CN114837609B - 一种气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具及方法，其特征在于它包括转换接头、主送粉与输送电缆管道、等离子喷涂组件、钻头本体等,所述等离子喷涂组件位于钻头本体侧壁内，等离子喷涂组件包括绝缘隔热材料层、阳极、阴极、绝缘隔热套、保护盖等，若检测到地层出水或井壁失稳，开启主送粉与输送电缆管道中的等离子喷涂材料送粉管道，传输电缆通电，工作气体在等离子喷涂组件的阴极与阳极之间形成的电弧中电离为等离子体，等离子体射流将等离子喷涂粉末颗粒加热熔融，并喷射到井壁岩石基体表面，形成套管状涂层硬壳井壁。本发明可随钻快速造壁，起到稳固井壁和阻隔地层出水的作用，节约钻井成本，提高气体钻井地质适用性。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气钻井装备制造技术领域，尤其涉及一种气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具及方法。
背景技术
气体钻井是以压缩空气或其它压缩气体既作为携岩循环介质又作为能量来破碎岩石的一种欠平衡钻井技术。气体钻井技术相对于传统钻井技术而言具有提高钻进速度、延长钻头使用寿命、有效避免井漏、保护油气层、节约钻井成本等诸多优点，因此气体钻井技术在全球范围内都得到了广泛使用，我国也正在迅速研究、发展气体钻井技术。
然而在实际的气体钻井施工过程中也存在一些问题，主要表现为地层出水和井壁失稳两个方面。地层出水可导致井眼的缩径或井壁的坍塌，同时环空上返岩屑遇水易聚并成团，影响井眼净化效果，严重造成通道堵塞或卡钻等事故；井壁失稳主要是因为压缩气体作为“钻井液”，井筒有效“液柱”压力较低，对地层压力的控制能力下降，支撑井壁防坍塌能力较差。
目前解决地层出水和井壁失稳的方法如中国专利CN103527137A《一种增加井壁稳定性的方法》所述的在井壁上喷胶的方法。在钻遇出水地层后需要重新起钻更换钻头进行喷胶，喷胶完成后仍需起钻更换钻头方可钻进，会导致钻时增加，影响经济效益；在起下钻的过程中进入井筒的地层水有可能会引起井下复杂情况的发生；并且喷胶形成的井壁存在强度达不到防塌效果的问题。又如CN105952416B《处理地层出水稳定井壁的气体钻井装置及钻井方法》所述采用电加热熔化易熔材料微粒，再从侧向喷嘴喷出，在井壁上形成一层易熔材料硬壳。其所述装置的转换接头设有分流通道和金属过滤膜，但金属过滤膜存在易熔材料微粒堆积堵塞以及其强度能否承受易熔材料微粒的冲击的问题；分流通道存在平均分配、高效率的分流的问题。因此，地层出水和井壁失稳是目前发展气体钻井亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具及方法。
本发明采用如下技术方案：
一种气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具及方法，其特征在于它包括转换接头、主送粉与输送电缆管道、等离子喷涂组件、钻头本体等。
所述转换接头的上侧外圆锥侧面设有与上部双壁钻杆连接的螺纹，所述转换接头的下侧外圆柱侧面与所述钻头本体通过螺纹连接，所述转换接头内部为贯穿上下端面的圆柱空心通道，所述圆柱空心通道设有与所述转换接头同轴心的主送粉与输送电缆管道。
所述主送粉与输送电缆管道下部分为三个分送粉与输送电缆管道，所述转换接头侧壁设有三个分别与三个分送粉与输送电缆管道相连通的分送粉与输送电缆通道，所述分送粉与输送电缆通道进口位于所述转换接头内部侧壁上，所述分送粉与输送电缆通道出口位于所述转换接头的下斜端面上，所述主送粉与输送电缆管道与所述的转换接头内部侧壁之间的空间为压缩气体通道。
所述等离子喷涂组件位于所述钻头本体侧壁内，所述等离子喷涂组件为回转体结构，最外圈为绝缘隔热材料层，所述绝缘隔热材料层外与所述钻头本体连接，内与等离子喷涂组件阳极连接，所述绝缘隔热材料层下部为斜面阶梯，所述斜面阶梯用于所述绝缘隔热材料层在所述钻头本体侧壁内部定位，所述等离子喷涂组件阳极下部为斜面回转阶梯，所述斜面回转阶梯用于所述等离子喷涂组件阳极在所述绝缘隔热材料层中定位。
所述等离子喷涂组件阳极内部壁面设有环形阶梯，所述环形阶梯上为绝缘隔热垫圈，等离子喷涂组件阴极通过所述绝缘隔热垫圈定位于所述等离子喷涂组件阳极内部，所述等离子喷涂组件阴极上侧外壁与所述等离子喷涂组件阳极上侧外壁之间设有绝缘隔热套，所述等离子喷涂组件阴极上部为保护盖，所述保护盖上部为弹性垫圈，所述弹性垫圈与所述转换接头下斜端面接触。
所述保护盖外侧设有螺纹与所述绝缘隔热材料层连接，所述保护盖设有贯穿通孔，所述保护盖为分层材料制造，所述保护盖最外层与所述等离子喷涂组件阳极电性连接，所述保护盖中间层为绝缘材料，所述保护盖最里层与所述等离子喷涂组件阴极电性连接。
所述等离子喷涂组件阴极与所述等离子喷涂组件阳极之间有进气送粉通道。
所述主送粉与输送电缆管道内部设有等离子喷涂材料送粉管道和传输电缆，所述等离子喷涂材料送粉管道内为等离子喷涂工作气体和等离子喷涂粉末颗粒。
所述等离子喷涂组件有三个且环形均匀分布在所述钻头本体侧壁内。
所述钻头本体底部设有切削齿，所述钻头本体下端设有与所述主送粉与输送电缆管道同轴心的垂向喷嘴以及侧向喷嘴。
当气体钻井正常进行，未遇到地层出水或井壁失稳时，主送粉与输送电缆管道中的等离子喷涂材料送粉管道关闭，以及传输电缆断电；
若检测到地层出水或井壁失稳，开启主送粉与输送电缆管道中的等离子喷涂材料送粉管道，以及传输电缆通电，工作气体在等离子喷涂组件的阴极与阳极之间形成的电弧中电离为等离子体，等离子体射流将等离子喷涂粉末颗粒加热到熔融或者半熔融，并随着等离子射流喷射到井壁岩石基体表面，迅速铺展并冷却凝固成小而薄的单片层，随着单片层不断堆叠以及气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具的不断旋转喷涂最终形成套管状硬壳涂层；
如果所钻地层不再出水或井壁失稳，则关闭主送粉与输送电缆管道中的等离子喷涂材料送粉管道，以及传输电缆断电，转换回为正常气体钻井继续钻进。
有益效果：
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明采用等离子热熔喷涂方法，可熔融如陶瓷之类的高熔点材料，而且使用气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具在压缩气体的冷却作用下喷射的熔融材料可快速凝固形成套管状涂层井壁，其强度高、孔隙度小，能很好地起到防塌阻水的作用。
2.本发明随钻就能造壁稳固井壁，既能节约常规气体钻井转换钻井方式或起下钻所浪费的时间，进而节约钻井成本，又能提高气体钻井地质适用性，延长气体钻井进尺，提高钻井速度。
3.本发明具有结构原理简单、工艺可靠性高、实用性强和制造成本低的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明等离子喷涂组件结构示意图；
图3为本发明图2所示A向剖切结构示意图；
图4为本发明地面工艺流程图；
图5为本发明等离子喷涂组件分布简图；
图中：1、转换接头，2、主送粉与输送电缆管道，3、等离子喷涂组件，4、钻头本体，5、分送粉与输送电缆管道，6、分送粉与输送电缆通道，7、压缩气体通道，8、绝缘隔热材料层，9、等离子喷涂组件阳极，10、绝缘隔热垫圈，11、等离子喷涂组件阴极，12、绝缘隔热套，13、进气送粉通道，14、弹性垫圈，15、保护盖，16、保护盖最外层，17、保护盖中间层，18、保护盖最里层，19、切削齿，20、垂向喷嘴，21、侧向喷嘴，22、绞车，23、钢丝绳，24、游车，25、双通道接头，26、主送粉与输送电缆管道，27、气体管线，28、转盘，29、可熔材料罐，30、压缩机，31、排屑管，32、钻杆，33、井口装置，34、配合接头，35、气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具本体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作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。
如图1～5所示，本发明提供了一种气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具及方法，其特征在于它包括转换接头(1)、主送粉与输送电缆管道(2)、等离子喷涂组件(3)、钻头本体(4)等。
所述转换接头(1)的上侧外圆锥侧面设有与上部双壁钻杆连接的螺纹，所述转换接头(1)的下侧外圆柱侧面与所述钻头本体(4)通过螺纹连接，所述转换接头(1)内部为贯穿上下端面的圆柱空心通道，所述圆柱空心通道设有与所述转换接头(1)同轴心的主送粉与输送电缆管道(2)。
所述主送粉与输送电缆管道(2)下部分为三个分送粉与输送电缆管道(5)，所述转换接头(1)侧壁设有三个分别与三个分送粉与输送电缆管道(5)相连通的分送粉与输送电缆通道(6)，所述分送粉与输送电缆通道(6)进口位于所述转换接头(1)内部侧壁上，所述分送粉与输送电缆通道(6)出口位于所述转换接头(1)的下斜端面上，所述主送粉与输送电缆管道(2)与所述的转换接头(1)内部侧壁之间的空间为压缩气体通道(7)。
所述等离子喷涂组件(3)位于所述钻头本体(4)侧壁内，所述等离子喷涂组件为回转体结构，最外圈为绝缘隔热材料层(8)，所述绝缘隔热材料层(8)外与所述钻头本体(4)连接，内与等离子喷涂组件阳极(9)连接，所述绝缘隔热材料层(8)下部为斜面阶梯，所述斜面阶梯用于所述绝缘隔热材料层(8)在所述钻头本体(4)侧壁内部定位，所述等离子喷涂组件阳极(9)下部为斜面回转阶梯，所述斜面回转阶梯用于所述等离子喷涂组件阳极(9)在所述绝缘隔热材料层(8)中定位。
所述等离子喷涂组件阳极(9)内部壁面设有环形阶梯，所述环形阶梯上为绝缘隔热垫圈(10)，等离子喷涂组件阴极(11)通过所述绝缘隔热垫圈(10)定位于所述等离子喷涂组件阳极(9)内部，所述等离子喷涂组件阴极(11)上侧外壁与所述等离子喷涂组件阳极(9)上侧外壁之间设有绝缘隔热套(12)，所述等离子喷涂组件阴极(11)上部为保护盖(15)，所述保护盖上部为弹性垫圈(14)，所述弹性垫圈与所述转换接头(1)下斜端面接触。
所述保护盖外侧设有螺纹与所述绝缘隔热材料层(8)连接，所述保护盖设有贯穿通孔，所述保护盖为分层材料制造，所述保护盖最外层(16)与所述等离子喷涂组件阳极(9)电性连接，所述保护盖中间层(17)为绝缘材料，所述保护盖最里层(18)与所述等离子喷涂组件阴极(11)电性连接。
所述等离子喷涂组件阴极(11)与所述等离子喷涂组件阳极(9)之间有进气送粉通道(13)。
所述主送粉与输送电缆管道(2)内部设有等离子喷涂材料送粉管道和传输电缆，所述等离子喷涂材料送粉管道内为等离子喷涂工作气体和等离子喷涂粉末颗粒。
所述等离子喷涂组件有三个且环形均匀分布在所述钻头本体(4)侧壁内。
所述钻头本体(4)底部设有切削齿(19)，所述钻头本体(4)下端设有与所述主送粉与输送电缆管道(2)同轴心的垂向喷嘴(20)，侧向喷嘴(21)。
一种气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具及方法，包括如下步骤：
1)当气体钻井正常进行，未遇到地层出水或井壁失稳时，主送粉与输送电缆管道(2)中的等离子喷涂材料送粉管道关闭，以及传输电缆断电；
2)若检测到地层出水或井壁失稳，开启主送粉与输送电缆管道(2)中的等离子喷涂材料送粉管道，以及传输电缆通电，工作气体在等离子喷涂组件的阴极与阳极之间形成的电弧中电离为等离子体，等离子体射流将等离子喷涂粉末颗粒加热到熔融或者半熔融，并随着等离子射流喷射到井壁岩石基体表面，迅速铺展并冷却凝固成小而薄的单片层，随着单片层不断堆叠以及气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具的不断旋转喷涂最终形成套管状硬壳涂层；
3)如果所钻地层不再出水或井壁失稳，则关闭主送粉与输送电缆管道(2)中的等离子喷涂材料送粉管道，以及传输电缆断电，转换回为正常气体钻井继续钻进。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具，其特征在于，包括转换接头(1)、主送粉与输送电缆管道(2)、等离子喷涂组件(3)、钻头本体(4)；
所述转换接头(1)的上侧外圆锥侧面设有与上部双壁钻杆连接的螺纹，所述转换接头(1)的下侧外圆柱侧面与所述钻头本体(4)通过螺纹连接，所述转换接头(1)内部为贯穿上下端面的圆柱空心通道，所述圆柱空心通道设有与所述转换接头(1)同轴心的主送粉与输送电缆管道(2)；
所述主送粉与输送电缆管道(2)下部分为三个分送粉与输送电缆管道(5)，所述转换接头(1)侧壁设有三个分别与三个分送粉与输送电缆管道(5)相连通的分送粉与输送电缆通道(6)，所述分送粉与输送电缆通道(6)进口位于所述转换接头(1)内部侧壁上，所述分送粉与输送电缆通道(6)出口位于所述转换接头(1)的下斜端面上，所述主送粉与输送电缆管道(2)与所述的转换接头(1)内部侧壁之间的空间为压缩气体通道(7)；
所述等离子喷涂组件(3)位于所述钻头本体(4)侧壁内，所述等离子喷涂组件为回转体结构，最外圈为绝缘隔热材料层(8)，所述绝缘隔热材料层(8)外与所述钻头本体(4)连接，内与等离子喷涂组件阳极(9)连接，所述绝缘隔热材料层(8)下部为斜面阶梯，所述斜面阶梯用于所述绝缘隔热材料层(8)在所述钻头本体(4)侧壁内部定位，所述等离子喷涂组件阳极(9)下部为斜面回转阶梯，所述斜面回转阶梯用于所述等离子喷涂组件阳极(9)在所述绝缘隔热材料层(8)中定位；
所述等离子喷涂组件阳极(9)内部壁面设有环形阶梯，所述环形阶梯上为绝缘隔热垫圈(10)，等离子喷涂组件阴极(11)通过所述绝缘隔热垫圈(10)定位于所述等离子喷涂组件阳极(9)内部，所述等离子喷涂组件阴极(11)上侧外壁与所述等离子喷涂组件阳极(9)上侧外壁之间设有绝缘隔热套(12)，所述等离子喷涂组件阴极(11)上部为保护盖(15)，所述保护盖上部为弹性垫圈(14)，所述弹性垫圈与所述转换接头(1)下斜端面接触。
2.根据权利要求1所述的一种气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具，其特征在于，保护盖(15)外侧设有螺纹与所述绝缘隔热材料层(8)连接，保护盖设有贯穿通孔，保护盖为分层材料制造，保护盖最外层(16)与所述等离子喷涂组件阳极(9)电性连接，保护盖中间层(17)为绝缘材料，保护盖最里层(18)与所述等离子喷涂组件阴极(11)电性连接。
3.根据权利要求1所述的一种气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具，其特征在于，所述等离子喷涂组件阴极(11)与所述等离子喷涂组件阳极(9)之间有进气送粉通道(13)。
4.根据权利要求1所述的一种气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具，其特征在于，所述主送粉与输送电缆管道(2)内部设有等离子喷涂材料送粉管道和传输电缆，所述等离子喷涂材料送粉管道内为等离子喷涂工作气体和等离子喷涂粉末颗粒。
5.根据权利要求1所述的一种气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具，所述等离子喷涂组件有三个且环形均匀分布在所述钻头本体(4)侧壁内。
6.根据权利要求1所述的一种气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具，所述钻头本体(4)底部设有切削齿(19)，所述钻头本体(4)下端设有与所述主送粉与输送电缆管道(2)同轴心的垂向喷嘴(20)，侧向喷嘴(21)。
7.如权利要求1所述的一种气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
1)当气体钻井正常进行，未遇到地层出水或井壁失稳时，主送粉与输送电缆管道(2)中的等离子喷涂材料送粉管道关闭，以及传输电缆断电；
2)若检测到地层出水或井壁失稳，开启主送粉与输送电缆管道(2)中的等离子喷涂材料送粉管道，以及传输电缆通电，工作气体在等离子喷涂组件的阴极与阳极之间形成的电弧中电离为等离子体，等离子体射流将等离子喷涂粉末颗粒加热到熔融或者半熔融，并随着等离子射流喷射到井壁岩石基体表面，迅速铺展并冷却凝固成小而薄的单片层，随着单片层不断堆叠以及气体钻井随钻等离子热熔喷涂造壁固壁工具的不断旋转喷涂最终形成套管状硬壳涂层；
3)如果所钻地层不再出水或井壁失稳，则关闭主送粉与输送电缆管道(2)中的等离子喷涂材料送粉管道，以及传输电缆断电，转换回为正常气体钻井继续钻进。
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