钻井过程中起钻和下钻时用的钻井液循环装置及使用方法与流程

1.本发明涉及石油、天然气以及地热资源的钻井工程及开发技术领域，特别涉及钻井过程中起钻和下钻时用的钻井液循环装置及使用方法。


背景技术：

2.石油、天然气以及地热资源开发过程中，钻井是建立流体通道的重要工程，钻井过程中更换井下作业工具、处理复杂工况时需要起钻和下钻作业，完成一口井的钻进过程需要多次的起钻和下钻作业，所谓的起钻和下钻分别指的是将钻具从井眼中取出和将钻具下入到井眼中。
3.钻杆水眼与钻杆和井壁之间的环空之间连通形成了钻井液的循环，即从钻杆水眼中向井内注入钻井液，注入井内的钻井液通过钻杆和井壁之间的环空从井口流出，实现井内降温。起钻时需要将下入井内的依次连接的多柱钻杆从井内取出，因为每柱钻杆的钻杆水眼中充满了钻井液，在起钻过程中，如果不对需要取出的钻杆中的钻井液进行处理，则当钻杆被取出后，会导致钻台面被取出的钻杆中的钻井液污染。因此，为了保持钻台面干净和安全的工作环境，必须提前对需要取出的钻杆中的钻井液提前进行处理，目前采取的处理方法为：向钻杆水眼中注入密度比井内钻井液密度更大的钻井液，通常称该钻井液为压水眼泥浆，利用注入的比井内钻井液密度更大压水眼泥浆，会使得钻杆水眼内的钻井液液面下降，当钻杆内的液面下降后，将多柱没有钻井液的钻杆取出并拆卸，这样就有效的避免了钻台面被取出的钻杆中的钻井液污染的问题。在深井作业过程中，往往需要注入大量高密度的压水眼泥浆，但是注入井内的压水眼泥浆扰乱了井内钻井液体系，容易带来井漏、井下情况误判等特殊情况；尤其的，在钻开油、气层后，现场需要通过短起钻和短下钻(通常称为短起下钻具)来测量油气上窜速度，一般的，短起钻具为十至十五柱，静止一段时间后需要下钻到底建立循环，如果上窜速度不满足起钻要求，则需要调整压钻井液密度和粘度以压稳油气层，现场可能需要多次的短起下钻具作业。短起下钻具作业不注入压水眼泥浆压水眼，起钻时钻杆水眼会溢出较多泥浆污染钻台面，而注入压水眼泥浆则需要准确计算注入量及加重、替浆、卸顶驱等复杂的作业过程，且容易扰乱钻井液体系，这样的矛盾往往困扰现场作业。
4.在下钻过程中，往往需要建立起钻杆水眼-环空循环。例如，井内钻井液长时间不循环会造成粘度升高，为防止在井底建立循环过程中需要过大的初始压力而压漏地层，下钻过程中采取分段顶通、循环的方法；此外，为保持温度敏感设备在井下的安全，需要下钻过程中建立钻井液循环为井下工具降温。目前建立循环的方法为连接顶驱，而连接顶驱往往需要较复杂的工序和较长时间，这增加了整个起钻和下钻作业时间，同时容易造成顶驱接头过度磨损，形成安全隐患。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了钻井过程中起钻和下钻时用的钻井液
循环装置及使用方法，在起钻过程中，解决了钻台面被取出的钻杆中的钻井液污染问题的同时，不用注入高密度的压水眼泥浆，避免了井内钻井液体系被破坏的问题；在下钻过程中，无需复杂的顶驱连接过程，避免了顶驱接头过度磨损而形成的安全隐患，能够方便快捷的建立钻井过程中起钻和下钻作业时钻井液循环，提高了起钻和下钻整体效率和安全性。
6.为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
7.一种钻井过程中起钻和下钻时用的钻井液循环装置，包括两端贯通的第一管道，所述第一管道的一端连接有供液和供气系统，所述第一管道上固定有锁紧机构和密封机构，所述第一管道、所述锁紧机构以及所述密封机构均能够伸入到钻杆水眼内，所述锁紧机构用于将所述第一管道锁紧固定在钻杆水眼内壁，所述密封机构用于密封钻杆水眼。
8.进一步地，所述锁紧机构包括套设在所述第一管道上的锁紧座，所述锁紧座的外侧壁上沿自身周向均布开设有至少两个第一高压腔，每个所述第一高压腔内活动连接有弧形锁具，所述弧形锁具的外弧面上开设有与钻杆水眼内壁上的螺纹相匹配的锁紧螺纹，所述弧形锁具的内弧面与对应的所述第一高压腔之间通过弹性件连接，所述弹性件对所述弧形锁具施加有朝向所述第一管道管壁的拉力；
9.所述锁紧座上开设有与任一所述第一高压腔连通的第一加压口和第一泄压口，每个所述第一高压腔之间相互连通。
10.进一步地，所述密封机构包括套设在所述第一管道上的密封座，所述密封座的外侧壁上沿自身周向开设有环形槽，所述环形槽呈口小底大的渐变结构，所述环形槽内匹配设置有密封塞，所述密封塞与所述环形槽的底部之间预留有第二高压腔，所述密封座上开设有与所述第二高压腔连通的第二加压口和第二泄压口。
11.进一步地，所述供液和供气系统包括第二管道以及连接在所述第二管道上的气泵和液泵，所述第二管道与所述第一管道连通。
12.进一步地，所述第二管道与所述第一管道之间通过四通管连接，所述四通管的第一端与所述第二管道连接，且所述四通管的第一端设置有第一阀门，所述四通管的第二端与所述第一管道连接，所述四通管的第三端设置有第二阀门，所述四通管的第四端设置有安全阀，所述第二管道上靠近所述气泵的位置设置有第三阀门。
13.进一步地，所述四通管的第一端还设置有压力表。
14.进一步地，所述第一管道的底部连接有引导头，所述引导头呈半球状，所述第一管道侧壁上靠近底部的位置开设有若干过滤孔。
15.进一步地，所述第一管道内靠近底部的位置设置有超声波测距仪。
16.进一步地，所述第一管道内靠近顶部的位置设置有限位盖，所述限位盖的直径不小于钻杆水眼的内径，所述限位盖上开设有通孔。
17.一种钻井过程中起钻和下钻时用的钻井液循环装置的使用方法，包括：
18.起钻作业时，将所述第一管道、所述锁紧机构以及所述密封机构伸入到钻杆水眼内，控制所述锁紧机构将所述第一管道锁紧固定在钻杆水眼内壁，控制所述密封机构将钻杆水眼密封，控制所述供气系统通过所述第一管道向钻杆水眼内注入高压气体，待高压气体将钻杆水眼内的液面下压至第一目标位置后，控制所述锁紧机构和所述密封机构脱离钻杆水眼内壁，将所述第一管道、所述锁紧机构以及所述密封机构从钻杆水眼内取出，取出第一目标位置上方的钻杆；
19.下钻作业时，将所述第一管道、所述锁紧机构以及所述密封机构伸入到钻杆水眼内，控制所述锁紧机构将所述第一管道锁紧固定在钻杆水眼内壁，控制所述密封机构将钻杆水眼密封，控制所述供液系统通过所述第一管道向钻杆水眼内注入钻井液，建立起钻杆水眼-环空循环，待下钻至第二目标位置后，控制所述锁紧机构和所述密封机构脱离钻杆水眼内壁，将所述第一管道、所述锁紧机构以及所述密封机构从钻杆水眼内取出。
20.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的一种钻井过程中起钻和下钻时用的钻井液循环装置，用于在钻井过程中进行起钻作业和下钻作业时辅助钻井液进行良好的循环，具体地说，在起钻作业时，首先将第一管道、锁紧机构以及密封机构伸入到钻杆水眼内，控制锁紧机构将第一管道锁紧固定在钻杆水眼内壁，实现对钻井液循环装置的固定，控制密封机构将钻杆水眼密封，然后控制供气系统通过第一管道向钻杆水眼内注入高压气体，待高压气体将钻杆水眼内的液面下压至第一目标位置后，即实现了第一目标位置上方的多柱钻杆的钻杆水眼中没有钻井液存在，例如，第一目标位置在第六柱钻杆内，在第六柱上方的一至五柱钻杆中则没有钻井液存在，此时，控制锁紧机构和密封机构脱离钻杆水眼内壁，将第一管道、锁紧机构以及密封机构从钻杆水眼内取出，最后取出第一目标位置上方的多柱没有钻井液的钻杆，例如，取出第一至五柱钻杆。可见，利用本发明的装置后，在起钻过程中，既解决了钻台面被取出的钻杆中的钻井液污染问题的同时，还不用注入高密度的压水眼泥浆，避免了井内钻井液体系被破坏的问题。在下钻作业时，将第一管道、锁紧机构以及密封机构伸入到钻杆水眼内，控制锁紧机构将第一管道锁紧固定在钻杆水眼内壁，控制密封机构将钻杆水眼密封，控制供液系统通过第一管道向钻杆水眼内注入钻井液，建立起钻杆水眼-环空循环，待下钻至第二目标位置后，即实现了对第二目标位置上方的钻井液的不断循环降温，例如，第二目标位置为顶通或循环完成位置，此时，控制锁紧机构和密封机构脱离钻杆水眼内壁，将第一管道、锁紧机构以及密封机构从钻杆水眼内取出。可见，利用本发明的装置后，在下钻过程中，无需传统的复杂的顶驱连接过程，避免了顶驱接头过度磨损而形成的安全隐患，能够方便快捷的建立钻井过程中起钻和下钻作业时钻井液循环，提高了起钻和下钻整体效率和安全性。
21.进一步地，本发明的锁紧机构包括套设在第一管道上的锁紧座，通过均布在锁紧座的外侧壁上的弧形锁具实现对钻井液循环装置的固定，具体地说，本发明在弧形锁具的外弧面上开设有与钻杆水眼内壁上的螺纹相匹配的锁紧螺纹，在弧形锁具的内弧面与对应的第一高压腔之间通过弹性件连接，弹性件对弧形锁具施加有朝向第一管道管壁的拉力，当第一高压腔中没有通入高压油时，在弹性件的拉力作用下，弧形锁具贴合在锁紧座侧壁上，当将锁紧座上开设的与第一高压腔连通的第一加压口连接到钻台机具液压站后，高压油进入第一高压腔中，在压力的作用下，弧形锁具被推向钻杆水眼内侧壁，因为钻杆水眼内侧壁上开设有与弧形锁具的外弧面上的锁紧螺纹相匹配的螺纹，因此在螺纹配合下，牢固可靠的实现了钻井液循环装置与钻杆的锁定，确保在想钻杆水眼中打高压气体时整体装置的稳定性；当需要将弧形锁具与钻杆水眼内壁解锁时，只需通过第一泄压口将高压油排出，则弧形锁具在弹性件的恢复力作用下贴合锁紧座，完成解锁。
22.进一步地，本发明的密封机构包括套设在第一管道上的密封座，在密封座的外侧壁上沿自身周向开设有环形槽，将环形槽设计为口小底大的渐变结构，将密封塞安装在环形槽内，且密封塞与环形槽的底部之间预留有第二高压腔，在密封座上开设有与第二高压
腔连通的第二加压口和第二泄压口，当需要对钻杆水眼进行密封时，只需向第二加压口中通入高压油，高压油进入第二高压腔中，在压力的作用下，将密封塞向靠近钻杆水眼内壁的位置推出，实现密封塞对钻杆水眼的密封，当需要解除密封时，只需将第二高压腔中的高压油通过第二泄压口排出，因为环形槽为口小底大的渐变结构，所以密封塞在形变恢复的作用下，自动退回环形槽中，解除对钻杆水眼的密封，本发明的密封方式可靠且结构简单。
23.进一步地，本发明利用四通管可将第二管道与第一管道连接，在四通管的第一端设置有第一阀门，便于控制向第一管道中输入介质的速度；同样的，在四通管的第三端设置有第二阀门，第三端作为输出端，通过第二阀门便于控制输出介质的速度；另外，在四通管的第四端设置有安全阀，提高了整个装置的使用安全性。本发明在第二管道上靠近气泵的位置设置有第三阀门，通过第三阀门控制气体的流速，便于操作。
24.进一步地，在四通管的第一端还设置有压力表，便于实时监测钻井液循环装置内的压力状况，以便于及时的通过调控阀门的开度确保压力在安全范围。
25.进一步地，第一管道的底部连接有引导头，引导头呈半球状，半球状的引导头在下入钻杆水眼的过程中能够有效的防止被异物卡住，确保作业的过程更加顺利。在第一管道侧壁上靠近底部的位置开设有若干过滤孔，能够有效的过滤钻井液中的杂质进入钻杆水眼，防止钻杆水眼被堵塞。
26.进一步地，本发明在第一管道内靠近底部的位置设置有超声波测距仪，利用超声波测距仪能够实时准确的探测第一管道底部距离下方液面的距离，进而便于作业人员实时掌握液面下降的距离，以便于确定液面是否下降到需要取出的钻杆的下方，更好的防止钻台面被污染。
27.进一步地，本发明在第一管道内靠近顶部的位置设置有限位盖，限位盖的直径不小于钻杆水眼的内径，限位盖上开设有通孔，通孔便于高压管线穿过，利用限位盖覆盖在钻杆水眼上方，既对整个钻井液循环装置进行限位，还防止杂物掉落到水眼中。
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明钻井过程中起钻和下钻时用的钻井液循环装置的整体结构示意图；
31.图2为图1中第一管道、锁紧机构、密封机构以及四通管配合时的三维结构图；
32.图3为图1中锁紧机构的三维结构图；
33.图4为图1中密封机构的三维结构图。
34.1-第一管道；2-锁紧机构；201-锁紧座；202-第一高压腔；203-弧形锁具；204-弹性件；205-锁紧螺纹；206-第一加压口；207-第一泄压口；
35.3-密封机构；301-密封座；302-环形槽；303-密封塞；304-第二高压腔；305-第二加压口；306-第二泄压口；
36.4-第二管道；5-气泵；6-液泵；7-四通管；8-第一阀门；9-第二阀门；10-安全阀；11-压力表；12-第三阀门；13-引导头；14-过滤孔；15-超声波测距仪；16-限位盖；17-通孔。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.如图1所示，本发明一种钻井过程中起钻和下钻时用的钻井液循环装置，包括两端贯通的第一管道1，第一管道1的一端连接有供液和供气系统，供液和供气系统用于向第一管道1中提供高压气体和钻井液，第一管道1上固定有锁紧机构2和密封机构3，第一管道1、锁紧机构2以及密封机构3均能够伸入到钻杆水眼内，锁紧机构2用于将第一管道1锁紧固定在钻杆水眼内壁，密封机构3用于密封钻杆水眼。具体地说，在使用时，分为如下两种工况：
39.起钻作业时，首先，将第一管道1、锁紧机构2以及密封机构3伸入到钻杆水眼内，控制锁紧机构2将第一管道1锁紧固定在钻杆水眼内壁，控制密封机构3将钻杆水眼密封，然后，控制供气系统通过第一管道1向钻杆水眼内注入高压气体，待高压气体将钻杆水眼内的液面下压至第一目标位置后，控制锁紧机构2和密封机构3脱离钻杆水眼内壁，最后，将第一管道1、锁紧机构2以及密封机构3从钻杆水眼内取出，取出第一目标位置上方的钻杆；
40.下钻作业时，首先，将第一管道1、锁紧机构2以及密封机构3伸入到钻杆水眼内，控制锁紧机构2将第一管道1锁紧固定在钻杆水眼内壁，控制密封机构3将钻杆水眼密封，然后，控制供液系统通过第一管道1向钻杆水眼内注入钻井液，建立起钻杆水眼-环空循环，即实现钻井液将井下热量从环空带出井眼，待下钻至第二目标位置后，控制锁紧机构2和密封机构3脱离钻杆水眼内壁，最后，将第一管道1、锁紧机构2以及密封机构3从钻杆水眼内取出。
41.如图1所示，优选的，在第一管道1的底部连接有引导头13，引导头13呈半球状，半球状的引导头13在下入钻杆水眼的过程中能够有效的防止被异物卡住，确保作业的过程更加顺利。在第一管道1侧壁上靠近底部的位置开设有若干过滤孔14，能够有效的过滤钻井液中的杂质进入钻杆水眼，防止钻杆水眼被堵塞。在第一管道1内靠近底部的位置设置有超声波测距仪15，利用超声波测距仪15能够实时准确的探测第一管道底部距离下方液面的距离，进而便于作业人员实时掌握液面下降的距离，以便于确定液面是否下降到需要取出的钻杆的下方，更好的防止钻台面被污染。
42.作为本发明的某一具体实施方式，结合图1、图2和图3所示，锁紧机构2包括套设在第一管道1上的锁紧座201，本实施例中，锁紧座201焊接在第一管道1上，且锁紧座201靠近第一管道1的顶部位置设置，在锁紧座201的外侧壁上沿自身周向均布开设有至少两个第一高压腔202，每个第一高压腔202内活动连接有弧形锁具203，本实施例中，锁紧座201的外侧壁上沿自身周向均布开设有三个第一高压腔202；弧形锁具203的外弧面上开设有与钻杆水眼内壁上的螺纹相匹配的锁紧螺纹205，弧形锁具203的内弧面与对应的第一高压腔202之间通过弹性件204连接，弹性件204对弧形锁具203施加有朝向第一管道1管壁的拉力，本实施例中，弹性件204为拉簧。在锁紧座201上开设有与任一第一高压腔202连通的第一加压口
206和第一泄压口207，每个第一高压腔202之间相互连通，本实施例中，在其中一个第一高压腔202上方开设有第一加压口206，在另一个第一高压腔202上方开设有第一泄压口207，将第一加压口206与钻台机具液压站连通，当需要锁紧时，控制钻台机具液压站通过第一加压口206向第一高压腔202中打入液压油，弧形锁具203在高压作用下，靠近钻杆水眼侧壁，实现螺纹配合的可靠性锁紧；当需要解锁时，将高压油通过第一泄压口207排出，在弹性件204的拉力作用下，弧形锁具203贴合到锁紧座201上，完成解锁。
43.作为本发明的某一具体实施方式，结合图1、图2和图4所示，密封机构3包括套设在第一管道1上的密封座301，本实施例中，密封座301焊接在第一管道1上，密封座301紧贴锁紧座201下方设置，在密封座301的外侧壁上沿自身周向开设有环形槽302，环形槽302呈口小底大的渐变结构，环形槽302内匹配设置有密封塞303，密封塞303与环形槽302的底部之间预留有第二高压腔304，密封座301上开设有与第二高压腔304连通的第二加压口305和第二泄压口306，本实施例中，第二加压口305和第二泄压口306与第一高压腔202连通，在向第一高压腔202中打入液压油的同时，液压油也进入到第二高压腔304中，密封塞303在高压作用下向靠近钻杆水眼内壁的位置移动，实现密封塞303对钻杆水眼的密封，当需要解除密封时，将液压油通过第二泄压口306和第一泄压口207排出，在口小底大的环形槽302与密封塞303的形变恢复作用下，密封塞303自动退回环形槽中，解除对钻杆水眼的密封。本实施例中，密封塞303为橡胶材质。
44.如图1所示，优选的，在第一管道1内靠近顶部的位置设置有限位盖16，限位盖16的直径不小于钻杆水眼的内径，限位盖16上开设有通孔17，在使用时，将第一管道1、锁紧机构2以及密封机构3伸入到钻杆水眼内，此时，限位盖16覆盖在钻杆水眼上端，辅助限位，通孔17用于将连接加压口和泄压口的管线穿过。
45.作为本发明的某一具体实施方式，结合图1和图2所示，供液和供气系统包括第二管道4以及连接在第二管道4上的气泵5和液泵6，第二管道4上靠近气泵5的位置设置有第三阀门12，便于调控气体的流速，进而控制稳定增压，第二管道4与第一管道1连通。具体地说，第二管道4与第一管道1之间通过四通管7连接，四通管7的第一端与第二管道4连接，且四通管7的第一端设置有第一阀门8，通过第一阀门8对通入第一管道1中的气体和液体的速度进行调控，更加优选的，在四通管7的第一端还设置有压力表11，便于实时监测系统的压力，进而根据实际情况对压力进行调整，本实施例中，如图1所示，第二管道4与第一管道1之间采用螺纹连接的方式连接，连接方便且可靠；四通管7的第二端与第一管道1连接；四通管7的第三端作为泄压时的气体以及液压油的输出端，在四通管7的第三端设置有第二阀门9，便于对泄压过程的稳定泄压进行调控；在四通管7的第四端设置有安全阀10，有利于提高系统的安全性。
46.本发明一种钻井过程中起钻和下钻时用的钻井液循环装置的使用方法，具体如下：
47.下钻过程建立循环时：
48.步骤一：下钻至需要建立循环井深(需要顶通循环或者循环降温等情况)，将第一管道1、锁紧机构2以及密封机构3伸入到钻杆水眼内；
49.步骤二：密封机构3下端面与钻具内台阶重合，循环装置坐稳与井口钻具母扣上；
50.步骤三：控制机具液压站为锁紧机构及密封机构加压，弧形锁具203顶出，锁紧螺
纹205与钻具母扣配合形成锁紧，密封塞303顶出形成密封；
51.步骤四：打开第一阀门8，控制液泵6向钻杆水眼井内注入钻井液；
52.步骤五：顶通或循环完成后，停泵，打开出口第二阀门9泄压；
53.步骤六：打开第三阀门12，启动气泵吹扫循环装置至出口无钻井液流出；
54.步骤七：关闭第一阀门8与第三阀门12，取出循环装置；
55.步骤八：继续下钻至需要建立循环井深，重复步骤一至步骤七。
56.起钻(短起)过程中：
57.步骤一：卸开顶驱与井内钻具螺纹扣，将第一管道1、锁紧机构2以及密封机构3伸入到钻杆水眼内；
58.步骤二：密封机构3下端面与钻具内台阶重合，循环装置坐稳与井口钻具母扣上；
59.步骤三：控制机具液压站为锁紧机构及密封机构加压，弧形锁具203顶出，锁紧螺纹205与钻具母扣配合形成锁紧，密封塞303顶出形成密封；
60.步骤四：打开第一阀门8和第三阀门12，控制气泵5向钻杆水眼井内注入高压气体，超声波测距仪15实时测量水眼内液面高度，当液面下降至第3至5柱钻杆下时，停泵；
61.步骤五：打开出口第二阀门9泄压，作为本领域技术人员均知晓，由于井内有单向阀，水眼内的液面不会上涨；
62.步骤六：关闭第一阀门8与第三阀门12，取出循环装置；
63.步骤七：起出步骤四中钻杆水眼内无钻井液的第3至5柱钻钻杆；
64.步骤八：起出钻杆后重复步骤一至七至起出所需钻杆。
65.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。