钻井造壁系统和钻井造壁方法

技术领域

本发明涉及钻井工程设备技术领域，具体而言，涉及一种钻井造壁系统和钻井造壁方法。

背景技术

目前上天技术突飞猛进，入地技术寸步难行。随着地球资源的开发和地质研究的发展需要，钻井作业需要形成更深更稳定更符合要求轨迹的井眼通道，顺畅地连接地面和目标地层。但目前传统钻井系统往更深地层钻进存在以下技术瓶颈：1)需要下入更多数量和层数的套管维持井壁，井眼必然不断减小。伴随的固井作业耗时更长，难度更大。2)需要更长的钻柱，起下钻耗时延长，管柱磨阻增大，动力无法传递到钻头。3)需要功率更高的地面设备，能量利用率更低，占用空间更大。4)需要更多高质量的钻井液，井控要求更精准，安全环保压力更大。

也就是说，现有技术中钻井装置对于超深井的开发存在钻完井难度大的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种钻井造壁系统和钻井造壁方法，以解决现有技术中钻井装置对于超深井的开发存在钻完井难度大的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种钻井造壁系统，包括：钻井装置，钻井装置的一端设置有第一激光发射装置，钻井装置对地层钻井形成井眼；金属打印装置，金属打印装置设置在钻井装置远离第一激光发射装置的一端，金属打印装置的外周面设置有第二激光发射装置，金属打印装置的外周面具有通孔，金属粉末经通孔喷射到井的井壁上，并在第二激光发射装置发射的激光的作用下形成井壁层；远程监控装置，远程监控装置与钻井装置和金属打印装置连接通信，以监测和控制钻井装置和金属打印装置的工作状态。

进一步地，钻井造壁系统还包括输送装置，输送装置具有多个独立的输送管路，金属打印装置和钻井装置分别与不同的两个输送管路连通。

进一步地，钻井造壁系统还包括供料装置，供料装置设置在井场地面，供料装置通过输送装置与钻井装置和金属打印装置连通，且供料装置向钻井装置输送液态惰性气体，供料装置向金属打印装置输送金属粉末。

进一步地，供料装置包括：金属粉末供料装置，金属粉末供料装置中容置有金属粉末；供气装置，供气装置具有冷却部和高压部，冷却部与钻井装置连通并将液态惰性气体输送至钻井装置，高压部与金属打印装置和金属粉末供料装置连通，高压部内的高压气体将金属粉末输送至金属打印装置。

进一步地，钻井装置包括钻头和旋转支撑装置，旋转支撑装置设置在金属打印装置和钻头之间并与所述钻头连接。

进一步地，钻井造壁系统还包括测量预警装置，测量预警装置设置在金属打印装置和钻井装置之间。

进一步地，钻井造壁系统还包括激光器，激光器设置在金属打印装置远离钻井装置的一侧，且激光器通过光纤分别与第一激光发射装置和第二激光发射装置连接。

进一步地，钻井造壁系统还包括排废装置，排废装置在井内运动，以将井内的岩屑排出到井外。

进一步地，排废装置包括至少一个爬行机器人，爬行机器人携带岩屑，爬行机器人为一个时，爬行机器人在激光器与井口之间运动，并将岩屑排出到井外；爬行机器人为多个时，爬行机器人在预设长度内运动，且相邻两个爬行机器人中靠近钻井装置的爬行机器人将岩屑传输到另一个爬行机器人中。

进一步地，排废装置还包括岩屑回收装置，岩屑回收装置设置在井的井口处，爬行机器人将岩屑送入岩屑回收装置。

根据本发明的另一方面，提供了一种钻井造壁方法，钻井造壁方法应用上述钻井造壁系统，钻井造壁方法包括以下步骤：使用钻机在地层打孔，形成表层井眼；将表层套管放置到井眼内进行固井；将钻井造壁系统的钻井装置、金属打印装置、激光器、输送装置、测量预警装置和爬行机器人放置到井眼内；开启钻井造壁系统，并检查钻井造壁系统的运转及通信状态；驱动钻井装置进一步钻井眼；金属打印装置喷射井眼的井壁并形成井壁层；驱动爬行机器人将岩屑排出井眼。

进一步地，在开启钻井造壁系统，并检查钻井造壁系统的运转及通信状态的过程中：启动钻井造壁系统的金属粉末供料装置并装满金属粉末；启动钻井造壁系统的供气装置制备惰性气体和液态惰性气体。

进一步地，在驱动钻井装置进一步钻井眼的过程中：沿井眼向井底通入液态惰性气体并在钻井造壁系统的钻头的喷嘴气化；钻井装置向井底发射激光以降低岩石强度；钻井装置向井底喷出惰性气体以冷却钻头和返排岩屑。

进一步地，在金属打印装置喷射井眼的井壁并形成井壁层中：向金属打印装置送入带有金属粉末的惰性气体；金属打印装置向井壁喷射金属粉末；金属打印装置发射激光到井壁以融化金属粉末形成井壁层。

进一步地，在驱动爬行机器人将岩屑排出井眼的过程中：步骤1：钻井装置喷出的惰性气体携带岩屑至靠近钻井装置的爬行机器人处；步骤2：爬行机器人向靠近井口的方向运动并将携带的岩屑送至相邻的靠近井口的爬行机器人中；多个爬行机器人依次传送岩屑直至将岩屑送至靠近井口的爬行机器人中，最终将岩屑送至钻井造壁系统的岩屑回收装置内。

应用本发明的技术方案，钻井造壁系统包括钻井装置、金属打印装置以及远程监控装置，钻井装置的一端设置有第一激光发射装置，钻井装置对地层进行钻井作业；金属打印装置设置在钻井装置远离第一激光发射装置的一端，金属打印装置的外周面设置有第二激光发射装置，金属打印装置的外周面具有通孔，金属粉末经通孔喷射到裸眼的井壁上，并在第二激光发射装置发射的激光的作用下形成井壁层；远程监控装置与钻井装置和金属打印装置连接通信，以控制钻井装置和金属打印装置的工作状态。

通过设置钻井装置可以在地层上进行钻井，金属打印装置在跟随钻井装置进入到井内后，能够向井壁上喷射金属粉末，而金属打印装置在同时向井壁发射激光，在激光的高温作用下金属粉末融化，融化后的金属粉末会粘附在井壁上迅速成形并形成井壁层。远程监控装置的设置能够对钻井装置和金属打印装置进行监测和控制，同时控制钻井装置的钻井时机，控制金属打印装置的喷射金属粉末的时机。第一激光发射装置的设置使得钻井装置能够发射激光，发射出的激光照射到井底岩石形成初始热应力微裂纹，降低岩石强度，便于后续的钻井。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的一个可选实施例的钻井造壁系统的装置示意图；

图2示出了图1中钻井造壁系统的信号传输示意图；

图3示出了图1中钻井造壁系统的电路传输示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、钻井装置；11、钻头；12、旋转支撑装置；20、金属打印装置；30、远程监控装置；40、输送装置；41、脐带缆；42、脐带缆输送装置；50、供料装置；51、金属粉末供料装置；52、供气装置；60、测量预警装置；70、激光器；80、排废装置；81、爬行机器人；82、岩屑回收装置；90、地面供电装置；100、液压站。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中钻井装置对于超深井的开发存在钻完井难度大的问题，本发明提供了一种钻井造壁系统和钻井造壁方法。

如图1至图3所示，钻井造壁系统包括钻井装置10、金属打印装置20和远程监控装置30：钻井装置10的一端设置有第一激光发射装置，钻井装置10对地层钻井；金属打印装置20设置在钻井装置10远离第一激光发射装置的一端，金属打印装置20的外周面设置有第二激光发射装置，金属打印装置20的外周面具有通孔，金属粉末经通孔喷射到裸眼的井壁上，并在第二激光发射装置发射的激光的作用下形成井壁层；远程监控装置30与钻井装置10和金属打印装置20连接通信，以控制钻井装置10和金属打印装置20的工作状态。

通过设置钻井装置10可以在地层上进行钻井作业，金属打印装置20在跟随钻井装置10进入到井内后，能够向井壁上喷射金属粉末，而金属打印装置20在同时向井壁发射激光，在激光的高温作用下金属粉末融化，融化后的金属粉末会粘附在井壁上迅速成形并形成井壁层。远程监控装置30的设置能够对钻井装置10和金属打印装置20进行监测和控制，同时控制钻井装置10的钻井时机，控制金属打印装置20的喷射金属粉末的时机。第一激光发射装置的设置使得钻井装置10能够发射激光，发射出的激光照射到井底岩石形成初始热应力微裂纹，降低岩石强度，便于后续的钻井。

需要说明的是，金属打印装置20能够跟随钻井装置10进入到井内实现了边钻井边形成井壁层，进而无需再向井内下入套管，大大减少了钻完井难度和提高了作业效率。远程监控装置30包含计算机硬件和软件，是信息处理的中心。

如图1所示，钻井造壁系统还包括输送装置40，输送装置40具有多个独立的输送管路，金属打印装置20和钻井装置10分别与不同的两个输送管路连通。输送装置40的设置能够为金属打印装置20和钻井装置10提供所需的物质。同时为金属打印装置20和钻井装置10提供的物质不会混合，增加金属打印装置20和钻井装置10工作的稳定性。

如图1所示，钻井造壁系统还包括供料装置50，供料装置50设置在井场地面，供料装置50通过输送装置40与钻井装置10和金属打印装置20连通，且供料装置50向钻井装置10输送液态惰性气体，供料装置50向金属打印装置20输送金属粉末。供料装置50与输送装置40连通，以通过输送装置40的输送管路将物料送入到金属打印装置20和钻井装置10处，以保证金属打印装置20和钻井装置10能够持续稳定工作，提高钻井造壁的效率。

如图1所示，供料装置50包括金属粉末供料装置51和供气装置52，金属粉末供料装置51中容置有金属粉末；供气装置52具有冷却部和高压部，冷却部与钻井装置10连通并将液态惰性气体输送至钻井装置10，高压部与金属打印装置20和金属粉末供料装置51连通，高压部内的高压气体将金属粉末输送至金属打印装置20。供气装置52能够净化来自空气或者井底返排氮气后进行压缩，一部分在高压部，高压部与金属粉末供料装置51连通，并通过高压部的高压氮气将金属粉末输送至金属打印装置20处，用于金属打印形成井壁层；另一部分在冷却部中进一步压缩为纯净液氮经输送装置40送至钻井装置10处，钻井装置10将液氮气化形成低温高速的氮气冷却钻井装置，并且作为激光保护罩，及时清洁井底岩屑并携带岩屑向外返排。

需要说明的是，输送装置40包括脐带缆41和脐带缆输送装置42，脐带缆41设置在井内，脐带缆41用于传递信息，传输金属粉末和惰性气体，输送电能和液压油，传递光能。激光器70能够利用脐带缆41传输的电能作为激发泵浦能源。脐带缆输送装置42设置在井口的外侧由远程监控装置30根据钻井情况实时智能调节汇合各种线缆并入脐带缆后输送至井底。

如图1所示，钻井装置10包括钻头11和旋转支撑装置12，旋转支撑装置12设置在金属打印装置20和钻头11之间并与所钻头11连接。旋转支撑装置12的设置能够驱动钻头11移动，同时旋转支撑装置12能够压实井壁，以便于后续的金属打印装置20向井壁喷射金属粉末，有利于形成井壁层。

如图1所示，钻井造壁系统还包括测量预警装置60，测量预警装置60设置在金属打印装置20和钻井装置10之间。测量预警装置60能够测量各处井壁与测量预警装置60的距离以及井壁的硬度，以使得远程监控装置30根据测量预警装置60测量的井壁数据智能选择粉末供应量和激光扫描速率。例如对硬地层打印井壁层相对较薄或者裸眼钻井，对于不稳定地层打印较厚的井壁层，最终形成内径一致的稳定高质量井眼。

测量预警装置60能够测量传统钻压、扭矩、流量、工具面、温度及地质等数据外，同时能够测量裸眼井壁稳定性，并对异常情况判断且对远程监控装置30和爬行机器人81等关联装置发送报警。

如图1所示，钻井造壁系统还包括激光器70，激光器70设置在金属打印装置20远离钻井装置10的一侧，且激光器70通过光纤分别与第一激光发射装置和第二激光发射装置连接。激光器70的设置能够为金属打印装置20和钻井装置10提供激光，以使得钻井装置10和金属打印装置20稳定工作。将激光器70设置在金属打印装置20远离钻井装置10的一侧使得激光器70与金属打印装置20和钻井装置10的位置固定，便于将激光传输给第一激光发射装置和第二激光发射装置处，使得金属打印装置20和钻井装置10稳定工作。

如图1所示，钻井造壁系统还包括排废装置80，排废装置80在井内运动，以将井内的岩屑排出到井外。排废装置80的设置能够将井内的岩屑排出到井外，以使得金属打印装置20和钻井装置10稳定的工作。钻井装置10处喷射出的高速气体能够携带岩屑返排至激光器70远离金属打印装置20的一侧处，排废装置80将岩屑排出到井外。

如图1所示，排废装置80包括至少一个爬行机器人81，爬行机器人81携带岩屑，爬行机器人81为一个时，爬行机器人81在激光器70与井口之间运动，并将岩屑排出到井外；爬行机器人81为多个时，爬行机器人81在预设长度内运动，且相邻两个爬行机器人81中靠近钻井装置10的爬行机器人81将岩屑传输到另一个爬行机器人81中。爬行机器人81能够在井内爬行，且爬行机器人81的爬行长度有限，可以根据井深来逐渐增加爬行机器人81的数量。在使用多个爬行机器人81时，位于井底的爬行机器人81将岩屑送至靠近井口的爬行机器人81，以将岩屑排出到井外。爬行机器人81还具有补充气力输送能量、检测井壁和脐带缆41的作用。

如图1所示，排废装置80还包括岩屑回收装置82，岩屑回收装置82设置在井口处，爬行机器人81将岩屑送入岩屑回收装置82。岩屑回收装置82的设置能够将爬行机器人81送出的岩屑直接收集起来，消除井口与境内岩屑滞留，以满足相关钻井固废的环保要求，保证了钻井的稳定性和安全性。

本申请中的钻井造壁系统与地面供电装置90和液压站100连接，以获取电能和液压能。

钻井造壁方法应用上述钻井造壁系统，钻井造壁方法包括以下步骤：使用钻机在地层打孔，形成表层井眼；将表层套管放置到井眼内进行固井；将钻井造壁系统的钻井装置10、金属打印装置20、激光器70、输送装置40、测量预警装置60和爬行机器人81放置到井眼内；开启钻井造壁系统，并检查钻井造壁系统的运转及通信状态；驱动钻井装置10进一步钻进井眼；金属打印装置20喷射井眼的井壁并形成井壁层；驱动爬行机器人81将岩屑排出井眼。

采用钻机在地层孔形成表层井眼是为了便于将钻井造壁系统的部分装置放置到井内，以便于钻井装置10进一步对井眼进行钻进。金属打印装置20和激光器70与钻井装置10同步进入到井眼内，能够在钻井装置10钻井时就采用金属打印装置20对井壁喷金属粉末，同时激光照射金属粉末形成井壁层，保证井壁的稳定性。激光器70跟随钻井装置10进入到井内使得激光器70与钻井装置10和金属打印装置20之间的位置相对固定，减少光纤的长度，节省生产成本。同时爬行机器人81将岩屑排出到井外，以减少岩屑积聚在井内，有效保证钻井装置10持续钻井，保证金属打印装置20在井壁上喷射金属粉末。

具体的，在开启钻井造壁系统，并检查钻井造壁系统的运转及通信状态的过程中：启动钻井造壁系统的金属粉末供料装置51并装满金属粉末；启动钻井造壁系统的供气装置52制备惰性气体和液态惰性气体。将金属粉末供料装置51中装满金属粉末，可以有效保证后续金属打印装置20对金属粉末的需求量，保证金属打印装置20稳定工作。供气装置52制备的惰性气体能够携带金属粉末供料装置51中的金属粉末送至金属打印装置20处。液态惰性气体能够对钻井装置10进行冷却降温和返排岩屑，以使得钻井装置10能够稳定工作。

具体的，在驱动钻井装置10进一步钻进井眼的过程中：沿井眼向井底通入液态惰性气体并在钻井造壁系统的钻头11的喷嘴气化；钻井装置10向井底发射激光以降低岩石强度；钻井装置10向井底喷出惰性气体以冷却钻头11和返排岩屑。液态惰性气体能够对钻头11进行降温，以使得钻头11能够稳定工作，同时钻井装置10向井底发射激光以降低岩石强度，配合钻头11的旋转切削井底岩石气化后的惰性气体还能够吹走激光传播过程中固体颗粒降低能量损耗，并将岩屑返排至激光器70远离钻井装置10的一端。

具体的，在金属打印装置20喷射井眼的井壁并形成井壁层中：向金属打印装置20由惰性气体气力输送金属粉末；金属打印装置20向井壁喷射金属粉末，同时激光照射到金属粉末上，在高温下金属粉末融化粘附在井壁上形成井壁层，以固定井壁。

具体的，在驱动爬行机器人81将岩屑排出井眼的过程中：步骤1：钻井装置10喷出的惰性气体携带岩屑至靠近钻井装置10的爬行机器人81处；步骤2：爬行机器人81向靠近井口的方向运动并将携带的岩屑送至相邻的靠近井口的爬行机器人81中；重复步骤2，直至将岩屑依次传送多个爬行机器人81中，直到靠近井口的爬行机器人81将岩屑送至钻井造壁系统的岩屑回收装置82内。这样能够将井底处的岩屑排出的井外，以减少岩屑在井底处积聚，以保证钻井装置10和金属打印装置20工作的稳定性和安全性。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。