顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统技术方案

顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统，以顶部驱动反循环钻井装置为核心，顶部驱动反循环钻井装置具有多工质配流套、分体式鹅颈管及负压冲管等主要功能部件。将顶部驱动反循环钻井装置安装在钻机主体上，围绕顶部驱动反循环钻井装置布置管路，建立地面空压机、增压器和水泵等流体动力设备与顶部驱动反循环钻井装置之间的流体循环系统，作业时可同时输入气相和液相介质并排出岩屑。为确保全井反循环流场的形成，在分体式鹅颈管及排渣立管顶部折弯处设置有旋流喷射式引射器。地面装备系统具有气体反循环流场参数的监控功能。本发明专利技术可实现进气增压，多工质混合进气、负压抽吸排气、射流能量输入、延长易损件寿命、环形进气通道自动防喷等功能。

Top drive gas reverse circulation drilling surface equipment system

【技术实现步骤摘要】
顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统
本专利技术涉及深井钻探
，特别是涉及一种顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统。
技术介绍
气体钻井技术是指以高压气体或液体混合物作为动力和冲洗介质进行钻进的钻探技术，早在1908～1909年，美国已在石油天然气钻井工程中进行了气体钻井实验。气体钻井技术分为正循环和反循环两类钻探工艺方法，不同的钻探工艺所采用的地面装备和井下钻具均有较大的差别。复杂地层条件下的深井钻探施工经常遇到漏失严重、易卡钻、井壁坍塌等困难，气体反循环钻井技术则具有在对井壁扰动小、裂隙发育的漏失性地层井漏少、能耗低的优势。传统的气体反循环钻井技术通常以压缩空气为动力，采用双壁钻杆、空气锤和反循环钻头组成钻具系统，较多地应用于地质矿产资源勘探孔、水文水井以及基础工程桩孔的钻探作业。近年来，随着气体反循环钻井技术的优点逐步被行业所认识并开始推广运用，该技术的应用领域得到了拓展，目前已在地热井、油气井以及非常规能源如页岩气井、煤层气井等钻探工程中实际应用，针对气体反循环钻井技术的研究也逐步深入。气举反循环钻进是以泥浆作为循环介质实施反循环钻井的工艺方法，通常应用于大直径钻孔工程，采用双壁钻具在特定井深向中心流道注入压缩空气，从而在井内形成低密度区域，加速反循环流动过程是较为先进的气举反循环钻井技术。如：气举反循环钻进装置详见专利文献号CN208981989U公开了一种采用气举反循环工艺方法的钻井装置，采用双壁钻具、以泥浆作为钻井液进行反循环钻井。在适当井深位置设置有气举反循环钻井用气液混合器详见专利文献号CN207701098U所提出的气举反循环钻井用气液混合器，通过注气孔向钻具中心通道注气，注气后芯管内获得气液混合低密度流体，提高了钻井液和岩屑的排出能力。一种气体反循环钻井方法专利文献号CN110029938A公开了一种采用顶驱进行气体反循环钻井的方法，提出以钻井泵组、顶驱和顶驱适配器组成地面装备，所提及的气体反循环钻井方法实际上是基于泥浆循环体系在适当井深注入压缩空气，实施气举反循环钻井，故其所提出的顶驱适配器的功能相当于单一通道的旋转接头，用于向井下中心通道内的泥浆中注气。一种用于油气钻井的全井段自吸式反循环气体钻井系统专利文献号CN105178859B提出了用于油气钻井的全井反循环气体钻井系统，即以空气作为单一循环介质进行气体反循环钻井的工艺方法和系统配置，包括注气单元、管路系统，并在全井段采用双壁钻杆进行反循环钻进。采用单一工作介质的气体反循环钻井技术应用门槛较低，其地面装备系统配置较为简单，处理复杂问题的功能也很有限。此外，所提及的“自吸”特指反循环破岩工具对井底有一定的抽吸作用，对于深井反循环气体钻井系统而言，该局部抽吸环节对全井反循环流场所起的作用甚微，当中心通道阻力加大，高于外环空间围压时，将无法在井底形成反循环流场，于是引起严重的漏失，导致蹩钻和埋钻的风险大。三壁钻杆的钻进系统专利文献号US3807514和泥浆护壁空气潜孔锤钻具及钻井工艺专利文献号CN102966304提出了采用压缩空气与泥浆配合进行气体反循环钻井的工艺方法，上述两项专利均提出了一种同轴式三通道钻具结构，其中内层钻杆设有中心通道用于泥浆携带岩屑上返排渣，内层钻杆与中间层钻杆之间构成第二个通道用于供气，中间层钻杆与外层钻杆之间构成第三个通道用于排气，钻井过程中三通道钻具与孔壁之间形成了第四个通道，用于灌注泥浆。于是可在应用空气钻井的同时使用泥浆护壁，对复杂地层适应性增强，钻井安全性得以提高。泥浆护壁空气潜孔锤钻具及钻井工艺专利文献CN102966304提出了在钻具系统中增加了中空式多通道潜孔锤，以便在硬岩地层获得较高的钻进效率。上述两项专利提出了采用多种工质进行气体反循环钻井的方案，但钻具结构十分复杂，二者均未描述对地面装备的要求，事实上常规的反循环系统配置是无法满足上述复杂工艺的施工要求，所提方案具体实施的难度大、成本高。一种用于大尺寸井眼硬岩钻井的多循环流道钻井系统专利文献号CN208220665U和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专利文献号CN108412435A公开的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。该专利所提及的钻井工艺方法本质上与泥浆护壁空气潜孔锤钻具及钻井工艺专利文献CN102966304相类似，其针对深井硬岩大直径成孔作业提出了相对完整的系统配置，使得气举反循环排砂和闭式反循环空气锤相结合的技术优势显得突出，但其所提出的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、节省燃油消耗等目标很难实现。综合上述，目前深井气体反循环钻探技术的主要工艺方法可分为如下三类：①双壁钻具混气泥浆气举反循环；②多通道钻具泥浆反循并环气体封闭循环；③气体介质全井反循环。由于采用泥浆排渣和护壁的气举反循环钻进技术在漏失地层并不适用，因此深井钻进的最佳方案是采用气体介质进行全井反循环钻进。该方法目前面临的困难主要体现在如下三个方面：①深井钻进双壁钻具中心通道沿程阻力大，不易形成可靠稳定的反循环流场，在漏失地层无法形成反循环；②地面装备和井下工具的专业性配置不够完善，无法实现必要的流场调控功能；③双壁钻具外壁与井壁之间无工作介质注入，地层不稳定时不易护壁。为解决气体介质全井反循环所面临的技术难题，主要的技术手段是进行全井反循环流场的调控，提高系统防卡钻及孔壁不稳定情况下的复杂情况处理能力。为实现上述功能，均需对地面装备和井下工具以及多相介质的循环流动等方面进行创新研究。
技术实现思路
为解决气体介质全井反循环所面临的技术难题，本专利技术的目的是提出了一种基于多相流体介质实施全井反循环钻井工艺方法设计的顶部驱动反循环钻井装置，以及相关的多工质流体循环部件配置，所构成的顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统，其特征在于，包括：钻机主体、顶驱导轨、顶部驱动反循环钻井装置、管路系统、流体动力系统及监控系统，所述钻机主体包括钻机底座、钻机井架、二层台、天车及游车，在钻机底座的钻台面上布置有司钻房、左偏房和右偏房，司钻房内设置有操作面板和主控电控柜；右偏房内设置有电测系统控制柜；在钻机底座的平台下方且沿顶部驱动反循环钻井装置主轴回转轴线所在位置同轴布置有防喷器；钻机井架安装在钻机底座上；二层台、天车及游车均安装在钻机井架上，天车位于钻机井架的顶部；所述顶驱导轨的上部采用销轴悬挂在天车的底部，顶驱导轨的下段采用反扭距梁安装在钻机井架上；所述顶部驱动反循环钻井装置采用滚轮滑车与顶驱导轨滑动配合，顶部驱动反循环钻井装置通过提升吊臂上方的万向节与游车采用销轴连接，钻机的主提升钢绳绕过游车与天车间的滑轮组形成绳系，在钻机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统，其特征在于，包括：钻机主体、顶驱导轨(4)、顶部驱动反循环钻井装置(5)、管路系统、流体动力系统及监控系统，/n所述钻机主体包括钻机底座(1)、钻机井架(2)、二层台(6)、天车(11)及游车(12)，在钻机底座(1)的钻台面上布置有司钻房(3)、左偏房和右偏房，司钻房(3)内设置有操作面板和主控电控柜；右偏房内设置有电测系统控制柜(13)；在钻机底座(1)的平台下方且沿顶部驱动反循环钻井装置(5)主轴回转轴线所在位置同轴布置有防喷器(10)；钻机井架(2)安装在钻机底座(1)上；二层台(6)、天车(11)及游车(12)均安装在钻机井架(2)上，天车(11)位于钻机井架(2)的顶部；/n所述顶驱导轨(4)的上部采用销轴悬挂在天车(11)的底部，顶驱导轨(4)的下段采用反扭距梁安装在钻机井架(2)上；/n所述顶部驱动反循环钻井装置(5)采用滚轮滑车(34)与顶驱导轨(4)滑动配合，顶部驱动反循环钻井装置(5)通过提升吊臂上方的万向节(30)与游车(12)采用销轴连接，钻机的主提升钢绳绕过游车(12)与天车(11)间的滑轮组形成绳系，在钻机的主提升绞车驱动下，游车(12)完成提升与下放顶部驱动反循环钻井装置(5)动作；顶部驱动反循环钻井装置(5)上配备有多工质配流套(7)、分体式鹅颈管(8)、负压冲管(9)、顶驱旋转头(27)、回转驱动装置(28)、顶驱遥控防喷器(29)、顶驱主传动箱(31)、顶驱手动防喷器(32)、顶驱背钳(33)、顶驱随动电控箱(35)、绝对值编码器(36)、顶驱供水管(40)及顶驱进气管(41)，顶驱主传动箱(31)用于驱动顶部驱动反循环钻井装置(5)的主轴回转，顶部驱动反循环钻井装置(5)的主轴中心通道用于排渣；顶驱背钳(33)安装在顶驱背钳架上；多工质配流套(7)安装在顶部驱动反循环钻井装置(5)的主轴下方，多工质配流套(7)采用石油钻杆接头螺纹与顶驱手动防喷器(32)相联接，多工质配流套(7)的外部通过防回转拉杆(21)和销轴联接在顶部驱动反循环钻井装置(5)的顶驱背钳架上，多工质配流套(7)上的对外连接孔道采用密封管螺纹接头连接顶驱供水管(40)及顶驱进气管(41)，多工质配流套(7)用于输入压缩空气、高压水以及在顶部驱动反循环钻井装置(5)的主轴下方形成旋流引射；顶驱背钳架采用销轴安装在顶驱旋转头(27)上；顶驱旋转头(27)上法兰与回转驱动装置(28)输出法兰之间采用高强度螺栓组连接；绝对值编码器(36)用于测量和限制回转驱动装置(28)输出法兰的转动角度；负压冲管(9)安装在顶部驱动反循环钻井装置(5)的主轴上方，同时负压冲管(9)与顶驱遥控防喷器(29)连接；分体式鹅颈管(8)采用螺栓组连接在负压冲管(9)上；/n其中，多工质配流套(7)包括壳体(701)、上接头(702)、深沟球轴承(703)、单列圆锥滚子轴承(704)、下接头(705)、环式逆止阀(706)、压缩弹簧(707)、配气芯轴(708)、上锥套(709)、下芯管(710)及旋转格莱圈(711)，壳体(701)采用防回转拉杆(21)和销轴连接在顶部驱动反循环钻井装置(5)的顶驱背钳架上，壳体(701)上加工有进气孔c、雾化孔d、引射孔e及阻尼孔f，进气孔c、雾化孔d及引射孔e中心位于同一直线上，且进气孔c、雾化孔d和引射孔e均为沿壳体(701)径向贯穿的螺纹孔，阻尼孔f为沿壳体(701)径向布置的贯穿孔；上接头(702)的上端采用石油钻杆接头螺纹与顶驱手动防喷器(32)相连接，上接头(702)的下端与下接头(705)采用矮压艾克姆梯形螺纹连接；配气芯轴(708)的上部具有圆锥形外表面，该圆锥型外表面与上锥套(709)的圆锥型内孔相配合，配气芯轴(708)下部外圆柱段依次加工有进气环槽u、注水环槽v以及引射环槽w，配气芯轴(708)上的密封档肩将各槽分隔开来，在壳体(701)内孔对应配气芯轴(708)各密封档肩的配合段均布置有旋转格莱圈(711)；配气芯轴(708)的下部具有圆柱型内孔，该圆柱型内孔与下芯管(710)上部的外圆柱相配合；上锥套(709)与下芯管(710)上均具有限位挡肩，分别与上接头(702)及下接头(705)的内部台肩相接触；在上接头(702)上对应进气孔c、雾化孔d及引射孔e的位置加工有导流槽g，进气孔c通过导流槽g接通进气环槽u；雾化孔d通过导流槽g接通注水环槽v，引射孔e通过导流槽g接通引射环槽w；环式逆止阀(706)用于关断双壁钻具环形进气通道，在初始状态下，环式逆止阀(706)在压缩弹簧(707)的作用下贴紧上接头(702)下端锥面，将进气环槽u与下接头(705)和下芯管(710)之间形成的环形进气通道相阻隔；封隔进气环槽u与注水环槽v的密封档肩的环形截面上沿轴向...

【技术特征摘要】
1.顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统，其特征在于，包括：钻机主体、顶驱导轨(4)、顶部驱动反循环钻井装置(5)、管路系统、流体动力系统及监控系统，
所述钻机主体包括钻机底座(1)、钻机井架(2)、二层台(6)、天车(11)及游车(12)，在钻机底座(1)的钻台面上布置有司钻房(3)、左偏房和右偏房，司钻房(3)内设置有操作面板和主控电控柜；右偏房内设置有电测系统控制柜(13)；在钻机底座(1)的平台下方且沿顶部驱动反循环钻井装置(5)主轴回转轴线所在位置同轴布置有防喷器(10)；钻机井架(2)安装在钻机底座(1)上；二层台(6)、天车(11)及游车(12)均安装在钻机井架(2)上，天车(11)位于钻机井架(2)的顶部；
所述顶驱导轨(4)的上部采用销轴悬挂在天车(11)的底部，顶驱导轨(4)的下段采用反扭距梁安装在钻机井架(2)上；
所述顶部驱动反循环钻井装置(5)采用滚轮滑车(34)与顶驱导轨(4)滑动配合，顶部驱动反循环钻井装置(5)通过提升吊臂上方的万向节(30)与游车(12)采用销轴连接，钻机的主提升钢绳绕过游车(12)与天车(11)间的滑轮组形成绳系，在钻机的主提升绞车驱动下，游车(12)完成提升与下放顶部驱动反循环钻井装置(5)动作；顶部驱动反循环钻井装置(5)上配备有多工质配流套(7)、分体式鹅颈管(8)、负压冲管(9)、顶驱旋转头(27)、回转驱动装置(28)、顶驱遥控防喷器(29)、顶驱主传动箱(31)、顶驱手动防喷器(32)、顶驱背钳(33)、顶驱随动电控箱(35)、绝对值编码器(36)、顶驱供水管(40)及顶驱进气管(41)，顶驱主传动箱(31)用于驱动顶部驱动反循环钻井装置(5)的主轴回转，顶部驱动反循环钻井装置(5)的主轴中心通道用于排渣；顶驱背钳(33)安装在顶驱背钳架上；多工质配流套(7)安装在顶部驱动反循环钻井装置(5)的主轴下方，多工质配流套(7)采用石油钻杆接头螺纹与顶驱手动防喷器(32)相联接，多工质配流套(7)的外部通过防回转拉杆(21)和销轴联接在顶部驱动反循环钻井装置(5)的顶驱背钳架上，多工质配流套(7)上的对外连接孔道采用密封管螺纹接头连接顶驱供水管(40)及顶驱进气管(41)，多工质配流套(7)用于输入压缩空气、高压水以及在顶部驱动反循环钻井装置(5)的主轴下方形成旋流引射；顶驱背钳架采用销轴安装在顶驱旋转头(27)上；顶驱旋转头(27)上法兰与回转驱动装置(28)输出法兰之间采用高强度螺栓组连接；绝对值编码器(36)用于测量和限制回转驱动装置(28)输出法兰的转动角度；负压冲管(9)安装在顶部驱动反循环钻井装置(5)的主轴上方，同时负压冲管(9)与顶驱遥控防喷器(29)连接；分体式鹅颈管(8)采用螺栓组连接在负压冲管(9)上；
其中，多工质配流套(7)包括壳体(701)、上接头(702)、深沟球轴承(703)、单列圆锥滚子轴承(704)、下接头(705)、环式逆止阀(706)、压缩弹簧(707)、配气芯轴(708)、上锥套(709)、下芯管(710)及旋转格莱圈(711)，壳体(701)采用防回转拉杆(21)和销轴连接在顶部驱动反循环钻井装置(5)的顶驱背钳架上，壳体(701)上加工有进气孔c、雾化孔d、引射孔e及阻尼孔f，进气孔c、雾化孔d及引射孔e中心位于同一直线上，且进气孔c、雾化孔d和引射孔e均为沿壳体(701)径向贯穿的螺纹孔，阻尼孔f为沿壳体(701)径向布置的贯穿孔；上接头(702)的上端采用石油钻杆接头螺纹与顶驱手动防喷器(32)相连接，上接头(702)的下端与下接头(705)采用矮压艾克姆梯形螺纹连接；配气芯轴(708)的上部具有圆锥形外表面，该圆锥型外表面与上锥套(709)的圆锥型内孔相配合，配气芯轴(708)下部外圆柱段依次加工有进气环槽u、注水环槽v以及引射环槽w，配气芯轴(708)上的密封档肩将各槽分隔开来，在壳体(701)内孔对应配气芯轴(708)各密封档肩的配合段均布置有旋转格莱圈(711)；配气芯轴(708)的下部具有圆柱型内孔，该圆柱型内孔与下芯管(710)上部的外圆柱相配合；上锥套(709)与下芯管(710)上均具有限位挡肩，分别与上接头(702)及下接头(705)的内部台肩相接触；在上接头(702)上对应进气孔c、雾化孔d及引射孔e的位置加工有导流槽g，进气孔c通过导流槽g接通进气环槽u；雾化孔d通过导流槽g接通注水环槽v，引射孔e通过导流槽g接通引射环槽w；环式逆止阀(706)用于关断双壁钻具环形进气通道，在初始状态下，环式逆止阀(706)在压缩弹簧(707)的作用下贴紧上接头(702)下端锥面，将进气环槽u与下接头(705)和下芯管(710)之间形成的环形进气通道相阻隔；封隔进气环槽u与注水环槽v的密封档肩的环形截面上沿轴向加工有喷射孔h；引射环槽w连通位于配气芯轴(708)上部的螺旋喷射槽k，螺旋喷射槽k为右旋；壳体(701)上的阻尼孔分上下两组，各组沿轴线均布，位于下方的阻尼孔f布置在单列圆锥滚子轴承(704)和进气孔c之间，位于上方的阻尼孔f布置在深沟球轴承(703)和引射孔e之间，在壳体(701)内孔孔壁上与阻尼孔f对应位置加工有卸压环槽，阻尼孔f钻透壳体(701)后与卸压环槽相通，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王清岩，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22