漏失速度小于10m³/h。
10.根据权利要求8或9所述的一种双壁钻杆充气钻井方法，其特征在于：对注入气体排量及泥浆排量、双壁钻杆下深及泥浆密度的任一或者组合进行调节，维持泥浆循环罐（15）液量恒定或者稳定下降钻进。
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CN202011484545.6A Pending CN114635642A (zh) 2020-12-16 2020-12-16 一种双壁钻杆充气钻井系统及其钻井方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115126431A (zh) * 2022-07-14 2022-09-30 西南石油大学 一种连续注气恒定井底压力控制的钻井系统及自动控制方法

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