一種低溫空氣泡沫鉆進裝置及鉆進方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種低溫空氣泡沫鉆進裝置及鉆進方法，適用于凍土地層和陸地天然 氣水合物層的鉆進，特別是缺水地區。
【背景技術】
[0002] 凍土是一種對溫度極為敏感的土體介質，含有豐富的地下冰，同時陸地永凍區是 陸地天然氣水合物的存在區域，我國是世界上多年凍土分布面積的第三大國，所以凍土鉆 探對凍土區天然氣水合物鉆采來說十分重要。
[0003] 凍土具有流變性，其長期強度遠低于瞬時強度特征。由于這些特征，凍土鉆進中如 果忽視溫度因素，那么冰膠結的松散巖層可能因受熱失去粘結而喪失穩定性，從而導致復 雜的情況的出現，如：孔壁坍塌；鉆井液在孔壁上結冰，造成縮徑；鉆具以過冷狀態下鉆，凍 結孔壁上；巖礦芯采取率低。因此，在凍土層鉆進中，需要采用低溫沖洗介質保持孔內的低 溫來穩定孔壁，保證正常高效的鉆進。天然氣水合物只存在于低溫、高壓的條件下，在天然 氣水合物鉆進中，如果鉆井液循環溫度高于水合物層穩定溫度，會引起水合物分解，無法取 得原位保真的水合物樣品，還會產生一系列孔內事故。因此，在天然氣水合物鉆進中采用低 溫沖洗介質抑制水合物層在鉆進過程中發生分解，取得水合物原位保真樣品，保證鉆進的 正常進行是十分可行的。
[0004] 目前，在凍土鉆進和天然氣水合物鉆進中，采用保壓鉆具或大直徑繩索取心鉆具 配合泥漿冷卻技術來進行鉆進，作為核心的低溫泥漿冷卻技術現在主要有：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組通過板式換熱器制冷乙二醇溶液，被制冷后的乙二醇溶液再通 過螺旋板式換熱器冷卻泥漿；在我國祁連山天然氣水合物鉆進中，采用的鉆井泥漿強制冷 卻循環系統使用同軸套管式換熱器。以上設備存在的不足如下：①凍土區比較缺水，不利于 鉆井泥漿的配制及補充；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 的導熱系數高，對地層溫度影響大。
【發明內容】
[0005] 本發明針對上述現有技術的不足，提出一種適用于凍土地層和陸地天然氣水合物 層的低溫鉆進裝置及方法，能降低制冷系統所需功率，減少鉆進過程中沖洗介質對地層溫 度的影響，特別是在缺水地區，減小用水量。
[0006] 本發明的技術方案是：在常規空氣泡沫鉆進工藝的基礎上，通過制冷系統將泡沫 液、空氣和空氣泡沫進行制冷，形成低溫空氣泡沫鉆進裝置及方法。
[0007] 本發明是由空氣泡沫鉆進系統和制冷系統組成，其中空氣泡沫鉆進系統為現有系 統不再贅述，制冷系統包括是泡沫液制冷系統、空氣制冷系統、空氣泡沫制冷系統； 泡沫液制冷系統的結構是：泡沫液制冷換熱器的制冷劑出口通過管路與制冷機組入口 閥組相連，入口閥組通過管路與制冷機組水泵的進口相連，制冷機組水泵的出口通過管路 與與制冷機組入口相連，制冷機組出口通過管路與制冷機組出口閥組相連，出口閥組通過 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。泡沫液箱的泡沫 液出口通過管路與泡沫液制冷水泵的進口相連，泡沫液制冷水泵的出口通過管路與泡沫液 制冷換熱器的泡沫液進口相連，泡沫液制冷換熱器泡沫液出口通過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。泡沫液箱的泡沫液出口通過管路與泡沫液泵的 入口相連，泡沫液泵的出口通過管路與泡沫發生裝置的泡沫液入口相連，實現泡沫液的注 入。
[0008] 空氣制冷系統的結構是：空氣制冷換熱器的制冷劑出口通過管路與制冷機組入口 閥組相連，入口閥組通過管路與制冷機組水泵的進口相連，制冷機組水泵的出口通過管路 與制冷機組入口相連，制冷機組出口通過管路與制冷機組出口閥組相連，出口閥組通過管 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。空氣壓縮機的空氣出 口通過管路與空氣冷卻器的入口相連，空氣冷卻器的出口通過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管路與泡沫發生器的空氣入口相連，實現空 氣的制冷和注入。
[0009] 空氣泡沫制冷系統的結構是：空氣泡沫制冷換熱器的制冷劑出口通過管路與制冷 機組入口閥組相連，入口閥組通過管路與制冷機組水泵的進口相連，，制冷機組水泵的出口 通過管路與制冷機組入口相連，制冷機組出口通過管路與制冷機組出口閥組相連，出口閥 組通過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。泡沫發 生器的空氣泡沫出口通過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的空氣泡沫入口相連，實現空氣泡沫的制冷和注入。
[0010] 制冷系統中通過制冷機組入口閥組（Vl)和制冷機組出口閥組（V2)的控制，泡沫 液制冷系統、空氣制冷系統和空氣泡沫制冷系統可以獨立開啟和關閉，實現單獨制冷和同 時制冷。當環境溫度較低時，只開啟泡沫液制冷系統，隨著環境溫度的增加，再逐步開啟空 氣制冷系統和空氣泡沫制冷系統以滿足鉆進要求。
[0011] 泡沫發生裝置包括泡沫發生器和泡沫增壓泵。當孔深較淺時采用泡沫發生器，當 孔深較深時采用泡沫增壓泵。
[0012] 本發明之低溫空氣泡沫鉆進方法包括以下步驟： ;!：:開啟制冷機組和制冷機組水泵，同時開啟制冷機組入口閥組和制冷機組出口閥組 中與泡沫液制冷換熱器相連的閥門，將泡沫液制冷換熱器中的制冷劑抽入制冷機組中進行 冷卻；開啟泡沫液制冷水泵，將泡沫液抽入泡沫液制冷換熱器制冷后返回泡沫液箱；開啟 泡沫液泵將泡沫液箱中的低溫泡沫液抽入泡沫發生裝置的泡沫液入口。
[0013] ②開啟制冷機組入口閥組和制冷機組出口閥組中與空氣制冷換熱器相連的閥門， 將空氣制冷換熱器中的制冷劑抽入制冷機組中進行冷卻；開啟空氣壓縮機，抽入的空氣先 進入空氣冷卻器進行一級制冷，然后進入空氣制冷換熱器進行二級制冷，制冷后的低溫空 氣進入泡沫發生裝置的空氣入口。
[0014] ③開啟制冷機組入口閥組和制冷機組出口閥組中與空氣泡沫制冷換熱器相連的 閥門，將空氣制冷換熱器中的制冷劑抽入制冷機組中進行冷卻；泡沫發生裝置產生的空氣 泡沫進入空氣制冷換熱器中進行制冷，現場的低溫空氣泡沫進入鉆機的進水口。
[0015] ④鉆進時，低溫空氣泡沫液經過鉆具和鉆頭的中心進入孔底口，由環狀間隙上返 到達地表，通過孔口密封裝置進入消泡器進行消泡后流回泥漿池中，以此循環運行直至鉆 進結束。
[0016] 本發明的有益效果： 利用空氣泡沫含水少，比熱低，導熱系數低的性質，針對凍土層和陸地天然氣水合物層 鉆進的特點，發明了低溫空氣泡沫鉆進方法，減少了鉆進過程中沖洗介質對地層溫度的影 響；減小了用水量，在缺水地區有良好的效果；降低了制冷鉆井介質所需的功率，同時對制 冷系統采用多級制冷，獨立控制，進一步優化了對制冷能量的利用。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發明的低溫空氣泡沫鉆進裝置示意圖。
[0018] 圖中：1-制冷機組，2-制冷機組水泵，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，8-空氣冷卻器，9一泡沫發生裝置， 10-鉆機，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-制冷機組入□閥組； V2-制冷機組出口閥組。
【具體實施方式】
[0019] 如圖1所示，本發明的低溫空氣泡沫鉆進裝置是由空氣泡沫鉆進系統和制冷系統 組成，其中制冷系統包括是泡沫液制冷系統、空氣制冷系統、空氣泡沫制冷系統； 泡沫液制冷系統的結構是：泡沫液制冷換熱器（3)的制冷劑出口與制冷機組（1)制冷 機組入口閥組（Vl)相連，制冷機組入口閥組（Vl)與制冷機組水泵（2)的進口相連，制冷機 組水泵（2 )的出口與制冷機組（1)入口相連，制冷機組（1)出口與制冷機組出口閥組（V2 ) 相連，制冷機組出口閥組（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； 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； 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 生裝置（9)的泡沫液入口相連，實現泡沫液的注入； 空氣制冷系統的結構是：空氣制冷換熱器（8)的制冷劑出口與制冷機組入口閥組（Vl) 相連，制冷機組入口閥組（VI)與制冷機組水泵（2)相連，制冷機組水泵（2)的出口與制冷機 組（1)入口相連，制冷機組（1)出口與制冷機組出口閥組（V2)相連，制冷機組出口閥組（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； 空氣壓縮機（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生裝置（9) 的空氣入口相連，實現空氣的制冷和注入； 空氣泡沫制冷系統的結構是：空氣泡沫制冷換熱器（16)的制冷劑出口與制冷機組入 口閥組（VI)相連，制冷機組入口閥組（VI)與制冷機組水泵（2)的進口相連，制冷機組水泵 (2 )的出口與制冷機組（1)入口相連，制冷機組（1)出口與制冷機組出口閥組（V2 )相連，制 冷機組出口閥組（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； 泡沫發生裝置（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（10)的空氣泡沫入口相連，實現空氣泡 沫的制冷和注入。
[0020] 制冷系統中通過制冷機組入口閥組（Vl)和制冷機組出口閥組（V2)的控制，泡沫 液制冷系統、空氣制冷系統和空氣泡沫制冷系統可以獨立開啟和關閉，實現單獨制冷和同 時制冷；當環境溫度較低時，只開啟泡沫液制冷系統，隨著環境溫度的增加，再逐步開啟空 氣制冷系統和空氣泡沫制冷系統以滿足鉆進要求； 泡沫發生裝置（9)包括泡沫發生器和泡沫增壓泵；當孔深較淺時采用泡沫發生器，當 孔深較深時采用泡沫增壓泵。
[0021] 準備鉆進時，開啟泥漿池水