专利名称：油气井反循环钻井方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明屑于石油钻探技术领域，是一种制造并利用钻柱内、外的钻井液密度差，实现钻井液反循环的钻井方法和实现本方法所采用的配套设备。本发明通过双层钻具的气体通道，向双层钻具内注入压缩空气，注入的空气在一定深度处进入钻具内与钻具内钻井液混合，降低钻柱内钻井液的密度，使钻柱内的钻井液密度小于钻柱外钻井液密度，钻柱内、外钻井液形成密度差，将钻柱内钻井液举升到地面。在地面将钻井液处理后，通过循环泵，将处理后的钻井液灌注到钻柱和井壁之间的环空，实现油气井钻探的钻井液反循环钻井新技术。
目前，石油、天然气井钻井施工中，广泛采用的是常规正循环钻井液的钻井方法。这种方法是通过循环泵将钻井液加压送入水龙头，高压钻井液通过水龙头，进入钻柱内到达钻头，在井底携带岩屑，通过钻柱与井壁之间的环形空间，向上流出井眼。在钻井过程中，由于地质情况复杂，地层压力变化很大。经常会遇到地层压力较低的渗透地层或高压油气层。遇到低压渗透地层时，采用常规的正循环钻井，即使钻井液密度降到很低，也经常出现钻井液漏失到地层里的情况，造成携带井底岩屑困难，污染油气层。遇到高压油气层时，需要提高钻井液密度，造成钻井速度降低、卡死钻具等问题。为完成石油、天然气井钻井工作，适应复杂地层情况，必须投入大量设备与泥浆材料，即增加钻井成本，又对油层造成污染，减少了油气产量或不产油，有时甚至无法钻达目的层。
现在，有一种气举反循环的钻井新方法，主要应用于水井、水文地质井钻井工程的施工中。这种钻井方法的特点是采取气举反循环水携带岩屑。这种方法具有携带岩屑能力强，钻进速度快，钻头的使用寿命长，钻井成本低，防止漏失等优点。这种气举反循环的方法主要是，利用空气压缩机先将空气压缩成高压气体。高压气体通过进气管进入双层水龙头，再经双层水龙头、双层方钻杆、双层钻杆内管和外管之间的气体通道，进入混气器并压入双层钻杆内管。压入的高压空气进入内管形成细小气泡与钻柱内水混合。细小气泡在钻柱内水中不断举升并膨胀，推动钻柱内管中的水上升。高压空气不断进入钻杆内与水混合，在混和器上部的内管中形成低密度气、水混合物。而钻柱外部的环形空间中，水的密度保持不变。这样形成了钻柱外环空中的水密度大于钻柱内气、水混合物的密度，钻柱内压强小于钻柱外的压强。根据连通器原理，钻柱外部的水在压差的作用下，携带着井底岩屑，通过钻头水眼不断进入钻柱内并向上流动，形成反循环，直至地面，到达沉沙池。经过沉淀，清除岩屑以后的水流回井眼环形空间，经环形空间到达井底。水到达井底后，又经钻头水眼进入钻柱内。如此钻井液不断反循环，钻杆和钻头在转盘的带动下不停转动，被钻头破碎的岩屑通过反循环的水带到地面。所使用高压气体的压力一般在0.6-3Mpa之间。风量由钻杆内径大小决定。比如使用钻杆的内径为95mm时，其风量约为4m3/min；使用钻杆内径为120mm时，其风量约为5m3/min。现有技术气举反循环水的钻井方法，应用于水井、水文地质井钻井工程施工中，已经得到了推广使用。取得了较好的效果，解决了钻水井、水文地质井技术中存在的许多实际问题。现有技术气举反循环水的方法，所钻探的目的层为粘土层或低压稳定层，不会造成高压井喷，更不可能象石油、天然气井那样钻至高压油气层，发生井喷，喷出天然气或石油。现有的气举反循环水的钻井方法所采用的设备主要有空气压缩机、高压进气管、双层水龙头、双层方钻杆、双层钻杆、混气器、普通钻杆、钻头。用高压进气管将空气压缩机和双层水龙头连接。双层水龙头下接双层方钻杆。双层方钻杆下用螺纹连接双层钻杆。双层钻杆下接混气器。混气器下接普通钻杆、钻铤和钻头。
在以石油、天然气为目的的钻井工程中，完成一口井，一般需要钻深在2000米至6000米，最深的井能达到10000米。井下地质情况非常复杂，地层压力变化大，有时遇到高压油气层，可能发生井喷；有时遇到低压漏失层，可能发生钻井液漏失现象。现有气举反循环水钻井方法中，采用的循环流体是水，水的密度为1g/cm3，不能根据地层压力情况改变其密度。现有气举反循环钻井液技术的地面设备不能适应石油、天然气井钻井要求，缺少井控设备，没有有效控制井喷或井漏的工艺措施。当钻探至高压油气层时，井眼中钻井液密度控制不当容易引发井喷事故。发生井喷后，现有的气举反循环水钻井方法，没有控制井喷的设备，也没有压井措施，一旦发生井喷，会造成人员伤亡和经济损失。当发生井漏时，钻井液大量漏失，加大钻井成本，严重漏失时无法钻进，也无法调整钻井液密度防止漏失。现有气举反循环钻井方法及设备无法实现油气井钻井作业。
本发明的目的是，克服现有气举反循环钻井方法和装备只能适应于钻水井、水文地质井，即地层压力变化小的井，不能适应地质情况复杂的石油、天然气井钻井要求的缺点。从钻井工艺和设备方面进行创新、改进，预防和控制井喷事故、井漏事故发生，使气举反循环钻井技术能应用于石油、天然气井钻井要求，能完成石油、天然气井钻井任务。
为实现本发明的目的，在现有反循环水钻井技术的基础上，对其钻井工艺方法、所使用的循环液及设备配置方面都进行了较大的创新和改进。
本发明在设备配置方面是这样实现的石油、天然气井气举反循环钻井液钻井技术的设备与原有技术气举反循环的设备有所不同。本发明采用的主要设备有空气压缩机、高压进气管、水龙头、双层方钻杆、双层钻杆、混气器、普通钻杆、钻铤和钻头。高压进气管一端连接空气压缩机。双层方钻杆下用螺纹连接双层钻杆。混气器下接普通钻杆、钻铤和钻头。本发明采用配套设备方面的技术特征在于高压进气管另一端连接双层注气接头。高压进气管是一种能承受1-15MPa软管，长度在20米至40米之间。双层注气接头上部接出液控制阀，出液控制阀上部接普通钻井水龙头。水龙头上部接高压水龙带、高压管线并连接循环泵。双层注气接头下接双层方钻杆。双层钻杆下部下接环形防喷阀。环形防喷阀是一种单流阀，发生井喷时自动关闭。环形防喷阀下接混气器。这些装备的安装工作，在钻井技术工人都能完成，不详细叙述。在井口安装有防喷器。防喷器是定型产品，其安装工作是由钻井工人完成的。防喷器上部有回注钻井液的回注口。高压管线一端连接循环泵，一端连接防喷器回注口。这样可以实现地面的钻井液回注到井口环形空间。循环泵可以通过高压管线、回注口向井内环形空间回注钻井液。本发明技术特征还有水龙头下安装出液控制阀。出液控制阀是当发生井涌，钻柱内钻井液涌出时，可以及时关闭，有效控制钻柱内的井喷。双层钻杆下连接环形防喷阀，当发生井喷时，环形防喷阀自动关闭，防止井液从双层钻具内管和外管之间的气体通道喷出。在井口上安装防喷器，当发生井喷时，及时关闭井眼环形空间，控制钻柱外的井喷。在地面安装压井节流管汇、钻井液处理器。安装本发明设备的工作可在钻井技术人员的指导下，由井队工人完成。
本发明的具体操作方法是利用空气压缩机先将空气压缩成高压气体。高压气体通过高压进气管进入双层钻具内管和外管之间的气体通道，压入混气器并进入双层钻具内管。压入的压缩空气进入内管形成细小气泡与钻柱内钻井液混合。在混气器上部的内管中形成比钻柱外的钻井液密度低的钻井液。钻柱外部的钻井液在压差的作用下，携带岩屑，通过钻头水眼进入钻柱内并向上流动，经水龙头、水龙带、高压管线，直至到达钻井液处理器。转盘带动钻具和钻头转动，破碎岩层。本发明在操作工艺过程的技术特征是高压气体是通过双层注气接头进入双层钻具的空气通道。高压气体压强在0-6MPa之间，高压气体流量在2-5m3/min之间。由循环泵将钻井液注入防喷器上的回注口，并进入井眼环形空间，为井眼环形空间补充钻井液。回注压力在0-30MPa之间。在钻井液自重和气举压差共同作用下，钻井液经钻头水眼进入钻柱内，经水龙头、水龙带等反循环回到钻井液处理器。
当钻至井下地层压力系数高于钻井液密度，井下液柱的压力小于井底压力，发生井涌、井喷时，将钻井液加重剂加入钻井液处理器中，与钻井液混合成压井钻井液。配制成压井钻井液密度在1.2-2.5g/cm3之间。钻井液加重剂品种有重晶石粉、铁矿粉等。由循环泵将压井钻井液注入到井眼环形空间。使井眼内钻井液密度提高，达到井筒液柱压力接近地层压力。循环泵的泵压在5-30MPa之间。
当钻至井下地层压力系数低于钻井液密度时，井下钻井液的液柱压力高于井底地层压力，可能发生井漏现象。当发生井漏时，将钻井液减轻剂加入钻井液处理器中，配制成低密度钻井液。低密度钻井液的密度在0.6-1.2g/cm3之间。钻井液减轻剂种类很多，如发泡剂、柴油等。由循环泵将低密度钻井液注入到井眼环形空间。使井眼内钻井液密度降低，达到井眼液柱压力接近地层压力。泥浆泵泵压在0-5MPa之间。
本发明的效果用高压管线将循环泵与防喷器回注阀门连接。循环泵通过高压管线、防喷器回注阀门向井内环形空间回注钻井液。回注钻井液的密度可以根据地层压力变化进行调整，到达井眼内钻井液的压力和地层压力保持平衡，预防井喷、井涌或井漏事故。水龙头下安装出液控制阀，当发生井涌，钻柱内钻井液涌出时，及时关闭，有效控制钻柱内的井喷。在双层钻杆和混气器之间的环形防喷阀，当发生井喷时，自动关闭，防止井液从双层钻柱气体通道喷出。在井口上安装防喷器，当发生井喷时，及时关闭井眼环形空间设置的，控制钻柱外的井喷。在地面安装有钻井液处理器可以清除钻井液中的岩屑，更重要的是调整钻井液密度，使回注的钻井液与地层压力保持平衡。由于采取多项预防和控制井喷、井漏措施，适应了石油、天然气井地质条件复杂，地层压力系数变化大的特点。克服现有气举反循环钻井方法及装备只能适应于水井、地质井的钻探，不能适应地质情况复杂的石油、天然气井钻井要求的缺点，达到预防或控制井喷事故、井漏事故发生，使气举反循环钻井技术能适合石油、天然气井的钻井要求，完成钻井任务。
本申请附图所表示是，本发明气举反循环钻井的主要装备和工艺流程示意图。小箭头所指的是高压空气所经过的路线。长箭头所指的是钻井液反循环流动的方向和路线，其中断续的长箭头所指的是钻井液与高压气体混合后流动的方向和路线，连续的长箭头所指的是经过处理后的钻井液流动的方向和路线。水龙头(1)、出液控制阀(2)、双层注气接头(3)、双层方钻杆(4)、转盘(5)、高压进气管(6)、空气压缩机(7)、防喷器(8)、双层钻杆(9)、环形防喷阀(10)、混气器(11)、钻杆(12)、钻铤(13)、钻头(14)、气液分离器(15)、压井节流管汇(16)、高压管线(17)、水龙带(18)、泥浆泵(19)、阀门(20)、钻井液处理器(21)、实施例以完成一口3400米深的石油井为例。根据以往在本地区的勘探数据得知，本口井地层压力变化情况在2300-2400米地层为低压漏失段，地层压力系数为0.90；在2900-3100米为高压地层段，压力系数在1.50，容易发生井涌、井喷。如果采用现有技术反循环钻井水技术，是无法完成钻井工作的。
实现本发明钻井液反循环的设备及安装主要设备有空气压缩机(7)，型号为WF-5/60，排气压力为6MPa、容积流量为5m3/min。高压进气管(6)是能承受10MPa的高压软管，内径为100毫米，长度为35米。水龙头(1)是石油钻井使用的普通水龙头(1)。双层注气接头(3)是一种旋转密封双层接头，其上部连接出液控制阀(2)，下部连接双层方钻杆(4)。气体通道的密封方式与原有技术的双层方钻杆(4)、双层钻杆(9)相同。
用高压进气管(6)将空气压缩机(7)和双层注气接头(3)连接。双层注气接头(3)上部接普通钻井水龙头(1)。水龙头(1)上部接高压水龙带(18)、高压管线(17)并连接循环泵(19)。出液控制阀(2)下安装双层注气接头(3)，出液控制阀(2)外径为230毫米，长度600毫米，两端有钻杆丝扣。双层注气接头(3)下接双层方钻杆(4)。双层方钻杆(4)内管直径为73毫米，长度为13米。双层方钻杆(4)下用螺纹连接双层钻杆(8)。双层钻杆(8)内径也是73毫米，长度为9米。双层钻杆(9)下接混气器(11)。混气器(11)与原有技术的混气器相同。混气器(11)下接普通钻杆(12)、钻铤(13)和钻头(14)。在井口安装有防喷器(8)。防喷器(8)是一种能承受工作压力为35MPa的防喷器。其安装工作是由钻井工人能完成的。防喷器(8)个有回注钻井液的回注口。用高压管线(17)将泥浆泵(19)与回注口连接，通过倒换闸门(20)，实现钻井液正、反循环。
地面井场安装有气液分离器(15)、压井节流管汇(16)、钻井液处理器(21)。这些设备有定型产品，其安装工作由现场工人完成。
本发明的操作工艺过程利用空气压缩机(7)先将空气压缩成高压气体。高压气体通过双层注气接头(3)进入双层方钻杆(4)的空气通道。高压气体的压强为4MPa，高压气体流量为5m2/min。高压气体进入双层方钻杆(4)、双层钻杆(8)内管和外管之间的气体通道，经过环形单流阀(10)进入混气器(11)并压入双层钻杆(9)内管。压入的压缩空气进入内管形成细小气泡与钻柱内钻井液混合。在混和器(11)上部内管中形成比钻柱外钻井液密度低的钻井液。钻柱内钻井液的密度为0.8g/cm3，钻柱外环形空间钻井液密度为1.3g/cm3。钻柱外部的钻井液在压差的作用下，携带岩屑，通过钻头(14)水眼不断进入钻柱内并向上流动，直至地面，最后到达钻井液处理器(21)。转盘(5)带动钻具和钻头(14)转动，破碎岩层。经过净化处理的钻井液通过循环泵(19)回注井内。井眼环形空间内钻井液在自重和气举压差共同作用下，经钻头(14)水眼进入钻柱内，反循环回到钻井液处理器(21)。
当钻至井下2300-2400米地层为低压漏失段地层压力系数在0.90时，井下钻井液的密度为1.30，高于井底压力，可能发生井漏现象。当发生井漏时，将钻井液减轻剂加入钻井液处理器(21)中，配制密度在1.1g/cm3的低密度钻井液。加入的减轻剂为发泡剂。配制好的低密度钻井液由循环泵(19)注入到防喷器(8)上的回注口。使井筒内钻井液密度降低，液柱压力随之下降。达到井筒液柱压力接近地层压力，保持压力平衡，克服井漏。如果采用原有技术，钻至地层压力系数为0.9的漏失地层时，不能调整钻井液性能，降低密度，遇到这样的地层，无法钻进。
当钻至2900米时，进入高压地层，地层压力系数在1.5，发生井涌，控制不好可能发生井喷。井下钻井液密度为1.2，低于井底压力。及时将钻井液加重剂加入钻井液处理器(21)中，配制密度在1.6g/cm3的压井液。加入的加重剂为重晶石粉。配制好的压井液由循环泵(19)注入到防喷器(8)上的回注口，进入井眼环形空间。使井眼内钻井液密度提高到1.6g/cm3，达到井眼液柱压力接近地层压力。循环泵(19)泵压在10MPa，其流量为2m3/min。提前预防井涌、井喷事故。
如果上述预防井喷没有成功，发生了井喷事故，也不可怕。已经做好了控制井喷的准备工作。水龙头(1)下安装出液控制阀(2)。出液控制阀(2)当发生井涌，钻柱内钻井液涌出时，及时关闭，有效控制钻柱内井液的喷出。在井口上安装防喷器(8)，发生井喷时，可关闭防喷器(8)，控制钻柱外环形空间钻井液喷出。
当反循环钻井液钻井不能实现时，可以改用正循环钻井继续完成钻井工作。改变为正循环钻井的过程是首先，停止空气压缩机(7)的工作，停止向钻具内注高压空气。其次，倒换闸门(20)，使钻井液通过循环泵(19)加压后，经高压管线(17)、水龙带(18)、水龙头(1)向钻具内注钻井液。钻井液通过钻头(14)到环空，向上到防喷器(8)并流向钻井液处理器(21)。清除岩屑后的钻井液，通过循环泵(19)加压进入钻具内。本发明能在钻井工作需要时，将反循环钻井液钻井改变为正循环钻井液钻井。
权利要求
1.一种石油、天然气井气举反循环钻井方法，是利用空气压缩机(7)先将空气压缩成高压气体，高压气体进入双层方钻杆(4)、双层钻杆(9)内管和外管之间的气体通道，进入混气器(11)并压入双层钻杆(9)内管，在钻柱内与钻井液混合，在混和器(11)上部的内管中形成比钻柱外的钻井液密度低的混合钻井液，钻柱外部的钻井液在压差的作用下，携带岩屑，在钻柱内向上流动，通过水龙头(1)、水龙带(18)到达地面钻井液处理器(21)，经过清除岩屑等处理后，补充进钻柱外环形空间，其技术特征在于高压气体的压强为0-6MPa之间，高压气体流量在2-5m3/min之间，压强高压气体是通过双层注气接头(3)进入双层方钻杆(4)的空气通道，经过处理的钻井液通过循环泵(19)回注井眼环形空间，回注压力在0-30MPa之间，当发生井涌、井喷时，将钻井液加重剂加入钻井液处理器(21)中，配制压井钻井液，密度在1.2-2.5g/cm3之间，由循环泵(19)注入到防喷器(8)上的回注口，压注到井眼环形空间，循环泵(19)的泵压在5-30MPa之间，当发生井漏时，将钻井液减轻剂加入钻井液处理器(21)中，配制密度在0.6-1.2g/cm3之间的低密度钻井液，由循环泵(19)将钻井液注入到防喷器(8)回注口，并压注到井眼环形空间，循环泵(19)的泵压在0-5MPa之间。
2.一种石油、天然气井气举反循环钻井方法所使用的配套设备，有空气压缩机(7)、高压进气管(6)、水龙头(1)、双层方钻杆(4)、双层钻杆(9)、混气器(11)、普通钻杆(12)、钻铤(13)和钻头(14)，双层方钻杆(4)下连接双层钻杆(9)，混气器(11下接普通钻杆(12)、钻铤(13)和钻头(14)，本发明在配套设备方面的技术特征是高压进气管(6)另一端连接双层注气接头(3)，高压进气管(6)能承受1-15MPa软管，长度在20米至40米之间，双层注气接头(3)上部接普通钻井水龙头(1)，水龙头(1)上部接高压水龙带(18)、高压管线(17)并连接循环泵(19)，水龙头(1)下安装出液控制阀(2)，出液控制阀(2)下接双层注气接头(3)、双层方钻杆(4)，双层钻杆(9)下接环形防喷阀(10)，环形防喷阀(10)下接混气器(11)，在井口安装有防喷器(8)，防喷器(8)上有回注钻井液的回注口，高压管线(17)一端连接循环泵(19)，一端连接防喷器(8)回注口，在地面安装有压井节流管汇(16)、钻井液处理器(21)和气液分离器(15)。
3.如权利要求1所述的一种石油、天然气井气举反循环钻井方法，其特征在于钻井液加重剂为重晶石粉。
4.如权利要求1所述的一种石油、天然气井气举反循环钻井方法，其特征在于钻井液减轻剂为发泡剂。
5.如权利要求1所述的一种石油、天然气井气举反循环钻井方法，其特征在于钻井液加重剂为铁矿粉。
6.如权利要求1所述的一种石油、天然气井气举反循环钻井方法，其特征在于钻井液减轻剂为柴油。
7.如权利要求1、或3、或4、或5、或6所述的一种石油、天然气井气举反循环钻井方法，其特征在于当反循环钻井液钻井不能实现时，改为正循环钻井，首先，停止空气压缩机(7)的工作，停止往钻具内注高压空气，其次，倒换闸门(20)，使钻井液通过循环泵(19)加压后，经高压管线(17)、水龙带(18)、水龙头(1)向钻具内注钻井液，钻井液从防喷器(8)注入口返回钻井液处理器(21)，清除岩屑后的钻井液，通过循环泵(19)加压进入钻具内。
全文摘要
本发明属于石油钻井技术领域,是一种利用钻柱内、外钻井液压差,实现钻井液反循环的新方法。本发明特征是利用空气压缩机(7)向双层注气接头(3)内注入压缩空气,通过混气器(11)高压气体与钻柱内钻井液混合,降低钻柱内钻井液的密度,实现钻井液反循环。为适应地层在复杂情况,预防井喷、井漏事故发生,在设备配置上采用防喷器(8)、压井节流管汇(16)、出液控制阀(2)、环形单流阀(10),以及利用循环泵(19)向井眼环形空间注入适合地质情况的钻井液。其效果能控制钻柱内与钻柱外部钻井液的压差,又能保证地层压力与钻井液压力平衡,预防或控制井喷、井漏事故发生。
文档编号E21B21/00GK1356451SQ0210033
公开日2002年7月3日 申请日期2002年1月11日 优先权日2002年1月11日
发明者潘卫国, 王益山, 刘东勤 申请人:华北石油管理局钻井工艺研究院