[發明專利]一種低溫空氣泡沫鉆進方法

有效

• 申請號: 201410826754.2
• 申請日: 2014-12-29
• 公開（公告）號: CN104533326B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 孫友宏;郭威;賈瑞;王元;劉華南;楊林
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: E21B21/14
• 分類號: E21B21/14;E21B21/06
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙)22103
• 代理人: 張建成

技術領域

本發明涉及一種低溫空氣泡沫鉆進方法，適用于凍土地層和陸地天然氣水合物層的鉆進，特別是缺水地區。

背景技術

凍土地層是指在溫度≤0℃，含有冰的各種巖石和土壤的地層。凍土分為季節性凍土和常年凍土。地球上凍土區的面積約占陸地面積的50%，其中，多年凍土面積占陸地面積的 25%。我國是世界上多年凍土分布面積的第三大國。凍土是一種對溫度極為敏感的土體介質，含有豐富的地下冰。因此，凍土具有流變性，其長期強度遠低于瞬時強度特征。正由于這些特征，凍土鉆進中如果忽視溫度因素，那么冰膠結的松散巖層可能因受熱失去粘結而喪失穩定性，從而導致復雜的情況的出現，如：孔壁坍塌；鉆井液在孔壁上結冰，造成縮徑；鉆具以過冷狀態下鉆，凍結孔壁上；巖礦芯采取率低。因此，在凍土層鉆進中，需要采用低溫沖洗介質保持孔內的低溫來穩定孔壁，保證正常高效的鉆進。

天然氣水合物又名可燃冰是一種儲量巨大的潔凈的新型替代能源，陸地上賦存于凍土地區。天然氣水合物只存在于低溫、高壓的條件下，由于其特殊的熱物理性質，在天然氣水合物鉆進中，如果鉆井液循環溫度高于水合物層穩定溫度，會引起水合物分解，無法取得原位保真的水合物樣品，還會帶來一系列問題，如大量氣體分解，使井徑擴大，套管被壓扁，使井口裝置發生傾斜，還有可能導致井噴及井塌事故；分解后的氣體可能破壞周圍環境，有時還會出現溶洞，使天然氣水合物地層下沉。因此，在天然氣水合物鉆進中要采用低溫沖洗介質抑制水合物層在鉆進過程中發生分解，取得水合物原位保真樣品，保證鉆進的正常進行。

目前， 在凍土鉆進和天然氣水合物鉆進中，采用保壓鉆具或大直徑繩索取心鉆具配合泥漿冷卻技術來進行鉆進，作為核心的低溫泥漿冷卻技術都是以冷卻液體的鉆井泥漿為基礎，存在的不足如下：①凍土區比較缺水，不利于鉆井泥漿的配制及補充；②鉆井泥漿的比熱大，制冷所需的能量大，不易制冷；③鉆井泥漿的導熱系數高，對地層溫度影響大。

發明內容

本發明針對上述現有技術的不足，提供一種適用于凍土地層和陸地天然氣水合物層的低溫空氣泡沫鉆進方法，該方法能減小用水量，降低制冷系統所需功率，減少鉆進過程中沖洗介質對地層溫度的影響，特別適合缺水地區。

本發明的技術方案是: 在常規空氣泡沫鉆進工藝的基礎上，通過制冷系統將泡沫液、空氣和空氣泡沫進行制冷，形成低溫空氣泡沫的鉆進方法，該方法具體包括以下步驟：

（1）通過泡沫液泵將泡沫液吸入到泡沫液箱，通過泡沫液制冷系統對泡沫液進行制冷，形成低溫泡沫液；

（2）將壓縮空氣輸入到空氣制冷系統中，通過空氣制冷系統對壓縮空氣進行制冷，形成低溫空氣；

（3）低溫泡沫液和低溫空氣進入泡沫發生裝置，混合后形成空氣泡沫，通過空氣泡沫制冷系統對空氣泡沫進行制冷，形成達到鉆進要求的低溫空氣泡沫；

（4）產生的低溫空氣泡沫經過鉆具和鉆頭的中心進入孔底，由鉆桿和孔壁間的環狀間隙上返到達地表，通過孔口密封裝置進入消泡器進行消泡后流回泥漿池中，然后將沉淀后的泡沫液通過泵抽出進行循環利用，以此循環運行直至鉆進結束。

上述的泡沫液制冷系統、空氣制冷系統和空氣泡沫制冷系統是相互獨立的。根據環境的變化，可以通過分別關閉與開啟空氣制冷系統和空氣泡沫制冷系統，滿足鉆進要求。當環境溫度降低時，可以只開啟使用泡沫液制冷系統，隨著環境溫度逐漸升高，再分別開啟空氣制冷系統和空氣泡沫制冷系統。

上述的低溫空氣泡沫鉆進方法中，泡沫發生裝置包括發泡器和泡沫增壓泵，具體選擇是根據孔深、孔徑、鉆桿與孔壁的環狀間隙決定的。當孔深較淺，孔徑較大，環狀間隙較大時，所需要的壓力較小，選用發泡器，當孔深較深，孔徑較小，環狀間隙較小時，所需要的壓力較大，選用泡沫增壓泵。

本發明的有益效果：

利用空氣泡沫含水少，比熱低，導熱系數低的性質，針對凍土層和陸地天然氣水合物層鉆進的特點，發明了低溫空氣泡沫鉆進方法，減少了鉆進過程中沖洗介質對地層溫度的影響；減小了用水量，在缺水地區有良好的效果；降低了制冷鉆井介質所需的功率，同時對制冷系統采用多級制冷，獨立控制，進一步優化了對制冷能量的利用。

附圖說明

圖1為本發明的低溫空氣泡沫鉆進方法示意圖。

圖中： 1.泡沫液泵，2.第一控制閥，3.第二控制閥，4.鉆機，5.孔口密封裝置，6.孔內鉆具，7.消泡裝置，8.泥漿池，9.泵。

具體實施方式