专利名称：钻井领域中的氮气钻井系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钻井领域中的氮气钻井系统。
背景技术：
气体钻井就是采用以气体为主要循环流体的欠平衡钻井技术。20世纪30年代的美国开始研究气体钻井技术。但由于当时的技术水平、装备及认识等原因，没有得到规模化应用。直至20世纪60年代，随着空气钻井马达等的问世以及各种设备的不断完善，气体钻井技术又重新受到人们的重视。气体钻井(根据使用循环介质的不同)一般可分为:空气钻井、氮气钻井、天然气钻井、尾气钻井等不同种类，其中尤以空气钻井以空气的廉价性、无限性、易得性而具有别的气体钻井形式无法比拟的优势。但对空气钻井，由于空气中含有大量助燃剂氧气，当使用空气钻井至储层附近时，很容易与储层附近的易燃气体混合而被点燃继而产生燃烧或爆炸。氮气钻井作为气体钻井的一种，因其不仅具有气体钻井技术的优越性；具有钻井介质的廉价性、无限性、而且具有遇可燃气体不发生燃烧或爆炸的安全性及防止腐蚀、延长钻头寿命、提高钻达井深的成功率、大大降低钻探成本等优势，而成为近几年油气开发研究者们非常关注的课题之一。而制氮设备作为氮气钻井中制取钻井介质——氮气的关键设备也就越来越多的受到人们的重视。近几年以来，随着制膜工艺的不断发展，膜分离制氮成为制取氮气的一种新型科学制氮方法。膜分离法制氮的研究和发展推动了膜分离制氮设备的发展，给氮气钻井注入了新的活力，大大加快了氮气钻井的推广应用。随着空气钻井技术的日益成熟，作为其配套使用或者说必要辅助手段的氮气钻井技术的提高也越来越受到人们的重视。与空气钻井比较，氮气钻井技术的关键即氮气生产设备。氮气生产设备的各项性能指标的提高可使氮气钻井技术得以更广泛使用，从而有效地解决储层或某些特殊工况情况下可能产生的井下燃烧和爆炸以及钻井施工中的恶性井漏，压差卡钻、钻井速度慢等技术性难题，能在钻进油气层井段时，做到“零污染”，对于及时保护和发现低压、低饱和、低渗透率油层(油气藏)，对提高油井单井产量和采收率具有显著效果，并可提高钻速5-10倍。因此，通过对当前现有装置进行分析研究，找出其存在的不足和缺点，从而对其进行改进，以达到使其结构布局合理、降低成本、使用维护方便、能耗低、压力损失小等技术指标，就显得尤为重要和迫切。这样不仅降低了设备制造成本，降低能量消耗，推动膜制氮装置的更广泛应用，而且为我国氮气钻井的普及，油气开采工艺更先进、更科学、取得更高的经济效益和社会效益提供了生产先进生产设备的基础。氮气钻井是欠平衡钻井技术的一种，它的循环流体是干燥氮气。氮气钻井首次使用是在二十世纪中后期。我国的氮气钻井技术研究始于上个世纪八十年代，虽然取得一些成果，但因制氮设备未能解决，使研究出的成果难以转化为生产力，没有得到及时应用。上个世纪九十年代，随着制氮工艺的发展和制氮设备的研制成功，氮气钻井技术的研究与应用又一次被广泛重视起来。首先是辽河油田试用成功，逐步推广到胜利、江汉等油田，但当时还未用在欠平衡钻井上。直到2000年12月，胜利油田钻井四公司一先进钻井队用国产钻机钻探的云南武定县云参科研一井，首次采用氮气钻井技术钻进，获得一次成功，开了先河。此后，氮气钻井技术在吐哈、新疆、四川、辽河、江汉等油田分别获得成功。2004年至2005年，吐哈油田欠平衡钻井技术得到迅速发展，先后在窿14井、中石化鄂尔多斯D12-1井、红台2-15井、红台2-17井、红台2-4井等8 口井采用欠平衡钻井技术，其中有5 口井在储层段进行全过程欠平衡纯氮气钻井。其中红台2-15井是国内首次进行全过程欠平衡纯氮气钻井，取得显著效果，获得的高产油气流是常规钻井的10-15倍。证实了这项新技术在油田勘探开发中有良好的经济效益和广阔的推广应用前景。尽管当前我国的一些油气田已经采用了氮气钻井对油气井进行开采，并取得一些成绩，但与国外相比，目前我国氮气钻井的差距仍然较大，这不仅反映在技术装备的配套和研制水平上，还反映在工艺方法和基础理论研究上，而且在多工艺综合技术上尚未起步。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种钻井领域中的氮气钻井系统，该钻井领域中的氮气钻井系统能成功实现氮气钻井，为我国的石油和天然气开采带来了新发展，同时也带动了我国气体钻井设备的不断发展。本发明的目的通过下述技术方案实现:钻井领域中的氮气钻井系统，主要由依次相连的空气压缩机、膜分离制氮机、增压机、管汇系统、以及旋转防喷器构成，所述旋转防喷器安装在井下。所述管汇系统主要由与增压机相连的供气管、以及与供气管相连的立管构成，所述旋转防喷器安装在立管远离供气管的一端。所述供气管上安装有放空管、泄压管和旁通管。还包括回收池，所述放空管、泄压管和旁通管远离供气管的一端均与回收池的内部相通。所述旋转防喷器上设置有排岩管，且排岩管远离旋转防喷器的一端与回收池的内部相通。所述供气管上设置有气体流量及压力记录仪。综上所述，本发明的有益效果是:能成功实现氮气钻井，为我国的石油和天然气开采带来了新发展，同时也带动了我国气体钻井设备的不断发展。
图1为本发明的结构示意图。
具体实施例方式下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。实施例:如图1所示，本发明涉及的钻井领域中的氮气钻井系统，主要由依次相连的空气压缩机1、膜分离制氮机2、增压机3、管汇系统、以及旋转防喷器5构成，所述旋转防喷器5安装在井下。 所述管汇系统主要由与增压机3相连的供气管6、以及与供气管6相连的立管7构成，所述旋转防喷器5安装在立管7远离供气管6的一端。所述供气管6上安装有放空管8、泄压管9和旁通管10。还包括回收池11，所述放空管8、泄压管9和旁通管10远离供气管6的一端均与回收池11的内部相通。所述旋转防喷器5上设置有排岩管12，且排岩管12远离旋转防喷器5的一端与回收池11的内部相通。所述供气管6上设置有气体流量及压力记录仪13。空气压缩机I是提供空气钻井所需空气的主要设备。目前有多种空气压缩机，如旋转叶片式、直瓣式、往复活塞式和旋转螺杆式，其中螺杆式空气压缩机是油田钻井作业应用最多的一种。空气压缩机有多种压力级别，其输出的最大工作压力一般为1.75
2.45MPa。在正常情况下，这种工作压力能够满足空气钻井的需要，但在井较深时，或预计井内有出水时，所要求输送的空气压力可能超过空气压缩机额定的压力值，这时就要使用增压机。性能优良的压缩机一般均配备有冷却系统，可将输出气体温度降低至适当范围(一般约为环境温度+15°C )。其性能指标除排量外，还应有最大输出压力和有效功率。在空气钻井作业中，最好应配备有应急压缩机，以备处理复杂情况时，增加气量。单台空气压缩机的输出气量一般为25.5 42.5m3/min，不能满足空气钻井所需要的空气量。气体钻井作业时，根据不同的井眼尺寸、井下出水等情况，配备多台空气压缩机，以机组形式并联使用提供压缩空气，满足气体钻井需要的空气量。当前氮气钻井作业中所使用的制氮装置均为膜分离制氮机2，膜分离制氮以其无相变、能耗低、设备简单、操作方便、运行可靠性高而成为制氮领域前景广阔的一门新技术。也正是由于膜分离制氮技术的成熟使得氮气钻井技术得以迅速推广应用。膜分离制氮装置是氮气钻井中的关键设备，它可以为氮气钻井提供纯度为95%以上的钻井介质——氮气。其核心制氮膜绝大部分采用的是聚砜中空纤维复合膜。增压机3 —般为往复活塞式增压机，它是将来自膜分离制氮装置的氮气增到更高的压力，以满足氮气钻井的压力要求。油田上使用的增压机有单级、双级或多级增压机。单级增压机常用于较低压力作业，其输出压力一般为5.2 10.5MPa。一般说来，单级增压机能满足氮气钻井作业所需的压力要求，但对于氮气钻井服务公司，拥有的大多数增压机为双级或多级增压机，能持续输送较高压力，以满足钻井变工况作业条件的需要。一般情况下，一台增压机能处理两台或多台膜分离制氮装置的氮气。氮气钻井时，应根据所需的氮气量配备与膜分离制氮装置相对应的增压机数量，且并联使用，满足氮气钻井作业需要。在氮气钻井作业中，需要将增压机系统的压缩氮气输送到钻机的立管，因此就需要连接较大直径Φ76 Φ 101.6的钢管或软管来输送。这些连接管线的额定压力值应与增压机的最大压力相匹配或更高。在这些连接管线中应安装相应的单流阀、安全阀和球阀，以保护压缩机和方便泄压，满足氮气钻井作业工艺要求。在氮气输入的主管线上要连接一根旁通管线，方便在接单根或需要泄压时使用。旁通管线可以直接导流到排岩管线。另外，在旁通管线与钻井立管之间安装一条泄压管线，用以在接单根前放掉立管和钻具内的压缩氮气，这样，压缩机就可以在接单根期间保持运转而不需要停机。旁通管线和泄压管线一般用直径51mm的管子。无论是氮气钻井还是其它气体型流体钻井(雾化、泡沫或充气)，井口返出的流体均有一定的压力，为了确保钻井的安全、顺利，井口除装有常规防喷器组外，还必须安装旋转防喷器5。氮气钻井作业时，井内返出的流体(氮气、钻屑)须通过排岩管线进入地面回收池。排岩管线的直径大小应适当，若太大不能有效携带钻屑，若太小，管线上的压力降会过大，这样会增加压缩机系统的输出压力。一般说来，排岩管线大小与所钻井眼的环空横截面积差不多大，现场使用的排岩线大多数为0178或0244套管。为了便于采集岩样，在排岩管线上一般安装有岩屑取样器。取样器实际上是一个带有球阀的异径短管(76mmX25.4mm)，并用使用过的大钳牙齿焊接在异径管内，这样可使返出的岩屑在取样器处转向沉积，取样器位于排岩管线底部某一方便点，如需米集岩样，打开阀门即可。本发明的钻井流程为:空气经空气压缩机I进入膜分离制氮机2，由该装置将压缩空气进行分离，得到纯度为95%以上的氮气；氮气经增压机3、管汇系统注入到井下，把井下钻屑带到地面，通过排岩管线入地面回收池。氮气钻井的主要设备有空气压缩机、膜分离制氮装置、增压机、管汇系统、旋转防喷器、井下钻具止回阀、排岩管线以及与管汇系统和工艺相适应的阀门、仪表等。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.钻井领域中的氮气钻井系统，其特征在于，主要由依次相连的空气压缩机(I)、膜分离制氮机(2)、增压机(3)、管汇系统、以及旋转防喷器(5)构成，所述旋转防喷器(5)安装在井下。
2.根据权利要求1所述的钻井领域中的氮气钻井系统，其特征在于，所述管汇系统主要由与增压机(3)相连的供气管(6)、以及与供气管(6)相连的立管(7)构成，所述旋转防喷器(5)安装在立管(7)远离供气管(6)的一端。
3.根据权利要求2所述的钻井领域中的氮气钻井系统，其特征在于，所述供气管(6)上安装有放空管(8)、泄压管(9)和旁通管(10)。
4.根据权利要求3所述的钻井领域中的氮气钻井系统，其特征在于，还包括回收池(11)，所述放空管(8)、泄压管(9)和旁通管(10)远离供气管(6)的一端均与回收池(11)的内部相通。
5.根据权利要求4所述的钻井领域中的氮气钻井系统，其特征在于，所述旋转防喷器(5)上设置有排岩管(12),且排岩管(12)远离旋转防喷器(5)的一端与回收池(11)的内部相通。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的钻井领域中的氮气钻井系统，其特征在于，所述供气管(6)上设置有气体流量及压力记录仪(13)。
全文摘要
本发明公开了一种钻井领域中的氮气钻井系统。该钻井领域中的氮气钻井系统主要由依次相连的空气压缩机(1)、膜分离制氮机(2)、增压机(3)、管汇系统、以及旋转防喷器(5)构成，所述旋转防喷器(5)安装在井下。本发明能成功实现氮气钻井，为我国的石油和天然气开采带来了新发展，同时也带动了我国气体钻井设备的不断发展。
文档编号E21B21/16GK103104206SQ20111038499
公开日2013年5月15日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者母东艳 申请人:母东艳