CN114856470B - 一种过采空区或复杂地层钻井时钻井液自动切换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过采空区或复杂地层钻井时钻井液自动切换装置，涉及钻井设备领域，包括钻进单元、空气泡沫注入单元、泥浆注入单元、自动切换单元和控制单元，本发明通过设置控制单元，能够在地面收到自动感应探地雷达发出的无线电波信号来实现空气泡沫注入单元与泥浆注入单元之间的快速切换，其中泥浆注入单元对常规地层进行钻进，空气泡沫注入单元对采空区及复杂地层进行钻进，解决泥浆泵在复杂地层钻井液恶性失返性漏失，无效钻进等问题，将二者相结合，充分发挥了二者各自的优点，大大的提高了钻井的效率、节约了施工的时间，提升施工工作的效率，还有效减轻了工人的负担，并且该装置还适用采空区及常规钻井存在漏失问题的复杂地层。

Description

一种过采空区或复杂地层钻井时钻井液自动切换装置

技术领域

本发明属于钻井设备领域，具体涉及一种过采空区或复杂地层钻井时钻井液自动切换装置。

背景技术

在煤层气的开采过程中，泥浆钻井液起到了至关重要的作用，由于其携沙能力强、经济简单、实用性高并且具有超高的工作效率，因此又被称作钻井的血液。

在设备工作过程中，泥浆泵通过对清水、泥浆等清洗液施加一定压力，使清洗液经过高压胶管、水龙头、钻杆柱的内孔到达钻机钻头的底端。使清洗液在对钻头进行冷却的同时，还能够冲洗井底保护井壁，并将钻头切削下来的岩屑清除并送到地表。但是对于采用常规钻井技术钻进至采空区及复杂地层时，泥浆钻井液常发生恶性失返性漏失，大量的钻屑无法正常的携带出井眼，导致卡钻、埋钻等事故的发生。采用常规堵漏(桥堵)；聚合物凝胶堵漏、水泥堵漏等方式，由于施工技术复杂，不仅耽误施工时间，堵漏效果往往得不到保证。

而针对于此类情况的钻进，空气泡沫钻就起到了非常重要的作用。泡沫属于低密度介质，钻孔内静水压力小，有利于减少孔内漏失和提高钻井速度，在破碎等复杂地层中对地层的冲刷作用小，可起到保护孔壁的作用。当停机停风时泡沫可以空气降低岩屑沉降速度，避免埋钻事故，另外泡沫具有洗井液的作用，不会在含水层孔壁形成泥皮，可增加出水量。

但是空气泡沫钻进在涌水量大的地层钻进时效率较低且受设备能力限制，所能钻进的孔深也较浅。较大的涌水使孔底泡沫的结构遭到破坏和稀释，使其清洁孔底、携带岩粉的能力下降，以至出现重复碎岩的情况。另外因空气泡沫是压缩性极大的流质，钻进中一旦出现岩心堵塞，因压力表反应迟滞，使钻进较易发生烧钻。

所以为了更好的实现现场煤层气的开采，增强工作效率，减少工作的损失，亟需研制出一种装置，能够在泥浆钻井液和空气泡沫钻井液之间形成快速的切换，充分发挥二者的优势，增强钻进的效率，以此实现效益最大化。

发明内容

针对目前煤层气采用泥浆泵常规钻井技术钻进至采空区及复杂地层时，钻井液发生常恶性失返性漏失，常规堵漏技术较难实现时，大量的钻屑无法正常的携带出井眼，导致无效钻进，甚至卡埋钻的问题，本发明提供一种过采空区或复杂地层钻井时钻井液自动切换装置。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种过采空区或复杂地层钻井时钻井液自动切换装置，包括钻进单元、空气泡沫注入单元、泥浆注入单元、自动切换单元和控制单元。

钻进单元包括与钻机设备连接的钻杆，钻杆设置在井眼内，钻杆的底端固定安装有钻头，钻头上部设置有自动感应探地雷达，自动感应探地雷达安装在钻杆上。

自动切换单元包括自动切换箱、三通管和注浆管线，所述自动切换箱设置在钻杆的上方，三通管设置在自动切换箱内，三通管的两个进液端分别安装有高压胶管一和高压胶管二，三通管的两个进液管段上均设置有单向阀，三通管的出液端通过注浆接口与注浆管线的进液端连接，注浆管线的出液端与钻杆的内孔连接。

所述空气泡沫注入单元包括空压机、出气管、混合器、试剂池、泡沫泵和出液管，所述空压机的出气端通过出气管与混合器的进气端连接，出气管上设置有进气阀；泡沫泵的抽液端固定安装有抽液管，抽液管的底端设置在试剂池内，泡沫泵的出液端通过出液管与混合器的进液端连接，出液管上设置有阀门一；混合器上设置有放空阀，混合器的出液端与高压胶管一的外端连接。

泥浆注入单元的出液端与高压胶管二的外端连接，使清洗液经过高压胶管二进入三通管内。

控制单元包括信息处理器，信息处理器分别与空压机、泡沫泵、泥浆注入单元和自动感应探地雷达联接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述泥浆注入单元包括泥浆池和泥浆泵，泥浆泵的抽浆端安装有抽浆管，抽浆管的底端设置在泥浆池内，泥浆泵的出浆端与高压胶管二的外端连接，高压胶管二上设置有阀门二。

作为本发明的一种优选技术方案，所述阀门一和阀门二为手动阀门或电动阀门。

作为本发明的一种优选技术方案，所述三通管的三个端部均套装有支撑套，三个支撑套分别固定安装在自动切换箱的三个侧壁上。

作为本发明的一种优选技术方案，所述三通管内固定安装有加厚缓冲件，加厚缓冲件对应设置在三通管的两个进液管段之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过设置控制单元，能够在地面收到自动感应探地雷达发出的无线电波信号来实现空气泡沫注入单元与泥浆注入单元之间的快速切换，其中泥浆注入单元对常规地层进行钻进，空气泡沫注入单元对采空区及复杂地层进行钻进，解决泥浆泵在复杂地层钻井液恶性失返性漏失，无效钻进等问题，将二者相结合，充分发挥了二者各自的优点，大大的提高了钻井的效率、节约了施工的时间，提升施工工作的效率，增强效益，还有效减轻了工人的负担，并且该装置还适用采空区及常规钻井存在漏失问题的复杂地层。

2、本发明通过设置空气泡沫注入单元，空压机对空气进行压缩，空气经过出气管、进气阀注入至混合器里面，通过打开阀门一并启动泡沫泵，用泡沫泵把试剂池的试剂吸入混合器，与混合器里的高压空气进行混合形成泡沫，泡沫依次经过高压胶管一、三通管、注浆接口、注浆管线、钻杆和钻头进入采空区进行作业，减少孔内漏失、提高钻井速度，在破碎等复杂地层中对地层的冲刷作用小，可起到保护孔壁的作用。

3、本发明通过设置泥浆注入单元，通过泥浆泵和抽浆管的配合，输送源源不断地泥浆液，通过对清水、泥浆等清洗液施加一定压力，使清洗液经过高压胶管二、三通管、注浆接口、注浆管线、钻杆的内孔到达钻头的底端，使清洗液在对钻头进行冷却的同时，并将钻头切削下来的岩屑清除并送到地表来保证钻进的顺利进行。

4、本发明通过设置加厚缓冲件，能够对三通管进液端进入的液体起到阻挡缓冲的作用，避免液体冲击另一侧的单向阀，造成单向阀损坏的问题，对单向阀起到保护作用。

附图说明

图1为本发明正视结构示意图；

图2为本发明自动切换箱俯视剖面结构示意图。

图中：1信息处理器、21空压机、22进气阀、23出气管、31试剂池、32抽液管、33泡沫泵、34阀门一、35出液管、4混合器、5放空阀、6高压胶管一、71泥浆池、72泥浆泵、73高压胶管二、74抽浆管、75阀门二、8注浆接口、9自动切换箱、91三通管、92单向阀、93支撑套、94加厚缓冲件、10井眼、11钻杆、12自动感应探地雷达、13上覆岩层、14采空区、15顶层岩层、16煤层、17钻头、18注浆管线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

请参阅图1-2，本发明提供了一种过采空区或复杂地层钻井时钻井液自动切换装置的技术方案：

实施例一：

根据图1和图2所示，包括钻进单元、空气泡沫注入单元、泥浆注入单元、自动切换单元和控制单元。

钻进单元包括与钻机设备连接的钻杆11，钻杆11设置在井眼10内，钻杆11的底端固定安装有钻头17，钻头17上部设置有自动感应探地雷达12，自动感应探地雷达12安装在钻杆11上。

自动切换单元包括自动切换箱9、三通管91和注浆管线18，自动切换箱9设置在钻杆11的上方，三通管91设置在自动切换箱9内，三通管91的两个进液端分别穿出自动切换箱9的左侧壁和右侧壁并分别安装有高压胶管一6和高压胶管二73，三通管91的两个进液管段上均设置有单向阀92，通过设置单向阀92，使进入三通管91内的钻井液只能通过注浆管线18排出，避免钻井液流入其他管线，三通管91的出液端穿出自动切换箱9的前侧壁并通过注浆接口8与注浆管线18的进液端连接，注浆管线18的出液端与钻杆11的内孔连接。

空气泡沫注入单元包括空气泡沫注入单元包括空压机21、出气管23、混合器4、试剂池31、泡沫泵33和出液管35，所述空压机21的出气端通过出气管23与混合器4的进气端连接，出气管23上设置有进气阀22，空压机21对空气进行压缩，空气经过出气管23、进气阀22注入至混合器4里面。

泡沫泵33的抽液端固定安装有抽液管32，抽液管32的底端设置在试剂池31内，泡沫泵33的出液端通过出液管35与混合器4的进液端连接，出液管35上设置有阀门一34，通过打开阀门一34并启动泡沫泵33，用泡沫泵33把试剂池31的试剂吸入混合器4，与混合器4里的高压空气进行混合形成泡沫；混合器4上设置有放空阀5，混合器4的出液端与高压胶管一6的外端连接，使泡沫经过高压胶管一6进入三通管91内。

泥浆注入单元包括泥浆池71和泥浆泵72，泥浆泵72的抽浆端安装有抽浆管74，抽浆管74的底端设置在泥浆池71内，泥浆泵72的出浆端与高压胶管二73的外端连接，使清洗液经过高压胶管二73进入三通管91内，高压胶管二73上设置有阀门二75，阀门一34和阀门二75为手动阀门或电动阀门。

控制单元包括信息处理器1，信息处理器1分别与空压机21、泡沫泵33、泥浆泵72和自动感应探地雷达12联接，通过设置控制单元，能够在地面收到自动感应探地雷达12发出的无线电波信号来实现空气泡沫注入单元与泥浆注入单元之间的快速切换，其中泥浆注入单元对常规地层进行钻进，空气泡沫注入单元对采空区14及复杂地层进行钻进，解决泥浆泵72在复杂地层钻井液恶性失返性漏失，无效钻进等问题，将二者相结合，充分发挥了二者各自的优点，大大的提高了钻井的效率、节约了施工的时间，提升施工工作的效率，增强效益，还有效减轻了工人的负担，并且该装置还适用采空区14及常规钻井存在漏失问题的复杂地层。

具体使用时，本一种过采空区或复杂地层钻井时钻井液自动切换装置，首先打开阀门二75并启动泥浆泵72，通过泥浆泵72和抽浆管74的配合，输送源源不断地泥浆液，通过对清水、泥浆等清洗液施加一定压力，使清洗液经过高压胶管二73、三通管91、注浆接口8、注浆管线18、钻杆11的内孔到达钻头17的底端，使清洗液在对钻头17进行冷却的同时，并将钻头17切削下来的岩屑清除并送到地表来保证钻进的顺利进行；

自动感应探地雷达12连接在钻头17上部的钻杆11上面，每隔10分钟发送一次超高频脉冲电磁波探测地下介质分布，生成信号，并把信号传送至信息处理器1，信息处理器1对收到的信号进行分析处理，当收到快要进入采空区14及复杂地层的信号后，信息处理器1关闭泥浆注入单元，并开启空气泡沫注入单元；

空压机21工作对空气进行压缩，空气经过出气管23、进气阀22注入至混合器4里面，通过打开阀门一34并启动泡沫泵33，用泡沫泵33把试剂池31的试剂吸入混合器4，与混合器4里的高压空气进行混合形成泡沫，泡沫依次经过高压胶管一6、三通管91、注浆接口8、注浆管线18、钻杆11和钻头17进入采空区14进行作业；

在穿过采空区14和复杂地层之后，通过信息处理器1将泡沫注入单元切换回泥浆注入单元进行作业。

实施例二：

在实施例一的基础之上，如图2所示，三通管91内固定安装有加厚缓冲件94，加厚缓冲件94对应设置在三通管91的两个进液管段之间，通过设置加厚缓冲件94，能够对三通管91进液端进入的液体起到阻挡缓冲的作用，避免液体冲击另一侧的单向阀92，造成单向阀92损坏的问题，对单向阀92起到保护作用。

实施例三：

在实施例一的基础之上，如图2所示，三通管91的三个端部均套装有支撑套93，三个支撑套93分别固定安装在自动切换箱9的三个侧壁上，通过设置三个支撑套93，能够对三通管91的三个端部进行支撑，以保证三通管91在使用过程中的稳定性，同时方便管路的穿入、对接。

Claims (5)

1.一种过采空区或复杂地层钻井时钻井液自动切换装置，其特征在于：包括钻进单元、空气泡沫注入单元、泥浆注入单元、自动切换单元和控制单元，

钻进单元包括与钻机设备连接的钻杆，钻杆设置在井眼内，钻杆的底端固定安装有钻头，钻头上部设置有自动感应探地雷达，自动感应探地雷达安装在钻杆上；

自动切换单元包括自动切换箱、三通管和注浆管线，所述自动切换箱设置在钻杆的上方，三通管设置在自动切换箱内，三通管的两个进液端分别安装有高压胶管一和高压胶管二，三通管的两个进液管段上均设置有单向阀，三通管的出液端通过注浆接口与注浆管线的进液端连接，注浆管线的出液端与钻杆的内孔连接；

所述空气泡沫注入单元包括空压机、出气管、混合器、试剂池、泡沫泵和出液管，所述空压机的出气端通过出气管与混合器的进气端连接，出气管上设置有进气阀；泡沫泵的抽液端固定安装有抽液管，抽液管的底端设置在试剂池内，泡沫泵的出液端通过出液管与混合器的进液端连接，出液管上设置有阀门一；混合器上设置有放空阀，混合器的出液端与高压胶管一的外端连接；

泥浆注入单元的出液端与高压胶管二的外端连接，使清洗液经过高压胶管二进入三通管内；

控制单元包括信息处理器，信息处理器分别与空压机、泡沫泵、泥浆注入单元和自动感应探地雷达联接。

2.根据权利要求1所述的过采空区或复杂地层钻井时钻井液自动切换装置，其特征在于：所述泥浆注入单元包括泥浆池和泥浆泵，泥浆泵的抽浆端安装有抽浆管，抽浆管的底端设置在泥浆池内，泥浆泵的出浆端与高压胶管二的外端连接，高压胶管二上设置有阀门二。

3.根据权利要求2所述的过采空区或复杂地层钻井时钻井液自动切换装置，其特征在于：所述阀门一和阀门二为手动阀门或电动阀门。

4.根据权利要求1-3任一项所述的过采空区或复杂地层钻井时钻井液自动切换装置，其特征在于：所述三通管的三个端部均套装有支撑套，三个支撑套分别固定安装在自动切换箱的三个侧壁上。

5.根据权利要求4所述的过采空区或复杂地层钻井时钻井液自动切换装置，其特征在于：所述三通管内固定安装有加厚缓冲件，加厚缓冲件对应设置在三通管的两个进液管段之间。

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