本發(fā)明屬于能源開采的凍土層鉆井技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種提高凍土層鉆井效率的鉆井系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)：

天然氣水合物是由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的，廣泛分布于深海沉積物或陸地永久凍土層中的類冰狀結(jié)晶物質(zhì)。天然氣水合物以其儲(chǔ)量大、分布廣、能量密度高、清潔無(wú)污染等特點(diǎn)已成為當(dāng)代能源工業(yè)發(fā)展的一大熱點(diǎn)。特別是近年來(lái)能源短缺日益加劇，使得各國(guó)更加關(guān)注，紛紛加大對(duì)其勘探和開發(fā)研究的力度。

近年來(lái)，我國(guó)也在南海神狐海域、青海省祁連山永久凍土帶以及天峻縣木里地區(qū)成功鉆獲天然氣水合物。據(jù)專家估計(jì)，我國(guó)青藏高原(包括祁連山木里地區(qū))凍土區(qū)天然氣水合物的最大地質(zhì)儲(chǔ)量為2.98×10¹⁴m³，水合物穩(wěn)定帶的頂界埋深一般為幾十米至200m，底界埋深為100m～1500m。

要對(duì)賦藏于陸地凍土層一定深度的天然氣水合物進(jìn)行勘探開發(fā)，鉆井是必不可少的重要手段。凍土層的對(duì)溫度異常敏感的特點(diǎn)使得該區(qū)域采用常規(guī)鉆井作業(yè)方式井下復(fù)雜頻發(fā)，鉆井效率較低，其主要表現(xiàn)為：(1)鉆井作業(yè)過(guò)程中井筒周圍地層應(yīng)力和溫度的改變將導(dǎo)致天然氣水合物分解。當(dāng)固態(tài)的水合物起膠結(jié)或支撐作用時(shí)，分解本身就會(huì)引起井壁坍塌；而分解產(chǎn)生的水分又會(huì)使粘土礦物水化膨脹影響井壁穩(wěn)定。(2)鉆井液與地層之間的熱交換和水合物分解時(shí)吸熱會(huì)導(dǎo)致鉆井液的關(guān)鍵性能參數(shù)(如粘度、化學(xué)穩(wěn)定性等)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致清巖和攜巖困難。(3)水合物分解產(chǎn)生的氣體進(jìn)入井筒，可能會(huì)引起溢流甚至井噴事故；氣體上返過(guò)程中若溫度和壓力條件適當(dāng)，在鉆桿和閥門等部位還會(huì)生成水合物栓塞。

目前，在陸地凍土區(qū)域主要分解抑制法進(jìn)行鉆井作業(yè)，即采用優(yōu)選鉆井液種類與密度，維持井內(nèi)壓力，冷卻鉆井液以及調(diào)整相關(guān)鉆進(jìn)參數(shù)，將天然氣水合物維持在穩(wěn)定的狀態(tài)進(jìn)行鉆進(jìn)。現(xiàn)場(chǎng)常用于凍土層鉆進(jìn)作業(yè)的鉆井液種類為：低溫鉆井液和油基鉆井液，但兩者均存在著一定不足：(1)低溫鉆井液主要是由NaCl、KCl或者CaCl₂溶液作為基液加入各種處理劑配備而成，在高原低溫地區(qū)極不穩(wěn)定，易分解為液相和固相，無(wú)法滿足作業(yè)要求；(2)油基鉆井液具有高滲透性，在含有裂隙的凍土層鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆井液的漏失會(huì)對(duì)脆弱的高原環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。以上可知，目前還沒(méi)有一種行之有效的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)凍土區(qū)安全、快速、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的鉆進(jìn)，嚴(yán)重的制約了凍土區(qū)天然氣水合物勘探開發(fā)的進(jìn)程。

綜上所述，現(xiàn)有凍土層鉆井中天然氣水合物分解引起的井下復(fù)雜及環(huán)境污染問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種提高凍土層鉆井效率的鉆井系統(tǒng)及其方法，旨在解決解決現(xiàn)有凍土層鉆井中天然氣水合物分解引起的井下復(fù)雜及環(huán)境污染問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)陸地永久凍土層中安全、快速、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保鉆井。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種提高凍土層鉆井效率的方法，該提高凍土層鉆井效率的方法包括：

下入鉆井管柱，開啟氮?dú)鈮嚎s機(jī)、高壓泵組；將液氮從連續(xù)油管泵入井筒，給井下馬達(dá)提供動(dòng)力，PDC鉆頭切削井底巖石，開始鉆進(jìn)作業(yè)；

液氮經(jīng)鉆頭噴嘴噴出，形成液氮射流，配合PDC鉆頭的切削；

氮?dú)鈹y帶巖屑沿環(huán)空上返至地面，通過(guò)除砂器、氣體凈化器進(jìn)行回收處理，最終通過(guò)地面管匯重新進(jìn)入氮?dú)鈨?chǔ)罐進(jìn)行循環(huán)利用；

鉆至目標(biāo)層位，關(guān)作業(yè)機(jī)、關(guān)泵、起出鉆井作業(yè)管柱，完成鉆進(jìn)作業(yè)。

進(jìn)一步，所述下入鉆井管柱，開啟氮?dú)鈮嚎s機(jī)、高壓泵組前需進(jìn)行：

地面組裝井下鉆具組合：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇不同尺寸的連續(xù)油管，將連續(xù)油管連接器，止回閥，緊急分離工具依次安裝在連續(xù)油管的末端；根據(jù)施工需要選擇不同類型的井下鉆具組合，在緊急分離工具末端依次安裝非旋轉(zhuǎn)接頭，井下馬達(dá)，PDC鉆頭或推進(jìn)器，噴射鉆頭；

將連續(xù)油管作業(yè)車，地面管匯，高壓泵組，以及作業(yè)設(shè)備的相應(yīng)管線進(jìn)行連接。

本發(fā)明另一目的在于提供一種提高凍土層鉆井效率的鉆井系統(tǒng)，該提高凍土層鉆井效率的鉆井系統(tǒng)包括：連續(xù)油管作業(yè)車、液氮制備系統(tǒng)、氮?dú)饣厥仗幚硐到y(tǒng)、井下鉆具組合、地面管匯、高壓泵組、井口裝置；

所述連續(xù)油管作業(yè)車用于實(shí)現(xiàn)雙層隔熱連續(xù)油管的送進(jìn)，防止入井液氮汽化；

液氮制備系統(tǒng)用于制備液氮；

氮?dú)饣厥仗幚硐到y(tǒng)用于回收氮?dú)庋h(huán)利用；

井下鉆具組合用于破碎巖石，進(jìn)行鉆進(jìn)；

高壓泵組用于向井筒中泵入液氮。

進(jìn)一步，液氮制備系統(tǒng)包括氮?dú)鈨?chǔ)罐、氮?dú)鈮嚎s機(jī)。

進(jìn)一步，氮?dú)饣厥仗幚硐到y(tǒng)包括氣體凈化器、回壓閥、除砂器；

回壓閥用于控制井筒環(huán)空壓力，保證作業(yè)安全。

進(jìn)一步，井下工具組合采用動(dòng)力鉆具配合PDC鉆頭或采用推進(jìn)器配合射流鉆頭進(jìn)行作業(yè)；采用動(dòng)力鉆具配合PDC鉆頭進(jìn)行作業(yè)時(shí)，井下工具組合包括連續(xù)油管連接器、止回閥、緊急分離工具、非旋轉(zhuǎn)接頭、井下馬達(dá)、PDC鉆頭；

采用推進(jìn)器配合射流鉆頭進(jìn)行作業(yè)時(shí)，井下工具組合包括連續(xù)油管連接器、止回閥、緊急分離工具、推進(jìn)器、射流鉆頭。

本發(fā)明提供的提高凍土層鉆井效率的鉆井系統(tǒng)及其方法，利用液氮代替常規(guī)鉆井液，配合連續(xù)油管鉆井技術(shù)進(jìn)行鉆井作業(yè)，這樣就徹底解決了凍土層鉆井過(guò)程中由于溫壓改變引起的井下復(fù)雜等問(wèn)題，保證了鉆井作業(yè)的安全。同時(shí)，液氮的低溫致裂作用，利于巖石裂紋的產(chǎn)生同時(shí)誘導(dǎo)裂紋擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)高效破巖。采用連續(xù)油管代替常規(guī)鉆桿進(jìn)行作業(yè)，避免作業(yè)過(guò)程中鉆柱的旋轉(zhuǎn)，防止與井壁摩擦產(chǎn)生熱量，同時(shí)簡(jiǎn)化了作業(yè)流程，降低了作業(yè)成本。

該鉆井方式中，利用連續(xù)油管將液氮泵入井底，由于液氮具有極低(約為-195.8℃)的溫度，遠(yuǎn)低于所鉆凍土層的溫度，能夠凍結(jié)凍土層中自由水，防止凍土層中地下冰的融化，更重要的是抑制了凍土層中天然氣水合物的分解，從而避免了天然氣水合物分解引起的井下復(fù)雜。

液氮作為鉆井流體，可以大大降低井底周圍巖石溫度，使得巖石內(nèi)部顆粒產(chǎn)生收縮變形。由于巖石是由多種不同熱膨脹系數(shù)的礦物組成的多晶體，在液氮冷卻過(guò)程中由于各礦物變形量的差異，顆粒之間會(huì)有局部應(yīng)力產(chǎn)生，并在顆粒膠接強(qiáng)度較弱處或微裂隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度時(shí)會(huì)對(duì)巖石造成致裂效應(yīng)。另外，井底巖石中所含的自由水在液氮的低溫作用下凍結(jié)成冰，體積會(huì)膨脹產(chǎn)生較大的擠壓力，使巖石顆粒之間的膠結(jié)物發(fā)生斷裂破壞，產(chǎn)生裂紋。液氮的致裂效應(yīng)利于井底巖石裂紋的產(chǎn)生和原有裂紋的延伸擴(kuò)展，利于巖石的破碎。在持續(xù)的液氮沖擊和鉆頭切削作用下，巖屑從井底巖石母體剝落，新的巖面顯露，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)破巖，提高鉆井效率。

由于液氮的密度(0.81g/m³)較低，鉆進(jìn)過(guò)程中井底一直處于欠平衡狀態(tài)，減小了井底巖屑的壓持效應(yīng)；液氮環(huán)空上返過(guò)程中，隨著溫度和壓力的改變，會(huì)逐漸氣化膨脹，增加了環(huán)空內(nèi)的上返排量，有利于巖屑的返出；液氮上返汽化是不斷吸熱的過(guò)程，能夠有效地降低井筒凍土層的溫度，保持凍土層井壁的穩(wěn)定。上返至井口的氮?dú)饨?jīng)過(guò)除砂和凈化，進(jìn)行回收實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

本發(fā)明提供的提高凍土層鉆井效率的鉆井系統(tǒng)及其方法，與目前常用的凍土層鉆井作業(yè)方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)液氮致裂作用利于巖石內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生于擴(kuò)展，有效地提高破巖效率，在凍土層中鉆進(jìn)速度遠(yuǎn)高于常規(guī)鉆井方式；

(2)液氮射流作用后，低密度的液氮使得近井地帶始終處于欠平衡狀態(tài)，利于后期開采作業(yè)；

(3)液氮溫度極低，且在上返過(guò)程中汽化吸熱，有效抑制天然氣水合物分解，保持井壁穩(wěn)定，防止井下復(fù)雜的發(fā)生；

(4)作業(yè)過(guò)程中，液氮循環(huán)利用，工藝流程簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，現(xiàn)場(chǎng)適用性好。

本發(fā)明采用液氮作為鉆井液配合連續(xù)油管鉆井技術(shù)應(yīng)用于陸地凍土層鉆井作業(yè)，并形成了整套的施工方案，很好的解決了目前凍土層鉆井作業(yè)中常見(jiàn)的由于溫壓轉(zhuǎn)變引起的天然氣水合物分解，井壁失穩(wěn)等井下復(fù)雜問(wèn)題；同時(shí)，液氮的低溫致裂作用，利于井底巖石表面裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，在鉆頭的切削作用下，提高破巖效率；由于液氮的密度較低，在井底實(shí)現(xiàn)欠平衡作用，減小了壓持效應(yīng)，利用井底破巖和清巖，從而提高凍土層鉆井作業(yè)的鉆井效率。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的提高凍土層鉆井效率的方法流程圖.

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的提高凍土層鉆井效率的鉆井系統(tǒng)示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的鉆井系統(tǒng)采用井下動(dòng)力鉆具時(shí)的井下工具組合示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的鉆井系統(tǒng)采用射流鉆頭時(shí)的井下工具組合示意圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的井底巖石在液氮致裂和鉆頭切削下破碎機(jī)理圖。

圖中：1、連續(xù)油管作業(yè)車；2、液氮制備系統(tǒng)；3、氮?dú)饣厥仗幚硐到y(tǒng)；4、井下鉆具組合；5、地面管匯；6、高壓泵組；7、井口裝置；8、環(huán)空；9、連續(xù)油管；10、井底巖石；11、液氮射流；12、原生裂紋；21、氮?dú)鈨?chǔ)罐；22、氮?dú)鈮嚎s機(jī)；31、氣體凈化器；32、回壓閥；33、除砂器；41、連續(xù)油管連接器；42、止回閥；43、緊急分離工具；44、非旋轉(zhuǎn)接頭；45、井下馬達(dá)；46、PDC鉆頭；47、推進(jìn)器；48、射流鉆頭。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步描述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的提高凍土層鉆井效率的方法，包括：

S101：下入鉆井管柱，開啟氮?dú)鈮嚎s機(jī)、高壓泵組；將液氮從連續(xù)油管泵入井筒，給井下馬達(dá)提供動(dòng)力，PDC鉆頭切削井底巖石，開始鉆進(jìn)作業(yè)；

S102：液氮經(jīng)鉆頭噴嘴噴出，形成液氮射流，配合PDC鉆頭的切削；

S103：氮?dú)鈹y帶巖屑沿環(huán)空上返循環(huán)至地面，通過(guò)除砂器、回壓閥、氣體凈化器進(jìn)行回收處理，最終通過(guò)地面管匯重新進(jìn)入氮?dú)鈨?chǔ)罐進(jìn)行循環(huán)利用；

S104：鉆至目標(biāo)層位，關(guān)作業(yè)機(jī)、關(guān)泵、起出作業(yè)鉆井管柱，完成鉆進(jìn)作業(yè)。

進(jìn)一步，所述下入鉆井管柱，開啟氮?dú)鈮嚎s機(jī)、高壓泵組前需進(jìn)行：

組裝井下鉆具組合：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇不同尺寸的連續(xù)油管，將連續(xù)油管連接器，止回閥，緊急分離工具依次安裝在連續(xù)油管的末端；根據(jù)施工需要選擇不同類型的井下工具組合，在緊急分離工具末端依次安裝非旋轉(zhuǎn)接頭，井下馬達(dá)，PDC鉆頭或推進(jìn)器，噴射鉆頭；

將連續(xù)油管作業(yè)車，地面管匯，高壓泵組，以及作業(yè)設(shè)備的相應(yīng)管線進(jìn)行連接。

本發(fā)明實(shí)施例提供的提高凍土層鉆井效率鉆井系統(tǒng)主要包括：連續(xù)油管作業(yè)車1，液氮制備系統(tǒng)2，氮?dú)饣厥仗幚硐到y(tǒng)3，井下鉆具組合4，地面管匯5，高壓泵組6，井口裝置7等。液氮制備系統(tǒng)2包括氮?dú)鈨?chǔ)罐21，氮?dú)鈮嚎s機(jī)22。氮?dú)饣厥仗幚硐到y(tǒng)3包括氣體凈化器31，回壓閥32，除砂器33。井下鉆具組合4可以采用動(dòng)力鉆具配合PDC鉆頭的形式，也可以采用推進(jìn)器配合射流鉆頭形式。

采用動(dòng)力鉆具配合PDC鉆頭形式的井下鉆具組合結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括連續(xù)油管連接器41，止回閥42，緊急分離工具43，非旋轉(zhuǎn)接頭44，井下馬達(dá)45，PDC鉆頭46；

采用噴射鉆頭形式的井下鉆具組合如圖4所示，包括連續(xù)油管連接器41，止回閥42，緊急分離工具43，推進(jìn)器47，射流鉆頭48。

下面結(jié)合附圖及進(jìn)行凍土層鉆井作業(yè)的工藝流程對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理進(jìn)一步描述。

(1)組裝井下鉆具組合4。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇不同尺寸的連續(xù)油管9，將連續(xù)油管連接器41，止回閥42，緊急分離工具43依次安裝在連續(xù)油管9的末端。根據(jù)施工需要選擇不同類型的井下鉆具組合，在緊急分離工具43末端依次安裝非旋轉(zhuǎn)接頭44，井下馬達(dá)45，PDC鉆頭46或推進(jìn)器47，噴射鉆頭48；

(2)將連續(xù)油管作業(yè)車1，地面管匯5，高壓泵組6，以及其他設(shè)備的相應(yīng)管線進(jìn)行連接；

(3)下入鉆井管柱，開啟氮?dú)鈮嚎s機(jī)22、高壓泵組6，將液氮從連續(xù)油管9泵入井筒，為井下馬達(dá)45提供動(dòng)力，使得PDC鉆頭46切削井底巖石，開始鉆進(jìn)作業(yè)；

(4)液氮經(jīng)鉆頭46噴嘴噴出，形成液氮射流11(如圖5A)，液氮的致裂效應(yīng)利于井底巖石10裂紋的產(chǎn)生和原生裂紋12的延伸擴(kuò)展(如圖5B)，配合PDC鉆頭46的切削作用(如圖5C)，提高破巖效率，；

(5)環(huán)空8中液氮?dú)饣?，吸收熱量，降低井筒周圍凍土層的溫度，保持井壁穩(wěn)定；

(6)氮?dú)鈹y帶巖屑沿環(huán)空8上返至地面，通過(guò)除砂器33，氣體凈化器31進(jìn)行回收處理，最終通過(guò)地面管匯5重新進(jìn)入氮?dú)鈨?chǔ)罐21實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用；

(7)鉆至目標(biāo)層位，關(guān)作業(yè)機(jī)，關(guān)泵，起出作業(yè)管柱，完成鉆進(jìn)作業(yè)。

本發(fā)明在凍土層進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)的時(shí)，抑制天然氣水合物的分解，防止凍土層中地下冰的融化，能夠有效的解決目前凍土層鉆井作業(yè)所遇到的井下復(fù)雜，保證作業(yè)安全；同事液氮致裂作用和井底欠平衡作用利于井底破巖和井底清巖，從而達(dá)到提高凍土層鉆井效率的目的。

本發(fā)明采用液氮作為鉆井液配合連續(xù)油管鉆井技術(shù)應(yīng)用于陸地凍土層鉆井作業(yè)，并形成了整套的施工方案，很好的解決了目前凍土層鉆井作業(yè)中常見(jiàn)的由于溫壓轉(zhuǎn)變引起的天然氣水合物分解，井壁失穩(wěn)等井下復(fù)雜問(wèn)題；同時(shí)，液氮的低溫致裂作用，利于井底巖石表面裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，在鉆頭的切削作用下，提高破巖效率；由于液氮的密度較低，在井底實(shí)現(xiàn)欠平衡作用，減小了壓持效應(yīng)，利用井底破巖和清巖，從而提高凍土層鉆井作業(yè)的鉆井效率。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。