一种用于大尺寸井眼硬岩钻井的多循环流道钻井系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种用于大尺寸井眼硬岩钻井的多循环流道钻井系统，包括井下空气锤地面管汇与设备、气举管汇与设备、钻井驱动装置、多循环流道钻具和泥浆循环设备，井下空气锤地面管汇与设备和气举管汇与设备均通过钻井驱动装置与多循环流道钻具对应连通，泥浆循环设备通过耐冲蚀鹅颈管和排砂管线与钻井驱动装置连接。本系统集合了气举反循环排砂和闭式反循环空气锤二者的优势，在保证钻进效率的同时还可以大幅度降低注气量，有利于减少设备投入、减小场地占用面积、降低对动力和钻井液的需求量、节省燃油消耗。

【技术实现步骤摘要】
一种用于大尺寸井眼硬岩钻井的多循环流道钻井系统
本技术涉及钻井工程
，具体涉及一种用于大尺寸井眼硬岩钻井的多循环流道钻井系统。
技术介绍
目前，国内外大尺寸井眼钻井方法有很多种，主要分为旋转钻井、旋挖钻机钻井、钻爆法凿井(矿山建设)、竖井掘进机钻井(矿山建设)、冲击回转(或冲旋)钻井等。(1)旋转钻井旋转钻井采用牙轮钻头、滚刀钻头、刮刀钻头等以切削破岩方式为主的破岩工具来实施钻井，可采用泥浆正循环和气举反循环两种钻井工艺。如果钻井能力(扭矩)不足，难以实现一钻成井的能力时，通常还可采用多级扩孔的方式完成钻井。现国内采用气举反循环旋转钻井法最大可钻直径的井眼，理论钻探可达1000m(如中煤特凿公司的AD130/1000型大型竖井钻机)。但是，这种钻井方式尽管满足大尺寸井眼循环携砂的要求，但其只适合钻软岩，完全不适合于硬岩地层的钻进。(2)旋挖钻机钻井旋挖钻机钻井以“钻+挖”这种方式为主。目前旋挖钻机可实现4～5m直径的钻井作业。但该工法仍侧重于软岩钻进，其在硬岩层的钻进效率很低，且最大钻井深度也在1500m以内(如三一重工SR630RC8型旋挖钻机，其最大钻井直径最大钻深140m)。此法不能满足硬岩、深井、高效钻井的要求。(3)竖井掘进机钻井、钻爆法凿井(矿山建设)竖井掘进机钻井依然属于矿山建设领域，此法通常用于软岩钻进。而钻爆法是矿山建设领域的一种爆破开挖硬岩的方法。此法建井成本高、周期长，且并不属于钻井范畴。(4)冲击回转(或冲旋)钻井冲击回转(或冲旋)钻井主要以空气锤作为破岩工具。空气锤的硬岩钻进效率非常高，其效率最大可较常规旋转钻井提高10倍以上。目前，国内大直径钻井用的空气锤主要集中在石油钻井、桩基工程和煤矿钻井、矿山救援等领域。①大直径正循环空气锤(单体锤/集束式锤)目前，油气钻井行业正循环空气锤钻井最大直径通常为消耗气量400～500m3/min，钻进最大深度不超过600m。桩基工程领域采用最大直径正循环空气锤(通常φ800mm～φ1200mm)配合旋挖钻机实施钻井，最大深度不足100m。采用现有正循环空气锤实施大尺寸井眼钻井，其所需气量大、设备数量多、成本高等成了普遍问题。同时，大尺寸井眼正循环空气锤钻井时排沙十分困难，不仅能耗极高，且存在很大的井下安全隐患。而且高速气体对井壁冲蚀明显，很容易造成井壁失稳等复杂问题。该工法虽然高效，但依然不能满足大尺寸硬岩深井钻井的要求。②大直径反循环空气锤(单体锤/集束式锤)目前，国内拥有大直径反循环空气锤钻井技术的主要有：中石油川庆钻探工程有限公司的φ450～700mm井眼用单体大直径反循环空气锤(涉及公告号为CN105113978B，专利名称为“一种可用于大尺寸井眼钻井的单体大直径反循环空气锤”的中国专利技术专利；以及公告号为CN105178859A，专利名称为“一种用于油气钻井的全井段自吸式反循环气体钻井系统”的中国专利技术专利)；中煤科工集团西安研究院有限公司的Φ500～800mm井眼用反循环集束式空气锤(涉及申请号为201410747538.9，专利名称：“扩孔用反循环集束式潜孔锤”的中国专利技术利申请；以及公告号为CN204326956U，专利名称为“一种扩孔用反循环集束式潜孔锤”的中国专利技术专利)。大直径反循环空气锤钻井，需要配套采用双壁钻杆，是采用纯气体实施驱动空气锤和循环带砂的一种大尺寸井眼硬岩钻井技术。但是目前该技术受到井深、地层出水、井漏等条件的制约，且仍处在试验研究阶段。据悉，该技术目前最大试验或应用井深不超过800m，井眼直径不超过Φ800mm。③闭式循环三通道反循环空气锤吉林大学将空气锤的高效硬岩钻进优势和泥浆正循环钻井的保护井壁优势相结合，技术了闭式循环三通道反循环空气锤钻井技术(其公告号为CN102966304B，专利名称为“泥浆护壁空气潜孔锤钻具及钻井工艺”的中国专利技术专利)，然而该专利技术仍然采用的是泥浆正循环的携砂工艺，因此该方法仅仅适合用于小尺寸井眼的硬岩钻井。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种用于大尺寸井眼硬岩钻井的多循环流道钻井系统及钻井工艺，为大尺寸井眼深井硬岩提供一种行之有效的解决办法，不仅可以提高钻井效率，同时还能降低能耗，节约综合成本。本技术通过以下技术方案实现上述目的：一种用于大尺寸井眼硬岩钻井的多循环流道钻井系统，包括井下空气锤地面管汇与设备、气举管汇与设备、钻井驱动装置、多循环流道钻具和泥浆循环设备，井下空气锤地面管汇与设备和气举管汇与设备均通过钻井驱动装置与多循环流道钻具对应连通，泥浆循环设备通过耐冲蚀鹅颈管和排砂管线与钻井驱动装置连接。进一步地，多循环流道钻具包括自上至下依次连通的同轴四流道钻杆、同轴三流道钻杆、同轴三流道钻铤和闭式反循环空气锤，同轴四流道钻杆顶部与钻井驱动装置连通，同轴四流道钻杆底部通过混气接头与同轴三流道钻杆连通。进一步地，所述同轴四流道钻杆为同轴四通道结构，由外向内分别为井下井下空气锤排气流道、空气锤注气流道、气举注气流道和气举排砂流道，井下空气锤注气流道与井下空气锤地面管汇与设备连通，气举注气流道与气举管汇与设备连通，气举排砂流道与钻井驱动装置连通；所述同轴三流道钻杆和同轴三流道钻铤均为同轴三通道结构，由外向内分别为井下空气锤排气流道、井下空气锤注气流道和气举排砂流道，井下空气锤排气流道和井下空气锤注气流道在多循环流道钻具底部连通。进一步地，所述混气接头包括顶部端管、底部端管、悬挂接头和接头外管，顶部端管和底部端管通过悬挂接头固定并连通后安装在接头外管内，并与接头外管内壁形成外通道，顶部端管为三层管壁结构，其最内层管壁上开设有若干混气孔，底部端管为两层管壁结构。进一步地，所述钻井驱动装置包括钻井驱动装置包括水龙头、同轴四流道方钻杆和滚子方补心，注气器为四循环流道注气器，其安装在水龙头底部，注气器底部安装有同轴四流道方钻杆，滚子方补心安装在同轴四流道方钻杆底部，注气器通过同轴四流道方钻杆与多循环流道钻具连通，注气器还连通有井下空气锤排气软管。进一步地，所述钻井驱动装置包括顶驱和注气器，注气器为四循环流道注气器，其安装在顶驱底部，顶驱通过注气器与多循环流道钻具连通，注气器还连通有井下空气锤排气软管。进一步地，所述井下空气锤地面管汇与设备包括依次连接的井下空气锤注气单元、井下空气锤增压单元、井下空气锤泄压机构、井下空气锤注气流量控制阀、井下空气锤注气流量计、井下空气锤地面注气管汇和井下空气锤高压注气软管，井下空气锤高压注气软管与注气器连接。进一步地，所述气举管汇与设备包括依次连接的气举注气单元、气举增压单元、气举泄压机构、气举注气流量控制阀、气举注气流量计、气举地面注气管汇和气举高压注气软管，气举高压注气软管与注气器连接。本技术的一种用于大尺寸井眼硬岩钻井的多循环流道钻井系统，与现有技术相比，具有以下进步特点：①本技术要求环空灌注钻井液，且钻井液液面要维持在合理高度范围内；钻井液对井壁可以起到保护作用，有利于井筒稳定；②利用气举反循环工艺排砂，不仅解决了大尺寸井眼深井排砂困难的问题，同时钻进时井底岩屑全部从钻具中心的气举排砂流道排至地表，避免了气流在携带岩屑上返的过程中对井壁造成冲蚀，有利于防止复杂地层钻进过程中井壁扰动性坍塌的发生；③本技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于大尺寸井眼硬岩钻井的多循环流道钻井系统，其特征在于，包括井下空气锤地面管汇与设备、气举管汇与设备、钻井驱动装置、多循环流道钻具和泥浆循环设备(6)，井下空气锤地面管汇与设备和气举管汇与设备均通过钻井驱动装置与多循环流道钻具对应连通，泥浆循环设备(6)通过耐冲蚀鹅颈管(15)和排砂管线(14)与钻井驱动装置连接。

【技术特征摘要】
2018.03.27 CN 20181025621431.一种用于大尺寸井眼硬岩钻井的多循环流道钻井系统，其特征在于，包括井下空气锤地面管汇与设备、气举管汇与设备、钻井驱动装置、多循环流道钻具和泥浆循环设备(6)，井下空气锤地面管汇与设备和气举管汇与设备均通过钻井驱动装置与多循环流道钻具对应连通，泥浆循环设备(6)通过耐冲蚀鹅颈管(15)和排砂管线(14)与钻井驱动装置连接。2.根据权利要求1所述的用于大尺寸井眼硬岩钻井的多循环流道钻井系统，其特征在于，所述多循环流道钻具包括自上至下依次连通的同轴四流道钻杆(22)、同轴三流道钻杆(23)、同轴三流道钻铤(24)和闭式反循环空气锤(25)，同轴四流道钻杆顶部与钻井驱动装置连通，同轴四流道钻杆底部通过混气接头(34)与同轴三流道钻杆连通。3.根据权利要求2所述的用于大尺寸井眼硬岩钻井的多循环流道钻井系统，其特征在于，所述同轴四流道钻杆(22)为同轴四通道结构，由外向内分别为井下空气锤排气流道(32)、井下空气锤注气流道(31)、气举注气流道(33)和气举排砂流道(35)，井下空气锤注气流道与井下空气锤地面管汇与设备连通，气举注气流道与气举管汇与设备连通，气举排砂流道与钻井驱动装置连通；所述同轴三流道钻杆(23)和同轴三流道钻铤(24)均为同轴三通道结构，由外向内分别为井下空气锤排气流道(32)、井下空气锤注气流道(31)和气举排砂流道(35)，井下空气锤排气流道和井下空气锤注气流道在多循环流道钻具底部连通。4.根据权利要求2或3所述的用于大尺寸井眼硬岩钻井的多循环流道钻井系统，其特征在于，所述混气接头(34)包括顶部端管(341)、底部端管(342)、悬挂接头(343)和接头外管(80)，顶部端管和底部端管通过悬挂接头固定并连通后安装在接头外管内，并与接头外管内壁形成外...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚智勇，
申请(专利权)人：北京首创热力股份有限公司，
类型：新型
国别省市：北京,11