CN114718488A - 一种充气钻井射流式气液混合装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油与天然气领域充气欠平衡钻井工艺，具体是一种充气钻井射流式气液混合装置及方法。本发明的目的在于针对上述充气钻井气液混合装置的需求与问题，提供一种充气钻井射流式气液混合装置，包括气体输送管线和安装在气体输送管线一端的喷头，喷头上设置4个喷嘴，喷嘴为矩形孔，矩形孔的长宽比为2:1～3:1，矩形孔的宽度为2～5mm；喷嘴的中心线与喷头的轴线相交于其喷射的下游方向，二者的夹角为10°～30°，使四股气体经喷嘴形成斜向气体射流，射流方向指向轴线中心，并彼此交叉。本发明可以有效减小因气液混合不均匀导致泥浆脉冲井下信号传输过程中的衰减，提高了充气钻井的泥浆脉冲随钻测量技术的性能。

Description

一种充气钻井射流式气液混合装置及方法

技术领域

本发明涉及石油与天然气领域充气欠平衡钻井工艺，具体是一种充气钻井射流式气液混合装置及方法。

背景技术

充气钻井是欠平衡钻井的一种，钻井中将压缩的空气、氮气等气体通过地面设备持续不断地注入钻井液，使其呈气泡状分散于钻井液中，从而达到降低循环介质密度和井底压力的目的，实现欠平衡钻井。相较于传统的过平衡钻井技术，充气钻井可大幅度降低钻井液漏失，保护油气产层，消除“压持效应”，避免压差卡钻，提高机械钻速，降低钻井综合成本。此外，相较于气体钻井、泡沫钻井、液基欠平衡钻井等其他欠平衡钻井工艺，充气钻井具有便于快速调控井筒压力、地层适应性好、低成本等优势，是现阶段欠平衡钻井中较经济实用的一种方法，在国内外有着广泛的应用。

随钻测量系统(MWD)是油气钻井中一种广泛应用的井下测量工具，其将井眼轨迹参数、钻井工程参数和地质参数等井下测量数据实时传输至地面，用于井眼轨迹控制和储层评价。随钻测量系统是定向井及水平井钻井作业时保证钻井质量必不可少的技术工具。随钻测量系统传输信号方式中以泥浆脉冲信号传输应用最为广泛，泥浆脉冲随钻测量系统是将井下测量得到的参数编码后由脉冲器产生压力脉冲，以压力波形式经钻柱中钻井液传递至地面，然后通过滤波、解码得到井下的实时参数。钻井液(泥浆)脉冲信号传输具有技术成熟可靠性好、传输距离远、成本低等优点，但是在传输过程中泥浆脉冲信号会发生衰减，传输距离愈远衰减幅度愈大，甚至信号消失。

就充气钻井而言，钻井液中充气形成的气液混合物具有较高可压缩性，会增大泥浆脉冲信号的衰减幅度。随着钻柱内钻井液的含气量增加，衰减幅度也迅速增大。提高气量不利于井下参数传输，降低气量又与使用充气钻井的初衷相悖，达不到欠平衡钻井的要求。如何在满足井底欠平衡钻井的注气量下成功实现泥浆脉冲随钻测量是充气钻井面临的一个技术挑战。研究表明，泥浆脉冲信号检测传感器所在立管及近井口段钻柱内气液两相流体混合不均引起的泥浆脉冲信号严重衰减是充气钻井泥浆脉冲遥测失败的一个重要潜在因素。钻井液由泥浆泵提供能量后流经立管、水龙带、顶部驱动钻机后进入钻杆内部。在充气钻井中，若注入的气体流量较大时，钻井液和压缩气体很难快速地自然混合均匀，往往会在立管、水龙带或近井口钻柱内形成非连续的气塞，且气塞反复破碎又重新生成，形成强烈的气液非均匀流动。这一过程中，气液两相频繁的动量交换，会引起泥浆脉冲的严重衰减，严重影响测量信号的质量。如果泥浆脉冲信号在传输到地面接收位置之前就已经衰减到无法予以解码的程度，即使是最先进的信号调制和提取技术也无济于事，泥浆脉冲随钻测量失效。

充气钻井技术传统的注气方式分为两种，第一种是将注气管线与钻井液管线汇集接在一起后直接进入立管，不采取其他措施；另一种是通过在管道上均匀布孔将气体注入钻井液中的混合方式，但只是简单将气体注入钻井液，气液混合效率低。上述两种方法中气、液没有充足的接触混合，易产生气塞进入钻杆，形成不稳定气液两相流，且两相流量也较难控制，可能导致脉冲信号异常衰减甚至消失；此外，目前的气液混合装置没有防回流设计，停止注气时可能出现钻井液倒灌现象，威胁地面气体注入设备的安全。

因此需要一种适用于充气钻井的气液混合装置以及配套的使用方法，形成均匀稳定的气液混合钻井液注入钻杆，既能发挥充气钻井的技术优点，又可以满足泥浆脉冲信号传输要求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述充气钻井气液混合装置的需求与问题，提供一种充气钻井射流式气液混合装置及方法。

本发明应用于充气欠平衡钻井过程中，有效减小因气液混合不均匀导致泥浆脉冲井下信号传输过程中的衰减，提高了充气钻井的泥浆脉冲随钻测量技术的性能。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种充气钻井射流式气液混合装置，包括气体输送管线和安装在气体输送管线一端的喷头，所述喷头上设置4个喷嘴，所述喷嘴为矩形孔，矩形孔的长宽比为2:1～3:1，矩形孔的宽度为2～5mm；所述喷嘴的中心线与喷头的轴线相交于其喷射的下游方向，二者的夹角为10°～30°，使四股气体经喷嘴形成斜向气体射流，射流方向指向轴线中心，并彼此交叉。

进一步的技术方案是，所述气体输送管线包括依次连接的中心管、转换接头Ⅰ、单流阀、转换接头Ⅱ，所述喷头安装在所述转换接头Ⅱ的一端上。

进一步的技术方案是，所述单流阀包括单流阀阀体、阀门、弹簧、阀座、十字垫板、芯轴，所述阀座固定在十字垫板上，所述弹簧套设在芯轴上，所述芯轴一端通过螺纹与阀门固定连接，所述阀门安装在单流阀阀体的进口端内，所述单流阀阀体靠近出口端内壁设有4个凹槽，所述十字垫板固定在凹槽上，其呈十字齿状结构，相邻十字齿状之间存在间隙空间作为气体通道，所述芯轴的芯体穿过阀座和十字垫板的中心；所述弹簧两端分别位于阀门、阀座内，且该弹簧处于压缩状态，使阀门处于关闭状态。

进一步的技术方案是，所述十字垫板的中心设有用于芯轴穿过的中心孔。

进一步的技术方案是，所述十字垫板上设四个小孔，所述小孔内设置用于固定在凹槽内的螺丝钉。

进一步的技术方案是，所述中心管、转换接头Ⅰ之间设有扶正器Ⅰ，所述喷头、转换接头Ⅱ之间设有扶正器Ⅱ。

进一步的技术方案是，所述扶正器Ⅰ、扶正器Ⅱ上均设6个扶正条。

一种充气钻井射流式气液混合方法，包括以下步骤：

S1、将充气钻井射流式气液混合装置安装在泥浆注入管线内；

S2、中心管通过管线连接空压机，空压机将高压气体注入中心管，高压气体通过中心管，流向至处于关闭状态的单流阀；在高压气体憋压作用下，阀门受气体压力作用，压缩弹簧发生位移至开启状态；高压气体流过单流阀流至喷头；

S3、高压气体通过4个喷嘴形成四股高速气体射流，高速气体射流与泥浆注入管线中流动的钻井液混合，喷射的气流在液相中交叉并与液相相互撞击，四股高速气体射流并彼此交叉，显著增加了气液两相的相间动量交换，有利于气体段塞或大尺寸气泡的快速破碎，并在液相中形成弥散的小尺寸气泡，快速形成相对混合地均匀的气液两相流体；

S4、当接立柱停止注气或气体注入压力不足时，钻井液会倒灌进入喷头内并流至单流阀内，由于由于气体压力不足，单流阀中的弹簧将恢复至使阀门处于关闭的状态，避免钻井液倒灌进入注气管线。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过喷嘴形成的高速气体射流冲击钻井液，利用流体之间的黏性剪切力传递能量、动量并使气液两相最大程度相互掺混；喷嘴形成气体射流在液相中交叉碰撞，气体段塞或大尺寸气泡的快速破碎，最终在注入立管前即快速形成相对混合地均匀的气液两相流体；这样能有效改善因气液混合不均匀导致泥浆脉冲井下信号异常衰减，提升了充气钻井的泥浆脉冲随钻测量技术的性能；

2、本发明设置的单流阀阀体能有效避免钻井液倒灌，进入中心管连接的气体管线；当注入气体压力不足时，弹簧就会回弹至使阀门恢复关闭状态，避免接立柱停止注气或者气体压力不足时钻井液倒灌进入注气管线；

3、本发明设置的扶正器可以防止泥浆注入管线内的部的中心管、单流阀和喷头发生偏磨损伤，还可以保持喷头喷嘴方向；

4、本发明结构安全合理，安装拆卸方便，可以根据实际情况选择不同管线连接方式。

附图说明

图1是本发明的立体示意图；

图2是本发明的工作状态的剖面示意图；

图3是本发明的单流阀阀体的透视图；

图4是本发明的十字垫板结构示意图；

图5是本发明的的单流阀阀体立体示意图；

图6是本发明的C-C剖面示意图；

图7是本发明的B-B剖面示意图；

图8是本发明的喷头轴线剖面图；

图9是本发明垂直放置的管线连接示意图；

图10是本发明水平放置的管线连接示意图。

图中所示：1-中心管、2-泥浆注入管线、3-扶正器Ⅰ、4-转换接头Ⅰ、5-单流阀阀体、6-转换接头Ⅱ、7-扶正器Ⅱ、8-喷头、9-喷嘴、10-注气管线接头、11-钻井液入口、12-阀门、13-弹簧、14-阀座、15-十字垫板、16-气体通道、17-芯轴、18-螺丝钉、19-小孔、20-凹槽、21-中心孔、22-钻井液、23-高速气体射流、24-气液混合物、25-三通Ⅰ、26-左接头Ⅰ、27-弯头、28-注气管线、29-左接头Ⅱ、30--三通Ⅱ、31-三通出口、32-密封套。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明提供了一种充气钻井射流式气液混合装置，包括气体输送管线和安装在气体输送管线一端的喷头8，如图7为B-B剖面图，所示喷头8上设置有径向上均匀分布的4个同样形状的喷嘴9，所述喷嘴9为矩形孔，矩形孔的长宽比为2:1～3:1，矩形孔的宽度为2～5mm；如图8为喷头8轴线剖面图，所示喷头8上4个喷嘴9中心线与喷头8轴线相交于其喷射的下游方向，二者的夹角为10°～30°，使喷嘴9形成斜向射流，喷射的气流在喷头轴线上交叉并相互撞击，进一步增大气液混合的接触面积；该装置通过喷嘴交叉射流高速气体，使气体与钻井液形成很高的相对速度，以增大气液接触面积，改善气液混合效果，快速形成相对混合地均匀的气液两相流体注入立管提升泥浆脉冲信号传输质量。

如图1所示对所述充气钻井射流式气液混合装置立体结构示意图，并取三个剖面图分别为：A-A剖面图、B-B剖面图、C-C剖面图；泥浆注入管线2连接泥浆泵，钻井液22从钻井液入口11注入，泥浆注入管线2中心设置气体输送管线，所述气体输送管线包括依次连接的中心管1、转换接头Ⅰ4、单流阀、转换接头Ⅱ6，所述喷头8安装在所述转换接头Ⅱ6的一端上，中心管1底部设有注气管线接头10。

在本实施例中，如图2所示为本装置工作状态的A-A剖面图，注气管线接头10接空压机，空压机将高压气体从注气管线接头10注入中心管1，高压气体流过中心管1、单流阀阀体5、喷头8，气体从喷头8上的喷嘴9形成射流，气体射流与泥浆注入管线2中钻井液混合流动。

在本实施例中，如图3所示为单流阀的透视图，其中单流阀包括单流阀阀体5、阀门12、弹簧13、阀座14、十字垫板15、芯轴17；其中如图4为十字垫板15的结构示意图，十字垫板15呈十字齿状构造，中心设置尺寸较大的中心孔21，可穿过芯轴17；边缘设置小孔19，用于安装固定的螺丝钉18；

所述阀座14固定在十字垫板15上，所述弹簧13套设在芯轴17上，所述芯轴17一端通过螺纹与阀门12固定连接，所述阀门12安装在单流阀阀体5的进口端内，所述单流阀阀体5靠近出口端内壁设有4个凹槽20，所述十字垫板15固定在凹槽20上，其呈十字齿状结构，相邻十字齿状之间存在间隙空间作为气体通道16，所述芯轴17的芯体穿过阀座14和十字垫板15的中心孔21；所述弹簧13两端分别位于阀门12、阀座14内；

如图5为单流阀的立体示意图，所示体现了十字垫板15安装方式，所示单流阀阀体5的凹槽20处安装十字垫板15。

如图6所示为C-C剖面示意图，十字垫板15通过小孔19安装螺丝固定，十字垫板15呈十字齿状结构，相邻十字齿状之间存在间隙空间作为气体通道16，气体通道16可以使高压气体流过。

其中阀门12在气体入口面呈球面构造，贴合单流阀阀体5内壁面，形成封闭，芯轴17外裹一部分压缩状态的弹簧13，弹簧13一端接触阀门12，另一端接触阀座14，十字垫板15中心穿过的芯轴17可沿轴线方向位移，压缩状态的弹簧13将阀门12压至单流阀阀体5内壁面上，是的阀门12处于关闭状态；同时十字垫板15支撑阀座14，保持单流阀阀体5内部结构稳定。

本实施例中单流阀可以防止钻井液倒灌，当气体注入压力不足时，或者接立柱停止注气时，弹簧13所受压力减小开始回弹，弹簧13推动阀门12恢复至关闭状态，若钻井液倒灌通过喷嘴9流进喷头8，流至单流阀阀体5时，阀门12关闭，避免钻井液倒灌进入气体注入管线，单流阀阀体5保证了气体单向流动；

在本实施例中，所述中心管1、转换接头Ⅰ4之间设有扶正器Ⅰ3，所述喷头8、转换接头Ⅱ6之间设有扶正器Ⅱ7，这样可以防止中心管1、单流阀阀体5和喷头8发生偏磨，避免连接处的损伤，控制喷头8气体射流方向。

管线连接方式一：

一种充气钻井射流式气液混合方法，该方法如图9所示采用垂直放置的管线连接方式，三通Ⅰ25的左接头Ⅰ26作为钻井液入口，通过管线与泥浆泵连接，三通Ⅰ25内设置一弯头27，弯头27一端连接注气管线接头10，另一端通过注气管线28连接空压机；

高压气体通过4个喷嘴9形成四股高速气体射流23，高速气体射流23与泥浆注入管线2中流动的钻井液22混合，喷射的气流在液相中交叉并与液相相互撞击，四股高速气体射流23并彼此交叉，快速形成相对混合地均匀的的气液混合物24注入立管。

管线连接方式二：

一种充气钻井射流式气液混合方法，该方法如图10所示采用水平放置的管线连接方式，左接头Ⅱ29通过管线连接泥浆泵，注气管线接头10连接空压机，三通Ⅱ30的右端安装本发明所述气液混合装置，如图所示密封套32将三通Ⅱ30的右端密封，防止钻井液漏失；三通出口31与立管连接；

高压气体通过4个喷嘴9形成四股高速气体射流23，高速气体射流23与泥浆注入管线2中流动的钻井液22混合，喷射的气流在液相中交叉并与液相相互撞击，四股高速气体射流23并彼此交叉，快速形成均匀气液混合物24从三通出口31流出，注入立管。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种充气钻井射流式气液混合装置，包括气体输送管线和安装在气体输送管线一端的喷头(8)，其特征在于，所述喷头(8)上设置4个喷嘴(9)，所述喷嘴(9)为矩形孔，矩形孔的长宽比为2:1～3:1，矩形孔的宽度为2～5mm；所述喷嘴(9)的中心线与喷头(8)的轴线相交于其喷射的下游方向，二者的夹角为10°～30°，使四股气体经喷嘴(9)形成斜向气体射流，射流方向指向轴线中心，并彼此交叉。

2.根据权利要求1所述的一种充气钻井射流式气液混合装置，其特征在于，所述气体输送管线包括依次连接的中心管(1)、转换接头Ⅰ(4)、单流阀、转换接头Ⅱ(6)，所述喷头(8)安装在所述转换接头Ⅱ(6)的一端上。

3.根据权利要求2所述的一种充气钻井射流式气液混合装置，其特征在于，所述单流阀包括单流阀阀体(5)、阀门(12)、弹簧(13)、阀座(14)、十字垫板(15)、芯轴(17)，所述阀座(14)固定在十字垫板(15)上，所述弹簧(13)套设在芯轴(17)上，所述芯轴(17)一端通过螺纹与阀门(12)固定连接，所述阀门(12)安装在单流阀阀体(5)的进口端内，所述单流阀阀体(5)靠近出口端内壁设有4个凹槽(20)，所述十字垫板(15)固定在凹槽(20)上，其呈十字齿状结构，相邻十字齿状之间存在间隙空间作为气体通道(16)，所述芯轴(17)的芯体穿过阀座(14)和十字垫板(15)的中心；所述弹簧(13)两端分别位于阀门(12)、阀座(14)内，且该弹簧(13)处于压缩状态，使阀门(12)处于关闭状态。

4.根据权利要求3所述的一种充气钻井射流式气液混合装置，其特征在于，所述十字垫板(15)的中心设有用于芯轴(17)穿过的中心孔(21)。

5.根据权利要求3所述的一种充气钻井射流式气液混合装置，其特征在于，所述十字垫板(15)上设四个小孔(19)，所述小孔(19)内设置用于固定在凹槽(20)内的螺丝钉(18)。

6.根据权利要求2所述的一种充气钻井射流式气液混合装置，其特征在于，所述中心管(1)、转换接头Ⅰ(4)之间设有扶正器Ⅰ(3)，所述喷头(8)、转换接头Ⅱ(6)之间设有扶正器Ⅱ(7)。

7.根据权利要求6所述的一种充气钻井射流式气液混合装置，其特征在于，所述扶正器Ⅰ(3)、扶正器Ⅱ(7)上均设6个扶正条。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述的一种充气钻井射流式气液混合装置的充气钻井射流式气液混合方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将充气钻井射流式气液混合装置安装在泥浆注入管线(2)内；

S2、中心管(1)通过管线连接空压机，空压机将高压气体注入中心管(1)，高压气体通过中心管(1)，流向至处于关闭状态的单流阀；在高压气体憋压作用下，阀门(12)受气体压力作用，压缩弹簧(13)发生位移至开启状态；高压气体流过单流阀流至喷头(8)；

S3、高压气体通过4个喷嘴(9)形成四股高速气体射流(23)，高速气体射流(23)与泥浆注入管线(2)中流动的钻井液(22)混合，喷射的气流在液相中交叉并与液相相互撞击，四股高速气体射流(23)并彼此交叉，显著增加了气液两相的相间动量交换，有利于气体段塞或大尺寸气泡的快速破碎，并在液相中形成弥散的小尺寸气泡，快速形成相对混合地均匀的气液两相流体；

S4、当接立柱停止注气或气体注入压力不足时，钻井液会倒灌进入喷头(8)内并流至单流阀内，由于由于气体压力不足，单流阀中的弹簧(13)将恢复至使阀门(12)处于关闭的状态，避免钻井液倒灌进入注气管线。

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