一种煤层气水平井欠平衡钻井系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种煤层气水平井欠平衡钻井系统及其方法，包括套管、钻杆、导流器、顶驱、脱气阀、水气混合供给单元和三相分离器；本发明专利技术的稳定欠平衡钻进是根据钻井液排量和压力调整压缩空气的排量和压力，向钻杆内注入一定比例的压缩空气，压缩空气在远离钻头位置的煤层井眼之上，通过安装在钻杆上的一组脱气阀被脱离出来并迅速膨胀，膨胀后的空气泡上行并持续膨胀，膨胀的气泡会替换或排出同等体积的钻井液，由于压缩空气泡的密度远远小于钻井液的密度，这使环空通道内流体的密度变小，使得环空液柱作用在煤层井眼的压力减小，这就形成了环空液柱作用在煤层井眼的压力小于或近似等于煤层空隙压力的欠平衡或近平衡钻井状态。

【技术实现步骤摘要】
一种煤层气水平井欠平衡钻井系统及其方法
本专利技术涉及煤层气开采
，更具体的说是涉及一种在煤层中钻进水平井眼时，通过向远离钻头位置安装一组通过泵压控制开闭井下脱气阀的钻杆，由空压机加注压缩空气来实现煤层中水平井眼稳定的欠平衡钻井系统及其方法。
技术介绍
在煤层气开发领域，有一种采用在煤层中钻进不进行压裂改造的水平井实现煤层气开采。由于多数煤层是低孔隙度、低渗透率和低储层压力的煤层，钻井过程中钻井液和钻进时产生的煤粉在环空液柱压力的作用下进入煤层的微细裂缝造成堵塞，致使水平井气产量没有商业价值，甚至部分水平井几乎不产气。为了降低煤层水平井眼钻进时对煤层造成的伤害和污染，目前常用的一种方法是采用清水加少量添加剂的无固相的清洁钻井液钻进煤层，另一种方法是打一口近端对接垂直井，并通过对接井注入压缩空气进入到水平井眼，来降低钻进时的环空液柱压力，来实现煤层中水平井眼欠平衡钻进。个别地方也曾尝试微泡泥浆体系钻井液和钻杆加气的方法实现降低环空液柱压力，试图实现煤层中水平井眼欠平衡钻进来降低钻井对煤层的伤害，然而都没有获得水平井较高产气量，甚至造成煤层严重污染和煤层井眼严重垮塌，致使钻井完全失败。由于煤层的地质特性，在煤层中钻进时容易造成煤层污染和垮塌，成功钻进煤层中水平井并减少对煤层的污染是决定产气量高低的关键因素。无固相清洁钻井液无疑减少固相添加剂对低压煤层的侵入污染，对较高渗透率和空隙压力较高的煤层，该方法对煤层污染程度较小，且能够获得理想的气产量，但对储层压力较低的煤层，钻井时产生的煤粉随钻井液的漏失进入煤层并堵塞煤层中的微细裂缝，这对煤层有较大的伤害。微泡无固相钻井液虽然能部分降低环空液柱对煤层的压力，但是钻井液漏失仍然造成对煤层的严重污染，尤其是微泡钻井液使用的化学添加剂，对煤层的伤害更为严重，甚至造成水平井不产气。钻杆加气欠平衡钻井工艺虽然能对高阶煤和固结程度高的煤层能实现欠平衡钻进，但对大多数低阶煤层和松软碎裂煤层是不使用的，原因是这些煤层容易垮塌，再加上压缩空气气泡从钻头流出后会迅速涨大形成冲击波，对煤造成持续的冲击，使原本易垮塌的煤层井眼更加不稳定，垮塌更加严重，甚至埋卡钻具，致使钻井无法正常进行。通过近端对接的垂直井注入压缩空气是实现煤层中水平井欠平衡钻进较为成功的方法，它既可实现煤层中水平井欠平衡钻进，又能避免上述钻杆加气欠平衡钻进导致井眼垮塌的弊端，但是，该项工艺费用较大，因为，一口近端对接垂直井的施工费用花费近150万元，钻井成本增加了近20％。同时，其结构复杂，对接施工困难。因此，如何提供一种结构简单、能够降低对煤层污染，且同时能够降低成本、防止加气钻井导致煤层井眼垮塌的水平井眼稳定的欠平衡钻井系统及其方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，旨在解决上述技术问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，用于对水平井眼内的煤层进行钻进开采煤层气；包括：套管、钻杆、导流器、顶驱、脱气阀、水气混合供给单元和三相分离器；所述套管安装在地面的井口和所述水平井眼的煤层着陆点之间的井眼内；所述钻杆下放至所述套管内部，且其底端的钻头用于对煤层进行钻进；所述钻杆和套管之间形成环空通道；所述导流器安装在所述井口的顶部，且用于夹紧或释放所述钻杆，并在所述钻头工作时封堵所述环空通道的顶部；所述顶驱安装在所述导流器的上方，且用于实现对所述钻杆的下放或提出并提供钻头旋转动力；所述脱气阀的数量为多个，且等间距安装在所述钻杆靠近所述钻头的一端，并与所述钻头存在间距；多个所述脱气阀的脱气压力由所述钻头一端至另一端依次降低；所述水气混合供给单元安装在地面上，且用于向所述钻杆内注入混有压缩空气的钻井液；所述三相分离器安装在地面上，且与所述井口的侧壁连接，并与所述井口的内腔连通，用于对所述环空通道内上行的带有煤粉和空气的钻井液进行三相分离，并对钻井液循环使用。通过上述技术方案，本专利技术为了克服无固相钻井液钻井时钻井液和煤粉侵入和微泡钻井液侵入造成对煤层伤害的缺点、为了克服加气钻井导致煤层井眼垮塌的缺点、为了克服实现欠平衡钻井而采用通过近端对接单垂直井注气而费用增加之弊端，本专利技术提供了一种混有压缩空气的钻井液沿钻杆下行到其上安装有一组脱气阀的位置，通过控制钻井液和压缩空气的供给压力，打开井下脱气阀，使钻井液中混入的压缩空气通过脱气阀被分离出来，并进入钻杆和套管组成的环空通道。脱气后的钻井液继续下行通过钻头排出进入环空通道，并携带钻头破碎煤层产生的煤粉和煤屑上行至脱气阀处与其分离出的压缩空气泡混合并继续上行到井口导流器，井口使环空通道返出的气液固三相混合流进入到三相分离器分离出煤粉和空气，液相钻井液再次进入钻井液循环系统。压缩空气从脱气阀分离出进入环空通道并迅速膨胀形成气泡，这些气泡随钻井液上行并持续膨胀，持续膨胀的空气泡会替换或排出同等体积的钻井液，由于压缩空气泡的密度远远小于钻井液的密度，这使得环空通道内流体的密度变小，使得环空通道液柱作用在煤层上的压力降低。一定比例的压缩空气能使环空通道的流体柱作用在煤层上的压力小于或近似等于煤储层的空隙压力，这样作用在煤层上的压力小于或近似等于煤层的空隙压力，即欠平衡或近平衡钻井状态。在这种状态下钻进煤层井眼，钻井液和钻进时产生的煤粉就不会或很少地侵入煤层微裂缝，也就不会或很少地造成对煤层的伤害，使煤层气井的产量更高。同时，由于压缩空气在远离钻头的位置被脱气阀从钻井液分离出来，没有或很少有压缩空气下行并从钻头流出，不会或很少地对钻头附近的井眼进行扰动，降低钻进时煤层井眼垮塌的风险。另外，若煤层足够稳定，也可通过泵压控制，关闭部分脱气阀，使钻头附近有部分压缩空气流出，迅速膨胀的气泡形成一种持续的冲击波可起到清洗煤层井眼的作用。加入一定比例的压缩空气，可以实现煤层井眼稳定状态下欠平衡钻进煤层，减少钻井液和钻进时所产生的煤粉侵入煤层造成煤层中微小裂缝堵塞和对煤层的伤害，提高水平井的产气量，降低欠平衡钻井成本。优选的，在上述一种煤层气水平井欠平衡钻井系统中，所述水气混合供给单元包括钻井液管路和压缩空气管路；所述钻井液管路包括泥浆池，以及与所述泥浆池串联的泥浆泵；所述压缩空气管路包括空压机，以及与所述空压机依次串联的第一阀门和单向阀；所述钻井液管路和压缩空气管路并联后串联有第二阀门，并与所述钻杆顶端连通。两条管路能够满足钻井液和压缩空气的混合供给需求。优选的，在上述一种煤层气水平井欠平衡钻井系统中，所述三相分离器的入口通过第三阀门与所述井口的侧壁连接，液体分离出口与所述泥浆池连接；所述井口侧壁还具有一条循环洗井管路，所述循环洗井管路安装有第四阀门，并与钻井液管路和压缩空气管路并联后的管路连接。能够实现循环洗井作用。优选的，在上述一种煤层气水平井欠平衡钻井系统中，所述导流器包括壳体和环形胶筒；所述壳体为具有双层侧壁的环形架体；且用于安装在所述井口顶部，并使所述钻杆从其中央的通孔穿过；所述壳体的内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，其特征在于，用于对水平井眼(1)内的煤层进行钻进开采煤层气；包括：套管(2)、钻杆(3)、导流器(4)、顶驱(5)、脱气阀(6)、水气混合供给单元(7)和三相分离器(8)；/n所述套管(2)安装在地面的井口(9)和所述水平井眼(1)的煤层着陆点之间的井眼内；/n所述钻杆(3)下放至所述套管(2)内部，且其底端的钻头(31)用于对煤层进行钻进；所述钻杆(3)和套管(2)之间形成环空通道(32)；/n所述导流器(4)安装在所述井口(9)的顶部，且用于夹紧或释放所述钻杆(3)，并在所述钻头(31)工作时封堵所述环空通道(32)的顶部；/n所述顶驱(5)安装在所述导流器(4)的上方，且用于实现对所述钻杆(3)的下放或提出并提供钻头旋转动力；/n所述脱气阀的(6)数量为多个，且等间距安装在所述钻杆(3)靠近所述钻头(31)的一端，并与所述钻头(31)存在间距；多个所述脱气阀(6)的脱气压力由所述钻头(31)一端至另一端依次降低；/n所述水气混合供给单元(7)安装在地面上，且用于向所述钻杆(3)内注入混有压缩空气的钻井液；/n所述三相分离器(8)安装在地面上，且与所述井口(9)的侧壁连接，并与所述井口(9)的内腔连通，用于对所述环空通道(32)内上行的带有煤粉和空气的钻井液进行三相分离，并对钻井液循环使用。/n...

【技术特征摘要】
1.一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，其特征在于，用于对水平井眼(1)内的煤层进行钻进开采煤层气；包括：套管(2)、钻杆(3)、导流器(4)、顶驱(5)、脱气阀(6)、水气混合供给单元(7)和三相分离器(8)；
所述套管(2)安装在地面的井口(9)和所述水平井眼(1)的煤层着陆点之间的井眼内；
所述钻杆(3)下放至所述套管(2)内部，且其底端的钻头(31)用于对煤层进行钻进；所述钻杆(3)和套管(2)之间形成环空通道(32)；
所述导流器(4)安装在所述井口(9)的顶部，且用于夹紧或释放所述钻杆(3)，并在所述钻头(31)工作时封堵所述环空通道(32)的顶部；
所述顶驱(5)安装在所述导流器(4)的上方，且用于实现对所述钻杆(3)的下放或提出并提供钻头旋转动力；
所述脱气阀的(6)数量为多个，且等间距安装在所述钻杆(3)靠近所述钻头(31)的一端，并与所述钻头(31)存在间距；多个所述脱气阀(6)的脱气压力由所述钻头(31)一端至另一端依次降低；
所述水气混合供给单元(7)安装在地面上，且用于向所述钻杆(3)内注入混有压缩空气的钻井液；
所述三相分离器(8)安装在地面上，且与所述井口(9)的侧壁连接，并与所述井口(9)的内腔连通，用于对所述环空通道(32)内上行的带有煤粉和空气的钻井液进行三相分离，并对钻井液循环使用。


2.根据权利要求1所述的一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，其特征在于，所述水气混合供给单元(7)包括钻井液管路(71)和压缩空气管路(72)；所述钻井液管路(71)包括泥浆池(711)，以及与所述泥浆池(711)串联的泥浆泵(712)；所述压缩空气管路(72)包括空压机(721)，以及与所述空压机(721)依次串联的第一阀门(722)和单向阀(723)；所述钻井液管路(71)和压缩空气管路(72)并联后串联有第二阀门(73)，并与所述钻杆(3)顶端连通。


3.根据权利要求2所述的一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，其特征在于，所述三相分离器(8)的入口通过第三阀门(81)与所述井口(9)的侧壁连接，液体分离出口与所述泥浆池(711)连接；所述井口(9)侧壁还具有一条循环洗井管路(91)，所述循环洗井管路(91)安装有第四阀门(92)，并与所述钻井液管路(71)和压缩空气管路(72)并联后的管路连接。


4.根据权利要求1所述的一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，其特征在于，所述导流器(4)包括壳体(41)和环形胶筒(42)；所述壳体(41)为具有双层侧壁的环形架体；且用于安装在所述井口(9)顶部，并使所述钻杆(3)从其中央的通孔穿过；所述壳体(41)的内侧壁具有周向的环形槽口(413)，所述环形槽口(413)与所述壳体(41)的双层侧壁形成的液体腔(414)连通；所述壳体(41)的外侧壁具有进水口(4124)和出水口(4125)；所述环形胶筒(42)与所述环形槽口(413)密封固定，且与所述液体腔(414)连通；所述环形胶筒(42)从所述壳体(41)的内侧壁向所述钻杆(3)的安装轴心凸出。


5.根据权利要求4所述的一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，其特征在于，所述壳体(41)包括第一上壳体(411)和第一下壳体(412)；所述第一上壳体(41)包括上法兰盘(4111)，以及在所述上法兰盘(4111)内圈向下垂直凸起的环形上内侧壁(4112)；所述第一下壳体(412)包括下法兰盘(4121)，以及在所述下法兰盘(4121)内圈垂直向上凸起的环形下内侧壁(4122)，和在所述下法兰盘(4121)内圈和外圈之间凸起的环形外侧壁(4123)；所述环形外侧壁(4123)的顶端与所述上法兰盘(4111)通过丝扣连接，且使所述环形上内侧壁(4112)和环形下内侧壁(4122)对应形成所述环形槽口(413)；所述进水口(4124)和出水口(4125)开设在所述环形外侧壁(4123)上；所述进水口(4124)安装有进...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建生，
申请(专利权)人：北京方圆天地油气技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11