[发明专利]一种二氧化碳气体钻井装置及方法

说明书

技术领域：

本发明属于油气钻井技术领域，涉及一种在一次施工中实现把地面气态二氧化碳在井底转化为地下高压超临界状态、形成井底二氧化碳高压射流的设备及工艺，特别是一种二氧化碳气体钻井装置及方法。

背景技术：

高压水射流破岩门限压力低、破岩效率高，门限压力是机械破岩的60％-70％左右，因而在钻井破岩方面应用广泛。随着研究的深入，超临界二氧化碳也被用作射流流体，国外试验研究证明超临界二氧化碳直接射流破岩速度是水射流的3.3倍，因此发展超临界二氧化碳高压射流技术对节能减排、提高钻速和节约成本具有重要意义。但高压射流破岩技术目前也存在一些问题，主要原因是高压射流对地面增压泵性能、流体管线强度要求高，因而设备造价高、易发生安全隐患。尤其对于二氧化碳，由于气罐车的储气罐体积大，容许压力一般在2～3MPa，若是常温则二氧化碳处于气态，地面增压泵增压时压缩系数大，难以增到高压，得需要二级或三级增压泵，经历气态到低压液态再到高压液态的过程，从而使地面设备复杂、维护成本高。可采取对储气罐降温的方法来使二氧化碳处于液态，但也会增加额外的制冷循环设备和维护成本。此外，上述两种措施都要求地面增压泵有高的耐压性能。

发明内容：

本发明为了克服现有技术存在的缺点，设计一种二氧化碳气体钻井装置及方法，通过该装置在施工中实现把地面气态二氧化碳在井底转化为地下高压超临界状态、形成井底二氧化碳高压射流从而达到破碎的效果；该装置结构简单，原理可靠，经济成本低，方法易于实现，应用环境友好。

为了实现上述目的，本发明涉及的二氧化碳气体钻井装置的主体结构包括储气罐、增压泵、钻杆、液压控制腔、高压入口、一级增压腔、液压换气阀、低压出口、活塞、钻头、喷嘴、二级增压腔、活塞下压力腔、活塞上压力腔、单向阀、节流阀和流体管线组成；置于地表上部的储气罐中储存有气态的二氧化碳，并通过增压泵提供流体循环动力，储气罐与增压泵构成整个装置的原始动力系统，并通过钻杆和高压入口与地表下部装置连接，喷嘴的底端连接制有钻头；地表下部的活塞通过液压控制腔内的液压油与液压换气阀动力连接；活塞上压力腔和活塞下压力腔位于活塞的内部；一级增压腔和二级增压腔分别位于活塞的上部和下部，并通过单向阀和流体管线分别与高压入口、喷嘴串连；活塞通过往复运动时产生压力脉动控制液压换气阀进行活塞上压力腔和活塞下压力腔内高、低压力的交替，其中高压力来自于活塞上方的高压入口的二氧化碳压力，而低压力来自位于液压换气阀下方的低压出口的二氧化碳压力；低压出口放置在井底与环空连接，低压出口能迅速放空相连的活塞上压力腔或活塞下压力腔内的相对高压气体，形成对井底岩石的低压喷射并参与井底携岩过程；活塞在活塞上压力腔和活塞下压力腔的压力差作用下进行上下运动，对一级增压腔和二级增压腔内的二氧化碳气体进行两级增压；单向阀用来防止增压时气体倒流，而增压后的气体能够通过喷嘴对井底地层岩石形成喷射破岩；地表上部的节流阀用于控制环空压力，在活塞面积比一定的情况下，与增压泵一起实现对增压过程中压力的控制。

本发明实现二氧化碳气体钻井的具体步骤为：

(1)打开储气罐，通过增压泵对流体进行有限增压，提供流体循环动力；

(2)增压后的气体通过高压入口，一部分进入一级增压腔，另一部分通过液压换气阀进入活塞上压力腔和活塞下压力腔；

(3)活塞在活塞上压力腔和活塞下压力腔的压力差作用下进行上下运动，活塞下行时活塞上压力腔连接高压入口、活塞下压力腔连接低压出口，一级增压腔吸气而二级增压腔对气体增压；活塞上行时与之相反，活塞上压力腔连接低压出口、活塞下压力腔连接高压入口，一级增压腔对气体增压而二级增压腔吸气；

(4)活塞上行时液压控制腔内压力升高，活塞下行时液压控制腔内压力降低，从而推动液压换气阀内阀芯与活塞做相应运动，实现活塞上压力腔和活塞下压力腔与高压入口和低压入口连接的切换转变；

(5)增压后的高压气体通过喷嘴对井底地层岩石形成喷射破岩，喷嘴后加上钻头形成机械水力联合破岩，节流阀用于控制环空压力，在活塞面积比一定的情况下，节流阀与增压泵实现对增压过程中压力的控制，实现二氧化碳气体钻井。

本实施例的工作原理为，由于循环压耗和流道面积改变，钻杆内泵入的气态二氧化碳与经过钻头喷嘴进入环空中的二氧化碳有压力差，利用大面积活塞端的低压气体驱动而产生小面积活塞端的高压流体；利用较大活塞端对气体进行初级增压，利用较小活塞端对气体进行二级增压；通过活塞运动引起的压力波动，来控制换气阀进行流道切换，实现大面积活塞两侧压力的高、低压切换，形成活塞的往复运动。