一种低温空气泡沫钻进方法.pdf

本发明涉及一种低温空气泡沫钻进方法，本发明针对冻土层和陆地天然气水合物层钻进的特点，利用空气泡沫用水量少，比热低，导热系数低的特点，通过在常规空气泡沫钻进工艺的基础上，将泡沫液、空气和空气泡沫分别进行制冷，形成低温空气泡沫钻进方法，本方法在钻进冻土层和陆地天然气水合物层的过程中，降低了冲洗介质对地层温度的影响；减小了用水量，在缺水地区有良好的效果；降低了制冷钻井介质所需的功率，同时对制冷系统采用多重制冷，独立控制，进一步提高了对制冷能量的利用。

1.  一种低温空气泡沫钻进方法，该方法是在常规空气泡沫钻进工艺的基础上，通过制冷系统将泡沫液、空气和空气泡沫进行制冷，形成低温空气泡沫的钻进方法，该方法具体包括以下步骤：
（1）通过泡沫液泵将泡沫液吸入到泡沫液箱，通过泡沫液制冷系统对泡沫液进行制冷，形成低温泡沫液；
（2）将压缩空气输入到空气制冷系统中，通过空气制冷系统对压缩空气进行制冷，形成低温空气；
（3）低温泡沫液和低温空气进入泡沫发生装置，混合后形成空气泡沫，通过空气泡沫制冷系统对空气泡沫进行制冷，形成达到钻进要求的低温空气泡沫；
（4）产生的低温空气泡沫经过钻具和钻头的中心进入孔底，由钻杆和孔壁间的环状间隙上返到达地表，通过孔口密封装置进入消泡器进行消泡后流回泥浆池中，然后将沉淀后的泡沫液通过泵抽出进行循环利用，以此循环运行直至钻进结束。

2.  根据权利要求1所述的一种低温空气泡沫钻进方法，其特征在于：所述的泡沫液制冷系统、空气制冷系统和空气泡沫制冷系统是相互独立的。

3.  根据权利要求1所述的一种低温空气泡沫钻进方法，其特征在于：所述的泡沫发生装置包括发泡器和泡沫增压泵。

一种低温空气泡沫钻进方法
技术领域
 本发明涉及一种低温空气泡沫钻进方法，适用于冻土地层和陆地天然气水合物层的钻进，特别是缺水地区。
背景技术
冻土地层是指在温度≤0℃，含有冰的各种岩石和土壤的地层。冻土分为季节性冻土和常年冻土。地球上冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积的 25%。我国是世界上多年冻土分布面积的第三大国。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，冻土钻进中如果忽视温度因素，那么冰胶结的松散岩层可能因受热失去粘结而丧失稳定性，从而导致复杂的情况的出现，如：孔壁坍塌；钻井液在孔壁上结冰，造成缩径；钻具以过冷状态下钻，冻结孔壁上；岩矿芯采取率低。因此，在冻土层钻进中，需要采用低温冲洗介质保持孔内的低温来稳定孔壁，保证正常高效的钻进。
天然气水合物又名可燃冰是一种储量巨大的洁净的新型替代能源，陆地上赋存于冻土地区。天然气水合物只存在于低温、高压的条件下，由于其特殊的热物理性质，在天然气水合物钻进中，如果钻井液循环温度高于水合物层稳定温度，会引起水合物分解，无法取得原位保真的水合物样品，还会带来一系列问题，如大量气体分解，使井径扩大，套管被压扁，使井口装置发生倾斜，还有可能导致井喷及井塌事故；分解后的气体可能破坏周围环境，有时还会出现溶洞，使天然气水合物地层下沉。因此，在天然气水合物钻进中要采用低温冲洗介质抑制水合物层在钻进过程中发生分解，取得水合物原位保真样品，保证钻进的正常进行。
目前， 在冻土钻进和天然气水合物钻进中，采用保压钻具或大直径绳索取心钻具配合泥浆冷却技术来进行钻进，作为核心的低温泥浆冷却技术都是以冷却液体的钻井泥浆为基础，存在的不足如下：①冻土区比较缺水，不利于钻井泥浆的配制及补充；②钻井泥浆的比热大，制冷所需的能量大，不易制冷；③钻井泥浆的导热系数高，对地层温度影响大。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供一种适用于冻土地层和陆地天然气水合物层的低温空气泡沫钻进方法，该方法能减小用水量，降低制冷系统所需功率，减少钻进过程中冲洗介质对地层温度的影响，特别适合缺水地区。
本发明的技术方案是: 在常规空气泡沫钻进工艺的基础上，通过制冷系统将泡沫液、空气和空气泡沫进行制冷，形成低温空气泡沫的钻进方法，该方法具体包括以下步骤：
（1）通过泡沫液泵将泡沫液吸入到泡沫液箱，通过泡沫液制冷系统对泡沫液进行制冷，形成低温泡沫液；
（2）将压缩空气输入到空气制冷系统中，通过空气制冷系统对压缩空气进行制冷，形成低温空气；
（3）低温泡沫液和低温空气进入泡沫发生装置，混合后形成空气泡沫，通过空气泡沫制冷系统对空气泡沫进行制冷，形成达到钻进要求的低温空气泡沫；
（4）产生的低温空气泡沫经过钻具和钻头的中心进入孔底，由钻杆和孔壁间的环状间隙上返到达地表，通过孔口密封装置进入消泡器进行消泡后流回泥浆池中，然后将沉淀后的泡沫液通过泵抽出进行循环利用，以此循环运行直至钻进结束。
上述的泡沫液制冷系统、空气制冷系统和空气泡沫制冷系统是相互独立的。根据环境的变化，可以通过分别关闭与开启空气制冷系统和空气泡沫制冷系统，满足钻进要求。当环境温度降低时，可以只开启使用泡沫液制冷系统，随着环境温度逐渐升高，再分别开启空气制冷系统和空气泡沫制冷系统。
上述的低温空气泡沫钻进方法中，泡沫发生装置包括发泡器和泡沫增压泵，具体选择是根据孔深、孔径、钻杆与孔壁的环状间隙决定的。当孔深较浅，孔径较大，环状间隙较大时，所需要的压力较小，选用发泡器，当孔深较深，孔径较小，环状间隙较小时，所需要的压力较大，选用泡沫增压泵。
本发明的有益效果：
利用空气泡沫含水少，比热低，导热系数低的性质，针对冻土层和陆地天然气水合物层钻进的特点，发明了低温空气泡沫钻进方法，减少了钻进过程中冲洗介质对地层温度的影响；减小了用水量，在缺水地区有良好的效果；降低了制冷钻井介质所需的功率，同时对制冷系统采用多级制冷，独立控制，进一步优化了对制冷能量的利用。
附图说明
图1为本发明的低温空气泡沫钻进方法示意图。
图中： 1.泡沫液泵，2.第一控制阀，3.第二控制阀，4.钻机，5.孔口密封装置，6.孔内钻具，7.消泡装置，8.泥浆池，9.泵。
具体实施方式
本发明通过在常规空气泡沫钻进工艺的基础上，将泡沫液、空气和空气泡沫进行制冷，形成适用于冻土区和陆地天然气水合物层钻进低温空气泡沫钻进方法。
该方法包括以下步骤：
开启泡沫液制冷系统对泡沫液箱内的泡沫液进行制冷形成低温泡沫液，通过泡沫液泵1将低温泡沫液泵送到泡沫发生器；
关闭第一控制阀2，开启压缩空气制冷系统，将压缩空气输入到空气制冷系统中，通过空气制冷系统对压缩空气进行制冷，制冷后的低温空气进入泡沫发生器；
关闭第二控制阀3，开启空气泡沫制冷系统，低温泡沫液和低温空气在空气发生装置混合后形成空气泡沫，通过空气泡沫制冷系统对空气泡沫进行制冷，形成满足钻进要求的低温空气泡沫。
 产生的低温泡沫经过孔内钻具6的中心进入孔底，由钻杆和孔壁间的环状间隙上返到达地表，通过孔口密封装置5进入消泡器7进行消泡后流回泥浆池8中，然后将沉淀后的泡沫液通过泵9抽出进行循环利用，以此循环运行直至钻进结束。
 当环境温度较低时，打开第一控制阀2和第二控制阀3，关闭空气制冷系统和空气泡沫制冷系统，此时，压缩空气直接经过第一控制阀2与低温泡沫液在泡沫发生器中形成低温空气泡沫，低温空气泡沫直接经过第二控制阀3进入孔内进行钻进。
在实际应用中随着环境温度的增加，可以逐步关闭第一控制阀2和第二控制阀3，同时相对应的逐步开启空气制冷系统和空气泡沫制冷系统，在满足低温空气泡沫钻进要求的同时，降低功率的消耗。
当孔深较浅，孔径较大，环状间隙较大时，所需要的压力较小，泡沫发生装置可选用发泡器，当孔深较深，孔径较小，环状间隙较小时，所需要的压力较大，泡沫发生装置可选用泡沫增压泵。