一种提高冻土层钻井效率的钻井系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种提高冻土层钻井效率的钻井系统及其方法，采用下入钻井管柱，开启氮气压缩机、高压泵组；将液氮从连续油管泵入井筒，给井下马达提供动力，PDC钻头切削井底岩石，开始钻进作业；液氮经钻头喷嘴喷出，形成液氮射流，配合PDC钻头的切削；氮气携带岩屑沿环空上返循环至地面，通过除砂器、回压阀、气体净化器进行回收处理；钻至目标层位完成钻进作业。本发明专利技术液氮致裂作用利于岩石内部裂纹的产生于扩展，有效地提高破岩效率；液氮温度极低，且在上返过程中汽化吸热，有效抑制天然气水合物分解，保持井壁稳定，防止井下复杂的发生；作业过程中，液氮循环利用，工艺流程简单、经济，现场适用性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于能源开采的冻土层钻井
，尤其涉及一种提高冻土层钻井效率的钻井系统及其方法。
技术介绍
天然气水合物是由天然气与水在高压低温条件下形成的，广泛分布于深海沉积物或陆地永久冻土层中的类冰状结晶物质。天然气水合物以其储量大、分布广、能量密度高、清洁无污染等特点已成为当代能源工业发展的一大热点。特别是近年来能源短缺日益加剧，使得各国更加关注，纷纷加大对其勘探和开发研究的力度。近年来，我国也在南海神狐海域、青海省祁连山永久冻土带以及天峻县木里地区成功钻获天然气水合物。据专家估计，我国青藏高原(包括祁连山木里地区)冻土区天然气水合物的最大地质储量为2.98×1014m3，水合物稳定带的顶界埋深一般为几十米至200m，底界埋深为100m～1500m。要对赋藏于陆地冻土层一定深度的天然气水合物进行勘探开发，钻井是必不可少的重要手段。冻土层的对温度异常敏感的特点使得该区域采用常规钻井作业方式井下复杂频发，钻井效率较低，其主要表现为：(1)钻井作业过程中井筒周围地层应力和温度的改变将导致天然气水合物分解。当固态的水合物起胶结或支撑作用时，分解本身就会引起井壁坍塌；而分解产生的水分又会使粘土矿物水化膨胀影响井壁稳定。(2)钻井液与地层之间的热交换和水合物分解时吸热会导致钻井液的关键性能参数(如粘度、化学稳定性等)发生改变，从而导致清岩和携岩困难。(3)水合物分解产生的气体进入井筒，可能会引起溢流甚至井喷事故；气体上返过程中若温度和压力条件适当，在钻杆和阀门等部位还会生成水合物栓塞。目前，在陆地冻土区域主要分解抑制法进行钻井作业，即采用优选钻井液种类与密度，维持井内压力，冷却钻井液以及调整相关钻进参数，将天然气水合物维持在稳定的状态进行钻进。现场常用于冻土层钻进作业的钻井液种类为：低温钻井液和油基钻井液，但两者均存在着一定不足：(1)低温钻井液主要是由NaCl、KCl或者CaCl2溶液作为基液加入各种处理剂配备而成，在高原低温地区极不稳定，易分解为液相和固相，无法满足作业要求；(2)油基钻井液具有高渗透性，在含有裂隙的冻土层钻进过程中，钻井液的漏失会对脆弱的高原环境造成严重的污染。以上可知，目前还没有一种行之有效的方法来实现对冻土区安全、快速、经济、环保的钻进，严重的制约了冻土区天然气水合物勘探开发的进程。综上所述，现有冻土层钻井中天然气水合物分解引起的井下复杂及环境污染问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种提高冻土层钻井效率的钻井系统及其方法，旨在解决解决现有冻土层钻井中天然气水合物分解引起的井下复杂及环境污染问题，实现陆地永久冻土层中安全、快速、经济、环保钻井。本专利技术是这样实现的，一种提高冻土层钻井效率的方法，该提高冻土层钻井效率的方法包括：下入钻井管柱，开启氮气压缩机、高压泵组；将液氮从连续油管泵入井筒，给井下马达提供动力，PDC钻头切削井底岩石，开始钻进作业；液氮经钻头喷嘴喷出，形成液氮射流，配合PDC钻头的切削；氮气携带岩屑沿环空上返至地面，通过除砂器、气体净化器进行回收处理，最终通过地面管汇重新进入氮气储罐进行循环利用；钻至目标层位，关作业机、关泵、起出钻井作业管柱，完成钻进作业。进一步，所述下入钻井管柱，开启氮气压缩机、高压泵组前需进行：地面组装井下钻具组合：根据设计要求，选择不同尺寸的连续油管，将连续油管连接器，止回阀，紧急分离工具依次安装在连续油管的末端；根据施工需要选择不同类型的井下钻具组合，在紧急分离工具末端依次安装非旋转接头，井下马达，PDC钻头或推进器，喷射钻头；将连续油管作业车，地面管汇，高压泵组，以及作业设备的相应管线进行连接。本专利技术另一目的在于提供一种提高冻土层钻井效率的钻井系统，该提高冻土层钻井效率的钻井系统包括：连续油管作业车、液氮制备系统、氮气回收处理系统、井下钻具组合、地面管汇、高压泵组、井口装置；所述连续油管作业车用于实现双层隔热连续油管的送进，防止入井液氮汽化；液氮制备系统用于制备液氮；氮气回收处理系统用于回收氮气循环利用；井下钻具组合用于破碎岩石，进行钻进；高压泵组用于向井筒中泵入液氮。进一步，液氮制备系统包括氮气储罐、氮气压缩机。进一步，氮气回收处理系统包括气体净化器、回压阀、除砂器；回压阀用于控制井筒环空压力，保证作业安全。进一步，井下工具组合采用动力钻具配合PDC钻头或采用推进器配合射流钻头进行作业；采用动力钻具配合PDC钻头进行作业时，井下工具组合包括连续油管连接器、止回阀、紧急分离工具、非旋转接头、井下马达、PDC钻头；采用推进器配合射流钻头进行作业时，井下工具组合包括连续油管连接器、止回阀、紧急分离工具、推进器、射流钻头。本专利技术提供的提高冻土层钻井效率的钻井系统及其方法，利用液氮代替常规钻井液，配合连续油管钻井技术进行钻井作业，这样就彻底解决了冻土层钻井过程中由于温压改变引起的井下复杂等问题，保证了钻井作业的安全。同时，液氮的低温致裂作用，利于岩石裂纹的产生同时诱导裂纹扩展，从而实现高效破岩。采用连续油管代替常规钻杆进行作业，避免作业过程中钻柱的旋转，防止与井壁摩擦产生热量，同时简化了作业流程，降低了作业成本。该钻井方式中，利用连续油管将液氮泵入井底，由于液氮具有极低(约为-195.8℃)的温度，远低于所钻冻土层的温度，能够冻结冻土层中自由水，防止冻土层中地下冰的融化，更重要的是抑制了冻土层中天然气水合物的分解，从而避免了天然气水合物分解引起的井下复杂。液氮作为钻井流体，可以大大降低井底周围岩石温度，使得岩石内部颗粒产生收缩变形。由于岩石是由多种不同热膨胀系数的矿物组成的多晶体，在液氮冷却过程中由于各矿物变形量的差异，颗粒之间会有局部应力产生，并在颗粒胶接强度较弱处或微裂隙尖端产生应力集中效应，当应力值超过颗粒之间的胶结强度时会对岩石造成致裂效应。另外，井底岩石中所含的自由水在液氮的低温作用下冻结成冰，体积会膨胀产生较大的挤压力，使岩石颗粒之间的胶结物发生断裂破坏，产生裂纹。液氮的致裂效应利于井底岩石裂纹的产生和原有裂纹的延伸扩展，利于岩石的破碎。在持续的液氮冲击和钻头切削作用下，岩屑从井底岩石母体剥落，新的岩面显露，从而实现持续破岩，提高钻井效率。由于液氮的密度(0.81g/m3)较低，钻进过程中井底一直处于欠平衡状态，减小了井底岩屑的压持效应；液氮环空上返过程中，随着温度和压力的改变，会逐渐气化膨胀，增加了环空内的上返排量，有利于岩屑的返出；液氮上返汽化是不断吸热的过程，能够有效地降低井筒冻土层的温度，保持冻土层井壁的稳定。上返至井口的氮气经过除砂和净化，进行回收实现循环利用。本专利技术提供的提高冻土层钻井效率的钻井系统及其方法，与目前常用的冻土层钻井作业方法相比具有以下优点：(1)液氮致裂作用利于岩石内部裂纹的产生于扩展，有效地提高破岩效率，在冻土层中钻进速度远高于常规钻井方式；(2)液氮射流作用后，低密度的液氮使得近井地带始终处于欠平衡状态，利于后期开采作业；(3)液氮温度极低，且在上返过程中汽化吸热，有效抑制天然气水合物分解，保持井壁稳定，防止井下复杂的发生；(4)作业过程中，液氮循环利用，工艺流程简单、经济，现场适用性好。本专利技术采用液氮作为钻井液配合连续油管钻井技术应用于陆地冻土层钻井作业，并形成了整套的施工方案，很好的解决本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高冻土层钻井效率的方法，其特征在于，该提高冻土层钻井效率的方法包括：下入钻井管柱，开启氮气压缩机、高压泵组；将液氮从连续油管泵入井筒，给井下马达提供动力，PDC钻头切削井底岩石，开始钻进作业；液氮经钻头喷嘴喷出，形成液氮射流，配合PDC钻头的切削；氮气携带岩屑沿环空上返循环至地面，通过除砂器、气体净化器进行回收处理，最终通过地面管汇重新进入氮气储罐进行循环利用；钻至目标层位，关作业机、关泵、起出作业钻井管柱，完成钻进作业。

【技术特征摘要】
1.一种提高冻土层钻井效率的方法，其特征在于，该提高冻土层钻井效率的方法包括：下入钻井管柱，开启氮气压缩机、高压泵组；将液氮从连续油管泵入井筒，给井下马达提供动力，PDC钻头切削井底岩石，开始钻进作业；液氮经钻头喷嘴喷出，形成液氮射流，配合PDC钻头的切削；氮气携带岩屑沿环空上返循环至地面，通过除砂器、气体净化器进行回收处理，最终通过地面管汇重新进入氮气储罐进行循环利用；钻至目标层位，关作业机、关泵、起出作业钻井管柱，完成钻进作业。2.如权利要求1所述的提高冻土层钻井效率的方法，其特征在于，所述下入钻井管柱，开启氮气压缩机、高压泵组前需进行：地面组装井下工具组合：根据设计要求，选择不同尺寸的连续油管，将连续油管连接器，止回阀，紧急分离工具依次安装在连续油管的末端；根据施工需要选择不同类型的井下工具组合，在紧急分离工具末端依次安装非旋转接头，井下马达，PDC钻头或推进器，喷射钻头；将连续油管作业车，地面管汇，高压泵组，以及作业设备的相应管线进行连接。3.一种如权利要求1所述的方法的提高冻土层钻井效率的钻井系统，其特征在于，该提高冻...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国华，秦大伟，熊继有，谭军，邓丽，黄燊，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51