本发明属于到油气开采领域，尤其涉及一种利用液氮射流高效破岩的钻井装置与方法。
背景技术：
随着我国大部分油田进入开发中后期，我国的油气勘探开发已经从以前的整装大油气田、中高渗均质砂岩等良好的勘探开发条件，转移到复杂的中小油气田、断块油气田、低压低渗低产能、老油田改造、复杂储层条件、难动用储量、非常规油气等恶劣的勘探开发条件，钻井过程中遇到的复杂情况增多，并且随着井深的增加，钻井速度下降幅度明显增大，同时钻井成本也急剧增加，这直接影响到油田的勘探开发速度。高压水射流技术是提高钻井速度的有效途径之一，近十几年来得到了迅速的发展。
但是，高压水射流技术目前也存在着一些不足。高压水射流的破岩门限压力高，要实现复杂条件下辅助钻头破岩的条件，必须通过井下增压装置来提高射流压力。但在井下高温高压的复杂工作环境中，射流增压装置的工作寿命低，限制了该技术的推广应用。所以需要开发一种高效钻井新方法，以实现我国油气资源可持续发展的战略目标。
液氮是一个非常稳定的冷源，不与其它物质起反应，使用方便、环保，制备简单且原材料丰富，已经逐步受到人们的重视和认可。不仅在畜牧业、医疗事业、食品工业以及低温研究领域等方面得到越来越普遍的应用，而且在电子、冶金、航天、机械制造等方面应用不断拓宽和发展。液氮在石油天然气领域应用也非常广泛,目前现场主要以氮气的形式应用。对于传统的射流技术来说，不仅需要大量的水资源而且在射流液中添加许多化学物质，这对于环境的污染会非常严重。而采用液氮作为射流液，液氮的超低温不仅可以使岩石致裂，增加微裂缝，提高破岩效率。而且液氮在汽化后不会污染环境，可循环利用，这使得液氮可以成为一种优秀的无水射流液。但当液氮从喷嘴喷出后，压力急剧降低，体积快速膨胀，从而产生焦耳-汤姆逊效应，于是喷嘴的温度会急剧降低从而结冰，产生“冰包”。
综上所述，为了提高钻井速度，采用液氮作为射流液的射流技术有着无可比拟的优势，但“冰包”问题制约了该技术的进一步发展，解决上述过程中的“冰包”是目前需解决的关键问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种利用液氮射流高效破岩的钻井装置与方法，旨在解决目前钻井过程中钻井速度低及液氮产生“冰包”的问题。
本发明是这样实现的，一种利用液氮射流高效破岩的方法，包括：利用液氮作为射流介质，以脉冲的形式从高压射流喷嘴喷出，脉冲波进而压动高压射流喷嘴口的碟簧，使碟簧产生振动，带动整个喷嘴振动，杜绝冰包的产生。
进一步，该利用液氮射流高效破岩的方法还包括：-160℃～-149℃的液氮通过高压射流喷嘴喷出后使裂缝壁面产生超过岩石抗拉强度的热张应力，导致岩石壁面产生微裂缝，然后利用高压射流的液氮进行地层破岩；破岩后的液氮转换为氮气沿环空套管返回地面液氮压缩机进行循环利用。
本发明另一目的在于提供一种利用液氮射流高效破岩的钻井系统，系统设置有连续油管、液氮注入管道、环空套管、液氮压缩机、液氮泵组、连续油管作业车；所述连续油管套装在环空套管内部；所述液氮注入管道安装在连续油管内部；所述液氮注入管道连接液氮泵组；所述液氮泵组通过管道连接液氮压缩机；所述液氮压缩机连接环空套管；所述液氮泵组搁置在连续油管作业车上；所述液氮注入管道下部连接钻井装置；
所述钻井装置设置有钻井装置外壳；所述钻井装置外壳外上部设置有带内螺纹的上接头，所述上接头与连续油管螺纹连接；所述钻井装置外壳内上部设置有导流块；所述导流块下部连接有叶轮组；所述叶轮组下部连接有高压射流喷嘴；所述高压射流喷嘴的喷嘴口处通过密封环安装有碟簧组。
进一步，所述导流块通过螺纹连接在钻井装置外壳内上部；所述叶轮组由叶轮和叶轮座组成；所述叶轮由叶轮轴、叶片和通孔组成；叶轮座置于钻井装置本体内腔的定位台肩上；带有通孔的叶轮通过叶轮轴安装在叶轮座中。
叶轮组由叶轮和叶轮座组成，其中叶轮由叶轮轴、叶片和通孔组成。
进一步，所述的液氮压缩机为采用空气分离法制取液氮的液氮压缩机。
进一步，所述的液氮泵组为采用特殊泵机来作业的液氮泵组，用于满足低温液氮的注入。
进一步，所述的连续油管、液氮注入管道、环空套管均采用耐低温和耐腐蚀性管。
本发明提供的一种利用液氮射流高效破岩的钻井装置与方法，利用液氮在地层的作用原理，将液氮作为射流介质的射流技术与连续管技术相结合，实现地层高效破岩的；能有效地破损岩石，使钻采效率更高，成本更低。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)液氮能够导致岩石壁面产生微裂缝，提高破岩效率。
(2)液氮可以很大程度上保护地层，防止环境污染，另外氮本身对储层渗透性还具有改善作用。
(3)有效地防止液氮射流“冰包”的产生，保护钻头、钻具的安全。
(4)本发明结构简单，快捷方便，利于推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的利用液氮射流高效破岩的钻井系统的示意图。
图2是本发明实施例提供的钻井装置的示意图。
图3是本发明实施例提供的叶轮的三维示意图。
图中：1、水泥环；2、连续油管；3、液氮注入管道；4、叶轮组；5、高压射流喷嘴；6、环空套管；7、液氮压缩机；8、液氮泵组；9、连续油管作业车；10、装置外壳；11、叶轮座；12、碟簧组；13、密封环；14、叶轮；14-1、叶轮轴；14-2、叶片；14-3、通孔；15、导流块；16、上接头。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例子仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例提供的利用液氮射流高效破岩的钻井系统，系统设置有连续油管2、液氮注入管道3、环空套管6、液氮压缩机7、液氮泵组8、连续油管作业车9、钻井装置；所述连续油管2套装在环空套管6内部；所述液氮注入管道3安装在连续油管2内部；所述液氮注入管道3连接液氮泵组8；所述液氮泵组8通过管道连接液氮压缩机7；所述液氮压缩机7连接环空套管6；所述液氮泵组8搁置在连续油管作业车9上；所述液氮注入管道3下部连接钻井装置；
如图2和图3所示，所述钻井装置设置有钻井装置外壳10；所述钻井装置外壳10外上部设置有带内螺纹的上接头16，所述上接头16与连续油管螺纹连接；所述钻井装置外壳10内上部设置有导流块15；所述导流块15下部连接有叶轮组4；所述叶轮组4下部连接有高压射流喷嘴5；所述高压射流喷嘴5的喷嘴口处通过密封环13安装有碟簧组12。
所述导流块15通过螺纹连接在钻井装置外壳内上部；所述叶轮组4由叶轮14和叶轮座11组成；所述叶轮14由叶轮轴14-1、叶片14-2和通孔14-3组成；叶轮座11置于钻井装置本体内腔的定位台肩上；带有通孔的叶轮14通过叶轮轴14-1安装在叶轮座11中。
所述的液氮压缩机7为采用空气分离法制取液氮的液氮压缩机。
所述的液氮泵组8为采用特殊泵机来作业的液氮泵组，用于满足低温液氮的注入。
所述的连续油管2、液氮注入管道3、环空套管6均采用耐低温和耐腐蚀性管。
本发明实施例提供的利用液氮射流高效破岩的方法，包括：
利用液氮作为射流介质，以脉冲的形式从高压射流喷嘴喷出，脉冲波进而压动高压射流喷嘴口的碟簧，使碟簧产生振动，带动整个喷嘴振动，杜绝冰包的产生。
该利用液氮射流高效破岩的方法还包括：-160℃～-149℃的液氮通过高压射流喷嘴喷出后使裂缝壁面产生超过岩石抗拉强度的热张应力，导致岩石壁面产生微裂缝，利用高压射流的液氮进行地层破岩；破岩后的液氮转换为氮气沿环空套管返回地面液氮压缩机进行循环利用。
下面结合工艺流程对本发明实施例提供的利用液氮射流高效破岩的钻井系统做进一步描述。
1.制备液氮。从液氮压缩机中制备液氮，并输入液氮罐中储备。
2.油井准备。将作业井进行通井、洗井，做好作业准备；
3.组装工具。将导流块、叶轮组、高压射流喷嘴和碟簧组组装起来，然后和连续油管连接，组成完整的井下钻井管柱，通过连续油管的下入，来实现管线的送进。
4.将地面液氮泵组、连续油管及相应的管线进行连接。
5.下入管柱，开启地面液氮泵组，从连续油管内泵入液氮，开始循环作业。
6.控制连续油管速度，平稳进入。
7.具有高压高速的液氮经叶轮形成脉冲射流，从喷嘴喷出，开始破碎岩石。同时将井底产生的岩屑携带至地面，完成循环。
8.液氮携带岩屑到地面进行分离氮气，重新进入液氮压缩机制备液氮。
9.液氮高压射流除了对地层岩石的冲击作用外，还促进扩大地层微裂缝。
10.完成作业后停止注入液氮，关闭液氮泵车，取出作业管柱，完成作业。
本发明液氮射流破岩的原理，即利用液氮作为射流介质的高压射流代替传统的水力破岩方式。这样就可以解决了钻井速度降低、钻采效率低等问题。液氮温度极低，注入地层后仍能保持较低的温度，会对地层产生较大的冷冲击，导致地层在一定区域内快速降温，在地层内部会产生热诱导应力，水结冰膨胀产生冻胀力及低温引起的地层岩石力学性质和地层地应力变化将导致地层岩石发生破坏，形成大量微裂缝，增加地层破碎程度，扩大泄油面积。配合高压射流将大大加强了破岩效率，降低了钻井成本。同时液氮本身对储层无伤害,有利于保护储层。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。