一种低温空气泡沫钻进装置及钻进方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种低温空气泡沫钻进装置及钻进方法，适用于冻土地层和陆地天然 气水合物层的钻进，特别是缺水地区。
【背景技术】
[0002] 冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰，同时陆地永冻区是 陆地天然气水合物的存在区域，我国是世界上多年冻土分布面积的第三大国，所以冻土钻 探对冻土区天然气水合物钻采来说十分重要。
[0003] 冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。由于这些特征，冻土钻进中如 果忽视温度因素，那么冰胶结的松散岩层可能因受热失去粘结而丧失稳定性，从而导致复 杂的情况的出现，如：孔壁坍塌；钻井液在孔壁上结冰，造成缩径；钻具以过冷状态下钻，冻 结孔壁上；岩矿芯采取率低。因此，在冻土层钻进中，需要采用低温冲洗介质保持孔内的低 温来稳定孔壁，保证正常高效的钻进。天然气水合物只存在于低温、高压的条件下，在天然 气水合物钻进中，如果钻井液循环温度高于水合物层稳定温度，会引起水合物分解，无法取 得原位保真的水合物样品，还会产生一系列孔内事故。因此，在天然气水合物钻进中采用低 温冲洗介质抑制水合物层在钻进过程中发生分解，取得水合物原位保真样品，保证钻进的 正常进行是十分可行的。
[0004] 目前，在冻土钻进和天然气水合物钻进中，采用保压钻具或大直径绳索取心钻具 配合泥浆冷却技术来进行钻进，作为核心的低温泥浆冷却技术现在主要有：加拿大马更些 三角洲永冻层天然气水合物钻井中泥浆冷却装置采用的是一种平板式的换热器；美国阿拉 斯加北部斜坡天然气水合物试采井一一热冰1井钻井中采用的泥浆冷却装置，其原理是使 用氨水为制冷剂的制冷机组通过板式换热器制冷乙二醇溶液，被制冷后的乙二醇溶液再通 过螺旋板式换热器冷却泥浆；在我国祁连山天然气水合物钻进中，采用的钻井泥浆强制冷 却循环系统使用同轴套管式换热器。以上设备存在的不足如下：①冻土区比较缺水，不利于 钻井泥浆的配制及补充；②钻井泥浆的比热大，制冷所需的能量大，不易制冷；③钻井泥浆 的导热系数高，对地层温度影响大。
【发明内容】
[0005] 本发明针对上述现有技术的不足，提出一种适用于冻土地层和陆地天然气水合物 层的低温钻进装置及方法，能降低制冷系统所需功率，减少钻进过程中冲洗介质对地层温 度的影响，特别是在缺水地区，减小用水量。
[0006] 本发明的技术方案是：在常规空气泡沫钻进工艺的基础上，通过制冷系统将泡沫 液、空气和空气泡沫进行制冷，形成低温空气泡沫钻进装置及方法。
[0007] 本发明是由空气泡沫钻进系统和制冷系统组成，其中空气泡沫钻进系统为现有系 统不再赘述，制冷系统包括是泡沫液制冷系统、空气制冷系统、空气泡沫制冷系统； 泡沫液制冷系统的结构是：泡沫液制冷换热器的制冷剂出口通过管路与制冷机组入口 阀组相连，入口阀组通过管路与制冷机组水泵的进口相连，制冷机组水泵的出口通过管路 与与制冷机组入口相连，制冷机组出口通过管路与制冷机组出口阀组相连，出口阀组通过 管路与泡沫液制冷换热器的制冷剂入口相连，完成制冷剂的制冷和循环。泡沫液箱的泡沫 液出口通过管路与泡沫液制冷水泵的进口相连，泡沫液制冷水泵的出口通过管路与泡沫液 制冷换热器的泡沫液进口相连，泡沫液制冷换热器泡沫液出口通过管路与泡沫液箱的低温 泡沫液入口相连，形成泡沫液的制冷循环。泡沫液箱的泡沫液出口通过管路与泡沫液泵的 入口相连，泡沫液泵的出口通过管路与泡沫发生装置的泡沫液入口相连，实现泡沫液的注 入。
[0008] 空气制冷系统的结构是：空气制冷换热器的制冷剂出口通过管路与制冷机组入口 阀组相连，入口阀组通过管路与制冷机组水泵的进口相连，制冷机组水泵的出口通过管路 与制冷机组入口相连，制冷机组出口通过管路与制冷机组出口阀组相连，出口阀组通过管 路与空气制冷换热器的制冷剂入口相连，形成制冷剂的制冷和循环。空气压缩机的空气出 口通过管路与空气冷却器的入口相连，空气冷却器的出口通过管路与空气制冷换热器的空 气入口相连，空气制冷换热器的空气出口通过管路与泡沫发生器的空气入口相连，实现空 气的制冷和注入。
[0009] 空气泡沫制冷系统的结构是：空气泡沫制冷换热器的制冷剂出口通过管路与制冷 机组入口阀组相连，入口阀组通过管路与制冷机组水泵的进口相连，，制冷机组水泵的出口 通过管路与制冷机组入口相连，制冷机组出口通过管路与制冷机组出口阀组相连，出口阀 组通过管路与空气泡沫制冷换热器的制冷剂入口相连，形成制冷剂的制冷和循环。泡沫发 生器的空气泡沫出口通过管路与空气泡沫制冷换热器的空气泡沫入口相连，空气泡沫制冷 换热器的空气泡沫出口与钻机的空气泡沫入口相连，实现空气泡沫的制冷和注入。
[0010] 制冷系统中通过制冷机组入口阀组（Vl)和制冷机组出口阀组（V2)的控制，泡沫 液制冷系统、空气制冷系统和空气泡沫制冷系统可以独立开启和关闭，实现单独制冷和同 时制冷。当环境温度较低时，只开启泡沫液制冷系统，随着环境温度的增加，再逐步开启空 气制冷系统和空气泡沫制冷系统以满足钻进要求。
[0011] 泡沫发生装置包括泡沫发生器和泡沫增压泵。当孔深较浅时采用泡沫发生器，当 孔深较深时采用泡沫增压泵。
[0012] 本发明之低温空气泡沫钻进方法包括以下步骤： ;!：:开启制冷机组和制冷机组水泵，同时开启制冷机组入口阀组和制冷机组出口阀组 中与泡沫液制冷换热器相连的阀门，将泡沫液制冷换热器中的制冷剂抽入制冷机组中进行 冷却；开启泡沫液制冷水泵，将泡沫液抽入泡沫液制冷换热器制冷后返回泡沫液箱；开启 泡沫液泵将泡沫液箱中的低温泡沫液抽入泡沫发生装置的泡沫液入口。
[0013] ②开启制冷机组入口阀组和制冷机组出口阀组中与空气制冷换热器相连的阀门， 将空气制冷换热器中的制冷剂抽入制冷机组中进行冷却；开启空气压缩机，抽入的空气先 进入空气冷却器进行一级制冷，然后进入空气制冷换热器进行二级制冷，制冷后的低温空 气进入泡沫发生装置的空气入口。
[0014] ③开启制冷机组入口阀组和制冷机组出口阀组中与空气泡沫制冷换热器相连的 阀门，将空气制冷换热器中的制冷剂抽入制冷机组中进行冷却；泡沫发生装置产生的空气 泡沫进入空气制冷换热器中进行制冷，现场的低温空气泡沫进入钻机的进水口。
[0015] ④钻进时，低温空气泡沫液经过钻具和钻头的中心进入孔底口，由环状间隙上返 到达地表，通过孔口密封装置进入消泡器进行消泡后流回泥浆池中，以此循环运行直至钻 进结束。
[0016] 本发明的有益效果： 利用空气泡沫含水少，比热低，导热系数低的性质，针对冻土层和陆地天然气水合物层 钻进的特点，发明了低温空气泡沫钻进方法，减少了钻进过程中冲洗介质对地层温度的影 响；减小了用水量，在缺水地区有良好的效果；降低了制冷钻井介质所需的功率，同时对制 冷系统采用多级制冷，独立控制，进一步优化了对制冷能量的利用。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的低温空气泡沫钻进装置示意图。
[0018] 图中：1-制冷机组，2-制冷机组水泵，3-泡沫液制冷换热器；4-泡沫液制冷 水泵，5-泡沫液箱，6-泡沫液泵，7-空气压缩机，8-空气冷却器，9一泡沫发生装置， 10-钻机，11-钻具，12-钻头，13-孔□密封装置，14--消泡器，15-空气制冷换热 器，16-空气泡沫制冷换热器，17-泥浆池，18-泥浆池水泵，VI-制冷机组入□阀组； V2-制冷机组出口阀组。
【具体实施方式】
[0019] 如图1所示，本发明的低温空气泡沫钻进装置是由空气泡沫钻进系统和制冷系统 组成，其中制冷系统包括是泡沫液制冷系统、空气制冷系统、空气泡沫制冷系统； 泡沫液制冷系统的结构是：泡沫液制冷换热器（3)的制冷剂出口与制冷机组（1)制冷 机组入口阀组（Vl)相连，制冷机组入口阀组（Vl)与制冷机组水泵（2)的进口相连，制冷机 组水泵（2 )的出口与制冷机组（1)入口相连，制冷机组（1)出口与制冷机组出口阀组（V2 ) 相连，制冷机组出口阀组（V2)与泡沫液制冷换热器（3)的制冷剂入口相连，形成制冷剂的 制冷和循环； 泡沫液箱（5)的泡沫液出口与泡沫液制冷水泵（4)相连，泡沫液制冷水泵（4)与泡沫液 制冷换热器（3)的泡沫液进口相连，泡沫液制冷换热器（3)泡沫液出口与泡沫液箱（5)的低 温泡沫液入口相连，形成泡沫液的制冷循环； 泡沫液箱（5)的泡沫液出口与泡沫液泵（6)的入口相连，泡沫液泵（6)的出口与泡沫发 生装置（9)的泡沫液入口相连，实现泡沫液的注入； 空气制冷系统的结构是：空气制冷换热器（8)的制冷剂出口与制冷机组入口阀组（Vl) 相连，制冷机组入口阀组（VI)与制冷机组水泵（2)相连，制冷机组水泵（2)的出口与制冷机 组（1)入口相连，制冷机组（1)出口与制冷机组出口阀组（V2)相连，制冷机组出口阀组（V2) 与空气制冷换热器（15)的制冷剂入口相连，形成制冷剂的制冷和循环； 空气压缩机（7)的空气出口与空气冷却器（8)的入口相连，空气冷却器（8)的出口与空 气制冷换热器（15)的空气入口相连，空气制冷换热器（15)的空气出口与泡沫发生装置（9) 的空气入口相连，实现空气的制冷和注入； 空气泡沫制冷系统的结构是：空气泡沫制冷换热器（16)的制冷剂出口与制冷机组入 口阀组（VI)相连，制冷机组入口阀组（VI)与制冷机组水泵（2)的进口相连，制冷机组水泵 (2 )的出口与制冷机组（1)入口相连，制冷机组（1)出口与制冷机组出口阀组（V2 )相连，制 冷机组出口阀组（V2)与空气泡沫制冷换热器（16)的制冷剂入口相连，形成制冷剂的制冷 和循环； 泡沫发生装置（9)的空气泡沫出口与空气泡沫制冷换热器（16)的空气泡沫入口相连， 空气泡沫制冷换热器（16)的空气泡沫出口与钻机（10)的空气泡沫入口相连，实现空气泡 沫的制冷和注入。
[0020] 制冷系统中通过制冷机组入口阀组（Vl)和制冷机组出口阀组（V2)的控制，泡沫 液制冷系统、空气制冷系统和空气泡沫制冷系统可以独立开启和关闭，实现单独制冷和同 时制冷；当环境温度较低时，只开启泡沫液制冷系统，随着环境温度的增加，再逐步开启空 气制冷系统和空气泡沫制冷系统以满足钻进要求； 泡沫发生装置（9)包括泡沫发生器和泡沫增压泵；当孔深较浅时采用泡沫发生器，当 孔深较深时采用泡沫增压泵。
[0021] 准备钻进时，开启泥浆池水