处理地层出水稳定井壁的气体钻井装置及钻井方法

摘要

本发明公开了一种处理地层出水稳定井壁的气体钻井装置及钻井方法，涉及用夹带或不夹带弹丸的液体或气体喷射钻井装置技术领域。所述装置包括转换接头和钻头本体，转化接头内设有分流通道和金属过滤膜，钻头本体内设有中心流道、加热腔、熔化腔、侧向喷嘴等。分流通道、熔化腔、侧向喷嘴依次联通，侧向喷嘴出口位于钻头本体侧壁。加热腔将热量传递到熔化腔，易熔材料微粒在熔化腔内被加热融化从侧向喷嘴喷出，在井壁上形成一层易熔材料硬壳。所述装置能够在钻进作业的同时随钻进行地层水的封堵，在钻穿出水地层后即可停止泵入易熔材料，能够有效地减少建井周期，节约成本，可广泛应用于气体钻井作业。

说明书

技术领域

本发明涉及用夹带或不夹带弹丸的液体或气体喷射钻井装置技术领域，尤其涉及一种处理地层出水稳定井壁的气体钻井装置及钻井方法。

背景技术

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，严重的制约了油气的高效勘探开发进程。气体钻井作为一种欠平衡钻井方式，能够有效地保护储层，实现高效、及时、准确的勘探发现，尤其是与特殊轨迹井相结合时可以达到增产和提高采收率的目的。气体钻井技术由于其能够提高机械钻速(4-14倍)、延长钻头的使用寿命(2-6倍)、防止井漏的发生，同时能够改善工作条件减少环境污染等诸多优点，近年来得到了迅速的发展，开始作为实用化的工业技术被全国性的规模应用。

然而，在实际的气体钻井施工过程中也存在着一些问题，主要表现为：1)地层出水。地层出水可能导致裸眼井段粘土矿物水化膨胀，造成井眼的缩径或井壁坍塌；同时环空上返岩屑遇水后易聚并成团，影响井眼净化效果，严重时甚至堵塞环空通道诱发卡钻等井下复杂情况。2)井壁失稳。由于井筒中的有效“液柱”压力较低，对地层压力的控制能力降低，支撑井壁防止其坍塌的能力较差。

目前，处理地层出水及井壁失稳的主要方法是：1)当地层出水量较小时，可将气体钻井转化为雾化、泡沫钻井，将地层水携带至地面，但会在井场产生大量的稳定泡沫，造成环境污染；当地层出水量 较大时候，将气体钻井转化为充气钻井或常规钻井液进行钻井，但机械钻速会大幅降低，严重时会产生井漏及其他井下复杂。2)如中国专利CN102278068A公告的《一种处理气体钻井过程地层出水的方法》所述的向井筒中吹入吸水材料的方法。由于环空返速较高，吸水材料会迅速通过出水地层，吸水效果无法保证；吸水材料吸水后的重量数倍于自身的重量，会增加井筒携岩难度，影响井眼净化效果。3)如中国专利CN103527137A公告的《一种增加井壁稳定性的方法》所述的在井壁上喷胶的方法。在钻遇出水地层后需要重新起钻更换钻头进行喷胶，喷胶完成后仍需起钻更换钻头方可钻进，会导致钻时增加，影响经济效益；在起下钻的过程中进入井筒的地层水有可能会引起井下复杂情况的发生。

综上所述，气体钻井技术在油气勘探中有着无可比拟的优势，但地层出水及井壁稳定问题制约了该技术的进一步发展，解决气体钻井过程中的地层出水和井壁稳定是目前急需解决的关键问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种处理地层出水稳定井壁的气体钻井装置及钻井方法，所述装置的结构简单，通过所述装置可以有效的处理气体钻井过程中的出水问题，增加裸眼井段的井壁稳定性，实现安全、高效、快速的钻井作业，达到增产和提高采收率的目的。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种处理地层出水稳定井壁的气体钻井装置，其特征在于：包括转换接头和钻头本体，所述转换接头的上端设有用于与上部钻具连接的螺纹，所述转换接头的下端与所述钻头本体螺纹连接，所述转换接头的内部设有贯穿转换接头上下侧面的气体流道，所述转换接头的侧壁上设有若干个 与所述气体流道相连通的分流通道，所述分流通道的进口位于所述转换接头的内壁上，所述分流通道的出口位于转换接头的下侧面上，传输电缆设置在所述转换接头的内部，且传输电缆的上端与转换接头外侧的导电环连接，传输电缆的下端延伸至转换接头外，过滤膜位于分流通道进口下侧的转换接头内壁上；

所述钻头本体的内部设有中心流道，所述中心流道与所述气体流道相连通，中心流道底部的钻头本体上设有与中心流道相连通的底部中心喷嘴，中心流道与钻头本体的侧壁之间从内到外依次设有环形加热腔和环形熔化腔，所述环形熔化腔的底部设有若干个斜向下穿透钻头本体侧壁的侧向喷嘴，分流通道、熔化腔、侧向喷嘴依次连通，所述环形加热腔内设有若干个电加热组件，传输电缆的下端与所述电加热组件电连接。

进一步的技术方案在于：所述分流通道设有四条，且其横截面为圆形。

进一步的技术方案在于：所述过滤膜为半球形金属过滤膜，分流通道的进口轴线与过滤膜的顶面相切，出口轴线与转换接头的底面垂直，分流通道的总过流面积为气体流道过流面积的1/4。

进一步的技术方案在于：所述钻头本体上部的外径大于钻头本体下部的外径，钻头本体的上部外壁沿周向均匀设有4条螺旋形导流槽。

进一步的技术方案在于：所述中心流道底部的钻头本体上还设有与中心流道相连通的底部侧喷嘴。

进一步的技术方案在于：所述环形加热腔的顶部设有隔热绝缘体， 底部铺设有隔热材料，两侧壁铺设有等静压石墨材料构成的导热元件，所述传输电缆的下端经隔热绝缘体后与所述电加热组件电连接，所述导热元件与电加热组件接触。

本发明还公开了一种使用所述气体钻井装置进行钻井的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)正常地层钻进时，与常规气体钻井工具相同，向钻杆中泵入气体；

2)当地面检测装置检测到地层出水之后，向钻杆中泵入含有易熔材料微粒的混合气体，当混合气体经过过滤膜时，大部分气体进入中心流道，少部分气体连同被过滤膜挡住的易熔材料微粒进入分流通道，落入熔化腔；

3)开启电加热组件，电加热组件产生的热量通过导热元件将相邻的熔化腔加热，落入熔化腔中的易熔材料微粒被融化，在空气的压力作用下从侧向喷嘴喷出，在钻头本体外壁的挤压作用下在井壁形成一层易熔材料硬壳；

4)当钻穿出水地层之后，停止泵入易熔材料，关闭电加热组件，转变为常规气体钻井模式继续钻进。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1)本发明所述装置通过易熔材料造壁能够有效的对地层水进行封堵，避免地层出水引起的井下复杂，有利于提高钻井速度；同时易熔材料硬壳具有一定的强度，能够支撑井壁，保持井壁稳定，增加气体钻井过程中的安全性。2)本发明能够在钻进作业的同时随钻进行地层水的封堵，不起钻、 不停钻，减少建井周期；在钻穿出水地层后即可停止泵入易熔材料，关闭电加热组件，节约钻井成本。3)本发明结构简单，正常钻进与造壁钻进切换方便，利于推广使用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明所述装置的剖视结构示意图；

图2是本发明所述装置中钻头本体的俯视结构示意图；

图3是本发明所述装置中转换接头的仰视结构示意图；

其中：1、转换接头；2、过滤膜；3、分流通道；4、钻头本体；5、导热元件；6、侧向喷嘴；7、隔热材料；8、导电环；9、传输电缆；10、隔热绝缘体；11、熔化腔；12、电加热组件；13、加热腔；14、底部侧喷嘴；15、底部中心喷嘴；16、导流槽、17、中心流道18、气体流道。

具体实施方式

下面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的一部分实施例，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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明 不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-3所示，本发明公开了一种处理地层出水稳定井壁的气体钻井装置，主要包括转换接头1和钻头本体4。转换接头1的上端与上部钻具组合通过螺纹进行连接，转换接头1的下端与钻头本体4螺纹连接。转换接头1内部中空为气体流道18，气体流道18中部加工有弧顶向上的半球形金属过滤膜2，流道外壁与转换接头1侧壁之间加工有4组横截面为圆形的分流通道3，分流通道3的入口轴线与所述过滤膜2顶面相切(保证进入钻杆中的易熔材料只进入分流通道3)，分流通道3的出口轴线与转换接头1底面垂直，分流通道3的总过流面积一般为气体流道18过流面积的1/4，传输电缆9置于转换接头1的侧壁上，其上端延伸至所述转换接头外与导电环8连接，下端穿过转换接头形成自由端。

钻头本体4上部的外径大于钻头本体4下部的外径，钻头本体4上部外壁沿周向均匀加工有4条螺旋形导流槽16，作为井底岩屑的上返通道。钻头本体4内部加工有中心流道17，中心流道17底部加工有底部中心喷嘴15和底部侧喷嘴14，底部喷嘴出口位于钻头本体4底面；中心流道17与钻头本体4侧壁之间从外向内加工有上下等尺寸的环形熔化腔11和上部开口尺寸大于下部开口尺寸的环形加热腔13。熔化腔11底部加工有4条侧向喷嘴6，侧向喷嘴6的出口设在钻头本体4的侧面，分流通道3、熔化腔11、侧向喷嘴6依次连通；工作时，中心流道17为气体流道，分流通道3为混有易熔材料的气体流道。加热腔13顶部设有隔热绝缘体10，底部铺设隔热材料7，两侧壁铺设有等静压石墨材料组成的导热元件5，导热元件5与电加热组件12接触，传输电缆9下端的自由端穿过所述隔热绝缘体10后与所述电加热组件12电连接。

使用所述装置钻井的过程中，在钻遇出水地层后，开启电加热组件12，同时将易熔材料微粒泵入钻杆内部，由于所述过滤膜2的存 在，使得易熔材料只能从分流通道3进入熔化腔11，易熔材料在熔化腔11内部被加热腔13加热改变相态从侧向喷嘴6喷出，在钻头本体4外壁的挤压作用下，在井壁上形成一层易熔材料硬壳，达到防止地层出水，保持井壁稳定的目的。

相应的，本发明还公开了一种使用所述气体钻井装置进行钻井的方法，所述方法包括如下步骤：

1)正常地层钻进时，与常规气体钻井工具相同，向钻杆中泵入气体；

2)当地面检测装置检测到地层出水之后，向钻杆中泵入含有易熔材料微粒的混合气体，当混合气体经过所述过滤膜2时，大部分气体进入中心流道17，少部分气体连同被所述过滤膜2挡住的易熔材料微粒进入分流通道3，落入熔化腔11；

3)开启电加热组件12，电加热组件12产生的热量通过导热元件5将相邻的熔化腔11加热，落入熔化腔11中的易熔材料微粒被融化，在空气的压力作用下从侧向喷嘴6喷出，在钻头本体4外壁的挤压作用下形成一层易熔材料硬壳；

4)当钻穿出水地层之后，停止泵入易熔材料，关闭电加热组件12，工具转变为常规气体钻井模式继续钻进。

本发明所述装置通过易熔材料造壁能够有效的对地层水进行封堵，避免地层出水引起的井下复杂，有利于提高钻井速度；同时易熔材料硬壳具有一定的强度，能够支撑井壁，保持井壁稳定，增加气体钻井过程中的安全性。本发明能够在钻进作业的同时随钻进行地层水的封堵，不起钻、不停钻，减少建井周期；在钻穿出水地层后即可停止泵入易熔材料，关闭电加热组件，节约钻井成本。本发明结构简单，正常钻进与造壁钻进切换方便，利于推广使用。