БУРОВАЯ СИСТЕМА С НЕСКОЛЬКИМИ КАНАЛАМИ ДЛЯ ЦИРКУЛЯЦИИ ПОТОКА И СПОСОБ БУРЕНИЯ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН С БОЛЬШИМ ДИАМЕТРОМ СТВОЛА В ТВЕРДЫХ ПОРОДАХ
DRILLING SYSTEM WITH SEVERAL CHANNELS FOR FLOW CIRCULATION AND DRILLING METHOD FOR DRILLING WELLS WITH LARGE BORE DIAMETER IN SOLID ROCKS

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к области технологий бурения, в частности относится к буровой системе с несколькими каналами для циркуляции потока и к способу бурения для бурения скважин с большим диаметром ствола в твердых породах.
Предпосылки изобретения
[0002] В настоящее время существует много отечественных и зарубежных способов бурения скважин с большим диаметром ствола, которые в основном делят на вращательное бурение, вращательное бурение буровыми установками, проходку с использованием буровзрывных работ (шахтное строительство), бурение шахтных стволов (шахтное строительство), ударно-вращательное (или ударно-роторное) бурение и т.д.
[0003] (1) Вращательное бурение
[0004] Вращательное бурение реализовано с помощью породоразрушающих инструментов, таких как шарошечные долота, червячные долота и шаберные долота, которые в основном применяют для разрезания и разбивания горной породы, и может использовать два способа бурения, т.е., прямую циркуляцию бурового раствора и газлифтный способ с обратной циркуляцией. Если мощность бурения (крутящий момент) является недостаточной и тяжело реализовать возможность бурения скважины в ходе одного этапа, бурение обычно может быть выполнено с помощью многоэтапного расширения скважины. В настоящее время в Китае применяют газлифтный способ вращательного бурения с обратной циркуляцией, с помощью которого можно бурить ствол скважины с максимальным диаметром 13000 мм и который имеет теоретическую глубину бурения 1000 м (как у буровой установки для бурения скважин с большим диаметром ствола AD130/1000 компании CHINA COAL SPECIAL DRILLING CO., LTD). Тем не менее, хотя этот способ бурения соответствует требованию циркуляции нефтеносного песка в стволах скважин с большим диаметром ствола, он подходит только для бурения в мягких породах и совсем не подходит для бурения в твердых горных породах.
[0005] (2) Вращательное бурение буровыми установками
[0006] Вращательное бурение буровыми установками в основном основано на подходе «бурение + выкапывание». В настоящее время установки для вращательного бурения могут реализовывать операции бурения с диаметрами от 4 м до 5 м. Тем не менее, этот способ строительства по-прежнему предназначен для бурения в мягких породах и обладает очень низкой эффективностью бурения в твердых горных породах, и его максимальная глубина бурения не превышает 1500 м (например, в установке для вращательного бурения SR630RC8 компании Sany Heavy Industry максимальный диаметр бурения равен 4500 мм и максимальная глубина бурения составляет 140 м). Этот способ не отвечает требованиям в отношении твердых пород, глубоких скважин и эффективного бурения.
[0007] (3) Бурение шахтных стволов и проходка с использованием буровзрывных работ (шахтное строительство)
[0008] Бурение шахтных стволов также относится к области шахтного строительства и обычно применяется для бурения мягких пород. Буровзрывные работы представляют собой способ взрывания и извлечения твердых горных пород в области шахтного строительства, который обладает высокой стоимостью и длительным циклом при строительстве скважины и не относится к области бурения.
[0009] (4) Ударно-вращательное (или ударно-роторное) бурение
[0010] В ударно-вращательном (или ударно-роторном) бурении в качестве породоразрушающего инструмента в основном используют пневмоударник. Эффективность бурения пневмоударником в твердой породе является очень высокой и может быть увеличена более чем в 10 раз по сравнению с традиционным вращательным бурением. В настоящее время пневмоударники для бурения скважин большого диаметра в Китае в основном применяются в таких областях как нефтедобыча, создание фундаментов на сваях, строительство угольных шахт, горноспасательные работы и другие.
[0011] (1) Пневмоударник большого диаметра с прямой циркуляцией (одинарный ударник/кластерный ударник)
3
[0012] В настоящее время максимальный диаметр пневмоударника с прямой циркуляцией для бурения в нефтегазодобывающей промышленности обычно равен 660 мм, расход газа составляет 400-500 м/мин и максимальная глубина бурения не превышает 600 м. В области создания фундаментов на сваях пневмоударник с прямой циркуляцией, имеющий наибольший диаметр (обычно от 800 мм до 1200 мм), взаимодействует с установкой для вращательного бурения с целью осуществления бурения, и максимальная глубина бурения составляет менее 100 м.
[0013] Когда существующий пневмоударник с прямой циркуляцией применяют для бурения скважины с большим диаметром ствола, необходимо большое количество газа и оборудования, что приводит к высоким затратам, что стало распространенными проблемами. Тем временем, при бурении скважины с большим диаметром ствола, используя пневмоударник с прямой циркуляцией, очень сложно отводить песок, что не только расходует много энергии, но также представляет собой большую потенциальную угрозу безопасности внутри скважины. Кроме этого, газ, обладающий высокой скоростью, приводит к очевидной эрозии стенки скважины, поэтому он с большой вероятностью приведет к сложным проблемам, таким как потеря прочности стенки скважины. Хотя этот способ строительства является эффективным, он не соответствует требованиям для бурения глубоких скважин с большим диаметром ствола в твердой породе.
[0014] (2) Пневмоударник большого диаметра с обратной циркуляцией (одинарный ударник/кластерный ударник)
[0015] В настоящее время технологии бурения с использованием пневмоударника большого диаметра с обратной циркуляцией в Китае обычно включают: одинарный пневмоударник большого диаметра с обратной циркуляцией для ствола скважины диаметром 450-700 мм от компании CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited (включая опубликованный патент КНР на изобретение № CN 105113978 В, озаглавленный «ОДИНАРНЫЙ ПНЕВМОУДАРНИК БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА С ОБРАТНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ, КОТОРЫЙ МОЖНО ПРИМЕНЯТЬ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА», и опубликованный патент КНР на изобретение № CN 105178859 А, озаглавленный «ГАЗОВАЯ БУРОВАЯ СИСТЕМА С ПОЛНЫМ ПРОФИЛЕМ СКВАЖИНЫ, САМОВСАСЫВАНИЕМ И ОБРАТНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ДЛЯ БУРЕНИЯ НЕФТИ И ГАЗА»); и кластерный пневмоударник с обратной циркуляцией для ствола скважины диаметром 500-800 мм, созданный исследовательским институтом г. Сиань и компанией China Coal Technology & Engineering Group (включая патент КНР на изобретение, заявка №201410747538.9, озаглавленный «КЛАСТЕРНЫЙ ПОГРУЖНОЙ УДАРНИК С ОБРАТНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ СКВАЖИНЫ», и опубликованный патент КНР на полезную модель № CN 204326956 U, озаглавленный «КЛАСТЕРНЫЙ ПОГРУЖНОЙ УДАРНИК С ОБРАТНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ СКВАЖИНЫ»). Буровая штанга с двойной стенкой необходима для бурения с использованием пневмоударника большого диаметра с обратной циркуляцией, что представляет собой технологию бурения скважин в твердых породах с большим диаметром ствола, использующую чистый газ для приведения пневмоударника и реализации переноса песка с помощью циркуляции. Тем не менее, эта технология в настоящее время ограничена такими условиями как глубина скважины, образование пластовых вод и потеря циркуляции, и все еще находится на этапе экспериментального исследования. Согласно отчетам, максимальная глубина скважины при испытаниях или практическом применении этой технологии в настоящее время не превышает 800 м и диаметр ствола скважины не превышает 800 мм.
[0016] (3) Пневмоударник с обратной замкнутой циркуляцией по трем каналам
[0017] Университет Цзилинь совместил преимущество эффективного бурения в твердых породах с помощью пневмоударника с преимуществом защиты стенки скважины при бурении с прямой циркуляцией бурового раствора и изобрел технологию бурения с помощью пневмоударника с обратной замкнутой циркуляцией по трем каналам (включая опубликованный патент КНР на изобретение № CN 102966304 В, озаглавленный «СТЕНКА ДЛЯ УДЕРЖАНИЯ БУРОВОГО РАСТВОРА, БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ В ВИДЕ ПОГРУЖНОГО ПНЕВМОУДАРНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ»). Тем не менее, поскольку эта технология все еще использует технологию переноса песка при прямой циркуляции бурового раствора, она подходит только для бурения скважин с малым диаметром в твердых породах.
Суть изобретения
[0018] Целью настоящего изобретения является предоставление буровой системы с несколькими каналами для циркуляции потока и способа бурения для бурения скважин с большим диаметром ствола в твердых породах с целью предоставления эффективного решения для создания глубокой скважины с большим диаметром ствола в твердой породе, которое может не только повысить эффективность бурения, но также может снизить расход энергии и общие затраты.
[0019] Настоящее изобретение достигает вышеуказанной цели с помощью следующих технических решений.
[0020] Буровая система с несколькими каналами для циркуляции потока для бурения скважин с большим диаметром ствола в твердых породах содержит наземные манифольд и оборудование погружного пневмоударника, газлифтные манифольд и оборудование, буровой приводной агрегат, буровой инструмент с несколькими каналами для циркуляции потока и оборудование циркуляции бурового раствора, при этом наземные манифольд и оборудование погружного пневмоударника и газлифтные манифольд и оборудование соответственно сообщаются с буровым инструментом с несколькими каналами для циркуляции потока посредством бурового приводного агрегата, и оборудование циркуляции бурового раствора присоединено к буровому приводному агрегату посредством эрозионностойкого гусака и выпускного трубопровода для песка.
[0021] Кроме этого, буровой инструмент с несколькими каналами для циркуляции потока содержит буровую штангу с четырьмя соосными каналами для потока, буровую штангу с тремя соосными каналами для потока, утяжеленную бурильную трубу с тремя соосными каналами для потока и пневмоударник с замкнутой обратной циркуляцией, которые последовательно сообщаются сверху вниз; и при этом верхняя часть буровой штанги с четырьмя соосными каналами для потока сообщается с буровым приводным агрегатом, и нижняя часть буровой штанги с четырьмя соосными каналами для потока сообщается с буровой штангой с тремя соосными каналами для потока посредством соединения для смешивания газа.
[0022] Кроме этого, буровая штанга с четырьмя соосными каналами для потока имеет четырехканальную структуру, содержащую газоотводящий канал погружного пневмоударника, газонагнетательный канал погружного пневмоударника, газлифтный газонагнетательный канал и газлифтный выпускной канал для песка, перечисленные в порядке снаружи внутрь, при этом газонагнетательный канал погружного пневмоударника сообщается с наземными манифольдом и оборудованием погружного пневмоударника, газлифтный газонагнетательный канал сообщается с газлифтными манифольдом и оборудованием, и газлифтный выпускной канал для песка сообщается с буровым приводным агрегатом; и каждая из буровой штанги с тремя соосными каналами для потока и утяжеленной бурильной трубы с тремя соосными каналами для потока имеет трехканальную структуру, содержащую газоотводящий канал погружного пневмоударника, газонагнетательный канал погружного пневмоударника и газлифтный выпускной канал для песка, перечисленные в порядке снаружи внутрь, и газоотводящий канал погружного пневмоударника и газонагнетательный канал погружного пневмоударника сообщаются в нижней части бурового инструмента с несколькими каналами для циркуляции потока.
[0023] Кроме этого, соединение для смешивания газа содержит верхнюю концевую трубу, нижнюю концевую трубу, подвесное соединение и внешнюю соединительную трубу, причем после присоединения и установки сообщения посредством подвесного соединения верхняя концевая труба и нижняя концевая труба установлены во внешней соединительной трубе и образуют внешний канал с внутренней стенкой внешней соединительной трубы; верхняя концевая труба имеет трехслойную структуру стенки трубы, и множество отверстий для смешивания газа образовано в стенке крайней внутренней трубы в трехслойной структуре стенки трубы; и нижняя концевая труба имеет двухслойную структуру стенки трубы.
[0024] Кроме этого, круглый центральный канал образован в средней части подвесного соединения, прерывистый кольцевой канал образован соосно в направлении вдоль окружности подвесного соединения, и подвесная втулка расположена в радиальном направлении на внешней окружности подвесного соединения.
[0025] Кроме этого, стенки трехслойной верхней концевой трубы, перечисленные в порядке снаружи внутрь, представляют собой внешнюю стенку трубы А, среднюю стенку трубы и внутреннюю стенку трубы А; внешний канал А и средний канал образованы между соседними стенками трубы, и внутренний канал А образован внутри внутренней стенки трубы; и отверстия для смешивания газа образованы во внутренней стенке трубы.
[0026] Кроме этого, верхняя концевая труба и подвесное соединение соединены с помощью сварки или резьбы, внешний канал А и внутренний канал А сообщаются с кольцевым каналом и круглым центральным каналом подвесного соединения соответственно, и нижняя часть среднего канала перекрыта.
[0027] Кроме этого, нижняя концевая труба содержит внешнюю стенку трубы В и внутреннюю стенку трубы В, последовательно перечисленные в порядке снаружи внутрь, внешний канал В образован между двумя стенками трубы, и внутренний канал В образован внутри внутренней стенки трубы.
[0028] Кроме этого, нижняя концевая труба и подвесное соединение соединены с помощью сварки или резьбы, и внешний канал В и внутренний канал В сообщаются с кольцевым каналом и круглым центральным каналом подвесного соединения соответственно.
[0029] Кроме этого, резьба, квадратные головки или шестиугольные головки образованы на обоих концах внешней соединительной трубы.
[0030] Кроме этого, буровой приводной агрегат содержит патрубок, ведущую буровую трубу с четырьмя соосными каналами для потока и роликовую втулку ведущей буровой трубы, причем газонагнетатель представляет собой газонагнетатель с четырьмя каналами для циркуляции потока, установленный в нижней части патрубка; ведущая буровая труба с четырьмя соосными каналами для потока установлена в нижней части газонагнетателя; роликовая втулка ведущей буровой трубы установлена в нижней части ведущей буровой трубы с четырьмя соосными каналами для потока; и газонагнетатель сообщается с буровым инструментом с несколькими каналами для циркуляции потока посредством ведущей буровой трубы с четырьмя соосными каналами для потока и дополнительно сообщается со шлангом для выпуска газа погружного пневмоударника.
[0031] Кроме этого, буровой приводной агрегат содержит верхний привод и газонагнетатель, причем газонагнетатель представляет собой газонагнетатель с четырьмя каналами для циркуляции потока, установленный в нижней части верхнего привода; верхний привод сообщается с буровым инструментом с несколькими каналами для циркуляции потока посредством газонагнетателя; и газонагнетатель дополнительно сообщается со шлангом для выпуска газа погружного пневмоударника.
[0032] Кроме этого, наземные манифольд и оборудование погружного пневмоударника содержат газонагнетательный узел погружного пневмоударника, узел наддува погружного пневмоударника, механизм сброса давления погружного пневмоударника, клапан регулировки нагнетаемого газа погружного пневмоударника, расходомер нагнетаемого газа погружного пневмоударника, наземный газонагнетательный манифольд погружного пневмоударника и шланг для нагнетания газа под высоким давлением погружного пневмоударника, соединенные последовательно, причем шланг для нагнетания газа под высоким давлением погружного пневмоударника присоединен к газонагнетателю.
[0033] Кроме этого, газлифтные манифольд и оборудование содержат газлифтный газонагнетательный узел, газлифтный узел наддува, газлифтный механизм сброса давления, газлифтный клапан регулировки нагнетаемого газа, газлифтный расходомер нагнетаемого газа, газлифтный наземный газонагнетательный манифольд и газлифтный шланг для нагнетания газа под высоким давлением, соединенные последовательно, причем газлифтный шланг для нагнетания газа под высоким давлением присоединен к газонагнетателю.
[0034] В другом аспекте настоящего изобретения предоставляют способ бурения с использованием нескольких каналов для циркуляции потока для бурения скважин с большим диаметром ствола в твердых породах, причем способ бурения с использованием нескольких каналов для циркуляции потока включает следующие этапы:
[0035] а. производство сжатого газа для наземных манифольда и оборудования погружного пневмоударника газонагнетательным узлом погружного пневмоударника и узлом наддува погружного пневмоударника, и обеспечение течения сжатого газа сквозь механизм сброса давления погружного пневмоударника, клапан регулировки нагнетаемого газа погружного пневмоударника, расходомер нагнетаемого газа погружного пневмоударника, наземный газонагнетательный манифольд погружного пневмоударника и шланг для нагнетания газа под высоким давлением погружного пневмоударника с целью попадания в газонагнетатель;
[0036] b. вследствие разделения потока, выполняемого газонагнетателем, обеспечение последовательного поступления сжатого газа в газонагнетательный канал погружного пневмоударника каждой из буровой штанги с четырьмя соосными каналами для потока, буровой штанги с тремя соосными каналами для потока и утяжеленной бурильной трубы с тремя соосными каналами для потока, течение сжатого газа вниз вдоль газонагнетательных каналов погружного пневмоударника и поступление в пневмоударник с замкнутой обратной циркуляцией с целью приведения в действие пневмоударника с замкнутой обратной циркуляцией;
[0037] с. обеспечение поступления отработанного газа в газоотводящий канал погружного пневмоударника каждой из утяжеленной бурильной трубы с тремя соосными каналами для потока, буровой штанги с тремя соосными каналами для потока и буровой штанги с четырьмя соосными каналами для потока посредством внутреннего канала для потока пневмоударника с замкнутой обратной циркуляцией, с последующим протеканием вверх вдоль газоотводящих каналов погружного пневмоударника и попаданием в газонагнетатель;
[0038] d. вследствие разделения потока, выполняемого газонагнетателем, выпуск отработанного газа, который привел в действие пневмоударник с замкнутой обратной циркуляцией, наружу буровой системы через шланг для выпуска газа погружного пневмоударника, присоединенный к газонагнетателю;
[0039] е. одновременно с этапами a-d, производство сжатого газа для газлифтных манифольда и оборудования газлифтным газонагнетательным узлом и газлифтным узлом наддува, и обеспечение течения сжатого газа сквозь газлифтный механизм сброса давления, газлифтный клапан регулировки нагнетаемого газа, газлифтный расходомер нагнетаемого газа, газлифтный наземный газонагнетательный манифольд и газлифтный шланг для нагнетания газа под высоким давлением с целью попадания в газонагнетатель;
[0040] f. под действием газонагнетателя, обеспечение поступления сжатого газа в газлифтный газонагнетательный канал каждой из буровой штанги с четырьмя соосными каналами для потока, буровой штанги с тремя соосными каналами для потока и утяжеленной бурильной трубы с тремя соосными каналами для потока, течение сжатого газа вниз вдоль газлифтного газонагнетательного канала и поступление в соединение для смешивания газа, где соединены буровая штанга с четырьмя соосными каналами для потока и буровая штанга с тремя соосными каналами для потока;
[0041] g. смешивание сжатого газа в газлифтном газонагнетательном канале с промывочной жидкостью в газлифтном выпускном канале для песка у соединения для смешивания газа, и благодаря разнице внутреннего давления между кольцевым пространством ствола скважины и газлифтным выпускным каналом для песка, обеспечение переноса забойной промывочной жидкостью обломков, выбуренных пневмоударником с замкнутой обратной циркуляцией, вверх для того, чтобы они последовательно прошли через газлифтный выпускной канал для песка каждой из утяжеленной бурильной трубы с тремя соосными каналами для потока, буровой штанги с тремя соосными каналами для потока и буровой штанги с четырьмя соосными каналами для потока с целью попадания в газонагнетатель; и
[0042] h. под действием газонагнетателя, обеспечение прохождения обломков в газлифтном выпускном канале для песка сквозь патрубок, эрозионностойкий гусак, выпускной трубопровод для песка и жесткий выпускной трубопровод для песка для того, чтобы в итоге вернуться в систему циркуляции бурового раствора, и перекачивание промывочной жидкости, очищенной системой циркуляции бурового раствора, снова в кольцевое пространство ствола скважины посредством трубопровода для обратного потока бурового раствора.
[0043] По сравнению с известным уровнем техники, буровая система с несколькими каналами для циркуляции потока и способ бурения для бурения скважин с большим диаметром ствола в твердых породах, предоставленные настоящим изобретением, обладают следующими прогрессивными признаками.
[0044] (1) Настоящее изобретение требует введения промывочной жидкости в кольцевое пространство, и уровень промывочной жидкости необходимо поддерживать в пределах обоснованного диапазона высот для того, чтобы промывочная жидкость могла защищать стенку скважины, что благотворно влияет на прочность скважины.
[0045] (2) Использование газлифтного способа обратной циркуляции для вывода песка не только решает проблему сложного вывода песка из глубокой скважины с большим диаметром ствола, но также выводит все забойные обломки из газлифтного выпускного канала для песка в центре бурового инструмента на поверхность во время бурения. Таким образом, предотвращается эрозия стенки скважины, вызванная воздушным потоком в процессе переноса обломков вверх, что способствует предотвращению обрушения стенки скважины во время бурения в сложной горной породе.
[0046] (3) Настоящее изобретение сочетает преимущества выведения песка с помощью газлифтной обратной циркуляции и пневмоударника с замкнутой обратной циркуляцией, так что количество вводимого газа можно существенно уменьшить, одновременно обеспечивая эффективность бурения, что особенно очевидно при бурении секций скважины с большим диаметром, и что способствует уменьшению инвестиций в оборудование, уменьшению занимаемой площади на месте выполнения работ, уменьшению потребности в энергии и промывочной жидкости и уменьшению расхода топлива.
[0047] (4) Способность справляться с образованием пластовых вод выше, чем у традиционных пневмоударников большого диаметра с прямой и обратной циркуляцией. Обычно, при использовании пневмоударника с прямой циркуляцией или пневмоударника с обратной циркуляцией, образование пластовых вод влияет на производительность пневмоударника. Пневмоударник с замкнутой обратной циркуляцией, включенный в эту систему, вообще не подвержен воздействию образования пластовых вод.
[0048] (5) В настоящем изобретении все текучие среды циркулируют замкнутым образом, и промывочная жидкость и забойные обломки также выводятся на поверхность посредством газлифтной обратной циркуляции, поэтому не нужно устанавливать вращательное противовыбросовое оборудование, как применяется в газовом бурении с прямой циркуляцией.
Краткое описание графических материалов
[0049] На фиг. 1 показано схематическое изображение общей структуры согласно настоящему изобретению;
[0050] на фиг. 2 показано схематическое изображение траектории текучей среды в буровом инструменте с несколькими каналами для циркуляции потока согласно настоящему изобретению;
[0051] на фиг. 3 показана принципиальная схема конструкции соединения для смешивания газа;
[0052] на фиг. 4 показан схематичный вид в разрезе по линии А на фиг. 2;
[0053] на фиг. 5 показан схематичный вид в разрезе по линии В на фиг. 2;
[0054] на фиг. 6 показана принципиальная схема конструкции буровой штанги с четырьмя соосными каналами для потока;
[0055] на фиг. 7 показана принципиальная схема конструкции буровой штанги с тремя соосными каналами для потока;
[0056] на фиг. 8 показан схематичный вид в разрезе по линии С-С на фиг. 3;
[0057] на фиг. 9 показана принципиальная схема конструкции ведущей буровой трубы с четырьмя соосными каналами для потока;
[0058] на фиг. 10 показан схематичный вид в разрезе по линии K-K на фиг. 9;
[0059] на фиг. 11 показан схематичный вид в разрезе по линии F-F на фиг. 9; и
[0060] на фиг. 12 показан схематичный вид в разрезе по линии J-J на фиг. 9.
[0061] Условные обозначения на фигурах: 1, газонагнетательный узел погружного пневмоударника; 2, узел наддува погружного пневмоударника; 3, механизм сброса давления погружного пневмоударника; 4, клапан регулировки нагнетаемого газа погружного пневмоударника; 5, расходомер нагнетаемого газа погружного пневмоударника; 6, система циркуляции бурового раствора; 7, наземный газонагнетательный манифольд погружного пневмоударника; 8, трубопровод для обратного потока бурового раствора; 9, пол буровой установки; 10, жесткий выпускной трубопровод для песка; 11, роликовая втулка ведущей буровой трубы; 12, ведущая буровая труба с четырьмя соосными каналами для потока; 13, шланг для нагнетания газа под высоким давлением погружного пневмоударника; 14, выпускной трубопровод для песка; 15, эрозионностойкий гусак; 16, патрубок; 17, газонагнетатель с четырьмя каналами для циркуляции потока; 18, газлифтный шланг для нагнетания газа под высоким давлением; 19, шланг для выпуска газа погружного пневмоударника; 20, газлифтный наземный газонагнетательный манифольд; 21, кольцевое пространство ствола скважины; 22, буровая штанга с четырьмя соосными каналами для потока; 23, буровая штанга с тремя соосными каналами для потока; 24, утяжеленная бурильная труба с тремя соосными каналами для потока; 25, пневмоударник с замкнутой обратной циркуляцией; 26, газлифтный газонагнетательный узел; 27, газлифтный узел наддува; 28, газлифтный механизм сброса давления; 29, газлифтный клапан регулировки нагнетаемого газа; 30, газлифтный расходомер нагнетаемого газа; 31, газонагнетательный канал погружного пневмоударника; 32, газоотводящий канал погружного пневмоударника; 33, газлифтный газонагнетательный канал; 34, соединение для смешивания газа; 341, верхняя концевая труба; 3411, внешний канал А; 3412, средний канал; 3413, внутренний канал А; 342, нижняя концевая труба; 3421, внешний канал В; 3422, внутренний канал В; 343, подвесное соединение; 3431, круглый центральный канал; 3432, кольцевой канал; 3433, подвесная втулка; 35, газлифтный выпускной канал для песка; 50, внешняя труба буровой штанги с четырьмя каналами для потока; 51, первая внутренняя труба из четырех каналов для потока; 52, вторая внутренняя труба из четырех каналов для потока; 53, третья внутренняя труба из четырех каналов для потока; 54, охватываемая короткая секция внутренней трубы; 55, охватывающая короткая секция внутренней трубы; 60, внешняя труба буровой штанги с тремя каналами для потока; 61, первая внутренняя труба из трех каналов для потока; 62, вторая внутренняя труба из трех каналов для потока; 63, охватываемая короткая секция внутренней трубы; 64, охватывающая короткая секция внутренней трубы; 80, внешняя соединительная труба; 81, внешняя стенка трубы А; 82, средняя стенка трубы; 83, внутренняя стенка трубы А; 84, внешняя стенка трубы В; и 85, внутренняя стенка трубы В.
Описание вариантов осуществления
[0062] Настоящее изобретение будет подробнее описано ниже в сочетании с графическими материалами и вариантами осуществления.
[0063] Как показано на фиг. 1, буровая система с несколькими каналами для циркуляции потока для бурения скважин с большим диаметром ствола в твердых породах, предоставленная настоящим изобретением, содержит наземные манифольд и оборудование погружного пневмоударника, газлифтные манифольд и оборудование, буровой приводной агрегат, буровой инструмент с несколькими каналами для циркуляции потока и оборудование 6 циркуляции бурового раствора, при этом наземные манифольд и оборудование погружного пневмоударника и газлифтные манифольд и оборудование соответственно сообщаются с буровым инструментом с несколькими каналами для циркуляции потока посредством бурового приводного агрегата, и оборудование 6 циркуляции бурового раствора присоединено к буровому приводному агрегату посредством эрозионностойкого гусака 15 и выпускного трубопровода 14 для песка.
[0064] Как показано на фиг. 2-8, буровой инструмент с несколькими каналами для циркуляции потока содержит буровую штангу 22 с четырьмя соосными каналами для потока, буровую штангу 23 с тремя соосными каналами для потока, утяжеленную бурильную трубу 24 с тремя соосными каналами для потока и пневмоударник 25 с замкнутой обратной циркуляцией, которые последовательно и соответственно сообщаются сверху вниз; причем верхняя часть буровой штанги 22 с четырьмя соосными каналами для потока сообщается с буровым приводным агрегатом и нижняя часть буровой штанги 22 с четырьмя соосными каналами для потока сообщается с буровой штангой 23 с тремя соосными каналами для потока посредством соединения 34 для смешивания газа.
[0065] Как показано на фиг. 2, фиг. 4 и фиг. 6, буровая штанга 22 с четырьмя соосными каналами для потока имеет четырехканальную структуру, содержащую газоотводящий канал 32 погружного пневмоударника, газонагнетательный канал 31 погружного пневмоударника, газлифтный газонагнетательный канал 33 и газлифтный выпускной канал 35 для песка, перечисленные в порядке снаружи внутрь. Газонагнетательный канал 31 погружного пневмоударника сообщается с наземными манифольдом и оборудованием погружного пневмоударника, газлифтный газонагнетательный канал 33 сообщается с газлифтными манифольдом и оборудованием, и газлифтный выпускной канал 35 для песка сообщается с буровым приводным агрегатом. В частности, как показано на фиг. 6, буровая штанга 22 с четырьмя соосными каналами для потока содержит внешнюю трубу 50 буровой штанги с четырьмя каналами для потока, первую внутреннюю трубу 51 из четырех каналов для потока, вторую внутреннюю трубу 52 из четырех каналов для потока и третью внутреннюю трубу 53 из четырех каналов для потока. Таким образом, буровая штанга 22 с четырьмя соосными каналами для потока образует газоотводящий канал 32 погружного пневмоударника, газонагнетательный канал 31 погружного пневмоударника, газлифтный газонагнетательный канал 33 и газлифтный выпускной канал 35 для песка, перечисленные в порядке снаружи внутрь. Один конец каждой из первой внутренней трубы 51 из четырех каналов для потока, второй внутренней трубы 52 из четырех каналов для потока и третьей внутренней трубы 53 из четырех каналов для потока прикреплен к охватываемой короткой секции 54 внутренней трубы, чей диаметр соответствует диаметру конца, и их другой конец прикреплен к охватывающей короткой секции 55 внутренней трубы, чей диаметр соответствует диаметру этого конца, так что оба конца каждой из внутренних труб могут быть вставлены в ведущую буровую трубу 12 с четырьмя каналами для потока и в соединение 34 для смешивания газа, соответственно, и прикреплены к ним.
[0066] Как показано на фиг. 2, фиг. 5 и фиг. 7, каждая из буровой штанги 23 с тремя соосными каналами для потока и утяжеленной бурильной трубы 24 с тремя соосными каналами для потока имеет трехканальную структуру, содержащую газоотводящий канал 32 погружного пневмоударника, газонагнетательный канал 31 погружного пневмоударника и газлифтный выпускной канал 35 для песка, перечисленные в порядке снаружи внутрь, и газоотводящий канал 32 погружного пневмоударника и газонагнетательный канал 31 погружного пневмоударника сообщаются в нижней части бурового инструмента с несколькими каналами для циркуляции потока. Как показано на фиг. 7, буровая штанга 23 с тремя соосными каналами для потока содержит внешнюю трубу 60 буровой штанги с тремя каналами для потока, первую внутреннюю трубу 61 из трех каналов для потока и вторую внутреннюю трубу 62 из трех каналов для потока. Таким образом, буровая штанга 23 с тремя соосными каналами для потока образует газоотводящий канал 32 погружного пневмоударника, газонагнетательный канал 31 погружного пневмоударника и газлифтный выпускной канал 35 для песка, перечисленные в порядке снаружи внутрь. Один конец каждой из первой внутренней трубы 61 из трех каналов для потока и второй внутренней трубы 62 из трех каналов для потока прикреплен к охватываемой короткой секции 63 внутренней трубы, чей диаметр соответствует диаметру конца, с помощью резьбы или сварки, и их другой конец прикреплен к охватывающей короткой секции 64 внутренней трубы, чей диаметр соответствует диаметру этого конца, так что оба конца каждой из внутренних труб могут быть вставлены в соединение 34 для смешивания газа и в утяжеленную бурильную трубу 24 с тремя соосными каналами для потока, соответственно, и прикреплены к ним.
[0067] Значения длины внешней трубы 50 буровой штанги 22 с четырьмя соосными каналами для потока и внешней трубы 60 буровой штанги с тремя каналами для потока буровой штанги 23 с тремя соосными каналами для потока могут быть заданы согласно фактическим ситуациям при бурении; и оба конца каждой из внешних труб находятся в специальном резьбовом соединении, охватываемый изгиб расположен на одном конце и охватывающий изгиб расположен на другом конце. Каждая из охватываемых коротких секций внутренней трубы и охватывающих коротких секций внутренней трубы в буровой штанге 22 с четырьмя соосными каналами для потока и буровой штанге 23 с тремя соосными каналами для потока оснащена стабилизирующим блоком. Согласно фактическим эксплуатационным требованиям может быть три или четыре стабилизирующих блока. Стабилизирующий блок охватываемой короткой секции внутренней трубы выполняет функцию стабилизации стенки трубы, и стабилизирующий блок охватывающей короткой секции внутренней трубы выполняет функцию стабилизации стенки трубы и подвески.
[0068] Газоотводящие каналы 32 погружного пневмоударника, газонагнетательные каналы 31 погружного пневмоударника и газлифтные выпускные каналы 35 для песка буровой штанги 22 с четырьмя соосными каналами для потока и буровой штанги 23 с тремя соосными каналами для потока сообщаются друг с другом.
[0069] Как показано на фиг. 3 и 8, соединение 34 для смешивания газа содержит верхнюю концевую трубу 341, нижнюю концевую трубу 342, подвесное соединение 343 и внешнюю соединительную трубу 80, причем после присоединения и установки сообщения посредством подвесного соединения 343 верхняя концевая труба 341 и нижняя концевая труба 342 установлены во внешней соединительной трубе 80 и образуют внешний канал 345 с внутренней стенкой внешней соединительной трубы 80; верхняя концевая труба 341 имеет трехслойную структуру стенки трубы, и множество отверстий 344 для смешивания газа образовано в стенке крайней внутренней трубы в трехслойной структуре стенки трубы; и нижняя концевая труба 342 имеет двухслойную структуру стенки трубы. Два конца соединения 34 для смешивания газа соответственно присоединены к буровой штанге 22 с четырьмя соосными каналами для потока и к буровой штанге 23 с тремя соосными каналами для потока соответственно, так что удобно преобразовывать четыре канала для потока в три канала для потока. Два буровых инструмента с разными каналами для потока сообщаются друг с другом, и все каналы для потока являются независимыми друг от друга и не взаимодействуют между собой. Функцией отверстия для смешивания газа является осуществление сообщения между газлифтным газонагнетательным каналом и газлифтным выпускным каналом для песка в буровой штанге с четырьмя соосными каналами для потока бурового инструмента с несколькими каналами для циркуляции потока, так что сжатый газ в газлифтном газонагнетательном канале смешивается с промывочной жидкостью в газлифтном выпускном канале для песка. Средняя плотность смешанного трехфазного потока из газа, жидкости и твердых веществ значительно уменьшается; и в то же время благодаря разнице внутреннего давления между кольцевым пространством ствола скважины и газлифтным выпускным каналом для песка, забойная промывочная жидкость переносит обломки, выбуренные пневмоударником с замкнутой обратной циркуляцией, вверх для того, чтобы они прошли через газлифтный выпускной канал для песка.
[0070] Круглый центральный канал 3431 образован в средней части подвесного соединения, прерывистый кольцевой канал 3432 образован соосно в направлении вдоль окружности подвесного соединения, и подвесные втулки 3433 расположены в радиальном направлении на внешней окружности подвесного соединения 343. Подвесное соединение 343 зафиксировано во внешней соединительной трубе 80 посредством подвесных втулок 3433.
[0071] Стенки трехслойной верхней концевой трубы 341, перечисленные в порядке снаружи внутрь, представляют собой внешнюю стенку А81 трубы, среднюю стенку 82 трубы и внутреннюю стенку А83 трубы; внешний канал А3411 и средний канал 3412 образованы между соседними стенками трубы, и внутренний канал А3413 образован внутри внутренней стенки 81 трубы; и отверстия для смешивания газа образованы во внутренней стенке 83 трубы.
[0072] Верхняя концевая труба 341 и подвесное соединение 343 соединены с помощью сварки или резьбы, внешний канал А3411 и внутренний канал А3413 сообщаются с кольцевым каналом 3432 и круглым центральным каналом 3431 подвесного соединения 343 соответственно, и нижняя часть среднего канала 3412 перекрыта.
[0073] Нижняя концевая труба 342 содержит внешнюю стенку В84 трубы и внутреннюю стенку В85 трубы, последовательно перечисленные в порядке снаружи внутрь, внешний канал В3421 образован между двумя стенками трубы, и внутренний канал В3422 образован внутри внутренней стенки 85 трубы.
[0074] Нижняя концевая труба 342 и подвесное соединение 343 соединены с помощью сварки или резьбы, и внешний канал В84 и внутренний канал В85 сообщаются с кольцевым каналом 3432 и круглым центральным каналом 3431 подвесного соединения 343 соответственно.
[0075] Резьба, квадратные головки или шестиугольные головки образованы на обоих концах внешней соединительной трубы 80. Оба конца внешней соединительной трубы 80 присоединены к буровой штанге с четырьмя каналами для потока, расположенной выше, и к буровой штанге с тремя каналами для потока, расположенной ниже, посредством резьбы. В резьбе охватываемый изгиб может быть расположен на одном конце и охватывающий изгиб - на другом конце; или охватываемый или охватывающий изгибы могут быть расположены на обоих концах. Оба конца внешней соединительной трубы 80 присоединены к буровой штанге с четырьмя каналами для потока, расположенной выше, и к буровой штанге с тремя каналами для потока, расположенной ниже, путем вставки квадратной или шестиугольной головки. Поперечное сечение внешней соединительной трубы 80 может быть шестиугольным или квадратным.
[0076] Буровой приводной агрегат буровой системы может использовать сочетание патрубка 16, ведущей буровой трубы 12 с четырьмя соосными каналами для потока и роликовой втулки 11 ведущей буровой трубы, или может использовать верхний привод и газонагнетатель 17. На фиг. 1 показан случай, где буровой приводной агрегат буровой системы использует ведущую буровую трубу 12 с четырьмя соосными каналами для потока, и патрубок 16 и газонагнетатель 17 бурового приводного агрегата расположены над ведущей буровой трубой 12 с четырьмя соосными каналами для потока. Газонагнетатель 17 представляет собой газонагнетатель с четырьмя каналами для циркуляции потока, установленный в нижней части патрубка 16. Ведущая буровая труба 12 с четырьмя соосными каналами для потока установлена в нижней части газонагнетателя 17, и газонагнетатель 17 сообщается с буровым инструментом с несколькими каналами для циркуляции потока посредством ведущей буровой трубы с четырьмя соосными каналами для потока. В качестве альтернативы буровой приводной агрегат приводится в действие верхним приводом, и в этом случае нет потребности в ведущей буровой трубе 12 с четырьмя соосными каналами для потока и в роликовой втулке 11 ведущей буровой трубы. Газонагнетатель 17 присоединен под верхним приводом и представляет собой газонагнетатель с четырьмя каналами для циркуляции потока. Верхний привод сообщается с буровым инструментом с несколькими каналами для циркуляции потока посредством газонагнетателя 17. Газонагнетатель 17 дополнительно сообщается со шлангом 19 для выпуска газа погружного пневмоударника.
[0077] Как показано на фиг. 9-12, ведущая буровая труба 12 с четырьмя соосными каналами для потока, подобно буровой штанге 22 с четырьмя соосными каналами для потока, имеет структуру с четырьмя соосными каналами для потока и может представлять собой квадратную или шестиугольную ведущую буровую трубу. Структура с четырьмя каналами для потока содержит газоотводящий канал 32 погружного пневмоударника, газонагнетательный канал 31 погружного пневмоударника, газлифтный газонагнетательный канал 33 и газлифтный выпускной канал 35 для песка, перечисленные в порядке снаружи внутрь.
[0078] Наземные манифольд и оборудование погружного пневмоударника содержат газонагнетательный узел 1 погружного пневмоударника, узел 2 наддува погружного пневмоударника, механизм 3 сброса давления погружного пневмоударника, клапан 4 регулировки нагнетаемого газа погружного пневмоударника, расходомер 5 нагнетаемого газа погружного пневмоударника, наземный газонагнетательный манифольд 7 погружного пневмоударника и шланг 13 для нагнетания газа под высоким давлением погружного пневмоударника, соединенные последовательно. Шланг 13 для нагнетания газа под высоким давлением погружного пневмоударника присоединен к газонагнетателю 17.
[0079] Газлифтные манифольд и оборудование содержат газлифтный газонагнетательный узел 26, газлифтный узел 27 наддува, газлифтный механизм 28 сброса давления, газлифтный клапан 29 регулировки нагнетаемого газа, газлифтный расходомер 30 нагнетаемого газа, газлифтный наземный газонагнетательный манифольд 20 и газлифтный шланг 18 для нагнетания газа под высоким давлением, соединенные последовательно. Газлифтный шланг 18 для нагнетания газа под высоким давлением присоединен к газонагнетателю 17.
[0080] Система 6 циркуляции бурового раствора сообщается с кольцевым пространством 21 ствола скважины посредством трубопровода 8 для обратного потока бурового раствора.
[0081] В другом аспекте настоящее изобретение предоставляет способ бурения с использованием нескольких каналов для циркуляции потока для бурения скважин с большим диаметром ствола в твердых породах. Способ бурения с использованием нескольких каналов для циркуляции потока включает следующие этапы.
[0082] На этапе а сжатый газ для наземных манифольда и оборудования погружного пневмоударника создается газонагнетательным узлом 1 погружного пневмоударника и узлом 2 наддува погружного пневмоударника, и сжатый газ течет через механизм 3 сброса давления погружного пневмоударника, клапан 4 регулировки нагнетаемого газа погружного пневмоударника, расходомер 5 нагнетаемого газа погружного пневмоударника, наземный газонагнетательный манифольд 7 погружного пневмоударника и шланг 13 для нагнетания газа под высоким давлением погружного пневмоударника с целью попадания в газонагнетатель 17, как показано на фиг. 2.
[0083] На этапе b, вследствие разделения потока, выполняемого газонагнетателем 17, сжатый газ последовательно поступает в газонагнетательный канал 31 погружного пневмоударника каждой из буровой штанги 22 с четырьмя соосными каналами для потока, буровой штанги 23 с тремя соосными каналами для потока и утяжеленной бурильной трубы 24 с тремя соосными каналами для потока, течет вниз вдоль газонагнетательных каналов погружного пневмоударника и попадает в пневмоударник 25 с замкнутой обратной циркуляцией, чтобы привести в действие пневмоударник 25 с замкнутой обратной циркуляцией.
[0084] На этапе с отработанный газ поступает в газоотводящий канал 32 погружного пневмоударника каждой из утяжеленной бурильной трубы 24 с тремя соосными каналами для потока, буровой штанги 23 с тремя соосными каналами для потока и буровой штанги 22 с четырьмя соосными каналами для потока посредством внутреннего канала для потока пневмоударника 25 с замкнутой обратной циркуляцией, течет вверх вдоль газоотводящих каналов погружного пневмоударника и попадает в газонагнетатель 17.
[0085] На этапе d, вследствие разделения потока, выполняемого газонагнетателем 17, отработанный газ, который привел в действие пневмоударник 25 с замкнутой обратной циркуляцией, выпускают наружу буровой системы через шланг 19 для выпуска газа погружного пневмоударника, присоединенный к газонагнетателю 17.
[0086] На этапе е, одновременно с этапами a-d, сжатый газ для газлифтных манифольда и оборудования создается газлифтным газонагнетательным узлом 26 и газлифтным узлом 27 наддува, и сжатый газ течет через газлифтный механизм 28 сброса давления, газлифтный клапан 29 регулировки нагнетаемого газа, газлифтный расходомер 30 нагнетаемого газа, газлифтный наземный газонагнетательный манифольд 20 и газлифтный шланг 18 для нагнетания газа под высоким давлением с целью попадания в газонагнетатель 17.
[0087] На этапе f, вследствие разделения потока, выполняемого газонагнетателем 17, сжатый газ поступает в газлифтный газонагнетательный канал 33 буровой штанги 22 с четырьмя соосными каналами для потока, течет вниз вдоль газлифтного газонагнетательного канала и попадает в соединение 34 для смешивания газа, где соединены буровая штанга 22 с четырьмя соосными каналами для потока и буровая штанга 23 с тремя соосными каналами для потока.
[0088] На этапе g сжатый газ в газлифтном газонагнетательном канале 33 смешивается с промывочной жидкостью в газлифтном выпускном канале 35 для песка у соединения 34 для смешивания газа; и благодаря разнице внутреннего давления между кольцевым пространством 21 ствола скважины и газлифтным выпускным каналом 35 для песка, забойная промывочная жидкость переносит обломки, выбуренные пневмоударником 25 с замкнутой обратной циркуляцией, вверх для того, чтобы они последовательно прошли через газлифтный выпускной канал 35 для песка каждой из утяжеленной бурильной трубы 24 с тремя соосными каналами для потока, буровой штанги 23 с тремя соосными каналами для потока и буровой штанги 22 с четырьмя соосными каналами для потока с целью попадания в газонагнетатель 17.
[0089] На этапе h, под действием газонагнетателя 17, обломки в газлифтном выпускном канале 35 для песка проходят сквозь патрубок или верхний привод 16, эрозионностойкий гусак 15 и выпускной трубопровод 14 для песка для того, чтобы в итоге вернуться в систему 6 циркуляции бурового раствора, и промывочная жидкость, очищенная системой 6 циркуляции бурового раствора, снова закачивается в кольцевое пространство 21 ствола скважины посредством трубопровода 8 для обратного потока бурового раствора.
[0090] Конфигурация системы согласно настоящему изобретению в частности реализована следующим образом: наземное нагнетательное оборудование и нагнетательный трубопровод, относящиеся к погружному пневмоударнику, присоединены к газоотводящему трубопроводу. Наземное нагнетательное оборудование, относящееся к погружному пневмоударнику, содержит газонагнетательный узел 1 погружного пневмоударника и узел 2 наддува погружного пневмоударника (включающий воздушный компрессор и вспомогательный воздушный компрессор), и предоставляет газ под высоким давлением для работы пневмоударника 25 с замкнутой обратной циркуляцией. Механизм 3 сброса давления погружного пневмоударника и клапан 4 регулировки нагнетаемого газа погружного пневмоударника регулируют количество нагнетаемого газа и одновременно стравливают давление в канале для потока, относящемся к погружному пневмоударнику, и являются механизмом обеспечения безопасности. Газонагнетательный узел 1 погружного пневмоударника и механизм 3 сброса давления погружного пневмоударника соединены посредством трубопровода высокого давления. Расходомер 5 нагнетаемого газа погружного пневмоударника установлен ниже по потоку от механизма 3 сброса давления погружного пневмоударника и выполнен с возможностью измерения количества газа, подаваемого в погружной пневмоударник. Выше по потоку расходомер 5 нагнетаемого газа погружного пневмоударника присоединен к механизму 3 сброса давления погружного пневмоударника; и ниже по потоку расходомер 5 нагнетаемого газа погружного пневмоударника присоединен к наземному газонагнетательному манифольду 7 погружного пневмоударника. Наземный газонагнетательный манифольд 7 погружного пневмоударника присоединен к шлангу 13 для нагнетания газа под высоким давлением погружного пневмоударника, установленному на полу 9 буровой установки. Шланг 19 для выпуска газа погружного пневмоударника непосредственно присоединен к газонагнетателю 17 ниже патрубка 16.
[0091] Наземное нагнетательное оборудование и нагнетательный трубопровод, относящиеся к газлифту, присоединены к выпускному трубопроводу для песка. Наземное нагнетательное оборудование, относящееся к газлифту, включает газлифтный газонагнетательный узел 26 и газлифтный узел 27 наддува (содержащий воздушный компрессор и вспомогательный воздушный компрессор), и предоставляет газ под высоким давлением для образования газлифтной обратной циркуляции. Газлифтный механизм 28 сброса давления и газлифтный клапан 29 регулировки нагнетаемого газа регулируют количество нагнетаемого газа и одновременно стравливают давление в газлифтных каналах для потока, и являются механизмом обеспечения безопасности. Газлифтный газонагнетательный узел 26 и газлифтный механизм 28 сброса давления соединены трубопроводом высокого давления. Газлифтный расходомер 30 нагнетаемого газа установлен ниже по потоку от газлифтного механизма 28 сброса давления и выполнен с возможностью измерения количества газа для газлифта. Выше по потоку газлифтный расходомер 30 нагнетаемого газа присоединен к газлифтному механизму 28 сброса давления; и ниже по потоку газлифтный расходомер 30 нагнетаемого газа присоединен к газлифтному наземному газонагнетательному манифольду 20. Газлифтный наземный газонагнетательный манифольд 20 присоединен к газлифтному шлангу 18 для нагнетания газа под высоким давлением, установленному на вышке буровой установки. Выше по потоку газлифтный выпускной трубопровод 14 для песка с обратной циркуляцией присоединен к эрозионностойкому гусаку 15 над патрубком 16, и ниже по потоку газлифтный выпускной трубопровод 14 для песка с обратной циркуляцией присоединен к системе 6 циркуляции бурового раствора посредством секции жесткого выпускного трубопровода 10 для песка. Промывочная жидкость, очищенная системой 6 циркуляции бурового раствора, снова нагнетается в кольцевое пространство 21 ствола скважины посредством трубопровода 8 для обратного потока бурового раствора для того, чтобы обеспечить поддержание уровня промывочной жидкости в кольцевом пространстве ствола скважины в пределах обоснованного диапазона высот.
[0092] Буровой приводной агрегат буровой системы с несколькими каналами для циркуляции потока для бурения скважин с большим диаметром ствола в твердых породах, предоставленный в настоящем изобретении, может использовать сочетание патрубка 16, ведущей буровой трубы 12 с четырьмя соосными каналами для потока и роликовой втулки 11 ведущей буровой трубы, или может использовать верхний привод. Верхний привод может одновременно реализовывать функции патрубка 16, ведущей буровой трубы 12 с четырьмя соосными каналами для потока и роликовой втулки 11 ведущей буровой трубы. Патрубок 16 (или верхний привод) присоединен к буровому инструменту с несколькими каналами для циркуляции потока. Верхний конец патрубка 16 (или верхнего привода) присоединен к специальному эрозионностойкому гусаку 15, и выпуск эрозионностойкого гусака 15 присоединен к газлифтному выпускному трубопроводу 14 высокого давления для песка с обратной циркуляцией посредством соединительной муфты. Если это патрубок, то нижний конец патрубка присоединен к газонагнетателю 17 посредством резьбы или фланца; или патрубок и газонагнетатель 17 могут быть изготовлены в виде единого целого, а именно, в виде газонагнетательного патрубка с четырьмя каналами для потока. Нижний конец газонагнетателя 17 присоединен к ведущей буровой трубе 12 с четырьмя каналами для потока посредством левосторонней резьбы; и защитное соединение ведущей буровой трубы присоединено ниже ведущей буровой трубы 12 с четырьмя каналами для потока, и ведущая буровая труба 12 с четырьмя каналами для потока присоединена к буровой штанге 22 с четырьмя соосными каналами для потока посредством правосторонней резьбы. Если это верхний привод, то нижний конец верхнего привода присоединен к газонагнетателю 17 и буровой штанге 22 с четырьмя соосными каналами для потока посредством правосторонней резьбы. Буровая штанга 23 с тремя соосными каналами для потока, утяжеленная бурильная труба 24 с тремя соосными каналами для потока и пневмоударник 25 с замкнутой обратной циркуляцией последовательно соединены ниже буровой штанги 22 с четырьмя соосными каналами для потока.
[0093] Газонагнетательный узел 1 погружного пневмоударника состоит из множества воздушных компрессоров, и узел 2 наддува погружного пневмоударника состоит из множества вспомогательных воздушных компрессоров. Конкретные количества воздушных компрессоров и вспомогательных воздушных компрессоров должны быть определены согласно фактическим требованиям проекта. Газонагнетательный узел 1 погружного пневмоударника и узел 2 наддува погружного пневмоударника предоставляют необходимый газ под высоким давлением для работы пневмоударника 25 с замкнутой обратной циркуляцией. Газонагнетательный узел 1 погружного пневмоударника и механизм 3 сброса давления погружного пневмоударника соединены посредством трубопровода высокого давления, уровень давления в котором обычно составляет не менее 21 МПа. Механизм 3 сброса давления погружного пневмоударника состоит из последовательности клапанов, глушителя, манометра и т.п., представляет собой предохранительное оборудование и выполнен с возможностью сброса давления в системе и регулировки количества газа, поступающего в систему. Клапан 4 регулировки нагнетаемого газа погружного пневмоударника и расходомер 5 нагнетаемого газа погружного пневмоударника расположены ниже по потоку от механизма 2 сброса давления погружного пневмоударника для регулировки и измерения количества газа, фактически поступающего в погружной пневмоударник 25 с замкнутой обратной циркуляцией. Наземный газонагнетательный манифольд 7 погружного пневмоударника представляет собой манифольд высокого давления, уровень давления в котором обычно составляет не менее 21 МПа, и образован путем соединения последовательности жестких трубопроводов высокого давления, шлангов высокого давления и преобразующих соединений посредством соединительных муфт. Часть нагнетательного газопровода высокого давления на вышке буровой установки может представлять собой либо шланг, либо жесткий трубопровод, что зависит от фактической ситуации на месте выполнения работ. Уровень давления в шланге 13 для нагнетания газа под высоким давлением погружного пневмоударника, присоединенном к газонагнетателю 17, обычно составляет не менее 21 МПа, и шланг 13 для нагнетания газа под высоким давлением погружного пневмоударника и газонагнетатель 17 соединены посредством соединительной муфты. Газонагнетатель 17 имеет четырехканальную структуру; и верхний конец газонагнетателя 17 присоединен к патрубку или верхнему приводу 16 и его нижний конец присоединен к буровой штанге 22 с четырьмя соосными каналами для потока (или к ведущей буровой трубе 12 с четырьмя каналами для потока). Газонагнетатель 17 имеет следующие четыре функции: во-первых, распределение газа под высоким давлением из шланга 13 для нагнетания газа под высоким давлением погружного пневмоударника в газонагнетательный канал 31 погружного пневмоударника ведущей буровой трубы 12 с четырьмя каналами для потока; во-вторых, выпуск газа, выпущенного погружным пневмоударником 25 с замкнутой обратной циркуляцией, наружу системы посредством шланга 19 для выпуска газа погружного пневмоударника; в-третьих, распределение газа под высоким давлением из газлифтного шланга 18 для нагнетания газа под высоким давлением в газлифтный газонагнетательный канал 33 ведущей буровой трубы 12 с четырьмя каналами для потока; и в-четвертых, соединение патрубка 16 с газлифтным выпускным каналом 35 для песка ведущей буровой трубы 12 с четырьмя каналами для потока. Верхняя часть газонагнетателя 17 присоединена к патрубку или верхнему приводу 16. Если она присоединена к патрубку 16, то соединение образовано с помощью левосторонней резьбы; если она присоединена к верхнему приводу, то соединение образовано с помощью правосторонней резьбы. Гусак над патрубком или верхним приводом 16 представляет собой эрозионностойкий гусак 15. В области изгиба эрозионностойкого гусака 15 образована буферная область, так что можно эффективно уменьшить эрозию гусака, вызванную текучей средой с высокой скоростью. Кроме этого, эрозионностойкий гусак 15 является сменным компонентом.
[0094] При использовании патрубка 16 ведущая буровая труба 12 с четырьмя каналами для потока, присоединенная к нижней части газонагнетателя 17, обычно представляет собой шестиугольную ведущую буровую трубу. Нижний конец ведущей буровой трубы 12 с четырьмя каналами для потока присоединен к защитному соединению ведущей буровой трубы. При использовании верхнего привода ведущая буровая труба 12 с четырьмя каналами для потока может не использоваться, и верхний привод непосредственно присоединен к буровой штанге 22 с четырьмя соосными каналами для потока. Буровой инструмент в сборе включает, в перечислении сверху вниз: буровую штангу 22 с четырьмя соосными каналами для потока, буровую штангу 23 с тремя соосными каналами для потока, утяжеленную бурильную трубу 24 с тремя соосными каналами для потока и пневмоударник 25 с замкнутой обратной циркуляцией, соединенные друг с другом в основном с помощью резьбы или сварки, или с помощью фланцев в некоторых особых случаях. Внешняя труба каждой из буровой штанги 22 с четырьмя соосными каналами для потока, буровой штанги 23 с тремя соосными каналами для потока и утяжеленной бурильной трубы 24 с тремя соосными каналами для потока может представлять собой традиционную стандартную буровую штангу или изготовленную на заказ нестандартную буровую штангу, что определяется согласно диаметру ствола скважины; и три слоя внутренних труб и два слоя внутренних труб добавлены внутрь внешней трубы. Пневмоударник 25 с замкнутой обратной циркуляцией содержит корпус пневмоударника с замкнутой обратной циркуляцией и специализированное буровое долото большого диаметра с обратной циркуляцией.
[0095] Газлифтный газонагнетательный узел 26 состоит из множества воздушных компрессоров, и газлифтный узел 27 наддува состоит из множества вспомогательных воздушных компрессоров. Конкретные количества воздушных компрессоров и вспомогательных воздушных компрессоров должны быть определены согласно фактическим требованиям проекта. Газлифтный газонагнетательный узел 26 и газлифтный узел 27 наддува предоставляют необходимый газ под высоким давлением для газлифтной обратной циркуляции. Газлифтный газонагнетательный узел 26 и газлифтный механизм 28 сброса давления соединены посредством трубопровода высокого давления, уровень давления в котором обычно составляет не менее 21 МПа.
[0096] Газлифтный механизм 28 сброса давления состоит из последовательности клапанов, глушителя, манометра и т.п., представляет собой предохранительное оборудование и выполнен с возможностью сброса давления в системе и регулировки количества газа, поступающего в систему. Погружной газлифтный клапан 29 регулировки нагнетаемого газа и газлифтный расходомер 30 нагнетаемого газа расположены ниже по потоку от газлифтного механизма 28 сброса давления для регулировки и измерения количества газа, фактически расходуемого газлифтной обратной циркуляцией. Газлифтный наземный газонагнетательный манифольд 20 представляет собой манифольд высокого давления, уровень давления в котором обычно составляет не менее 21 МПа, и образован путем соединения последовательности жестких трубопроводов высокого давления, шлангов высокого давления и преобразующих соединений посредством соединительных муфт. Часть нагнетательного газопровода высокого давления на буровой вышке может представлять собой шланг или жесткий трубопровод, что зависит от фактической ситуации на месте выполнения работ. Уровень давления в газлифтном шланге 18 для нагнетания газа под высоким давлением, присоединенном к газонагнетателю 17, обычно составляет не менее 21 МПа, и газлифтный шланг 18 для нагнетания газа под высоким давлением и газонагнетатель 17 соединены посредством соединительной муфты.
[0097] Газлифтный выпускной трубопровод для песка содержит выпускной трубопровод 14 для песка и жесткий выпускной трубопровод 10 для песка, и уровень давления в газлифтном выпускном трубопроводе для песка составляет не менее 7 МПа. Промывочная жидкость, содержащая обломки, переносимые газлифтом, проходит через выпускной трубопровод 14 для песка и жесткий выпускной трубопровод 10 для песка соответственно для того, чтобы поступить в систему 6 циркуляции бурового раствора. После серии очистительных обработок промывочную жидкость снова транспортируют в кольцевое пространство 21 ствола скважины посредством трубопровода 8 для обратного потока бурового раствора для использования в газлифтной обратной циркуляции.
[0098] Как показано на фиг. 2, способ бурения, реализованный буровой системой с несколькими каналами для циркуляции потока согласно настоящему изобретению, имеет следующий вид.
[0099] Сжатый газ, необходимый для работы пневмоударника 25 с замкнутой обратной циркуляцией, создается газонагнетательным узлом 1 погружного пневмоударника и узлом 2 наддува погружного пневмоударника, и сжатый газ течет через механизм 3 сброса давления погружного пневмоударника, клапан 4 регулировки нагнетаемого газа погружного пневмоударника, расходомер 5 нагнетаемого газа погружного пневмоударника, наземный газонагнетательный манифольд 7 погружного пневмоударника и шланг 13 для нагнетания газа под высоким давлением погружного пневмоударника с целью попадания в газонагнетатель 17. Под действием газонагнетателя 17 сжатый газ поступает в газонагнетательный канал 31 погружного пневмоударника каждого из бурового инструмента с четырьмя каналами для потока (включая ведущую буровую трубу 12 с четырьмя каналами для потока и буровую штангу 22 с четырьмя соосными каналами для потока) и бурового инструмента с тремя каналами для потока (включая буровую штангу 23 с тремя соосными каналами для потока и утяжеленную бурильную трубу 24 с тремя соосными каналами для потока), течет вниз вдоль газонагнетательных каналов погружного пневмоударника и попадает в пневмоударник 25 с замкнутой обратной циркуляцией, чтобы привести в действие пневмоударник 25 с обратной циркуляцией. Отработанный газ поступает в газоотводящий канал 32 погружного пневмоударника каждого из бурового инструмента с тремя каналами для потока (включая утяжеленную бурильную трубу 24 с тремя соосными каналами для потока и буровую штангу 23 с тремя соосными каналами для потока) и бурового инструмента с четырьмя каналами для потока (включая буровую штангу 22 с четырьмя соосными каналами для потока и ведущую буровую трубу 12 с четырьмя каналами для потока) посредством внутреннего канала для потока пневмоударника 25 с замкнутой обратной циркуляцией, течет вверх по газоотводящим каналам погружного пневмоударника и попадает в газонагнетатель 17. Вследствие разделения потока, выполняемого газонагнетателем 17, отработанный газ, который привел в действие пневмоударник 25 с замкнутой обратной циркуляцией, выпускают наружу буровой системы через шланг 19 для выпуска газа погружного пневмоударника, присоединенный к газонагнетателю 17.
[00100] В то же время, сжатый газ, необходимый для газлифтной обратной циркуляции, производится газлифтным газонагнетательным узлом 26 и газлифтным узлом 27 наддува, и сжатый газ течет через газлифтный механизм 28 сброса давления, газлифтный клапан 29 регулировки нагнетаемого газа, газлифтный расходомер 30 нагнетаемого газа, газлифтный наземный газонагнетательный манифольд 20 и газлифтный шланг 18 для нагнетания газа под высоким давлением с целью попадания в газонагнетатель 17. Под действием газонагнетателя 17 сжатый газ поступает в газлифтный газонагнетательный канал 33 бурового инструмента с четырьмя каналами для потока (включая ведущую буровую трубу 12 с четырьмя каналами для потока и буровую штангу 22 с четырьмя соосными каналами для потока), течет вниз по газлифтному газонагнетательному каналу и достигает части, где соединяются буровая штанга 22 с четырьмя соосными каналами для потока и буровая штанга 23 с тремя соосными каналами для потока, причем в этой части находится соединение 34 для смешивания газа, которое может осуществлять сообщение между газлифтным газонагнетательным каналом 33 и газлифтным выпускным каналом 35 для песка в буровой штанге 22 с четырьмя соосными каналами для потока и смешивать сжатый газ в газлифтном газонагнетательном канале 33 и промывочную жидкость в газлифтном выпускном канале 35 для песка. Средняя плотность смешанного трехфазного потока из газа, жидкости и твердых веществ значительно уменьшается. В то же время, благодаря разнице внутреннего давления между кольцевым пространством ствола скважины и газлифтным выпускным каналом 35 для песка забойная промывочная жидкость переносит обломки, выбуренные пневмоударником 25 с замкнутой обратной циркуляцией, вверх для того, чтобы они последовательно прошли через газлифтный выпускной канал 35 для песка каждого из бурового инструмента с тремя каналами для потока (включая утяжеленную бурильную трубу 24 с тремя соосными каналами для потока и буровую штангу 23 с тремя соосными каналами для потока) и бурового инструмента с четырьмя каналами для потока (включая буровую штангу 22 с четырьмя соосными каналами для потока и ведущую буровую трубу 12 с четырьмя каналами для потока) с целью попадания в газонагнетатель 17. Под действием газонагнетателя 17 обломки в газлифтном выпускном канале 35 для песка проходят через патрубок 16, эрозионностойкий гусак 15, выпускной трубопровод 14 для песка и жесткий выпускной трубопровод 10 для песка для того, чтобы в итоге вернуться в систему 6 циркуляции бурового раствора. Промывочную жидкость, очищенную системой 6 циркуляции бурового раствора, снова закачивают в кольцевое пространство ствола скважины посредством трубопровода 8 для обратного потока бурового раствора.
[00101] В настоящем изобретении основные компоненты включают газонагнетатель 17, буровую штангу 22 с четырьмя соосными каналами для потока, буровую штангу 23 с тремя соосными каналами для потока, утяжеленную бурильную трубу 24 с тремя соосными каналами для потока и пневмоударник 25 большого диаметра с замкнутой обратной циркуляцией. Каждый из газонагнетателя 17, ведущей буровой трубы 12 с четырьмя каналами для потока и буровой штанги 22 с четырьмя соосными каналами для потока имеет четыре канала, которые используются для нагнетания газа в пневмоударник, выпуска газа из пневмоударника, нагнетания газа в газлифт и вывода песка из газлифта соответственно. Каждая из буровой штанги 23 с тремя соосными каналами для потока и утяжеленной бурильной трубы 24 с тремя соосными каналами для потока содержит три канала для потока, которые используются для нагнетания газа в пневмоударник, выпуска газа из пневмоударника и газлифтного вывода песка соответственно. Каждый из четырех каналов для потока и трех каналов для потока являются независимыми друг от друга и не взаимодействуют между собой. В пневмоударнике 25 с замкнутой обратной циркуляцией нагнетание газа и выпуск газа осуществляются внутри корпуса ударника и его производительность не зависит от влияния извне.
[00102] В системе органично объединены газлифтное выведение песка с обратной циркуляцией и быстрое бурение твердой породы пневмоударником. Газлифтное выведение песка с обратной циркуляцией может эффективно решить вышеуказанную проблему, которая заключается в том, что способ бурения скважины с большим диаметром ствола не может эффективно выводить песок. Пневмоударник с замкнутой обратной циркуляцией может существенно повысить эффективность бурения твердой породы, так что на производительность пневмоударника не будет влиять окружающая среда, например образование пластовых вод. При условии, что подъемная сила и крутящий момент буровой установки являются достаточно высокими, настоящая система может отвечать требованиям бурения в твердых породах для скважин с различными диаметрами ствола, особенно для бурения глубокой скважины с большим диаметром ствола в твердых породах, например, скважины с диаметром ствола свыше 660 мм или даже свыше 1000 мм, и глубины скважины свыше 800 м. По сравнению с бурением с прямой циркуляцией газа, эта система использует меньше газонагнетательного оборудования, требует небольшого количества нагнетаемого газа и небольших общих затрат. Расход газа в этой системе сокращен более чем на 60% по сравнению с расходом газа при традиционном бурении пневмоударником с прямой циркуляцией. Эта система не только выводит песок посредством газлифтной обратной циркуляции, но при необходимости также может быть преобразована в систему для бурения с прямой циркуляцией бурового раствора.
[00103] Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения представлены лишь в качестве примера и не ограничивают настоящее изобретение. После прочтения этого описания специалисты в данной области могут без творческих усилий при необходимости вносить изменения в варианты осуществления настоящего изобретения, но они пребывают под защитой патентного законодательства до тех пор, пока находятся в пределах объема, указанного в формуле настоящего изобретения.