【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钻井施工方法，涉及一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置及方法。
技术介绍
1、在地热钻井过程中，当钻头钻遇溶洞时，由于溶洞内充满水，固井时水泥浆抵达溶洞后会被水稀释，难以达到固井的效果。同时如果持续向下钻进，上返的泥沙经过溶洞将会进入水室，从而造成拥堵、钻井施工进度缓慢甚至停产。传统的冻结法施工是在含水土层内先钻孔打入钢管，导入循环的制冷剂，使周边的地层冻结，形成坚硬的冻土壳，但是传统的冻结法施工无法适用于钻遇溶洞的冻结施工。因此，对于地热钻井钻遇溶洞时如何进行封堵固井，存在各种问题，现有的方法无法完成。
技术实现思路
1、本专利技术克服了现有技术的不足，提出一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置及方法，以提高钻井过程中溶洞冻结封堵的成功率。
2、为了达到上述目的，本专利技术是通过如下技术方案实现的。
3、一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置，包括外层冻结装置和内层冻结装置；所述的外层冻结装置包括外层内壳和外层外壳，外层内壳的外壁上沿轴向均布有齿条，外层内壳和外层外壳均为上下敞口的空心结构，外层外壳上沿轴向均布有多组穿透条孔，每组穿透条孔与每条齿条位置相对应，每个穿透条孔内设有一个卡爪型循环管道，外层外壳位于每个穿透条孔处铰接有短轴，短轴的外壁连接有齿轮，齿轮与齿条啮合连接；卡爪型循环管道的一端与短轴相连接，卡爪型循环管道的另一端从穿透条孔穿出至外层外壳外侧；卡爪型循环管道连接有输送液氮的管道；
4、所述内层冻结装置设置有螺旋状
5、进一步的，外层内壳的顶部均布有外层内壳提升绳索接口，外层外壳顶部均布有外层外壳提升绳索接口。
6、进一步的，每组由两列穿透条孔组成，每组穿透条孔与每条齿条位置相对应，且每组中的两列穿透条孔对称设置在相对应的齿条的两侧。
7、进一步的，短轴为空心结构，短轴与输送液氮的管道相连接，卡爪型循环管道与短轴相连通。
8、进一步的，内层冻结装置顶部设置有液氮输入入口和液氮回收管道出口，液氮输入入口、液氮回收管道出口与液氮循环管道相连接。
9、更进一步，内层冻结装置底部的锥形结构内设置有液氮存储箱，液氮输入入口通过液氮输入管道与液氮存储箱体相连接，所述的液氮循环管道的入口与液氮存储箱体相连接，液氮循环管道的出口与液氮回收管道出口相连接。
10、进一步的，内层冻结装置分为内层外壳与内芯两部分，内层外壳与内芯组合后在内部形成螺旋状的液氮循环管道。
11、采用所述的一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置的冻结封堵方法，包括以下步骤：
12、s1、先钻入钻井，将外层内壳放入外层外壳内，并使外层内壳与外层外壳上下部齐平，此时，卡爪型循环管道的另一端从穿透条孔穿出且卡爪型循环管道的出口朝下；将外层内壳和外层外壳一同下放至井内与溶洞对应的位置，保持外层外壳不动，继续下放外层内壳，带动卡爪型循环管道由朝下的角度逐渐伸展成水平状态，使卡爪型循环管道伸至溶洞中，通过卡爪型循环管道将液氮送入溶洞内，随着液氮的不断气化，周围水温度降低直到冻结完成，产生外层冻结帷幕；
13、s2、从井口下放内层冻结装置至溶洞，向液氮循环管道输入液氮，液氮吸收热量直至内层水全部冻结，产生内层冻结帷幕。
14、s3、待内外层冻结帷幕形成后，在钻井内下入套管，将水泥浆灌注至套管与钻井的井壁间隙。
15、优选的，水泥浆的灌注采用压力压迫的方式使水泥浆先通过套管到达钻井的井底，再由下向上通过套管与钻井的井壁间隙到达指定位置。
16、更优的，压力压迫的方式是在钻井的井口处由地面向上依次设置第一泵送装置、第二泵送装置、第三泵送装置；在井口内且位于第一泵送装置和第二泵送装置之间设置有下胶塞；且下胶塞上安装有单向阀，在井内且位于第二泵送装置和第三泵送装置之前设置有上胶塞，在井底部设置有引鞋，在井内且位于引鞋的上方设置有浮箍。
17、使用第一泵送装置向钻井内注入钻井液，当钻井液充满钻井后，再通过第一泵送装置向钻井中注入隔离液，防止钻井液与水泥浆混合。
18、通过第二泵送装置将水泥浆注入钻井中，水泥浆与隔离液之间使用下胶塞将两部分隔离开；通过第三泵送装置将钻井液注入钻井中，钻井液与水泥浆上部通过上胶塞隔离；随着钻井液的注入，上胶塞压迫水泥浆向下运动，直到下胶塞与浮箍接触后停止向下移动，此时第三泵送装置不断加压，当压力超过下胶塞内的单向阀所能承受最大压力时，下胶塞内的单向阀开关打开，水泥浆通过单向阀和浮箍继续向下移动；通过第三泵送装置持续向钻井内泵入钻井液，水泥浆到达底端通过引鞋后在套管与钻井的井壁间向上移动，当水泥浆移动至溶洞的冻结处时停止泵入钻井液，等待水泥浆凝固，完成冻结封堵。
19、本专利技术相对于现有技术所产生的有益效果为：
20、本专利技术使用液氮循环冻结的方式，使溶洞水室形成内外两层冻结帷幕，水泥浆由套管进入井中，通过井底到达溶洞位置进行封堵。保证了水泥浆的完全凝固，具有直观、适应性强、操作简单的优点，提高了溶洞冻结封堵的成功率。
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1.一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置，其特征在于，包括外层冻结装置（13）和内层冻结装置（15）；所述的外层冻结装置（13）包括外层内壳（1305）和外层外壳（1307），外层内壳（1305）的外壁上沿轴向均布有齿条（1302），外层内壳（1305）和外层外壳（1307）均为上下敞口的空心结构，外层外壳（1307）上沿轴向均布有多组穿透条孔（1308），每组穿透条孔（1308）与每条齿条（1302）位置相对应，每个穿透条孔（1308）内设有一个卡爪型循环管道（1306），外层外壳（1307）位于每个穿透条孔（1308）处铰接有短轴（1309），短轴（1309）的外壁连接有齿轮（1301），齿轮（1301）与齿条（1302）啮合连接；卡爪型循环管道（1306）的一端与短轴（1309）相连接，卡爪型循环管道（1306）的另一端从穿透条孔（1308）穿出至外层外壳（1307）外侧；卡爪型循环管道（1306）连接有输送液氮的管道；
2.根据权利要求1所述的一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置，其特征在于，外层内壳（1305）的顶部均布有外层内壳提升绳索接口（1304）
3.根据权利要求1所述的一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置，其特征在于，每组穿透条孔（1308）由两列穿透条孔（1308）组成，两列穿透条孔（1308）对称设置在相对应的齿条（1302）的两侧。
4.根据权利要求1所述的一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置，其特征在于，短轴（1309）为空心结构，短轴（1309）与输送液氮的管道相连接，卡爪型循环管道（1306）与短轴（1309）相连通。
5.根据权利要求1所述的一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置，其特征在于，内层冻结装置（15）顶部设置有液氮输入入口（1502）和液氮回收管道出口（1501），液氮输入入口（1502）、液氮回收管道出口（1501）与液氮循环管道（1503）相连接。
6.根据权利要求5所述的一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置，其特征在于，内层冻结装置（15）底部设置有液氮存储箱体（1505），液氮输入入口（1502）通过液氮输入管道（1504）与液氮存储箱体（1505）相连接，所述的液氮循环管道（1503）的入口与液氮存储箱体（1505）相连接，液氮循环管道（1503）的出口与液氮回收管道出口（1501）相连接。
7.根据权利要求1所述的一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置，其特征在于，内层冻结装置（15）分为内层外壳（1506）与内芯（1507）两部分，内层外壳（1506）与内芯（1507）组合后在内部形成螺旋状的液氮循环管道（1503）。
8.采用如权利要求1-7任一项所述的一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置的冻结封堵方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的采用一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置的冻结封堵方法，其特征在于，水泥浆的灌注采用压力压迫的方式使水泥浆先通过套管（3）到达钻井（1）的井底，再由下向上通过套管（3）与钻井（1）的井壁间隙到达指定位置。
10.根据权利要求9所述的采用一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置的冻结封堵方法，其特征在于，压力压迫的方式是在钻井（1）的井口处由地面向上依次设置第一泵送装置（6）、第二泵送装置（5）、第三泵送装置（4）；在井口内且位于第一泵送装置（6）和第二泵送装置（5）之间设置有下胶塞（8）；且下胶塞（8）上安装有单向阀（9），在井内且位于第二泵送装置（5）和第三泵送装置（4）之前设置有上胶塞（7），在井底部设置有引鞋（12），在井内且位于引鞋（12）的上方设置有浮箍（11）；
...【技术特征摘要】
1.一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置，其特征在于，包括外层冻结装置（13）和内层冻结装置（15）；所述的外层冻结装置（13）包括外层内壳（1305）和外层外壳（1307），外层内壳（1305）的外壁上沿轴向均布有齿条（1302），外层内壳（1305）和外层外壳（1307）均为上下敞口的空心结构，外层外壳（1307）上沿轴向均布有多组穿透条孔（1308），每组穿透条孔（1308）与每条齿条（1302）位置相对应，每个穿透条孔（1308）内设有一个卡爪型循环管道（1306），外层外壳（1307）位于每个穿透条孔（1308）处铰接有短轴（1309），短轴（1309）的外壁连接有齿轮（1301），齿轮（1301）与齿条（1302）啮合连接；卡爪型循环管道（1306）的一端与短轴（1309）相连接，卡爪型循环管道（1306）的另一端从穿透条孔（1308）穿出至外层外壳（1307）外侧；卡爪型循环管道（1306）连接有输送液氮的管道；
2.根据权利要求1所述的一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置，其特征在于，外层内壳（1305）的顶部均布有外层内壳提升绳索接口（1304），外层外壳（1307）顶部均布有外层外壳提升绳索接口（1303）。
3.根据权利要求1所述的一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置，其特征在于，每组穿透条孔（1308）由两列穿透条孔（1308）组成，两列穿透条孔（1308）对称设置在相对应的齿条（1302）的两侧。
4.根据权利要求1所述的一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置，其特征在于，短轴（1309）为空心结构，短轴（1309）与输送液氮的管道相连接，卡爪型循环管道（1306）与短轴（1309）相连通。
5.根据权利要求1所述的一种中深层地热井钻遇溶洞的冻结封堵装置，其特征在于，内层冻结装置（15）顶部设置有液氮输入入口...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯子军，李杰，宁佳祺，南翰墨，王昕琪，耿豪健，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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