一种深部高温井用欠压复合钻井装置及工艺的制作方法

本发明涉及直井、定向井、水平井技术领域，更具体的说是涉及一种深部高温井用欠压复合钻井装置及工艺。

背景技术：

在深部地球资源勘探开发过程中，钻探是获取地下实物资料、建立生产通道的最有效手段，但深部高温钻探面临岩石硬度大、破岩效率低、高温对钻井液和钻具产生不利影响、深部井底动力不足等难题，严重影响了勘探开发进展。目前常用的破岩方法是转盘回转钻进或螺杆钻具复合钻进，但随着孔深增加，钻具托压逐渐增强，转盘驱动传递到井底的动力不足，采用螺杆或涡轮钻具破岩过程中仅能提供回转动力，对于硬岩破岩效果不佳。

因此，如何提供一种降低压持效应、提高机械钻速、延长钻头寿命、增加单趟进尺的钻井装置及工艺，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种深部高温井用欠压复合钻井装置及工艺，旨在解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种深部高温井用欠压复合钻井装置，包括：

地面钻探部；所述地面钻探部包括钻机，通过循环管道与钻机连接的钻井液降温系统，所述循环管道上还串联安装有位于所述钻井液降温系统两侧的钻井液循环系统；

井下钻具部；所述井下钻具部包括钻杆，所述钻杆与所述钻机连接，且与所述循环管道连通；以及与所述钻杆依次连接的钻铤、动力组件、近钻头减压短节和钻头；所述动力组件用于提供钻探动力同时测量钻探参数；所述近钻头减压短节具有轴向与所述钻杆连通的环空通道；所述环空通道周向均匀开设有多条吸入流道；所述近钻头减压短节外侧壁周向开设有与所述吸入流道连通的混砂喉管；所述近钻头减压短节的外侧壁还开设有抽吸流道，所述抽吸流道与所述吸入流道和所述混砂喉管的节点连通；所述钻头前端具有聚能喷嘴，所述聚能喷嘴与所述环空通道连通。

通过上述技术方案，本发明提供的钻井装置旨在综合利用冲击、回转、热破裂三种方式共同作用破坏井底岩石，近钻头减压短节利用文丘里管效应或涡流抽吸原理在近钻头位置的环空通道中产生局部负压，抽吸刚由聚能喷嘴喷出至井底后携带岩屑上返至地面的钻井液，降低井底正压差，降低压持效应、提高机械钻速、延长钻头寿命、增加单趟进尺。

优选的，在上述一种深部高温井用欠压复合钻井装置中，所述吸入流道和混砂喉管一体连通，且由所述环空通道内壁向远离所述钻头的方向倾斜延伸；所述抽吸流道由所述近钻头减压短节的外侧壁向远离所述钻头的方向倾斜延伸。利用文丘里管效应或涡流抽吸原理在近钻头位置的环空通道中产生局部负压，抽吸刚由聚能喷嘴喷出携带岩屑的钻井液，降低井底正压差，降低压持效应。

优选的，在上述一种深部高温井用欠压复合钻井装置中，动力组件根据不同的井段采用不同的组合方式，具体的：

当进行直井段钻进时，所述钻杆底端依次连接钻铤和耐高温复合动力钻具，所述耐高温复合动力钻具与所述近钻头减压短节连接。

当进行定向段钻进时，所述钻杆底端依次连接钻铤或加重钻杆、耐高温mwd、耐高温复合动力钻具和近钻头测量短节，所述近钻头测量短节与所述近钻头减压短节连接。

当进行水平段钻进时，所述钻杆底端依次连接钻铤或加重钻杆、附加钻杆、耐高温mwd、耐高温复合动力钻具和近钻头测量短节，所述近钻头测量短节与所述近钻头减压短节连接。

优选的，在上述一种深部高温井用欠压复合钻井装置中，所述钻井液降温系统为利用轴流风机对喷淋的钻井液进行吹扫降温的风冷机构，或者为利用载冷剂与钻井液在对流换热器中进行非接触式换热降温的液冷机构。增大钻井液与孔底岩石温度差，进而增大岩石内部热应力。

优选的，在上述一种深部高温井用欠压复合钻井装置中，所述钻井液循环系统包括振动筛、除砂器、除泥器、离心机、除气器和泥浆泵，用于建立钻井液地面循环，去除钻井液中的岩屑颗粒。

本发明还提供了一种深部高温井用欠压复合钻井工艺，具体包括以下步骤：

s1、下钻到底后开泵循环钻进，高压钻井液驱动动力组件产生扭转与冲击，在钻压与周期性冲击力共同作用下，钻头逐渐吃入地层岩石，在动力组件扭矩作用下，钻头旋转切削掉周向岩石；

s2、经过钻井液降温系统冷却后的低温钻井液下行流经近钻头减压短节，大部分钻井液继续下行流经钻头的聚能喷嘴后以高速射流形式冲击岩石，利用高温岩石与低温钻井液间温度差在岩体内产生的热应力与射流冲击力使岩石内部产生微裂纹，降低岩石强度，使岩石在扭转与冲击负荷作用下破碎；少量钻井液流过抽吸流道后产生负压，经过吸入流道将环空通道中上返的钻井液吸入，降低钻头处的井底压力，减弱压持效应。

通过上述技术方案，本发明提供的钻井工艺旨在综合利用冲击、回转、热破裂三种方式共同作用破坏井底岩石，同时在井底产生局部负压，降低压持效应，提高机械钻速，延长钻头寿命，增加单趟进尺。

优选的，在上述一种深部高温井用欠压复合钻井工艺中，在步骤s1中，硬岩地层钻进时钻压为100-120kn，排量30l/s。

优选的，在上述一种深部高温井用欠压复合钻井工艺中，当钻进过程中出现测得的钻头钻压与地面表显钻压相比较小、复合钻进扭矩低，滑动钻进扭矩基本不变时，井下可能出现托压情况，进行短起作业，拉划井壁，破坏岩屑床，增强钻井液净化，同时在钻井液中添加适量润滑剂；当钻进时出现扭矩、泵压突然升高时，钻头可能出现掉牙轮、断巴掌等事故，则起钻检查；当钻进时出现扭矩、泵压突然降低，耐高温复合动力钻具可能出现钻具失效等异常，观察钻井液循环系统中的振动筛是否有异常物体返出，如有则起钻检查；当钻进时出现扭矩不变，泵压逐渐降低时，上部钻杆或钻铤可能出现刺漏，则起钻检查；当起钻遇卡时，开泵循环，钻头处扭矩较大时判断卡点位置在钻头附近，钻头处扭矩较低时卡点位置在上部井眼直径突变位置，根据卡点位置进行解卡处理。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种深部高温井用欠压复合钻井装置及工艺，旨在综合利用冲击、回转、热破裂三种方式共同作用破坏井底岩石，近钻头减压短节利用文丘里管效应或涡流抽吸原理在近钻头位置的环空通道中产生局部负压，抽吸刚由聚能喷嘴喷出至井底后携带岩屑上返至地面的钻井液，降低井底正压差，降低压持效应、提高机械钻速、延长钻头寿命、增加单趟进尺。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的深部高温井用欠压复合钻井装置的结构示意图；

图2附图为本发明提供的近钻头减压短节和钻头连接的剖面图；

图3附图为本发明提供的直井段钻进时底部组合钻具的结构示意图；

图4附图为本发明提供的定向段钻进时底部组合钻具的结构示意图；

图5附图为本发明提供的水平段钻进时底部组合钻具的结构示意图。

其中：

1-地面钻探部；

11-钻机；12-循环管道；13-钻井液降温系统；14-钻井液循环系统；

2-井下钻具部；

21-钻杆；22-钻铤；23-动力组件；231-耐高温复合动力钻具；232-耐高温mwd；233-近钻头测量短节；234-附加钻杆；24-近钻头减压短节；

241-环空通道；242-吸入流道；243-混砂喉管；244-抽吸流道；25-钻头；

251-聚能喷嘴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1和附图2，本发明实施例公开了一种深部高温井用欠压复合钻井装置，包括：

地面钻探部1；地面钻探部1包括钻机11，通过循环管道12与钻机11连接的钻井液降温系统13，循环管道12上还串联安装有位于钻井液降温系统13两侧的钻井液循环系统14；

井下钻具部2；井下钻具部2包括钻杆21，钻杆21与钻机11连接，且与循环管道12连通；以及与钻杆21依次连接的钻铤22、动力组件23、近钻头减压短节24和钻头25；动力组件23用于提供钻探动力或同时进行钻探参数测量；近钻头减压短节24具有轴向与钻杆21连通的环空通道241；环空通道241周向均匀开设有多条吸入流道242；近钻头减压短节24外侧壁周向开设有与吸入流道242连通的混砂喉管243；近钻头减压短节24的外侧壁还开设有抽吸流道244，抽吸流道244与吸入流道242和混砂喉管243的节点连通；钻头25前端具有聚能喷嘴251，聚能喷嘴251与环空通道241连通。

为了进一步优化上述技术方案，吸入流道242和混砂喉管243一体连通，且由环空通道241内壁向远离钻头25的方向倾斜延伸；抽吸流道244由近钻头减压短节24的外侧壁向远离钻头25的方向倾斜延伸。

参见附图3，当进行直井段钻进时，动力组件23包括与钻杆21底端连接的耐高温复合动力钻具231，耐高温复合动力钻具231与近钻头减压短节24连接。

参见附图4，当进行定向段钻进时，动力组件23包括与钻杆21底端依次连接的耐高温mwd232、耐高温复合动力钻具231和近钻头测量短节233，近钻头测量短节233与近钻头减压短节24连接。

参见附图5，当进行水平段钻进时，动力组件23包括与钻杆21底端依次连接的附加钻杆234、耐高温mwd232、耐高温复合动力钻具231和近钻头测量短节233，近钻头测量短节233与近钻头减压短节24连接。

为了进一步优化上述技术方案，钻井液降温系统13为利用轴流风机对喷淋的钻井液进行吹扫降温的风冷机构，或者为利用载冷剂与钻井液在对流换热器中进行非接触式换热降温的液冷机构。

为了进一步优化上述技术方案，钻井液循环系统14包括振动筛、除砂器、除泥器、离心机、除气器和泥浆泵，用于建立钻井液地面循环，去除钻井液中的岩屑颗粒。

本发明提供的深部高温井用欠压复合钻井工艺具体包括以下步骤：

s1、下钻到底后开泵循环钻进，高压钻井液驱动动力组件23产生扭转与冲击，在钻压与周期性冲击力共同作用下，钻头25逐渐吃入地层岩石，在动力组件23扭矩作用下，钻头25旋转切削掉周向岩石；

s2、经过钻井液降温系统13冷却后的低温钻井液下行流经近钻头减压短节24，大部分钻井液继续下行流经钻头25的聚能喷嘴251后以高速射流形式冲击岩石，利用高温岩石与低温钻井液间温度差在岩体内产生的热应力与射流冲击力使岩石内部产生微裂纹，降低岩石强度，使岩石在扭转与冲击负荷作用下破碎；少量钻井液流过抽吸流道244后产生负压，经过吸入流道242将环空通道241中上返的钻井液吸入，降低钻头25处的井底压力，减弱压持效应。

在步骤s1中，硬岩地层钻进时钻压为100-120kn，排量30l/s。

定向钻进与水平钻进时，近钻头测量短节233将测得的工程参数、测井参数通过短传系统传输至耐高温mwd232，耐高温mwd232将测得的轨迹参数与工程参数、测井参数共同打包上传至地面。

地面工作人员根据测井参数与轨迹参数判断继续钻进是否可以钻达目的层，如继续按当前方案钻进无法钻达目的层或与原定井眼轨迹偏差过大，则通过滑动定向钻进或下发指令至旋转导向系统调整。

当钻进过程中出现测得的钻头钻压与地面表显钻压相比较小、复合钻进扭矩低，滑动钻进扭矩基本不变时，井下可能出现托压情况，进行短起作业，拉划井壁，破坏岩屑床，增强钻井液净化，同时在钻井液中添加适量润滑剂；当钻进时出现扭矩、泵压突然升高时，钻头可能出现掉牙轮、断巴掌等事故，则起钻检查；当钻进时出现扭矩、泵压突然降低，耐高温复合动力钻具可能出现钻具脱胶等异常，观察钻井液循环系统中的振动筛是否有异常物体返出，如有则起钻检查；当钻进时出现扭矩不变，泵压逐渐降低时，上部钻杆或钻铤可能出现刺漏，则起钻检查；当起钻遇卡时，开泵循环，钻头处扭矩较大时判断卡点位置在钻头附近，钻头处扭矩较低时卡点位置在上部井眼直径突变位置，根据卡点位置进行解卡处理。

本发明提供的深部高温井用欠压复合钻井工艺，采用井下欠压+冲击回转复合钻进新方法进行提速钻进，其工作原理为：

1)冲击、回转复合破岩：利用耐高温复合动力钻具231周期性的施加给钻头25以振动冲击，形成破碎坑或连续的裂纹，降低岩石强度，同时给钻头25施加连续的回转切削扭矩，剪切破坏牙齿吃入部分的岩石，形成三维刨凿式破岩。

2)水力冲击破岩：钻头25上的聚能喷嘴251利用伯努利原理，钻井液流过后流速增大，动能增加，对井底岩石形成射流冲击破坏。

3)热应力破岩：采用钻井液降温系统13将钻井液降温后通过钻杆21输送至孔底，对孔底出露岩石进行冷却，利用温度差产生的热应力使高温下硬岩产生微裂隙，降低岩石强度。

4)井底局部负压：近钻头减压短节24利用文丘里管效应或涡流抽吸原理在近钻头位置的环空中产生局部负压，抽吸刚由聚能喷嘴251喷出携带岩屑的钻井液，降低井底正压差。

本实施例中的钻头25，在高硬度非均匀地层中可采用牙轮钻头或孕镶金刚石钻头，在均质地层中可为pdc钻头；钻头25上安装有可将钻井液以高速作用冲击到井底的聚能喷嘴251，钻井液入井底后可迅速改变井底温度和压力。

本实施例中的近钻头减压短节24，包括但不仅限于射流式、涡流式，以射流式为例，如图2所示，近钻头减压短节24安装在钻头25上方，钻井液流经近钻头减压短节24时，一部分钻井液通过输送到钻头25处，冷却井底并携带岩屑，同时一部分钻井液流经抽吸流道244形成射流，产生负压，带动钻头环空中的钻井液经过吸入流道242流入，并于混砂喉管243中混合，减小井底正压差，减弱压持效应。

本实施例中的近钻头测量短节233包括但不仅限于工程参数、伽马成像测量，其主要功能是测量井下钻头25位置处的钻压、扭矩、转速、内外压力等工程参数以及地层岩性特征，判断是否托压、钻进是否从正常。

本实施例中的耐高温复合动力钻具231，耐温能力可达180℃以上，上部采用耐高温螺杆或涡轮马达，中部采用阀控式或储能式冲击器，下部为主轴节，内部安装有高强度轴承，承受钻压及冲击器产生的冲击作用。

本实施例中的耐高温mwd232，耐温能力大于175℃，下部配合近钻头测量短节233(工程参数、伽马成像等)，对井眼轨迹、钻进参数、地层类型进行监控测量，并将相关参数上传至地面，地面技术人员及时跟踪并视需要调整井眼轨迹，钻达目标层位。

本说明书中各个实施例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部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。