泵壓反循環鑽井系統的製作方法
2023-12-03 16:08:21 4
泵壓反循環鑽井系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及鑽井機械領域，具體而言，涉及一種泵壓反循環鑽井系統。泵壓反循環鑽井系統，包括鑽頭、鑽柱、井筒和動力裝置；所述井筒上設置有進液口，所述進液口用於向所述井筒內輸送鑽井液；所述鑽柱為中空圓柱體，其一端連接所述鑽頭，另一端連接所述動力裝置，所述動力裝置用於驅動所述鑽柱轉動，所述鑽柱用於驅動所述鑽頭轉動和鑽井液回流；所述鑽柱穿過所述井筒，所述井筒遠離所述鑽頭一端與所述鑽柱之間密封；所述鑽頭上設有水眼，用於鑽井液回流。本實用新型泵壓反循環鑽井系統，當井口旋轉密封裝置的耐壓能力和地層的破裂壓力值足夠時，理論鑽井深度可以無限大。
【專利說明】泵壓反循環鑽井系統【技術領域】
[0001]本實用新型涉及鑽井機械領域，具體而言，涉及一種泵壓反循環鑽井系統。
【背景技術】
[0002]隨著油氣資源的勘探開發難度的增加，鑽井工程技術人員面臨著種種技術難題。鑽井機械鑽速低是制約勘探開發成本的關鍵因素之一，頁巖氣水平井鑽進過程中鑽速低導致裸眼段長時間浸泡在鑽井液中，井壁坍塌嚴重；緻密砂巖氣鑽進速度低導致鑽井成本急劇增加，傳統的鑽頭選型、鑽具組合優化、井身結構優化等提速方法也難以取得令人滿意的效果。在大斜度井、水平井、大位移井的鑽井過程中，因巖屑床的存在，導致井筒淨化不好、巖屑重複破碎、鑽柱摩阻扭矩增大、套管磨損嚴重、卡鑽事故頻繁等一系列問題，造成鑽井成本急劇增加。
[0003]目前反循環鑽井技術從原理上講主要有泵吸反循環和氣舉反循環兩種，泵吸反循環通過離心泵的抽吸作用，在大氣壓與循環管路之間壓差的作用下建立反循環，壓差有限，其反循環深度不足200米。氣舉反循環依靠雙壁鑽杆，向管柱內注入氣體，使循環管路內外形成一定的泥漿密度差，在此壓差下形成反循環，因受雙壁鑽杆強度的限制，反循環深度不足3500米，在大斜度井、水平井和大位移井中鑽進深度更小。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的在於提供一種泵壓反循環鑽井系統，以解決上述的問題。
[0005]在本實用新型的實施 例中提供了一種泵壓反循環鑽井系統，其包括鑽頭、鑽柱、井筒和動力裝置；
[0006]井筒上設置有進液口，進液口用於向井筒內泵送鑽井液；
[0007]鑽柱為中空圓柱體，其一端連接鑽頭，另一端連接動力裝置，動力裝置用於驅動鑽柱轉動，鑽柱用於驅動鑽頭轉動和鑽井液回流；
[0008]鑽柱穿過井筒，井筒遠離鑽頭一端與鑽柱之間密封；
[0009]鑽頭上設有水眼，用於鑽井液回流。
[0010]進一步的，水眼為八個；
[0011]四個水眼沿鑽頭徑向均勻分布在鑽頭側部；
[0012]四個水眼沿鑽頭徑向均勻分布在鑽頭底部。
[0013]進一步的，四個側部水眼與四個底部水眼沿鑽頭軸向錯開45° ;
[0014]水眼由外向內逐漸縮小。
[0015]進一步的，泵壓反循環鑽井系統還包括旋轉送鑽系統，旋轉送鑽系統用於密封井筒遠離鑽頭的一端，其包括方鑽杆、旋轉體和外套；
[0016]方鑽杆為中空柱體，方鑽杆穿過旋轉體，方鑽杆與鑽柱連接，方鑽杆用於驅動鑽柱轉動和鑽井液回流，方鑽杆另一端連接動力裝置，由動力裝置驅動方鑽杆轉動；
[0017]旋轉體設置在外套內，能由方鑽杆帶動旋轉體在外套內轉動。[0018]進一步的，旋轉送鑽系統還包括卡瓦，設置在方鑽杆與旋轉體之間。
[0019]進一步的，旋轉送鑽系統還包括主軸承，設置在旋轉體與外套之間。
[0020]進一步的，旋轉送鑽系統還包括限位軸承，設置在旋轉體與外套之間，用於防止旋轉體上下震動。
[0021]進一步的，旋轉送鑽系統還包括支撐座，外套固定安裝在支撐座的一端，支撐座的另一端與井筒固定連接。
[0022]進一步的，泵壓反循環鑽井系統還包括泥漿泵和單向閥，單向閥一端連接井筒，另一端連接泥漿泵，用於限制井筒流體流出。
[0023]進一步的，泵壓反循環鑽井系統還包括鑽井液池，用於為井筒提供鑽井液和回收鑽柱中回流的鑽井液。
[0024]本實用新型泵壓反循環鑽井系統，通過向井筒內輸入鑽井液，鑽井液經井筒進入鑽頭，再進入鑽柱將鑽井液排出，鑽井液壓力用於克服循環過程中的壓力損耗，完成泵壓反循環，當井口旋轉密封裝置的耐壓能力和地層的破裂壓力值足夠時，理論鑽井深度可以無限大。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]為了更清楚地說明本實用新型【具體實施方式】或現有技術中的技術方案，下面將對【具體實施方式】或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實用新型的一些實施方式，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0026]圖1為本實用新型實施例泵壓反循環鑽井系統結構示意圖；
[0027]圖2為本實用新型實施例旋轉送鑽系統結構示意圖；
[0028]圖3為本實用新型實施例泵入短節系統；
[0029]圖4為本實用新型實施例鑽頭水眼布置圖。
[0030]圖中，1:泥眾慄；2:慄入地面管匯；3:慄入短節系統；4:井筒；5:環空；6:鑽頭；7:鑽柱；8:方鑽杆；9:防噴器法蘭；10:支撐座；11:旋轉送鑽系統；12:水龍頭；13:鵝頸管；14:水龍帶；15:立管；16:流出地面管匯；17:沉澱池；18:泥漿池；19:動力裝置；301:法蘭；302:單向閥；601:鑽頭體；602:連接螺紋；603:上層側水眼；604:下層側水眼；605:下層水眼；1101:外套；1102:快速接頭；1103:旋轉體；1104:主軸承；1105:限位軸承；1106:防震軸承；1107:旋轉密封組件；1108:滑動密封組件；1109:卡瓦。
【具體實施方式】
[0031]為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本實用新型的技術方案進行清楚、完整的描述。顯然，所描述的實施例僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所得到的所有其它實施例，都屬於本實用新型所保護的範圍。
[0032]在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。
[0033]本實用新型是基於下述方法來實現泵壓反循環鑽井的，其包括以下步驟:
[0034]向井筒4的環空5內泵入鑽井液；
[0035]鑽井液從鑽頭6的水眼進入鑽頭6 ；
[0036]鑽井液從鑽頭6進入鑽柱7，並從鑽柱7返出。
[0037]本實用新型的工作原理是通過地面泥漿泵I向環空5泵入有一定壓力的鑽井液，迫使鑽井液進入鑽頭6的水眼並經鑽柱7內部上返出地表，從而完成循環。
[0038]鑽柱7內排出的鑽井液再次被重複利用之前進行沉澱或過濾。
[0039]鑽井液經過鑽柱7排出時，會帶有大量的巖屑，如果沒有經過沉澱或過濾就繼續使用的話，可能會損壞井口密封裝置，在井筒4的環空5內或鑽頭6的水眼處造成堵塞，增加循環壓耗，甚至對機器造成很大的破壞，從而影響正常鑽井工作。
[0040]進一步的，環空5內輸入的鑽井液經過鑽井液泵入短節系統3進入環空5。
[0041]向環空5內輸入的鑽井液經過鑽井液泵入短節系統3進入井筒4，從而保證鑽井液可以慄入井筒4,而井筒4內的鑽井液不能從井筒4流出。
[0042]進一步的，使用旋轉送鑽系統11對井筒4遠離鑽頭6的一端進行密封，能保證鑽柱7旋轉時泵入的鑽井液不洩漏。
[0043]進一步的，水眼沿鑽井液流動方向漸縮。
[0044]鑽頭6上水眼這樣的設置，可以保證鑽井液上返阻力較小，巖屑能夠及時上返，從而不會影響鑽井的進程。
[0045]如圖1所示，根據上述方法，本實用新型提供了一種泵壓反循環鑽井系統，其包括鑽頭6、鑽柱7、井筒4和動力裝置19 ；
[0046]井筒4上設置有進液口，進液口用於向井筒4內輸送鑽井液；
[0047]鑽柱7為中空圓柱體，其一端連接鑽頭6，另一端連接動力裝置19，動力裝置19用於驅動鑽柱7轉動，鑽柱7用於驅動鑽頭6轉動和鑽井液回流；
[0048]鑽柱7穿過井筒4，井筒4遠離鑽頭6 —端與鑽柱7之間密封；
[0049]鑽頭6上設有水眼,用於鑽井液回流。
[0050]鑽頭6包括鑽頭體601和連接部，連接部用於固定連接鑽柱7，水眼設置在鑽頭體601 上。
[0051]泵壓反循環鑽井系統通過向井筒4內輸入鑽井液，鑽井液經井筒4與鑽柱7之間的環空5，通過鑽頭6上的水眼進入鑽頭6，再進入鑽柱7，之後將鑽井液排出，完成泵壓反循環；井筒4遠離鑽頭6的一端密封設置，保證反循環過程中的鑽井液不洩漏。
[0052]通過這樣的方式，將鑽井液與現有的方式相反的方向進行循環，由泵吸或氣舉變為慄壓，隨著鑽井的深度的加深，通過不斷將鑽井液輸入井筒4內來提聞鑽井液在環空5內的壓力，可以克服循環過程中的壓力損耗，完成泵壓反循環，理論鑽井深度由井口密封裝置的耐壓能力和地層的破裂壓力值決定，即只要環空5遠離鑽頭6的一端能密封好和裸眼段地層有足夠的耐壓能力，那麼理論鑽井深度就由地面機泵的能力決定。
[0053]如圖4所示，優選的實施方式為，水眼為八個；
[0054]四個水眼沿鑽頭6徑向均勻分布在鑽頭6側部；[0055]四個水眼沿鑽頭6徑向均勻分布在鑽頭6底部。
[0056]水眼數量最多可設置8個水眼，根據需要對各個水眼進行封堵或者開啟。當安裝八個水眼的時候，鑽頭6的側部可以設置四個水眼，因鑽頭6工作中一直在旋轉下行，所以四個水眼可以不在同一平面上，如圖4所示，上層側水眼603與下層側水眼604不在同一平面上，但在鑽頭6徑向進行均勻分布，以保證能夠均勻吸取鑽頭6破碎的巖屑，不會有的水眼吸取的多有的水眼吸取的少，從而使吸取的多的使用壽命降低；在鑽頭6底部設置四個水眼，如圖4所示的下層水眼605，其也需要沿鑽頭6徑向均勻分布，以保證各水眼的使用壽命O
[0057]更優選的實施方式為，水眼由外向內漸縮；
[0058]和/或，四個側部水眼與四個鑽頭6底部水眼沿鑽頭6軸向錯開45°。
[0059]因鑽井液在水眼中的行進方向為由外向內，所以為了方便鑽井液的流動，及巖屑的吸取，將水眼設置為外大內小的方式，其由外向內漸縮，從而可以保證巖屑及鑽井液能夠快速進入水眼。
[0060]四個側部水眼與四個底部水眼沿鑽頭6軸向錯開45°，即八個水眼在鑽頭6徑向方向均勻分布，進一步保證了各水眼的使用壽命相差不多，從而能保證鑽頭6的最大使用壽命。
[0061]如圖2所示，泵壓反循環鑽井系統還包括旋轉送鑽系統11，旋轉送鑽系統11用於密封井筒4遠離鑽頭6的一端，其包括方鑽杆8、旋轉體1103和外套1101。
[0062]方鑽杆8為中空柱體，方鑽杆8穿過旋轉體1103，方鑽杆8 一端固定連接鑽柱7遠離鑽頭6的一端,方鑽杆8用於驅動鑽柱7轉動和鑽井液回流以及提供破巖動力，方鑽杆8另一端連接動力裝置19,由動力裝置19驅動方鑽杆8轉動。
[0063]旋轉體1103設置在外套1101內，能由方鑽杆8帶動旋轉體1103在外套1101內轉動。
[0064]外套1101上部為圓柱體，下部為四方體或六方體。
[0065]旋轉體1103與外套1101相對轉動，旋轉體1103中心有一個四方孔或六方孔，方鑽杆8可穿過其中。
[0066]旋轉送鑽系統11還包括卡瓦1109，設置在方鑽杆8與旋轉體1103之間。
[0067]由於方鑽杆8與旋轉體1103之間由於製造工藝問題不可避免的會出現間隙，而在方鑽杆8與旋轉體1103之間設置卡瓦1109，卡瓦1109不僅可以密封方鑽杆8與旋轉體1103，還由於消除了間隙而保證了方鑽杆8與旋轉體1103之間沒有晃動，從而延長了兩者的使用壽命。
[0068]旋轉送鑽系統11還包括主軸承1104，設置在旋轉體1103與外套1101之間；
[0069]和/或，旋轉送鑽系統11還包括限位軸承1105，設置在旋轉體1103與外套1101之間，用於防止旋轉體1103上下震動。
[0070]旋轉體1103與外套1101之間如果之間接觸的話，由於旋轉體1103與外套1101之間存在相對轉動，從而會有很大的摩擦。在旋轉體1103和外套1101之間設置主軸承1104後，兩者之間通過主軸承1104完成相對轉動，從而大大減小了兩者之間的摩擦，延長了旋轉體1103和外套1101的使用壽命。
[0071]旋轉體1103與外套1101之間還可以設置有限位軸承1105，用於放置旋轉體1103在外套1101內上下震動,從而造成旋轉體1103或外套1101的損壞。在震動較大的時候還可以加入多個限位軸承1105，或者還可以加入防震軸承1106，只要其能防止旋轉體1103在外套1101內震動即可。
[0072]旋轉送鑽系統11還包括支撐座10，外套1101固定安裝在支撐座10的一端，支撐座10的另一端與井筒4固定連接。
[0073]旋轉送鑽系統11與井筒4之間不易直接固定，因此在旋轉送鑽系統11上設置有支撐座10，將外套1101通過快速接頭1102固定在支撐座10的上方，支撐座10的下方通過防噴器法蘭9固定在井筒4上，可以很穩定的將旋轉送鑽系統11固定，從而保證了井筒4的密封性。
[0074]旋轉體1103與外套1101密封連接；
[0075]和/或，鑽頭6與鑽柱7之間為螺紋連接。
[0076]旋轉體1103與外套1101下部設置有旋轉密封組件1107，方鑽杆8與旋轉體1103中心設置有滑動密封組件1108，將井筒4內高壓鑽井液密封。
[0077]由於卡瓦1109的存在，其可以傳遞方鑽杆8的扭力，使方鑽杆8的扭力不直接作用在方鑽杆8與旋轉體1103之間的滑動密封組件1108上，從而不會影響滑動密封組件1108的使用壽命。
[0078]鑽頭6與鑽柱7之間採用螺紋連接，即通過連接螺紋602進行連接，這樣能有利於當鑽頭6損壞時的更換。
[0079]需要指出的是，鑽頭6與鑽柱7之間不局限於螺紋連接，還可以是其他連接，如焊接、綁定等，只要能將兩者固定在一起的連接都可以。
[0080]泵壓反循環鑽井系統還包括泥漿泵I和單向閥302，如圖3所示，單向閥302與法蘭301共同組成泵入短節系統3，單向閥302固定連接在井筒4上，另一端通過法蘭301連接在泵入地面管匯2上。
[0081]單向閥302可以讓鑽井液只能流入井筒4不能從井筒4內流出，保證了井湧或井噴時井筒4內高壓流體不會噴出，避免傷害人員和損毀設備。
[0082]向井筒4內輸送鑽井液時，可以通過泥漿泵I進行輸送。泥漿泵I通過泵入地面管匯2將鑽井液輸送進井筒4內。
[0083]泵壓反循環鑽井系統還包括鑽井液池，用於為井筒4提供鑽井液和回收鑽柱7中回流的鑽井液。
[0084]當鑽井液池很大的時候，可以為一個池就行，泵壓反循環鑽井系統回流的鑽井液中的巖屑在鑽井液池的一側沉澱，在另一側流出進入泵壓反循環鑽井系統。
[0085]當鑽井液池不大的時候，可以將鑽井液池分為沉澱池17和泥漿池18，沉澱池17和泥漿池18之間加濾網進行過濾，方鑽杆8中回流的鑽井液進入沉澱池17進行沉澱，經濾網過濾後進入泥漿池18，泥漿池18通過泥漿泵I將鑽井液輸送入井筒4，完成反循環過程。
[0086]整個泵壓反循環鑽井系統的工作過程為:
[0087]泥漿泵I將鑽井液從泥漿池18中抽出，通過泵入地面管匯2和泵入短節系統3輸送進井筒4內，在井筒4內通過環空5，利用地面泥漿泵I的壓力，克服循環壓耗，迫使鑽井液從環空5經鑽頭6的水眼、鑽柱7內孔上返，進入方鑽杆8，再經過水龍頭12、鵝頸管13、水龍帶14、立管15、流出地面管匯16，最後進入沉澱池17，從而完成泵壓反循環過程。[0088]當方鑽杆8走完行程後，因鑽柱7及接頭比方鑽杆8尺寸小，將方鑽杆8及下部鑽柱7和鑽頭6從旋轉體1103中心孔上提，卸下方鑽杆8，接上一根鑽柱7，然後再將方鑽杆8接上，下方到旋轉體1103中心孔，從而可以繼續進行鑽井工作。
[0089]當旋轉送鑽系統11的密封件出現故障需要更換時，打開快速接頭1102，將旋轉送鑽系統11 一同提離井口，可以很方便地在鑽機平臺上進行拆卸和維修。維修好後，再將旋轉送鑽系統11下放，通過快速接頭1102固定支撐座10上，從而可以繼續進行鑽井工作。
[0090]在地面泥漿泵I能力和旋轉送鑽系統11的動密封能力足夠大時，泵壓反循環鑽井的理論鑽井深度可以是無限深。
[0091]本實用新型泵壓反循環鑽井系統，通過向井筒4的環空5內輸入鑽井液，鑽井液經環空5進入鑽頭6，再進入鑽柱7將鑽井液排出，鑽井液壓力用於克服循環過程中的壓力損耗，完成泵壓反循環，井口密封裝置的耐壓能力和地層的破裂壓力值足夠時，理論鑽井深度可以無限大。
[0092]以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，並不用於限制本實用新型，對於本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種泵壓反循環鑽井系統，其特徵在於，包括鑽頭、鑽柱、井筒和動力裝置； 所述井筒上設置有進液口，所述進液口用於向所述井筒內輸送鑽井液； 所述鑽柱為中空圓柱體，其一端連接所述鑽頭，另一端連接所述動力裝置，所述動力裝置用於驅動所述鑽柱轉動，所述鑽柱用於驅動所述鑽頭轉動和鑽井液回流； 所述鑽柱穿過所述井筒，所述井筒遠離所述鑽頭一端與所述鑽柱之間密封； 所述鑽頭上設有水眼，用於鑽井液回流。
2.根據權利要求1所述的泵壓反循環鑽井系統，其特徵在於，所述水眼為八個； 四個所述水眼沿所述鑽頭徑向均勻分布在所述鑽頭側部； 四個所述水眼沿所述鑽頭徑向均勻分布在所述鑽頭底部。
3.根據權利要求2所述的泵壓反循環鑽井系統，其特徵在於，四個鑽頭側部所述水眼與四個鑽頭底部所述水眼沿所述鑽頭軸向錯開45° ; 所述水眼由外向內逐漸縮小。
4.根據權利要求1所述的泵壓反循環鑽井系統，其特徵在於，還包括旋轉送鑽系統，所述旋轉送鑽系統用於密封所述井筒遠離所述鑽頭的一端，其包括方鑽杆、旋轉體和外套； 所述方鑽杆為中空柱體，所述方鑽杆穿過所述旋轉體，所述方鑽杆與所述鑽柱連接，所述方鑽杆用於驅動所述鑽柱轉動和鑽井液回流，所述方鑽杆另一端連接所述動力裝置，由所述動力裝置驅動所述方鑽杆轉動； 所述旋轉體設置在所述外套內，能由所述方鑽杆帶動所述旋轉體在所述外套內轉動。
5.根據權利要求4所述的泵壓反循環鑽井系統，其特徵在於，所述旋轉送鑽系統還包括卡瓦，設置在所述方鑽杆與所述旋轉體之間。
6.根據權利要求4所述的泵壓反循環鑽井系統，其特徵在於，所述旋轉送鑽系統還包括主軸承，設置在所述旋轉體與所述外套之間。
7.根據權利要求4所述的泵壓反循環鑽井系統，其特徵在於，所述旋轉送鑽系統還包括限位軸承，設置在所述旋轉體與所述外套之間，用於防止所述旋轉體上下震動。
8.根據權利要求4所述的泵壓反循環鑽井系統，其特徵在於，所述旋轉送鑽系統還包括支撐座，所述外套固定安裝在所述支撐座的一端，所述支撐座的另一端與所述井筒固定連接。
9.根據權利要求1所述的泵壓反循環鑽井系統，其特徵在於，還包括泥漿泵和單向閥，所述單向閥一端連接所述井筒，另一端連接所述泥漿泵，用於限制井筒流體流出。
10.根據權利要求1-9任一項所述的泵壓反循環鑽井系統，其特徵在於，還包括鑽井液池，用於為所述井筒提供鑽井液和回收所述鑽柱中回流的鑽井液。
【文檔編號】E21B21/00GK203594354SQ201320800934
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年12月6日 優先權日:2013年12月6日
【發明者】周勁輝, 高德利, 房軍, 張勇 申請人:中國石油大學