一种预防高压盐水层上部水敏性地层垮塌的安全钻井系统的制作方法

本实用新型涉及油气钻探技术领域，特别是一种预防高压盐水层上部水敏性地层垮塌的安全钻井系统。

背景技术：

在石油与天然气钻井工程中，时常会钻遇高压盐水层，高压盐水侵入井筒环空，随钻井液上返。此时高压盐水层上部若存在水敏性泥岩地层，侵入井筒的盐水与裸眼井段泥岩接触，发生水化膨胀，会造成井壁失稳、井眼垮塌，导致遇阻、卡钻等井下复杂事故发生。目前，主要采用油基泥浆与欠平衡控压排水技术解决高压盐水层安全钻井问题，通过有效地控制井筒环空液柱压力剖面，使得地层高压盐水按一定比例有控制地流入井筒，尽可能地阻止泥岩水化膨胀，并将其循环至地面进行处理或分离。但该技术仍存在一定的局限性：排盐水过程中，随着盐水在环空上返，与上部裸眼井壁水敏性泥岩接触，泥岩水化膨胀无法避免，仍然存在井壁失稳、井眼垮塌风险；排盐水时无法钻进，消耗大量时间，增加钻井成本。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种解决高压盐水侵入井筒导致钻井液性能恶化、井壁垮塌等问题的预防高压盐水层上部水敏性地层垮塌的安全钻井系统。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：一种预防高压盐水层上部水敏性地层垮塌的安全钻井系统，它包括井口设备、井内钻具、第一注入管线、第二注入管线、第一返出管线和第二返出管线；所述井口设备包括设置于井口的钻井四通，所述钻井四通的顶部顺次设置有闸板防喷器和旋转防喷器，钻井四通的左端口处连接有压井管汇，钻井四通的另一端口处顺次连接有三通接头i、平板阀a和节流管汇；所述井内钻具包括设置于井内且由下往上依次连接的正反循环两用钻头、电阻率测量短节、钻铤、钻杆、钻柱旋塞阀和顶驱；所述第一注入管线包括顺次连接的泥浆泵、三通接头ii、平板阀b、高压管汇i、高压软管i、平板阀c和旋转防喷器；所述第二注入管线包括顺次连接的泥浆泵、三通接头ii、平板阀d、高压管汇ii、立管i、平板阀e、三通接头iii、水龙带和顶驱；所述第一返出管线包括顺次连接的顶驱、水龙带、三通接头iii、平板阀f、立管ii、三通接头ⅳ、平板阀g、排砂管线、振动筛和泥浆罐；所述第二返出管线包括顺次连接的钻井四通、三通接头i、高压软管ii、平板阀h、三通接头ⅳ、平板阀g、排砂管线、振动筛和泥浆罐。

所述钻井四通的右端口与三通接头i之间顺次连接有流量计i和压力表i。

所述旋转防喷器与平板阀c之间顺次连接有流量计ii和压力表ii。

所述水龙带与三通接头iii之间顺次连接有流量计iii和压力表iii。

该安全钻井系统还包括辅助设备，所述辅助设备包括地面管线ii、液气分离器和地面管线i，所述地面管线ii连接于泥浆泵和压井管汇之间，节流管汇上顺次连接有地面管线i和液气分离器。

所述钻井四通的右端口与流量计i之间连接有平板阀ii，所述钻井四通的左端口与压井管汇之间连接有平板阀i。

本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型可在现有常规钻井设备的基础上进行改造，现场操作简单，工艺转换方便；

2、本实用新型通过钻柱内返出地层盐水，防止进入井筒的盐水与裸眼井壁接触，解决高压盐水侵入井筒造成的钻井液性能恶化、水敏性裸眼地层井壁垮塌等问题，减少高压盐水层钻井事故复杂；

3、本实用新型通过钻柱内返出地层盐水，返排地层高压盐水的同时，可同时进行钻进，提高钻井综合时效，降低作业成本。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为地面管线与节流管汇和压井管汇的连接示意图；

图3为高压盐水在井内的流动示意图；

图中，1-泥浆泵，2-泥浆罐，3-振动筛，4-三通接头ii，5-平板阀b，6-高压管汇i，7-高压软管i，8-平板阀c，9-压力表ii，10-流量计ii，11-平板阀d，12-高压管汇ii，13-立管i，14-平板阀e，15-三通接头iii，16-压力表iii，17-流量计iii，18-水龙带，19-顶驱，20-平板阀f，21-立管ii，22-三通接头ⅳ，23-平板阀g，24-排砂管线，25-平板阀h，26高压软管ii，27-三通接头i，28-平板阀a，29-节流管汇，30-地面管线i，31-压力表i，32-流量计i，33-钻井四通平板阀ii，34-钻井四通平板阀i，35-压井管汇，36-地面管线ii，37-旋转防喷器，38-闸板防喷器，39-钻井四通，40-钻杆，41-钻铤，42-电阻率测量短节，43正反循环两用钻头，44-钻柱旋塞阀，45-井，46-液气分离器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述，本实用新型的保护范围不局限于以下所述：

如图1~3所示，一种预防高压盐水层上部水敏性地层垮塌的安全钻井系统，它包括井口设备、井内钻具、第一注入管线、第二注入管线、第一返出管线和第二返出管线。

所述井口设备包括设置于井口的钻井四通39，所述钻井四通39的顶部顺次设置有闸板防喷器38和旋转防喷器37，钻井四通39的左端口处连接有压井管汇35，钻井四通39的另一端口处顺次连接有三通接头i27、平板阀a28和节流管汇29。

所述井内钻具包括设置于井内且由下往上依次连接的正反循环两用钻头43、电阻率测量短节42、钻铤41、钻杆40、钻柱旋塞阀44和顶驱19。所述电阻率测量短节42安装在近钻头43位置，通过脉冲传递信号，井口安装配套信号接收装置，可以测量近钻头43位置钻井液电阻率变化，判断盐水是否侵入井筒。所述钻柱旋塞阀44安装在每柱钻柱顶部，具备钻柱内防喷、关井等作用。

所述第一注入管线包括顺次连接的泥浆泵1、三通接头ii4、平板阀b5、高压管汇i6、高压软管i7、平板阀c8和旋转防喷器37；所述第二注入管线包括顺次连接的泥浆泵1、三通接头ii4、平板阀d11、高压管汇ii12、立管i13、平板阀e14、三通接头iii15、水龙带18和顶驱19。

所述第一返出管线包括顺次连接的顶驱19、水龙带18、三通接头iii15、平板阀f20、立管ii21、三通接头ⅳ22、平板阀g23、排砂管线24、振动筛3和泥浆罐2。

所述第二返出管线包括顺次连接的钻井四通39、三通接头i27、高压软管ii26、平板阀h25、三通接头ⅳ22、平板阀g23、排砂管线24、振动筛3和泥浆罐2。

所述钻井四通39的右端口与三通接头i27之间顺次连接有流量计i32和压力表i31。所述旋转防喷器37与平板阀c8之间顺次连接有流量计ii10和压力表ii9。所述水龙带18与三通接头iii15之间顺次连接有流量计iii17和压力表iii16。

如图1~2所示，该安全钻井系统还包括辅助设备，所述辅助设备包括地面管线ii36、液气分离器46和地面管线i30，所述地面管线ii36连接于泥浆泵1和压井管汇35之间，节流管汇29上顺次连接有地面管线i30和液气分离器46。所述钻井四通39的右端口与流量计i32之间连接有平板阀ii33，所述钻井四通39的左端口与压井管汇35之间连接有平板阀i34。

所述安全钻井系统预防高压盐水层上部水敏性地层垮塌的方法，它包括以下步骤：

s1、常规钻进模式，具体包括以下步骤：

s11、关闭平板阀i34，打开平板阀ii33；

s12、关闭平板阀a28、平板阀b5、平板阀c8和平板阀f20；打开平板阀d11、平板阀e14、平板阀h25和平板阀g23，即保持第二注入管线和第二返出管线畅通的条件下，利用钻头43进行常规正循环钻进；

s13、通过电阻率测量短节42实时监测近钻头43的电阻率，若电阻率减小，则说明钻头43正在钻遇高压盐水层，此时关闭平板阀e14和平板阀h25，停止循环钻进，并记录压力表iii16上所显示的压力，结合钻井液密度求出高压盐水层压力；

s2、由常规钻进模式到防垮塌钻进模式，具体包括以下步骤：

s21、关闭平板阀ii33，打开平板阀a28、平板阀b5、平板阀c8、平板阀f20、平板阀h25；关闭平板阀d11和平板阀g23；

s22、根据高压盐水层压力、钻井液密度和储备重浆密度，计算出平衡高压盐水层压力所需的环空重泥浆帽高度和重泥浆量；

s23、打开泥浆泵1，隔离液和重泥浆均顺次通过泥浆泵1、三通接头ii4、平板阀b5、高压管汇i6、高压软管i7、平板阀c8、旋转防喷器37注入到井眼45环空内，在环空泥浆帽与钻井液液柱压力平衡高压盐水层压力后，关闭泥浆泵1；

s24、钻柱内钻井液液柱压力小于高压盐水层压力，大量盐水经钻头43水眼进入钻柱内，盐水顺次通过钻铤41、钻杆40内眼返出井口，返出的盐水顺次经顶驱19、水龙带18、三通接头iii15、平板阀f20、立管ii21、三通接头ⅳ22、平板阀h25、高压软管ii26、三通接头i27、平板阀a28进入节流管汇29内，通过节流管汇29上的节流阀控制井口压力和高压盐水返排流量；

s3、由防垮塌钻进模式到接单根模式，具体包括以下步骤：

s31、停止钻进，上提井内钻具，钻柱旋塞阀44露出钻台面且坐吊卡于钻台面上；

s32、关闭节流管汇29节流阀，记录压力表iii16上显示的压力值，关闭钻柱旋塞阀44，地面管线i30和地面管线ii36泄压；

s33、从旋塞阀44顶部卸扣，接上另一根顶端带钻柱旋塞阀44的钻柱，接上顶驱19，打开平板阀d11和平板阀e14，关闭平板阀b5和平板阀f20，打开泥浆泵1，当压力表iii16上所显示压力增大至之前记录压力时，关闭泥浆泵1，打开钻柱旋塞阀44；

s34、关闭平板阀d11和平板阀e14，打开平板阀b5和平板阀f20，地面管线i30和地面管线ii36泄压，调节节流管汇29上节流阀的开度，继续防垮塌钻进；

s4、由防垮塌钻进模式到起钻模式，具体包括以下步骤：

s41、停止钻进，上提井内钻具，待井内岩屑返排完后，关闭节流管汇29上的节流阀，记录压力表iii16上显示压力，并关闭钻柱旋塞阀44；

s42、打开平板阀d11、平板阀e14和平板阀ii33；关闭平板阀b5、平板阀c8、平板阀f20和平板阀h25；

s43、打开泥浆泵1，重泥浆顺次通过泥浆泵1、三通接头ii4、平板阀d11、高压管汇ii12、立管i13、平板阀e14、三通接头iii15、水龙带18和顶驱19注入到钻柱，返出钻井液经平板阀ii33、三通接头i27、平板阀a28、节流管汇29、液气分离器46、振动筛3进入泥浆罐2内，当钻柱内液注压力平衡高压盐水层压力时，关闭泥浆泵1；当压力表iii16上显示压力值为零时，关闭节流管汇29上的节流阀和平板阀a28；

s44、利用旋转防喷器37进行环空带压起钻作业，起钻至套管内一定位置后，打开节流管汇29上的节流阀和平板阀a28，通过顶驱19继续注入重泥浆，使钻头43位置之上、井筒里钻柱内外全被重泥浆充满，以平衡高压盐水层压力，关闭泥浆泵1，从而完成后续进行起钻作业；

s5、下钻模式，具体包括以下步骤：

s51、关闭钻井四通平板阀i34和平板阀ii33，打开平板阀a28、平板阀b5、平板阀c8、平板阀f20、平板阀h25；关闭平板阀d11、平板阀e14和平板阀g23；

s52、正常下钻，钻头到井底后，打开泥浆泵1，钻井液顺次通过泥浆泵1、三通接头ii4、平板阀b5、高压管汇i6、高压软管i7、平板阀c8和旋转防喷器37注入到井眼45环空内，返出的流体顺次经顶驱19、水龙带18、三通接头iii15、平板阀f20、立管ii21、三通接头ⅳ22、平板阀h25、高压软管ii26、三通接头i27、平板阀a28、节流管汇29、液气分离器46和振动筛3进入泥浆罐2内；

s53、待井内所有重泥浆返出后，重复步骤s2以进行防垮塌钻进。

所述安全钻井系统预防高压盐水层上部水敏性地层垮塌的方法，所述步骤s24中，即排盐水过程中可继续钻进，返排的高压盐水携带岩屑经钻柱内返出井底。

由此可知高压盐水经钻柱内返出，不与裸眼井壁接触，避免盐水进入环空造成泥岩水化膨胀，导致井壁垮塌；排盐水过程中可持续钻进，提高综合效率；设备改造简单，工艺切换方便。特别适用于水敏性泥岩发育、高压盐水层发育地层。

以上所述，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。