一種低溫空氣泡沫鉆進(jìn)裝置及鉆進(jìn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種低溫空氣泡沫鉆進(jìn)裝置及鉆進(jìn)方法，適用于凍土地層和陸地天然 氣水合物層的鉆進(jìn)，特別是缺水地區(qū)。
【背景技術(shù)】
[0002] 凍土是一種對(duì)溫度極為敏感的土體介質(zhì)，含有豐富的地下冰，同時(shí)陸地永凍區(qū)是 陸地天然氣水合物的存在區(qū)域，我國(guó)是世界上多年凍土分布面積的第三大國(guó)，所以凍土鉆 探對(duì)凍土區(qū)天然氣水合物鉆采來(lái)說(shuō)十分重要。
[0003] 凍土具有流變性，其長(zhǎng)期強(qiáng)度遠(yuǎn)低于瞬時(shí)強(qiáng)度特征。由于這些特征，凍土鉆進(jìn)中如 果忽視溫度因素，那么冰膠結(jié)的松散巖層可能因受熱失去粘結(jié)而喪失穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致復(fù) 雜的情況的出現(xiàn)，如：孔壁坍塌；鉆井液在孔壁上結(jié)冰，造成縮徑；鉆具以過(guò)冷狀態(tài)下鉆，凍 結(jié)孔壁上；巖礦芯采取率低。因此，在凍土層鉆進(jìn)中，需要采用低溫沖洗介質(zhì)保持孔內(nèi)的低 溫來(lái)穩(wěn)定孔壁，保證正常高效的鉆進(jìn)。天然氣水合物只存在于低溫、高壓的條件下，在天然 氣水合物鉆進(jìn)中，如果鉆井液循環(huán)溫度高于水合物層穩(wěn)定溫度，會(huì)引起水合物分解，無(wú)法取 得原位保真的水合物樣品，還會(huì)產(chǎn)生一系列孔內(nèi)事故。因此，在天然氣水合物鉆進(jìn)中采用低 溫沖洗介質(zhì)抑制水合物層在鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生分解，取得水合物原位保真樣品，保證鉆進(jìn)的 正常進(jìn)行是十分可行的。
[0004] 目前，在凍土鉆進(jìn)和天然氣水合物鉆進(jìn)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(shù)來(lái)進(jìn)行鉆進(jìn)，作為核心的低溫泥漿冷卻技術(shù)現(xiàn)在主要有：加拿大馬更些 三角洲永凍層天然氣水合物鉆井中泥漿冷卻裝置采用的是一種平板式的換熱器；美國(guó)阿拉 斯加北部斜坡天然氣水合物試采井一一熱冰1井鉆井中采用的泥漿冷卻裝置，其原理是使 用氨水為制冷劑的制冷機(jī)組通過(guò)板式換熱器制冷乙二醇溶液，被制冷后的乙二醇溶液再通 過(guò)螺旋板式換熱器冷卻泥漿；在我國(guó)祁連山天然氣水合物鉆進(jìn)中，采用的鉆井泥漿強(qiáng)制冷 卻循環(huán)系統(tǒng)使用同軸套管式換熱器。以上設(shè)備存在的不足如下：①凍土區(qū)比較缺水，不利于 鉆井泥漿的配制及補(bǔ)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(dǎo)熱系數(shù)高，對(duì)地層溫度影響大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種適用于凍土地層和陸地天然氣水合物 層的低溫鉆進(jìn)裝置及方法，能降低制冷系統(tǒng)所需功率，減少鉆進(jìn)過(guò)程中沖洗介質(zhì)對(duì)地層溫 度的影響，特別是在缺水地區(qū)，減小用水量。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：在常規(guī)空氣泡沫鉆進(jìn)工藝的基礎(chǔ)上，通過(guò)制冷系統(tǒng)將泡沫 液、空氣和空氣泡沫進(jìn)行制冷，形成低溫空氣泡沫鉆進(jìn)裝置及方法。
[0007] 本發(fā)明是由空氣泡沫鉆進(jìn)系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)組成，其中空氣泡沫鉆進(jìn)系統(tǒng)為現(xiàn)有系 統(tǒng)不再贅述，制冷系統(tǒng)包括是泡沫液制冷系統(tǒng)、空氣制冷系統(tǒng)、空氣泡沫制冷系統(tǒng)； 泡沫液制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是：泡沫液制冷換熱器的制冷劑出口通過(guò)管路與制冷機(jī)組入口 閥組相連，入口閥組通過(guò)管路與制冷機(jī)組水泵的進(jìn)口相連，制冷機(jī)組水泵的出口通過(guò)管路 與與制冷機(jī)組入口相連，制冷機(jī)組出口通過(guò)管路與制冷機(jī)組出口閥組相連，出口閥組通過(guò) 管路與泡沫液制冷換熱器的制冷劑入口相連，完成制冷劑的制冷和循環(huán)。泡沫液箱的泡沫 液出口通過(guò)管路與泡沫液制冷水泵的進(jìn)口相連，泡沫液制冷水泵的出口通過(guò)管路與泡沫液 制冷換熱器的泡沫液進(jìn)口相連，泡沫液制冷換熱器泡沫液出口通過(guò)管路與泡沫液箱的低溫 泡沫液入口相連，形成泡沫液的制冷循環(huán)。泡沫液箱的泡沫液出口通過(guò)管路與泡沫液泵的 入口相連，泡沫液泵的出口通過(guò)管路與泡沫發(fā)生裝置的泡沫液入口相連，實(shí)現(xiàn)泡沫液的注 入。
[0008] 空氣制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是：空氣制冷換熱器的制冷劑出口通過(guò)管路與制冷機(jī)組入口 閥組相連，入口閥組通過(guò)管路與制冷機(jī)組水泵的進(jìn)口相連，制冷機(jī)組水泵的出口通過(guò)管路 與制冷機(jī)組入口相連，制冷機(jī)組出口通過(guò)管路與制冷機(jī)組出口閥組相連，出口閥組通過(guò)管 路與空氣制冷換熱器的制冷劑入口相連，形成制冷劑的制冷和循環(huán)?？諝鈮嚎s機(jī)的空氣出 口通過(guò)管路與空氣冷卻器的入口相連，空氣冷卻器的出口通過(guò)管路與空氣制冷換熱器的空 氣入口相連，空氣制冷換熱器的空氣出口通過(guò)管路與泡沫發(fā)生器的空氣入口相連，實(shí)現(xiàn)空 氣的制冷和注入。
[0009] 空氣泡沫制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是：空氣泡沫制冷換熱器的制冷劑出口通過(guò)管路與制冷 機(jī)組入口閥組相連，入口閥組通過(guò)管路與制冷機(jī)組水泵的進(jìn)口相連，，制冷機(jī)組水泵的出口 通過(guò)管路與制冷機(jī)組入口相連，制冷機(jī)組出口通過(guò)管路與制冷機(jī)組出口閥組相連，出口閥 組通過(guò)管路與空氣泡沫制冷換熱器的制冷劑入口相連，形成制冷劑的制冷和循環(huán)。泡沫發(fā) 生器的空氣泡沫出口通過(guò)管路與空氣泡沫制冷換熱器的空氣泡沫入口相連，空氣泡沫制冷 換熱器的空氣泡沫出口與鉆機(jī)的空氣泡沫入口相連，實(shí)現(xiàn)空氣泡沫的制冷和注入。
[0010] 制冷系統(tǒng)中通過(guò)制冷機(jī)組入口閥組（Vl)和制冷機(jī)組出口閥組（V2)的控制，泡沫 液制冷系統(tǒng)、空氣制冷系統(tǒng)和空氣泡沫制冷系統(tǒng)可以獨(dú)立開(kāi)啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)制冷和同 時(shí)制冷。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，只開(kāi)啟泡沫液制冷系統(tǒng)，隨著環(huán)境溫度的增加，再逐步開(kāi)啟空 氣制冷系統(tǒng)和空氣泡沫制冷系統(tǒng)以滿足鉆進(jìn)要求。
[0011] 泡沫發(fā)生裝置包括泡沫發(fā)生器和泡沫增壓泵。當(dāng)孔深較淺時(shí)采用泡沫發(fā)生器，當(dāng) 孔深較深時(shí)采用泡沫增壓泵。
[0012] 本發(fā)明之低溫空氣泡沫鉆進(jìn)方法包括以下步驟： ;!：:開(kāi)啟制冷機(jī)組和制冷機(jī)組水泵，同時(shí)開(kāi)啟制冷機(jī)組入口閥組和制冷機(jī)組出口閥組 中與泡沫液制冷換熱器相連的閥門(mén)，將泡沫液制冷換熱器中的制冷劑抽入制冷機(jī)組中進(jìn)行 冷卻；開(kāi)啟泡沫液制冷水泵，將泡沫液抽入泡沫液制冷換熱器制冷后返回泡沫液箱；開(kāi)啟 泡沫液泵將泡沫液箱中的低溫泡沫液抽入泡沫發(fā)生裝置的泡沫液入口。
[0013] ②開(kāi)啟制冷機(jī)組入口閥組和制冷機(jī)組出口閥組中與空氣制冷換熱器相連的閥門(mén)， 將空氣制冷換熱器中的制冷劑抽入制冷機(jī)組中進(jìn)行冷卻；開(kāi)啟空氣壓縮機(jī)，抽入的空氣先 進(jìn)入空氣冷卻器進(jìn)行一級(jí)制冷，然后進(jìn)入空氣制冷換熱器進(jìn)行二級(jí)制冷，制冷后的低溫空 氣進(jìn)入泡沫發(fā)生裝置的空氣入口。
[0014] ③開(kāi)啟制冷機(jī)組入口閥組和制冷機(jī)組出口閥組中與空氣泡沫制冷換熱器相連的 閥門(mén)，將空氣制冷換熱器中的制冷劑抽入制冷機(jī)組中進(jìn)行冷卻；泡沫發(fā)生裝置產(chǎn)生的空氣 泡沫進(jìn)入空氣制冷換熱器中進(jìn)行制冷，現(xiàn)場(chǎng)的低溫空氣泡沫進(jìn)入鉆機(jī)的進(jìn)水口。
[0015] ④鉆進(jìn)時(shí)，低溫空氣泡沫液經(jīng)過(guò)鉆具和鉆頭的中心進(jìn)入孔底口，由環(huán)狀間隙上返 到達(dá)地表，通過(guò)孔口密封裝置進(jìn)入消泡器進(jìn)行消泡后流回泥漿池中，以此循環(huán)運(yùn)行直至鉆 進(jìn)結(jié)束。
[0016] 本發(fā)明的有益效果： 利用空氣泡沫含水少，比熱低，導(dǎo)熱系數(shù)低的性質(zhì)，針對(duì)凍土層和陸地天然氣水合物層 鉆進(jìn)的特點(diǎn)，發(fā)明了低溫空氣泡沫鉆進(jìn)方法，減少了鉆進(jìn)過(guò)程中沖洗介質(zhì)對(duì)地層溫度的影 響；減小了用水量，在缺水地區(qū)有良好的效果；降低了制冷鉆井介質(zhì)所需的功率，同時(shí)對(duì)制 冷系統(tǒng)采用多級(jí)制冷，獨(dú)立控制，進(jìn)一步優(yōu)化了對(duì)制冷能量的利用。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的低溫空氣泡沫鉆進(jìn)裝置示意圖。
[0018] 圖中：1-制冷機(jī)組，2-制冷機(jī)組水泵，3-泡沫液制冷換熱器；4-泡沫液制冷 水泵，5-泡沫液箱，6-泡沫液泵，7-空氣壓縮機(jī)，8-空氣冷卻器，9一泡沫發(fā)生裝置， 10-鉆機(jī)，11-鉆具，12-鉆頭，13-孔□密封裝置，14--消泡器，15-空氣制冷換熱 器，16-空氣泡沫制冷換熱器，17-泥漿池，18-泥漿池水泵，VI-制冷機(jī)組入□閥組； V2-制冷機(jī)組出口閥組。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 如圖1所示，本發(fā)明的低溫空氣泡沫鉆進(jìn)裝置是由空氣泡沫鉆進(jìn)系統(tǒng)和制冷系統(tǒng) 組成，其中制冷系統(tǒng)包括是泡沫液制冷系統(tǒng)、空氣制冷系統(tǒng)、空氣泡沫制冷系統(tǒng)； 泡沫液制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是：泡沫液制冷換熱器（3)的制冷劑出口與制冷機(jī)組（1)制冷 機(jī)組入口閥組（Vl)相連，制冷機(jī)組入口閥組（Vl)與制冷機(jī)組水泵（2)的進(jìn)口相連，制冷機(jī) 組水泵（2 )的出口與制冷機(jī)組（1)入口相連，制冷機(jī)組（1)出口與制冷機(jī)組出口閥組（V2 ) 相連，制冷機(jī)組出口閥組（V2)與泡沫液制冷換熱器（3)的制冷劑入口相連，形成制冷劑的 制冷和循環(huán)； 泡沫液箱（5)的泡沫液出口與泡沫液制冷水泵（4)相連，泡沫液制冷水泵（4)與泡沫液 制冷換熱器（3)的泡沫液進(jìn)口相連，泡沫液制冷換熱器（3)泡沫液出口與泡沫液箱（5)的低 溫泡沫液入口相連，形成泡沫液的制冷循環(huán)； 泡沫液箱（5)的泡沫液出口與泡沫液泵（6)的入口相連，泡沫液泵（6)的出口與泡沫發(fā) 生裝置（9)的泡沫液入口相連，實(shí)現(xiàn)泡沫液的注入； 空氣制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是：空氣制冷換熱器（8)的制冷劑出口與制冷機(jī)組入口閥組（Vl) 相連，制冷機(jī)組入口閥組（VI)與制冷機(jī)組水泵（2)相連，制冷機(jī)組水泵（2)的出口與制冷機(jī) 組（1)入口相連，制冷機(jī)組（1)出口與制冷機(jī)組出口閥組（V2)相連，制冷機(jī)組出口閥組（V2) 與空氣制冷換熱器（15)的制冷劑入口相連，形成制冷劑的制冷和循環(huán)； 空氣壓縮機(jī)（7)的空氣出口與空氣冷卻器（8)的入口相連，空氣冷卻器（8)的出口與空 氣制冷換熱器（15)的空氣入口相連，空氣制冷換熱器（15)的空氣出口與泡沫發(fā)生裝置（9) 的空氣入口相連，實(shí)現(xiàn)空氣的制冷和注入； 空氣泡沫制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是：空氣泡沫制冷換熱器（16)的制冷劑出口與制冷機(jī)組入 口閥組（VI)相連，制冷機(jī)組入口閥組（VI)與制冷機(jī)組水泵（2)的進(jìn)口相連，制冷機(jī)組水泵 (2 )的出口與制冷機(jī)組（1)入口相連，制冷機(jī)組（1)出口與制冷機(jī)組出口閥組（V2 )相連，制 冷機(jī)組出口閥組（V2)與空氣泡沫制冷換熱器（16)的制冷劑入口相連，形成制冷劑的制冷 和循環(huán)； 泡沫發(fā)生裝置（9)的空氣泡沫出口與空氣泡沫制冷換熱器（16)的空氣泡沫入口相連， 空氣泡沫制冷換熱器（16)的空氣泡沫出口與鉆機(jī)（10)的空氣泡沫入口相連，實(shí)現(xiàn)空氣泡 沫的制冷和注入。
[0020] 制冷系統(tǒng)中通過(guò)制冷機(jī)組入口閥組（Vl)和制冷機(jī)組出口閥組（V2)的控制，泡沫 液制冷系統(tǒng)、空氣制冷系統(tǒng)和空氣泡沫制冷系統(tǒng)可以獨(dú)立開(kāi)啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)制冷和同 時(shí)制冷；當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，只開(kāi)啟泡沫液制冷系統(tǒng)，隨著環(huán)境溫度的增加，再逐步開(kāi)啟空 氣制冷系統(tǒng)和空氣泡沫制冷系統(tǒng)以滿足鉆進(jìn)要求； 泡沫發(fā)生裝置（9)包括泡沫發(fā)生器和泡沫增壓泵；當(dāng)孔深較淺時(shí)采用泡沫發(fā)生器，當(dāng) 孔深較深時(shí)采用泡沫增壓泵。
[0021] 準(zhǔn)備鉆進(jìn)時(shí)，開(kāi)啟泥漿池水