專利名稱：鉆井領域中的氮氣鉆井系統(tǒng)及其鉆井方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鉆井領域中的氮氣鉆井系統(tǒng)及其鉆井方法。
背景技術：
氣體鉆井就是采用以氣體為主要循環(huán)流體的欠平衡鉆井技術。20世紀30年代的美國開始研究氣體鉆井技術。但由于當時的技術水平、裝備及認識等原因，沒有得到規(guī)?；瘧谩Ｖ敝?0世紀60年代，隨著空氣鉆井馬達等的問世以及各種設備的不斷完善，氣體鉆井技術又重新受到人們的重視。氣體鉆井(根據(jù)使用循環(huán)介質(zhì)的不同)一般可分為:空氣鉆井、氮氣鉆井、天然氣鉆井、尾氣鉆井等不同種類，其中尤以空氣鉆井以空氣的廉價性、無限性、易得性而具有別的氣體鉆井形式無法比擬的優(yōu)勢。但對空氣鉆井，由于空氣中含有大量助燃劑氧氣，當使用空氣鉆井至儲層附近時，很容易與儲層附近的易燃氣體混合而被點燃繼而產(chǎn)生燃燒或爆炸。氮氣鉆井作為氣體鉆井的一種，因其不僅具有氣體鉆井技術的優(yōu)越性；具有鉆井介質(zhì)的廉價性、無限性、而且具有遇可燃氣體不發(fā)生燃燒或爆炸的安全性及防止腐蝕、延長鉆頭壽命、提高鉆達井深的成功率、大大降低鉆探成本等優(yōu)勢，而成為近幾年油氣開發(fā)研究者們非常關注的課題之一。而制氮設備作為氮氣鉆井中制取鉆井介質(zhì)——氮氣的關鍵設備也就越來越多的受到人們的重視。近幾年以來，隨著制膜工藝的不斷發(fā)展，膜分離制氮成為制取氮氣的一種新型科學制氮方法。膜分離法制氮的研究和發(fā)展推動了膜分離制氮設備的發(fā)展，給氮氣鉆井注入了新的活力，大大加快了氮氣鉆井的推廣應用。隨著空氣鉆井技術的日益成熟，作為其配套使用或者說必要輔助手段的氮氣鉆井技術的提高也越來越受到人們的重視。與空氣鉆井比較，氮氣鉆井技術的關鍵即氮氣生產(chǎn)設備。氮氣生產(chǎn)設備的各項性能指標的提高可使氮氣鉆井技術得以更廣泛使用，從而有效地解決儲層或某些特殊工況情況下可能產(chǎn)生的井下燃燒和爆炸以及鉆井施工中的惡性井漏，壓差卡鉆、鉆井速度慢等技術性難題，能在鉆進油氣層井段時，做到“零污染”，對于及時保護和發(fā)現(xiàn)低壓、低飽和、低滲透率油層(油氣藏)，對提高油井單井產(chǎn)量和采收率具有顯著效果，并可提高鉆速5-10倍。因此，通過對當前現(xiàn)有裝置進行分析研究，找出其存在的不足和缺點，從而對其進行改進，以達到使其結構布局合理、降低成本、使用維護方便、能耗低、壓力損失小等技術指標，就顯得尤為重要和迫切。這樣不僅降低了設備制造成本，降低能量消耗，推動膜制氮裝置的更廣泛應用，而且為我國氮氣鉆井的普及，油氣開采工藝更先進、更科學、取得更高的經(jīng)濟效益和社會效益提供了生產(chǎn)先進生產(chǎn)設備的基礎。氮氣鉆井是欠平衡鉆井技術的一種，它的循環(huán)流體是干燥氮氣。氮氣鉆井首次使用是在二十世紀中后期。我國的氮氣鉆井技術研究始于上個世紀八十年代，雖然取得一些成果，但因制氮設備未能解決，使研究出的成果難以轉化為生產(chǎn)力，沒有得到及時應用。上個世紀九十年代，隨著制氮工藝的發(fā)展和制氮設備的研制成功，氮氣鉆井技術的研究與應用又一次被廣泛重視起來。首先是遼河油田試用成功，逐步推廣到勝利、江漢等油田，但當時還未用在欠平衡鉆井上。直到2000年12月，勝利油田鉆井四公司一先進鉆井隊用國產(chǎn)鉆機鉆探的云南武定縣云參科研一井，首次采用氮氣鉆井技術鉆進，獲得一次成功，開了先河。此后，氮氣鉆井技術在吐哈、新疆、四川、遼河、江漢等油田分別獲得成功。2004年至2005年，吐哈油田欠平衡鉆井技術得到迅速發(fā)展，先后在窿14井、中石化鄂爾多斯D12-1井、紅臺2-15井、紅臺2-17井、紅臺2-4井等8 口井采用欠平衡鉆井技術，其中有5 口井在儲層段進行全過程欠平衡純氮氣鉆井。其中紅臺2-15井是國內(nèi)首次進行全過程欠平衡純氮氣鉆井，取得顯著效果，獲得的高產(chǎn)油氣流是常規(guī)鉆井的10-15倍。證實了這項新技術在油田勘探開發(fā)中有良好的經(jīng)濟效益和廣闊的推廣應用前景。盡管當前我國的一些油氣田已經(jīng)采用了氮氣鉆井對油氣井進行開采，并取得一些成績，但與國外相比，目前我國氮氣鉆井的差距仍然較大，這不僅反映在技術裝備的配套和研制水平上，還反映在工藝方法和基礎理論研究上，而且在多工藝綜合技術上尚未起步。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點和不足，提供一種鉆井領域中的氮氣鉆井系統(tǒng)，該鉆井領域中的氮氣鉆井系統(tǒng)能成功實現(xiàn)氮氣鉆井，為我國的石油和天然氣開采帶來了新發(fā)展，同時也帶動了我國氣體鉆井設備的不斷發(fā)展。本發(fā)明還提供了 一種基于上述氮氣鉆井系統(tǒng)的鉆井方法。本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現(xiàn):鉆井領域中的氮氣鉆井系統(tǒng)，主要由依次相連的空氣壓縮機、膜分離制氮機、增壓機、管匯系統(tǒng)、以及旋轉防噴器構成，所述旋轉防噴器安裝在井下。所述管匯系統(tǒng)主要由與增壓機相連的供氣管、以及與供氣管相連的立管構成，所述旋轉防噴器安裝在立管遠離供氣管的一端。所述供氣管上安裝有放空管、泄壓管和旁通管。還包括回收池，所述放空管、泄壓管和旁通管遠離供氣管的一端均與回收池的內(nèi)部相通。所述旋轉防噴器上設置有排巖管，且排巖管遠離旋轉防噴器的一端與回收池的內(nèi)部相通。所述供氣管上設置有氣體流量及壓力記錄儀。基于上述氮氣鉆井系統(tǒng)的鉆井方法，其特征在于，包括以下步驟:(a)空氣經(jīng)空氣壓縮機壓縮以后，進入膜分離制氮機；(b)壓縮以后的空氣通過膜分離制氮機進行分離，得到純度為95%以上的氮氣，然后進入增壓機；(C)經(jīng)壓縮和分離后的氮氣通過增壓機進一步增壓后，進入管匯系統(tǒng)；(d)進入管匯系統(tǒng)的氮氣經(jīng)旋轉防噴器后注入到井下；(e)氮氣將井下鉆屑帶到地面，通過排巖管后進入地面回收池，整個流程結束。在鉆井工藝過程中，通過放空管進行防空。在鉆井工藝過程中，通過泄壓管進行系統(tǒng)泄壓。在鉆井工藝過程中，通過氣體流量及壓力記錄儀進行氣體流量及壓力的監(jiān)控。
綜上所述，本發(fā)明的有益效果是:能成功實現(xiàn)氮氣鉆井，為我國的石油和天然氣開采帶來了新發(fā)展，同時也帶動了我國氣體鉆井設備的不斷發(fā)展。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。實施例:如圖1所示，本發(fā)明涉及的鉆井領域中的氮氣鉆井系統(tǒng)，主要由依次相連的空氣壓縮機1、膜分離制氮機2、增壓機3、管匯系統(tǒng)、以及旋轉防噴器5構成，所述旋轉防噴器5安裝在井下。 所述管匯系統(tǒng)主要由與增壓機3相連的供氣管6、以及與供氣管6相連的立管7構成，所述旋轉防噴器5安裝在立管7遠離供氣管6的一端。所述供氣管6上安裝有放空管8、泄壓管9和旁通管10。還包括回收池11，所述放空管8、泄壓管9和旁通管10遠離供氣管6的一端均與回收池11的內(nèi)部相通。所述旋轉防噴器5上設置有排巖管12,且排巖管12遠離旋轉防噴器5的一端與回收池11的內(nèi)部相通。所述供氣管6上設置有氣體流量及壓力記錄儀13。空氣壓縮機I是提供空氣鉆井所需空氣的主要設備。目前有多種空氣壓縮機，如旋轉葉片式、直瓣式、往復活塞式和旋轉螺桿式，其中螺桿式空氣壓縮機是油田鉆井作業(yè)應用最多的一種?？諝鈮嚎s機有多種壓力級別，其輸出的最大工作壓力一般為1.75
2.45MPa。在正常情況下，這種工作壓力能夠滿足空氣鉆井的需要，但在井較深時，或預計井內(nèi)有出水時，所要求輸送的空氣壓力可能超過空氣壓縮機額定的壓力值，這時就要使用增壓機。性能優(yōu)良的壓縮機一般均配備有冷卻系統(tǒng)，可將輸出氣體溫度降低至適當范圍(一般約為環(huán)境溫度+15°C )。其性能指標除排量外，還應有最大輸出壓力和有效功率。在空氣鉆井作業(yè)中，最好應配備有應急壓縮機，以備處理復雜情況時，增加氣量。單臺空氣壓縮機的輸出氣量一般為25.5 42.5m3/min，不能滿足空氣鉆井所需要的空氣量。氣體鉆井作業(yè)時，根據(jù)不同的井眼尺寸、井下出水等情況，配備多臺空氣壓縮機，以機組形式并聯(lián)使用提供壓縮空氣，滿足氣體鉆井需要的空氣量。當前氮氣鉆井作業(yè)中所使用的制氮裝置均為膜分離制氮機2，膜分離制氮以其無相變、能耗低、設備簡單、操作方便、運行可靠性高而成為制氮領域前景廣闊的一門新技術。也正是由于膜分離制氮技術的成熟使得氮氣鉆井技術得以迅速推廣應用。膜分離制氮裝置是氮氣鉆井中的關鍵設備，它可以為氮氣鉆井提供純度為95%以上的鉆井介質(zhì)——氮氣。其核心制氮膜絕大部分采用的是聚砜中空纖維復合膜。增壓機3 —般為往復活塞式增壓機，它是將來自膜分離制氮裝置的氮氣增到更高的壓力，以滿足氮氣鉆井的壓力要求。油田上使用的增壓機有單級、雙級或多級增壓機。單級增壓機常用于較低壓力作業(yè)，其輸出壓力一般為5.2 10.5MPa。一般說來，單級增壓機能滿足氮氣鉆井作業(yè)所需的壓力要求，但對于氮氣鉆井服務公司，擁有的大多數(shù)增壓機為雙級或多級增壓機，能持續(xù)輸送較高壓力，以滿足鉆井變工況作業(yè)條件的需要。一般情況下，一臺增壓機能處理兩臺或多臺膜分離制氮裝置的氮氣。氮氣鉆井時，應根據(jù)所需的氮氣量配備與膜分離制氮裝置相對應的增壓機數(shù)量，且并聯(lián)使用，滿足氮氣鉆井作業(yè)需要。在氮氣鉆井作業(yè)中，需要將增壓機系統(tǒng)的壓縮氮氣輸送到鉆機的立管，因此就需要連接較大直徑Φ76 Φ 101.6的鋼管或軟管來輸送。這些連接管線的額定壓力值應與增壓機的最大壓力相匹配或更高。在這些連接管線中應安裝相應的單流閥、安全閥和球閥，以保護壓縮機和方便泄壓，滿足氮氣鉆井作業(yè)工藝要求。在氮氣輸入的主管線上要連接一根旁通管線，方便在接單根或需要泄壓時使用。旁通管線可以直接導流到排巖管線。另外，在旁通管線與鉆井立管之間安裝一條泄壓管線，用以在接單根前放掉立管和鉆具內(nèi)的壓縮氮氣，這樣，壓縮機就可以在接單根期間保持運轉而不需要停機。旁通管線和泄壓管線一般用直徑51mm的管子。無論是氮氣鉆井還是其它氣體型流體鉆井(霧化、泡沫或充氣)，井口返出的流體均有一定的壓力，為了確保鉆井的安全、順利，井口除裝有常規(guī)防噴器組外，還必須安裝旋轉防噴器5。氮氣鉆井作業(yè)時，井內(nèi)返出的流體(氮氣、鉆屑)須通過排巖管線進入地面回收池。排巖管線的直徑大小應適當，若太大不能有效攜帶鉆屑，若太小，管線上的壓力降會過大，這樣會增加壓縮機系統(tǒng)的輸出壓力。一般說來，排巖管線大小與所鉆井眼的環(huán)空橫截面積差不多大，現(xiàn)場使用的排巖線大多數(shù)為0178或0244套管。為了便于采集巖樣，在排巖管線上一般安裝有巖屑取樣器。取樣器實際上是一個帶有球閥的異徑短管(76mmX25.4mm)，并用使用過的大鉗牙齒焊接在異徑管內(nèi)，這樣可使返出的巖屑在取樣器處轉向沉積，取樣器位于排巖管線底部某一方便點，如需米集巖樣，打開閥門即可?；谏鲜龅獨忏@井系統(tǒng)的鉆井方法，其特征在于，包括以下步驟:(a)空氣經(jīng)空氣壓縮機壓縮以后，進入膜分離制氮機；(b)壓縮以后的空氣通過膜分離制氮機進行分離，得到純度為95%以上的氮氣，然后進入增壓機；(C)經(jīng)壓縮和分離后的氮氣通過增壓機進一步增壓后，進入管匯系統(tǒng)；(d)進入管匯系統(tǒng)的氮氣經(jīng)旋轉防噴器后注入到井下；(e)氮氣將井下鉆屑帶到地面，通過排巖管后進入地面回收池，整個流程結束。在鉆井工藝過程中，通過放空管進行防空。在鉆井工藝過程中，通過泄壓管進行系統(tǒng)泄壓。在鉆井工藝過程中，通過氣體流量及壓力記錄儀進行氣體流量及壓力的監(jiān)控。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)，對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.鉆井領域中的氮氣鉆井系統(tǒng)，其特征在于，主要由依次相連的空氣壓縮機(I)、膜分離制氮機(2)、增壓機(3)、管匯系統(tǒng)、以及旋轉防噴器(5)構成，所述旋轉防噴器(5)安裝在井下。
2.根據(jù)權利要求1所述的鉆井領域中的氮氣鉆井系統(tǒng)，其特征在于，所述管匯系統(tǒng)主要由與增壓機(3)相連的供氣管(6)、以及與供氣管(6)相連的立管(7)構成，所述旋轉防噴器(5)安裝在立管(7)遠離供氣管(6)的一端。
3.根據(jù)權利要求2所述的鉆井領域中的氮氣鉆井系統(tǒng)，其特征在于，所述供氣管(6)上安裝有放空管(8)、泄壓管(9)和旁通管(10)。
4.根據(jù)權利要求3所述的鉆井領域中的氮氣鉆井系統(tǒng)，其特征在于，還包括回收池(11)，所述放空管(8)、泄壓管(9)和旁通管(10)遠離供氣管(6)的一端均與回收池(11)的內(nèi)部相通。
5.根據(jù)權利要求4所述的鉆井領域中的氮氣鉆井系統(tǒng)，其特征在于，所述旋轉防噴器(5)上設置有排巖管(12),且排巖管(12)遠離旋轉防噴器(5)的一端與回收池(11)的內(nèi)部相通。
6.根據(jù)權利要求2-5中任一項所述的鉆井領域中的氮氣鉆井系統(tǒng)，其特征在于，所述供氣管(6)上設置有氣體流量及壓力記錄儀(13)。
7.基于上述氮氣鉆井系統(tǒng)的鉆井方法，其特征在于，包括以下步驟: (a)空氣經(jīng)空氣壓縮機(I)壓縮以后，進入膜分離制氮機(2); (b)壓縮以后的空氣通過膜分離制氮機(2)進行分離，得到純度為95%以上的氮氣，然后進入增壓機(3)； (c)經(jīng)壓縮和分離后的氮氣通過增壓機(3)進一步增壓后，進入管匯系統(tǒng)； (d)進入管匯系統(tǒng)的氮氣經(jīng)旋轉防噴器(5)后注入到井下； (e)氮氣將井下鉆屑帶到地面，通過排巖管(12)后進入地面回收池，整個流程結束。
8.根據(jù)權利要求7所述的鉆井領域中的鉆井方法，其特征在于，在鉆井工藝過程中，通過放空管(8)進行防空。
9.根據(jù)權利要求7所述的鉆井領域中的鉆井方法，其特征在于，在鉆井工藝過程中，通過泄壓管(9)進行系統(tǒng)泄壓。
10.根據(jù)權利要求7所述的鉆井領域中的鉆井方法，其特征在于，在鉆井工藝過程中，通過氣體流量及壓力記錄儀(13)進行氣體流量及壓力的監(jiān)控。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鉆井領域中的氮氣鉆井系統(tǒng)。該鉆井領域中的氮氣鉆井系統(tǒng)主要由依次相連的空氣壓縮機(1)、膜分離制氮機(2)、增壓機(3)、管匯系統(tǒng)、以及旋轉防噴器(5)構成，所述旋轉防噴器(5)安裝在井下。本發(fā)明還公開了一種基于上述氮氣鉆井系統(tǒng)的鉆井方法。本發(fā)明能成功實現(xiàn)氮氣鉆井，為我國的石油和天然氣開采帶來了新發(fā)展，同時也帶動了我國氣體鉆井設備的不斷發(fā)展。
文檔編號E21B7/18GK103104207SQ20111038513
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月14日 優(yōu)先權日2011年11月14日
發(fā)明者母東艷 申請人:母東艷