钻井系统的制作方法

本发明涉及石油工程钻井技术领域，特别涉及一种钻井系统。

背景技术：

我国中东部油田均已逐渐进入开发后期，剩余油气资源中约40％处于深部地层(＞4500m)。近年来发现的特大油气田，如塔里木、川东北、松辽油田等均处于深部地层，因此深层油气的勘探开发已经成为我国油气发展的重大战略需求。深部地层岩石硬度高，可钻性差，随着井深的增加，钻机机械能量和水力能量沿程损失大，能量有效利用率低，常规机械方法钻速低、周期长，制约了我国深层油气的高效开发进程。因此亟需开发一种适用于深层硬地层的高效钻井系统，以实现我国油气资源可持续发展的战略目标。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种钻井系统，能够对深部地层中硬度高的岩石进行有效破碎。

本发明实施例的具体技术方案是：

一种钻井系统，所述钻井系统包括：

热力射流钻头，所述热力射流钻头包括：钻头固定盘，所述钻头固定盘上设置有能够进行伸缩的热力射流单元以及用于输送冷却水的水冷流道；

设置在所述钻头固定盘上的钻头驱动电机；

与所述钻头驱动电机相传动连接的钻头；

设置在所述钻头固定盘上的热力射流反应腔单元，其与所述热力射流单元相连通并用于生成热力射流流体，并将所述热力射流流体输送给所述热力射流单元；

热力射流点火单元，所述热力射流点火单元用于对热力射流反应腔单元进行点火；

输送管线单元，所述输送管线单元向所述热力射流钻头中的热力射流反应腔单元、水冷流道、热力射流点火单元输送相应的流体和电力；

与输送管线单元相连接的燃料输送单元，其用于将燃料气体加压后输送至输送管线单元；

与输送管线单元相连接的氧气输送单元，其用于将氧气加压后输送至输送管线单元；

与输送管线单元相连接的钻井液输送单元，其用于将钻井液加压后送至输送管线单元；

钻井液回收单元，其能与油井井口相连通以回收井下返排至地面的钻井液和/或冷却水。

在一种优选的实施方式中，所述热力射流单元包括：在所述钻头固定盘内开设的贯穿孔、设置在所述贯穿孔内的第一弹簧、与所述第一弹簧相抵的第一伸缩管、设置在所述第一伸缩管内的第二弹簧以及第二伸缩管，所述第一弹簧的上端能与所述钻头固定盘相固定，所述第二弹簧与所述第二伸缩管相连接，所述第二伸缩管能在所述第一伸缩管中滑动以使所述第二伸缩管的下端伸出所述贯穿孔。

在一种优选的实施方式中，所述贯穿孔包括第一段孔洞和与所述第一段孔洞相连接的第二段孔洞，所述第一段孔洞和与所述第二段孔洞之间形成台阶，所述第一段孔洞内的上端设置有压紧螺母，所述压紧螺母能与所述第一弹簧的上端相抵，所述第一伸缩管设置在所述第一段孔洞中，所述第一伸缩管的下端能与所述台阶相抵触，所述第一伸缩管能在所述第一段孔洞中滑动，至少部分所述第二伸缩管位于所述第一伸缩管中，至少部分所述第二伸缩管穿设在所述贯穿孔的第二段孔洞中。

在一种优选的实施方式中，所述热力射流单元为多个，所述钻头固定盘沿竖直方向具有轴线，所述热力射流单元绕所述钻头固定盘的轴线呈周向分布。

在一种优选的实施方式中，所述钻井系统还包括固液分离塔，所述固液分离塔连接在所述钻井液回收单元与所述钻井液输送单元之间，其用于将所述钻井液回收单元回收的钻井液进行固液分离。

在一种优选的实施方式中，所述热力射流反应腔单元包括：用于形成热力射流的反应罐；环设在所述反应罐旁的钻井液集箱，所述钻井液集箱通过热力射流喷射管与所述反应罐相连通；设置在所述反应罐上方的燃料集箱和氧气集箱，所述燃料集箱与所述反应罐之间的壁面上开设有喷射孔，氧气集箱与所述反应罐之间的壁面上开设有喷射孔。

在一种优选的实施方式中，热力射流点火单元包括电火花点火装置，所述电火花点火装置至少部分插入所述反应罐中。

在一种优选的实施方式中，所述输送管线单元包括外管、设置外管中的内管和并列设置在所述内管中的钻头供电线缆、燃料气管线、钻井液输送管线、氧气输送管线、以及高压点火电缆线。

在一种优选的实施方式中，所述外管与所述内管之间用于输送冷却水。

在一种优选的实施方式中，所述外管为油管，所述油管与所述钻头固定盘相固定连接。

本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

本申请中的钻井系统由于将钻头的驱动电机设置在钻头固定盘上，当钻头固定盘深入深井硬地层中时，驱动电机能够直接带动钻头进行旋转，如此，可以大大提高转速以及能量的传输效率，避免了将驱动电机设置在地面上，通过复杂的传动连接将扭矩传递至井下的钻头上而造成的能量传递低下的问题。其次，在所述钻头固定盘上具有的热力射流反应腔单元，通过输送管线单元、燃料输送单元、氧气输送单元、钻井液输送单元等向热力射流反应腔单元输送相应的反应物质，在热力射流点火单元的作用下生成超临界水和二氧化碳混合的热力射流流体，该热力射流流体并通过热力射流单元射向钻头所钻的岩石，热力射流流体冲击岩石，致使岩石表面产生裂缝直至裂解，在钻头不断的转动下达到快速破岩的目的，通过上述过程，本钻井系统能够高效的对部地层中硬度高的岩石进行有效破碎，从而提高钻速以及钻井效率。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明实施例中钻井系统的结构系统示意图。

图2为本发明实施例中钻井系统中输送管线单元内管的结构示意图。

图3为本发明实施例中钻井系统中热力射流钻头的剖面图。

图4为本发明实施例中钻井系统中热力射流钻头的仰视图。

以上附图的附图标记：

1、热力射流钻头；11、钻头固定盘；12、热力射流单元；121、贯穿孔；1211、第一段孔洞；1212、第二段孔洞；1213、台阶；122、第一弹簧；123、第一伸缩管；124、第二弹簧；125、第二伸缩管；126、压紧螺母；13、水冷流道；14、钻头驱动电机；15、钻头；16、热力射流反应腔单元；161、反应罐；162、钻井液集箱；163、燃料集箱；164、氧气集箱；165、喷射孔；166、热力射流喷射管；17、热力射流点火单元；2、输送管线单元；21、外管；22、内管；23、钻头供电线缆；24、燃料气管线；25、钻井液输送管线；26、氧气输送管线；27、高压点火电缆线；3、燃料输送单元；31、燃料罐；32、加压泵；4、钻井液输送单元；41、搅拌塔；42、加压泵；5、氧气输送单元；51、氧气罐；52、加压泵；6、钻井液回收单元；61、抽取泵；62、固液分离塔。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了能够对深部地层中硬度高的岩石进行有效破碎，在本申请中提出了一种一种钻井系统，图1为本发明实施例中钻井系统的结构系统示意图，如图1所示，钻井系统包括：热力射流钻头1，热力射流钻头1包括：钻头固定盘11，钻头固定盘11上设置有能够进行伸缩的热力射流单元12以及用于输送冷却水的水冷流道13；设置在钻头固定盘11上的钻头驱动电机14；与钻头驱动电机14相传动连接的钻头15；设置在钻头固定盘11上的热力射流反应腔单元16，其与热力射流单元12相连通并用于生成热力射流流体，并将热力射流流体输送给热力射流单元12；热力射流点火单元17，热力射流点火单元17用于对热力射流反应腔单元16进行点火；输送管线单元2，输送管线单元2向热力射流钻头1中的热力射流反应腔单元16、水冷流道13、热力射流点火单元17输送相应的流体和电力；与输送管线单元2相连接的燃料输送单元3，其用于将燃料气体加压后输送至输送管线单元2；与输送管线单元2相连接的氧气输送单元5，其用于将氧气加压后输送至输送管线单元2；与输送管线单元2相连接的钻井液输送单元4，其用于将钻井液加压后送至输送管线单元2；钻井液回收单元6，其能与油井井口相连通以回收井下返排至地面的钻井液。

通过本申请研究人员发现，针对深层硬地层，岩石热裂解破岩方法可以是一种行之有效的方式，通过岩石热裂解破岩可以使得岩石表面的碎片剥落，加快深层硬地层中新的岩面显露，进而使得钻头15的应力得以释放，钻进持续进行，最终可以有效的提高了钻井的速度。为了能够使得岩石热裂解进而达到破岩的目的，在本申请中研制出了热力射流破岩钻井技术。该技术利用燃料燃烧的化学能产生具有一定温度和压力的高温热力射流，进行冲击岩石后迅速传热，致使岩石表面产生裂缝直至裂解，在新的岩屑剥离表面后进一步钻进，达到快速破岩钻井的目的。上述钻井系统为热力射流破岩钻井技术中的关键装置之一。

钻井系统中的热力射流钻头1通过输送管线单元2下入至深层硬地层，为了能够有效的对深层硬地层进行钻进，通过设置在钻头固定盘11上的钻头驱动电机14，电机产生的驱动力直接通过传动连接带动钻头15转动，如此使得钻头15在深层硬地层中慢慢对岩石进行钻进。此时，为了能够有效的破碎岩石，燃料输送单元3通过输送管线单元2向热力射流反应腔单元16输送加压后的燃料气体，氧气输送单元5通过输送管线单元2向热力射流反应腔单元16输送加压后的氧气。

然后通过热力射流点火单元17对热力射流反应腔单元16进行点火，此时，可以控制反应腔单元内的温度达到400-500℃，压力达到30mpa，在该温度和压力下，注入反应腔内生成的水处于超临界状态。当温度达到374.1℃，压力达到21.83mpa时，因高温而膨胀的水的密度和因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相等，水达到超临界状态，呈现出高温高压的均相流体状态。此时，钻井液输送单元4通过输送管线单元2向热力射流反应腔单元16输送钻井液，钻井液与上述高温高压的流体进行耦合，调制成稳定的超临界水与二氧化碳的热力射流流体，热力射流流体从热力射流单元12射出，进而射向岩石，热力射流流体冲击岩石后迅速传热，致使岩石表面产生裂缝直至裂解，与此同时，在钻头15不断的转动下达到快速破岩的目的。在上述整个过程中，通过输送管线单元2不断向钻头固定盘11中的水冷流道13输送冷却水，冷却水用于对钻头15周围的机械结构进行冷却。冷却水与钻井液同时将破碎后的岩屑携带出井筒，达到清洗井底的目的。在地面上通过与油井井口相连通的钻井液回收单元6回收井下返排至地面的钻井液和/或冷却水。

本申请中的钻井系统由于将钻头15的驱动电机设置在钻头固定盘11上，当钻头固定盘11深入深井硬地层中时，驱动电机能够直接带动钻头15进行旋转，如此，可以大大提高转速以及能量的传输效率，避免了将驱动电机设置在地面上，通过复杂的传动连接将扭矩传递至井下的钻头15上而造成的能量传递低下的问题。其次，在钻头固定盘11上具有的热力射流反应腔单元16，通过输送管线单元2、燃料输送单元3、氧气输送单元5、钻井液输送单元4等向热力射流反应腔单元16输送相应的反应物质，在热力射流点火单元17的作用下生成超临界水和二氧化碳混合的热力射流流体，该热力射流流体并通过热力射流单元12射向钻头15所钻的岩石，热力射流流体冲击岩石，致使岩石表面产生裂缝直至裂解，在钻头15不断的转动下达到快速破岩的目的，通过上述过程，本钻井系统能够高效的对部地层中硬度高的岩石进行有效破碎，从而提高钻速以及钻井效率。

在上述过程中，通过在钻头固定盘11上设置的水冷流道13不断向钻头15周围输送冷却水，该冷却水一方面起到保护钻头15的目的，防止钻头15温度过高，从而达到增大钻头15钻时的目的；另外一方面冷却水将钻头15钻进过程中产生的岩屑冲洗带走，通过油管和井壁之间返排至地面，如此可以有效防止井底岩屑卡钻，使得钻速增大，提高钻井效率。

为了能够更好的理解本申请中的钻井系统，下面将对其做进一步解释和说明。图3为本发明实施例中钻井系统中热力射流钻头1的剖面图，如图3所示，热力射流钻头1包括：钻头固定盘11，钻头固定盘11上设置有能够进行伸缩的热力射流单元12以及用于输送冷却水的水冷流道13；设置在钻头固定盘11上的钻头驱动电机14；与钻头驱动电机14相传动连接的钻头15；设置在钻头固定盘11上的热力射流反应腔单元16；用于对热力射流反应腔单元16进行点火的热力射流点火单元17。

钻头固定盘11的上端可以通过螺纹与油管相连接，通过油管将钻头固定盘11伸入至深部地层中以进行钻进。设置在钻头固定盘11上的热力射流单元12可以包括：在钻头固定盘11内开设的贯穿孔121、设置在贯穿孔121内的第一弹簧122、与第二弹簧122相抵的第一伸缩管123、设置在第一伸缩管123内的第二弹簧124以及第二伸缩管125，第二弹簧122的上端能与钻头固定盘相固定，第二弹簧124与第二伸缩管125相连接，第二伸缩管125能在第一伸缩管123中滑动以使第二伸缩管125的下端伸出贯穿孔121。具体而言，贯穿孔121可以包括第一段孔洞1211和与第一段孔洞1211相连接的第二段孔洞1212，第一段孔洞1211和与第二段孔洞1212之间形成台阶1213，第一段孔洞1211内的上端设置有压紧螺母126，压紧螺母126能与第一弹簧122的上端相抵，第一伸缩管123设置在第一段孔洞1211中，第一伸缩管123的下端能与台阶1213相抵触，第一伸缩管123能在第一段孔洞1211中滑动，至少部分第二伸缩管125位于第一伸缩管123中，至少部分第二伸缩管125穿设在贯穿孔121的第二段孔洞1212中。当热力射流反应腔单元16形成有超临界水和二氧化碳混合的热力射流流体时，热力射流流体流入钻头固定盘11内的贯穿孔121，在压力的作用下，第二弹簧122和第二弹簧124受压，以使得第一伸缩管123和第二伸缩管125向下伸出，同时第二伸缩管125在第一伸缩管123内滑动以使得第二弹簧124的下端与第一段孔洞1211相抵，第二伸缩管125的下端向下伸出贯穿孔121。通过上述方式，在需要进行射流时可以通过第二伸缩管125有效缩短热力射流的第二伸缩管125出口与地层之间的距离，大大增大了热力射流单元12向岩石喷射的速度与喷射压力。

在一种可行的实施方式中，热力射流单元12可以为多个，所述钻头固定盘沿竖直方向具有轴线，热力射流单元12绕钻头固定盘11的轴线呈圆周分布，图4为本发明实施例中钻井系统中热力射流钻头1的仰视图，如图4所示，在该实施例中，热力射流单元12为三个，每一个热力射流单元12位于两个钻头15之间。

钻头驱动电机14设置在钻头固定盘11上，钻头15则直接通过联轴器连接在钻头驱动电机14上。在本实施方式中，钻头15可以选用牙轮钻头15，其可以采用镍合金，为提高耐高温性，在其表面还可镀有碳化钨。钻头15可以为多个，其绕钻头固定盘11的轴线呈圆周分布，钻头15与钻头固定盘11的轴线之间可以具有一定的角度，具体而言，钻头15的头部略朝向钻头固定盘11的轴线，如此，可以使得多个钻头15在配合作用下更易对岩石进行破碎。

用于输送冷却水的水冷流道13设置在钻头固定盘11上，水冷流道13与输送管线单元2相连接，水冷流道13将输送管线单元2中输送的冷却水经钻头固定盘11的水冷流道13射出对钻头15进行冷却，使得机械钻头15部分能最大时间延长机械钻时，从而可以使整体钻头15的进尺和钻速都大大提高。在钻头15周围处可以均匀分布水冷流道13，以提供高速冷却水，冷却水高速经过水冷流道13，一方面起到冷却、保护钻头15的目的，同时可以将钻头15破碎的岩屑冲离钻头15处，然后通过油管与井壁之间返排出井筒，达到清洗井底的目的。在一个优选的实施方式中，在钻头固定盘11中，水冷流道13位于热力射流单元12的外侧，可以冷却钻头15外表面与地层接触部分，延长机械钻时，而且在水冷流道13排出冷却水时不会影响到热力射流单元12出口处的射流。

热力射流反应腔单元16可以包括：用于形成热力射流的反应罐161；环设在反应罐161旁的钻井液集箱162，钻井液集箱162通过热力射流喷射管166与反应罐161相连通；设置在反应罐161上方的燃料集箱163和氧气集箱164，燃料集箱163与反应罐161之间的壁面上开设有喷射孔165，氧气集箱164与反应罐161之间的壁面上开设有喷射孔165。在本实施方式中，反应罐161的上部连接有燃料集箱163和氧气集箱164，燃料集箱163与输送管线单元2中的燃料气管线24相连接，氧气集箱164与输送管线单元2中的氧气输送管线26相连接。燃料集箱163与反应罐161之间存在共同的壁面，在该壁面上开设有多个喷射孔165，氧气集箱164与反应罐161之间也存在共同的壁面，在该壁面上开也设有喷射孔165。该反应罐161的顶部设置有热力射流点火单元17，热力射流点火单元17包括电火花点火装置，电火花点火装置至少部分插入反应罐161中。当氧气集箱164和燃料集箱163中的物质通过喷射孔165射入反应罐161后，通过电火花点火装置点燃，以使得燃料和氧气在反应罐161的上部发生反应以在高温高压的条件下形成超临界水和二氧化碳的热力射流。在反应罐161的内部镀有碳化钨、钨钢等耐高温材料，以延长反应罐161的使用寿命。反应罐161的下端设置有钻井液集箱162，钻井液集箱162位于氧气集箱164和燃料集箱163的下方，钻井液集箱162通过热力射流喷射管166与反应罐161相连通，当反应罐161内部的上方生成热力射流时，在高温高压条件下，钻井液通过热力射流喷射管166射入反应罐161中进一步调制，平衡地层压力，以形成稳定的超临界水与超临界二氧化碳的热力射流。该射流最终再从与反应罐161相连接的热力射流单元12射出。上述结构中，将输送管线单元2连接于地面和反应罐161之间，以控制反应罐161内反应的进行，关闭输送管线单元2中的高压点火电缆线27或关闭流体输送管线均可起到结束射流进程的作用，更加安全可靠。

输送管线单元2与热力射流钻头1相连接，其用于向热力射流钻头1中的热力射流反应腔单元16、水冷流道13、热力射流点火单元17输送相应的流体和电力等。在一种可行的实施方式中，图2为本发明实施例中钻井系统中输送管线单元2内管22的结构示意图，如图2所示，输送管线单元2可以包括外管21、设置外管21中的内管22和并列设置在内管22中的钻头供电线缆23、燃料气管线24、钻井液输送管线25、氧气输送管线26、以及高压点火电缆线27。钻头供电线缆23与钻头驱动电机14相连接，燃料气管线24与燃料集箱163相连接，钻井液输送管线25与钻井液集箱162相连接，氧气输送管线26与氧气集箱164相连接，高压点火电缆线27与热力射流点火单元17相连接。

如图3所示，外管21可以为油管，油管与钻头固定盘11相固定连接。外管21与内管22之间用于输送冷却水，其与钻头固定盘11上的水冷流道13相连通。

如图1所示，燃料输送单元3与输送管线单元2相连接，其用于将燃料气体加压后输送至输送管线单元2。燃料输送单元3具体与输送管线单元2中的燃料气管线24相连接，燃料输送单元3包括燃料罐31以及加压泵32，燃料罐31中的燃气通过燃料气加压泵32进行加压并输送到输送管线单元2中的燃料气管线24中。

如图1所示，氧气输送单元5与输送管线单元2相连接，其用于将氧气加压后输送至输送管线单元2。氧气输送单元5具体与输送管线单元2中的氧气输送管线26相连接，氧气输送单元5包括氧气罐51和加压泵52，氧气罐51中的氧气通过加压泵52进行加压并输送到输送管线单元2中的氧气输送管线26中。

如图1所示，钻井液输送单元4与输送管线单元2相连接，其用于将钻井液加压后送至输送管线单元2。钻井液输送单元4具体与输送管线单元2中的钻井液输送管线25，钻井液输送单元4包括搅拌塔41和加压泵42，泥浆固相颗粒与水通过搅拌塔41进行搅拌混合形成钻井液，钻井液通过加压泵42进行加压并输送到输送管线单元2中的钻井液输送管线25中。

如图1所示，钻井液回收单元6能与油井井口相连通以回收井下返排至地面的钻井液和/或冷却水。在本申请中不对钻井液回收单元6做任何限制，其只需满足回收井下返排至地面的钻井液和/或冷却水即可。在一种优选的实施方式中，钻井液回收单元6可以包括固液分离塔62，固液分离塔62分别与搅拌塔41和输送管线单元2中的外管21与内管22之间相连接。地层与外管21形成的钻井液返回环空，返排钻井液、冷却水和岩屑进入钻井液回收单元6中的固液分离塔62中进行固液分离，钻井液经过固液分离塔62中的振动筛与岩屑进行分离，固液分离塔62中的液体部分经抽取泵61重新进入到搅拌塔41中进行使用，另一部分送入输送管线单元2中的外管21与内管22之间作为冷却水使用。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。