用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法

2023-05-12 01:06:11 2

專利名稱：用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法
技術領域：
本發明涉及一種用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法，S卩，先打出一口直井，再與直 井相隔常規距離例如相隔100-350米的位置鑽出一口水平井。
背景技術：
在煤層氣充氣欠平衡鑽井工程中，通常在準備開採煤層氣的位置處鑽出一口直 井，然後在與直井相隔常規距離例如100-350米左右的位置處鑽一口多分支水平井。在開 始鑽水平井時，先從地面沿豎直方向向下打井，到達一定深度後造斜從而逐漸過渡成沿水 平方向朝向直井的位置延伸，當水平井與直井連通之後，繼續向目標煤層鑽進並形成多分 支水平井，這也就是水平井傳統的一開、二開和三開的鑽井工藝。在多分支水平井鑽井過程 中，直井井筒作為地面注入氣體的通道使用。在多分支水平井鑽井結束後，直井作為排水和 採氣的井筒，多分支水平井的豎直通道則封固起來。在鑽水平井過程中，需要使用單根鑽杆或鑽井立柱，將單根鑽杆或鑽井立柱一根 接一根或一段接一段地鑽入目標煤層中而形成水平井。在現有技術中，單根鑽杆是單獨一 根的鑽杆並且為中空的管狀柱體，鑽井立柱由二根或三根的單根鑽杆構成，在鑽井過程中 需要將鑽井液注入單根鑽杆或鑽井立柱的空腔中，並使得鑽井液流過單根鑽杆或鑽井立柱 的空腔到達水平井當時的盡頭，然後從鑽井立柱與水平通道之間的環空中返回，由此實現 鑽井液在鑽井立柱中的循環流動。該循環流動的目的在於衝洗鑽井過程中形成的沙石、巖屑等雜質，並將這些雜質 夾帶在液相中返回到地面，然後從井口的過濾器一般為震動篩處流出過濾，以備循環使用。 在現有技術中，通常使用的鑽井液為水，並通過水平井井口的水泵泵送進入單根鑽杆或鑽 井立柱。因此，當摻雜有雜質時，在水平井中流動的液體一般為夾帶有雜質的水。一般來講，煤層為欠壓地層，也就是說，煤層的地層壓力小於其深度處的靜液柱壓 力。由於壓差的作用，鑽井時鑽井液中的雜質、煤粉等微細顆粒會進入煤層中的紋理孔道 中，造成煤層滲透率降低，從而導致煤層氣的產氣量不高。通過在鑽井液中注入氣體，使得氣體與液體混合，由此相當於降低了作用在煤層 上的液體的密度，根據P= P agh的計算，對煤層的液柱壓力也會降低，這樣能夠克服上述 煤粉和鑽井液汙染煤層的情況。2006年2月出版的《石油鑽採工藝》第28卷第1期中的論文《嵐Ml_l煤層氣多 分支水平井充氣鑽井技術》中就記載了上述充氣鑽井技術「鑽進時，先鑽一 口直井，並在煤 層段造洞穴，在距200米處鑽一口水平井，水平段連通洞穴，再在水平段上鑽出10個分支井 眼。在鑽進中，採用欠平衡鑽井技術，直井眼充氣，鑽井液與氣體在洞穴處混合，形成負壓鑽 井。」其中，「充氣鑽井是將一定量氣體包括空氣、氮氣...等連續不斷注入鑽井液內，使其 呈均勻氣泡分散於鑽井液中，形成充氣鑽井液。」對於上述充氣鑽井技術，在實際鑽井過程中遇到下述需要克服的缺陷。當將一根 單根鑽杆或鑽井立柱鑽入水平井之後，需要一段時間為鑽入下一根單根鑽杆或鑽井立柱做準備工作。在這期間，需要將水平井井口處的泵停掉，否則無法完成鑽入下一根單根鑽杆或 鑽井立柱的準備工作。在停泵期間，水平井的水平通道中沒有鑽井液流動，這樣會導致巖屑 無法被鑽井液衝走而下沉填埋鑽具，影響下一步的鑽井工作。如果在再次開泵之前的時間 段內沉下來的巖屑過多，這些沉下來的巖屑就會堆積，導致再次開泵循環時不能將這些沉 下的巖屑衝開，造成鑽具埋死和卡鑽。

發明內容
為此，本發明要解決的技術問題是提供一種用於煤層氣開採的充氣欠平衡鑽井方 法，採用該方法能夠在水平井泵停泵時，防止巖屑、砂石等下沉填埋鑽具。為了解決上述技術問題，本發明提供一種用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法，包 括下述步驟(1)鑽出一口直井；(2)在與直井相隔常規距離的位置處鑽出一 口水平井，所 述水平井先豎直向下鑽出水平井的豎直通道，然後造斜以逐漸轉成朝向直井延伸的水平通 道；(3)在向水平井的水平通道鑽入單根鑽杆或鑽井立柱的同時，從水平井將鑽井液注入 所述單根鑽杆或鑽井立柱的空腔內，從而衝走鑽井過程中形成的巖屑、砂石等並進行循環 流動，直至該水平井的水平通道與直井井筒的下端相連通；(4)在形成與所述直井井筒的 下端相連通的水平通道之後鑽入單根鑽杆或鑽井立柱時，向所述直井井筒注氣，並使其與 從水平井注入的鑽井液混合而得到第一氣液兩相流；(5)此後，在進行鑽入下一根單根鑽 杆或鑽井立柱的準備工作期間，停止從水平井注入鑽井液，並在保持向直井井筒中注氣的 同時向直井井筒中注入鑽井液，從而形成第二氣液兩相流，使所述第二氣液兩相流流入水 平井的水平通道並在其中保持流動；(6)在完成鑽入下一根單根鑽杆或鑽井立柱的準備工 作後，在保持向直井井筒中注氣的同時，停止向直井井筒中注入鑽井液，在鑽入所述下一根 單根鑽杆或鑽井立柱的過程中，從水平井注入鑽井液從而與從直井井筒注入的所述注氣形 成第一氣液兩相流；(7)完成上一步驟中的單根鑽杆或鑽井立柱的鑽入操作之後，重複上 述步驟(5)-(6)，直至完成煤層氣多分支水平井的鑽井過程。採用這種改進的充氣欠平衡鑽井方法，能夠在水平井泵停泵的同時仍然使得水平 井水平通道中流動著氣液兩相流，該氣液兩相流將夾帶著巖屑等雜質循環返回到地面，從 而不會使得巖屑等雜質沉積填埋鑽具而導致鑽具埋死和卡鑽。此外，本發明進一步解決的另一技術問題是能夠實現氣液充分混合，從而形成穩 定的氣液兩相流。作為本發明的進一步改進，將注氣管插入直井井筒，使得所述注氣管的下端到達 直井井筒的下部，從而通過所述注氣管向所述直井井筒下部注氣，在注氣管外壁與直井井 筒壁之間形成注液環空。採用注氣管注氣的方式，由於注氣管的橫截面積小於直井套管的 橫截面積，所以注氣的壓力能夠比較快速地累積從而穩定地與鑽井液混合，這樣能夠形成 氣液充分混合的氣液兩相流，而不會出現兩相流中氣體時多時少甚至造成一段液體一段氣 體的不穩定情況。對於這種改進，還可以將所述注氣管插入到使其下端與由直井井筒的洞 穴的頂端之間的距離為10-20米，採用在這一距離注氣，注入的氣體能夠更充分地與鑽井 液相互混合，從而形成更穩定的氣液兩相流。同時，這一距離能夠防止注氣管被煤屑等雜質 填埋。對於本發明的通過將注氣管插入直井井筒中進行注氣的改進方案，可以在所述注
4氣管的最下端連接有氣液混合裝置，促進來自於所述注液環空的鑽井液與來自於所述注氣 管的注氣在向下流動的過程中混合形成第二氣液兩相流，並使所述第二氣液兩相流單向地 向下流向水平井。通過採用氣液混合裝置，可以將注液環空中的鑽井液導向注氣的方向，並 伴隨著與注氣相混合的過程朝向水平井流動，這樣有利於使注氣和鑽井液實現更充分的混 合，從而形成更穩定的第二氣液兩相流。對於上述改進方案，所述氣液混合裝置可以包括由氣體單向閥、液體單向閥和氣 液兩相流單向閥構成的防回流裝置，以及位於所述防回流裝置下方的封隔器。該封隔器封 堵住所述注液環空的下端，從而使位於所述注液環空中的鑽井液和來自於所述注氣管的注 氣只能單向流入所述防回流裝置以進行初步的混合，而在所述防回流裝置中初步混合的注 氣和鑽井液只能單向地流過所述封隔器而流向水平井，並在流向水平井以及流入水平井的 過程中形成穩定的第二氣液兩相流。通過設置包括上述多個單向閥的氣液混合裝置，注液 環空中的鑽井液、注氣管中的注氣以及鑽井液和注氣最終混合所形成的氣液兩相流沿著單 一的方向行進，不會由於注氣或鑽井液或氣液兩相流的洩漏或回流而降低所形成的氣液兩 相流的量。對於上述改進方案，還可以在將直井井筒的內壁刮洗乾淨之後，將所述封隔器連 接到所述防回流裝置的下端並坐封到所述直井井筒的內壁上。採用這種方式固定封隔器 能夠使得封隔器嚴密地密封注液環空，防止注液環空中的鑽井液從直井井筒的下端洩漏出來。對於本發明的上述各種充氣欠平衡鑽井方法，可以採用水作為鑽井液，採用空氣 作為注氣，從而降低使用本發明的的方法的成本。


下面將參照附圖對本發明用於煤層氣的改善充氣欠平衡鑽井方法的具體實施方 式進行詳細說明。圖1是用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井常規方法的示意圖。圖2是現有技術中用於煤層氣的多分支水平井充氣鑽井技術的示意3是本發明的第一種實施方式用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法的示意圖。圖4是本發明的第二種實施方式用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法的示意圖。圖5是針對圖4所示的本發明的第二種實施方式作出進一步改進的用於煤層氣的 充氣欠平衡鑽井方法的示意圖。圖6是反映圖5所示充氣欠平衡鑽井方法中直井井筒下部優選結構的示意圖。圖7示出圖6中防回流裝置的一種優選結構。
具體實施例方式為了更好地理解本發明，先結合圖1和圖2對現有技術中用於煤層氣的充氣欠平 衡鑽井方法作簡要的介紹。如圖1所示，現有技術用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井工程中，先在準備開採煤層 氣的位置處從地面開始鑽一口直井2，並在直井2下方的煤層段中造洞穴3。在形成直井2 的過程中，一般將177. 8毫米(一般也稱為7英寸)套管放入直井2中以形成直井井筒的壁部，並且能夠構成良好的流體通道並且防止直井崩塌。在距離直井2 —段常規距離處例 如相隔100-350米左右的位置處鑽有一口水平井1。水平井1在經過傳統的一開、二開、三 開的鑽井工藝之後，形成水平井的豎直通道11以及與直井2的洞穴3相連通的水平通道12 兩個部分。其中，該水平通道12又分為三個部分位於水平井豎直通道11和直井2之間的 水平通道前段121、經過洞穴3而繼續延伸的水平通道後段122以及多個(圖1中示出為 10個)與該水平通道後段122相通的分支水平通道123。單根鑽杆或鑽井立柱4從水平井井口處鑽入水平井的豎直通道11中，並由此推動 水平井的水平通道前段121中的鑽頭沿水平方向向前移動。單根鑽杆或鑽井立柱4的外壁 與目標煤層5之間形成有環空6。單根鑽杆或鑽井立柱4中形成有空腔，在向水平井的水 平通道前段121鑽入單根鑽杆或鑽井立柱4的同時，需要打開水平井泵13，從水平井將鑽 井液例如水注入單根鑽杆或鑽井立柱4的空腔中。該鑽井液將沿著單根鑽杆或鑽井立柱4 的空腔流向當時的水平井的水平通道前段121的盡頭，在那裡，鑽井液折回再從單根鑽杆 或鑽井立柱4與目標煤層5之間的環空6中向回流動，從而衝走鑽井過程中形成的巖屑、砂 石等雜質，之後，夾帶有巖屑、砂石等雜質的鑽井液從出口排出並進入循環過程。對該水平 通道121鑽進，直至該水平井1的水平通道前段121與直井2井筒的下端相連通。在水平 井1的水平通道前段121與直井2井筒的下端相連通之後，繼續鑽入單根鑽杆或鑽井立柱 4以鑽出水平通道後段122以及與水平通道後段122相連通的分支水平通道123。為了降低鑽井液的密度以降低對煤層的液柱壓力，現有技術中採用了如圖2所示 的用於煤層氣開採的多分支水平井充氣欠平衡鑽井技術，即通過注氣泵21向直井2的井筒 中注氣。一般來說，所注入的氣體採用空氣。注氣在直井2的井筒的下端與從水平井注入 的並且正在環空6中流動的夾帶有雜質的鑽井液混合，由此形成第一氣液兩相流。這種氣 液兩相流夾帶雜質後，其密度要小於先前流動於水平井的水平通道前段121中的夾帶有雜 質的鑽井液的密度。上述現有技術中，在鑽入一根單根鑽杆或鑽井立柱4之後，需要接入下一根單根 鑽杆或鑽井立柱4才能繼續鑽進水平井1的水平通道後段122和分支水平通道123。在接 入下一根單根鑽杆或鑽井立柱4的過程中，需要一段準備工作。在這段準備工作的時間內， 必須將水平井上方的泵13停掉，否則在接入下一根單根鑽杆或鑽井立柱4的過程中，泵13 中的水無法被注入單根鑽杆或鑽井立柱4中，反而導致泵13中的水灑落滿地。而一旦停泵， 水平井1的水平通道後段122或者分支水平通道123中沒有氣液兩相流流動，因此無法帶 動巖屑等雜質，導致巖屑等雜質下沉。如果停泵期間，沉積巖屑過多而填埋鑽具，再次開泵 循環時就不能將這些沉下的巖屑衝開，這會造成卡鑽。為此，本發明針對現有技術所存在的技術問題作出了改進。採用本發明的用於煤 層氣的充氣欠平衡鑽井方法即能夠解決這一技術問題。圖3是本發明的第一種實施方式用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法的示意圖。在 圖3中，水平井1的豎直通道11與圖2 —樣示意性地形成在直井2的左側。水平井1設置 有用於向單根鑽杆或鑽井立柱4中注入鑽井液的水平井泵13和將氣液兩相流排出水平井 的氣液兩相流出口 14。在本發明的該種實施方式中，使用清水作為鑽井液，從水平井泵13 注入單根鑽杆或鑽井立柱4。直井2井口處設置有用於向直井2的井筒注氣的注氣泵21。 與圖2不同的是，直井2在井口處還設置有向直井2的井筒中注水的直井泵22。
圖3中的充氣欠平衡鑽井方法相對於現有技術的改進體現在由於該實施方式中 的直井2也設置有直井泵22，因而除了可從直井2的注氣泵21向直井2注氣外，還可以從 直井泵22注入鑽井液。這樣一來，當鑽入一根單根鑽杆或鑽井立柱4後為鑽入下一根單根 鑽杆或鑽井立柱4的準備工作期間，就可以將位於水平井口的泵13停掉，而啟動直井泵22， 通過從直井2井筒注入鑽井液，該鑽井液與流過直井2的井筒的氣體混合，形成與前述流動 在水平井1的水平通道12中的第一氣液兩相流相區別的第二氣液兩相流。對於這種實施 方式，優選鑽井液為水，氣體為空氣，以降低鑽井成本。正由於本發明的第一種實施方式中可以從直井2的井筒注入鑽井液，因此本發明 用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法可以按照下述步驟完成。首先類似於前面圖1和2所示現有技術那樣先在準備開採煤層氣的位置處鑽出一 口直井，並在目標煤層5造洞穴。此後，在與直井相隔100-350米左右的常規距離處鑽進水 平井。對於鑽進水平井來說，先豎直向下鑽出水平井的豎直通道，然後造斜以逐漸過渡成朝 向直井位置的水平方向鑽進水平通道前段121。在鑽進水平通道前段121的階段，在向水平 井的水平通道鑽入單根鑽杆或鑽井立柱4的同時，打開水平井口處的水平井泵13，從水平 井口將鑽井液注入所述單根鑽杆或鑽井立柱4的空腔內，該鑽井液從單根鑽杆或鑽井立柱 4的空腔流出，從而衝走鑽井過程中形成的巖屑、砂石等雜質使其折回到單根鑽杆或鑽井立 柱4的外壁與目標煤層4之間的環空6，並從鑽井液的排出口 14排走到外部以進行循環流 動。對該水平通道前段121鑽進，直至該水平井的水平通道前段121與直井井筒的下端的 洞穴3相連通。隨後，向目標煤層5繼續鑽進水平通道後段122和分支水平通道123，此時， 在鑽入單根鑽杆或鑽井立柱4時，從水平井口注入鑽井液的同時，通過注氣泵21向直井2 的井筒注氣，從而得到第一氣液兩相流，以將鑽井過程中形成的巖屑、砂石等夾帶走。在完成鑽入上述單根鑽杆或鑽井立柱4之後，為鑽入下一根單根鑽杆或鑽井立柱 進行準備工作時，本發明的第一種實施方式就採用與現有技術不同的步驟，停止從水平井 注入鑽井液，並在保持向直井2的井筒中注氣的同時啟動直井泵22，向直井2的井筒中注入 鑽井液，從而在直井2的井筒中形成鑽井液和注氣相混合的第二氣液兩相流，使該第二氣 液兩相流流入水平井1的水平通道前段121和水平通道後段122並在其中保持流動，由此 代替停泵前由水平井泵13泵送的鑽井液所形成的第一氣液兩相流來夾帶巖屑、砂石等，以 一定流速沿著水平通道12向氣液兩相流的出口 14流動，流出該出口 14並在雙井筒的外部 完成氣液兩相流的過濾循環過程。在直井2的井筒中形成上述第二氣液兩相流並在水平井 1的水平通道12中流動的過程中，操作人員將下一根單根鑽杆或鑽井立柱4接入以完成鑽 入單根鑽杆或鑽井立柱4的準備工作。這一準備工作大概持續5-10分鐘。在完成鑽入下一根單根鑽杆或鑽井立柱4的準備工作後，就需要繼續完成將單根 鑽杆或鑽井立柱4鑽入水平井1的鑽進操作。此時，操作人員在保持向直井2的井筒中注 氣的同時，關閉直井泵22從而停止向直井2的井筒中注入鑽井液，並在鑽入該下一根單根 鑽杆或鑽井立柱4的過程中，重新打開水平井1的水平井泵13，從水平井1注入鑽井液，從 而與直井2井筒中的注氣再次形成第一氣液兩相流。在這期間，通過將單根鑽杆或鑽井立 柱4鑽入水平井1的豎直通道11中，使得水平井1的水平通道後段122或者分支水平通道 123中的鑽頭繼續向前移動。在鑽頭鑽進過程中所形成的巖屑、砂石等可由上述形成的第一 氣液兩相流帶走。
在完成將這下一根單根鑽杆或鑽井立柱4鑽入水平井1的操作之後，又需要準備 接入再下一根單根鑽杆或鑽井立柱4，那麼就重複上述過程在進行鑽入再下一根單根鑽 杆或鑽井立柱4的準備工作期間，停止從水平井1注入鑽井液，並在保持向直井2的井筒中 注氣的同時啟動直井泵22，向直井2的井筒中注入鑽井液，從而形成第二氣液兩相流，使該 第二氣液兩相流流入水平井1的水平通道12並在其中保持流動；在完成鑽入再下一根單根 鑽杆或鑽井立柱4的準備工作後，在保持向直井2的井筒中注氣的同時，停止直井泵22，從 而停止向直井2的井筒中注入鑽井液，在鑽入該再下一根單根鑽杆或鑽井立柱4的過程中， 啟動水平井泵13，從水平井1注入鑽井液，又形成第一氣液兩相流，如此反覆循環直到完成 水平井的水平通道後段122或者分支水平通道123。因此，採用這種充氣欠平衡鑽井方法能 夠在利用連續充氣欠平衡的同時防止水平井停泵時巖屑、砂石等下沉填埋鑽具。下面將參照圖4說明本發明的第二種具體實施方式
。圖4是本發明的第二種實施 方式用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法的示意圖。雖然已經在上述實施方式中說明採用直接從直井2的井筒注氣的技術方案，但是 仍然會存在從直井2的井筒注入的注氣無法與水平井1的水平通道12中的鑽井液充分混 合以形成穩定的第一氣液兩相流的問題。這是因為注氣需要在足夠的壓力下才能與鑽井 液混合，在直井2井筒的橫截面積相對較大的情況下，注氣壓力升高得相對較慢，只有通過 不斷地注氣而使得直井2的井筒底端的壓力累積到一定程度的情況下，注氣才能與鑽井液 充分混合。而累積壓力需要一段時間，這就造成通過直井2的井筒注入的空氣需要在與鑽 井液接觸的位置處累積一段時間到達一定的壓力大小後，才能被壓入鑽井液而與鑽井液混 合以形成第一氣液兩相流。該第一氣液兩相流在初步混合時無法實現均勻混合，液體柱和 氣體柱分段存在，從氣液兩相流出口 14流出後會造成注氣的壓力大幅度降低，使得注氣又 需要在經過一段時間且壓力累積到一定程度後才能再次混合入鑽井液，這就導致井底壓力 波動頻繁並且無法與水平井1中返回流動的鑽井液均勻混合，例如一段鑽井液中混入的注 氣較多而另一段鑽井液中混入的注氣較少，甚至更嚴重的情況下，導致水平通道內一段為 氣體，一段又為液體。此外，不僅僅無法得到穩定的第一氣液兩相流，對於從直井2井筒直接注入鑽井 液並在直井2的井筒中實現鑽井液與注氣混合而得到第二氣液兩相流的情況來說，也會由 於鑽井液在直井2的井筒中下落過程中注氣不具有所需的壓力，因此鑽井液無法與注氣形 成充分地混合而不能得到穩定的第二氣液兩相流。這種注氣壓力不穩定的情況會對目標煤層造成比較嚴重的影響。因為從煤層的地 質特性來說，煤的機械強度較低，難以支撐煤層的上覆地層的壓力，易於垮塌、破碎；鑽開後 的煤層，應力釋放時間越長，煤層垮塌越嚴重。處於這種地質特性下，如果氣液兩相流出現 壓力波動，那麼也會對煤層施加波動的壓力。由於鑽入的煤層本身強度就較低且易於垮塌 和破碎，所以在面對壓力波動的情況時，更會出現垮塌和破碎，造成鑽井事故。圖4所示本發明的第二種實施方式能夠解決氣液混合不均勻的問題。在圖4中， 除了在直井2的井筒中插入一根注氣管23以外，雙井筒的主要結構與圖3中的第一種實施 方式相同。該注氣管23的下端到達直井2的井筒的下部，從而通過注氣管23向直井2的 井筒下部注氣，在注氣管23外壁與直井2的井筒壁之間形成注液環空26。作為優選，注氣 管23的下端與直井2的井筒的洞穴3的頂端之間的距離為10-20米。因而本發明第二種實施方式充氣欠平衡鑽井方法中，向直井2的井筒的注氣是通過該注氣管23從直井2的井 筒的下部注氣。該注氣管23例如可以通過將現有技術中常用的油管一根接一根地連接起 來構成。如上所述，在直井井筒的177. 8毫米套管中使用注氣管23的目的是為了在短時間 內使直井2的井筒注入的壓力達到注氣和鑽井液能夠混合的壓力狀態。由於採用例如油管 的注氣管23的橫截面積比177. 8毫米套管的橫截面積小很多，因此在同樣的注氣流量下， 採用注氣管注入的氣體速度就要大得多，較大程度地提高了注氣壓力，從而使注氣能夠在 短時間內就與鑽井液相混合，改善了氣液兩相流的均勻性。在使用注氣管23從直井2的井筒下部注氣的這種實施方式中，在向水平井1中鑽 入單根鑽杆或鑽井立柱4並且相配合地從水平井泵13向單根鑽杆或鑽井立柱4中注入鑽 井液的同時，從注氣管23注入的注氣能夠以較快的速度累積壓力以將注氣注入到由水平 井注入到單根鑽杆或鑽井立柱4處的鑽井液中，從而形成穩定的第一氣液兩相流。在停止 向水平井1中鑽入單根鑽杆或鑽井立柱4並且從直井泵22向直井2的注液環空26注入鑽 井液的同時，從注氣管23流入的注氣也能夠在直井2的井筒的下方與從直井2的注液環空 26注入的鑽井液相互混合形成穩定的第二氣液兩相流，流入水平井1的水平通道12中。因 此，不管是水平井泵13開啟時還是水平井泵13停止時，都能在水平井的水平通道中形成穩 定的氣液兩相流。具體地說，在水平井泵13開啟時，形成穩定的第一氣液兩相流，在水平井 泵13停止時，能夠從直井泵22注入鑽井液而形成穩定的第二氣液兩相流來代替第一氣液 兩相流。圖5是針對圖4所示的本發明的第二種實施方式作出進一步改進的用於煤層氣的 充氣欠平衡鑽井方法的示意圖。在這一改進中，除了在該注氣管23的下端額外地設置一個 氣液混合裝置27以外，雙井筒的主要結構與圖5中的實施方式相同。通過在該注氣管23的下端額外地設置一個氣液混合裝置27，直井2的注液環空 26中的鑽井液與來自於注氣管23中的注氣流入到該氣液混合裝置27中，由此使注氣和鑽 井液沿一致的流動方向向下流向水平井，促進第二氣液兩相流的混合。作為一種優選方案，該氣液混合裝置27包括防回流裝置24和封隔器25。下面結 合圖6對這種優選結構作進一步說明。圖6為反映圖5所示充氣欠平衡鑽井方法中直井井 筒下部的優選結構，示出了在注氣管23的下端處，構成該氣液混合裝置27的防回流裝置24 和封隔器25之間的相對位置以及該氣液混合裝置與其他部件的連接關係，該防回流裝置 24與由油管連接而成的注氣管23的下端相連接，封隔器25連接於防回流裝置24的下方。 上述兩個連接結構可以採用各種常規的連接方式，最常見的為螺紋連接方式。在圖6中，該 防回流裝置24連接在該注氣管23的最下面一根油管的下面，但不排除還可以將一根或多 根短油管連接到該封隔器25的下端，以使第二氣液兩相流經該短油管流向水平井，作出這 種變化仍然屬於本發明上述改進的一種等同實施方式。該封隔器25可以採用現有技術中已知的封隔器。需要指出的是，當將封隔器25 與防回流裝置24連接時，需要使封隔器25坐封住直井2的井筒的內壁，因此優選地需要先 刮洗乾淨直井2的井筒的內壁，然後將封隔器25嚴密地坐封到直井2的井筒的內壁，使該 封隔器25將直井2的注液環空26嚴密地封堵，從而使位於注液環空26中的鑽井液只能單 向流入防回流裝置24，並在防回流裝置24中初步與來自於注氣管23的注氣混合，並促使注
9氣和鑽井液單向地經該封隔器25的內部空腔流出而流向水平井，並隨著向下流動而形成 穩定的第二氣液兩相流。在這一改進中，當水平井泵13停止工作而需要從直井2的直井泵22注入鑽井液 時，鑽井液最終流入到與注氣管23的最下面一根油管連接的防回流裝置24中，並在該防回 流裝置24的較小空間中與所注入的空氣混合，所注入的空氣到達這一較小空間時也能夠 累積足夠的壓力與鑽井液混合，所以在這一改進中形成的第二氣液兩相流相比較於上述第 一和第二實施方式來說能夠實現更穩定的混合。圖7示出圖6中的防回流裝置的一種優選結構。如圖7所示，該防回流裝置24包 括氣體單向閥241、液體單向閥242和氣液兩相流單向閥243。上述三個單向閥沿豎直方向從上向下依次地設置。注氣沿著從上向下的豎直方向 通過氣體單向閥241進入該防回流裝置24的內部空腔244。來自於注液環空26的鑽井液 通過液體單向閥242進入該防回流裝置24的內部空腔244。同時，在液體單向閥242的作 用下，注入到內部空腔244的注氣也不能流動到注氣環空26中，因此，液體單向閥242使得 鑽井液和注氣二者都無法離開內部空腔244。由此，在內部空腔244中，鑽井液和注氣相互 初步混合，並使正在相互混合的注氣和鑽井液只能沿著從上向下的單一方向通過氣液兩相 流單向閥243向下流出至洞穴3，以隨著向下流動而相互混合形成穩定的第二氣液兩相流。 通過設置由上述三個單向閥構成的防回流裝置24，能夠更好地防止鑽井液、注氣或者第二 氣液兩相流沿著從下向上的方向回流。該防回流裝置24中的氣體單向閥241、液體單向閥242和氣液兩相流單向閥243 可以採用現有技術中已知的單向閥。儘管已經參照本發明的實施方式對其進行了描述，但是本領域的技術人員可以理 解，在不背離本發明範圍的情況下，可以對本發明做出各種改變。另外，可以對本發明的教 導做出很多變形來適應特定的條件或材料，而不背離本發明的實質範圍。因此，本發明並不 限於作為實施本發明的最佳模式而被公開的具體實施方式
，本發明應該包括落入所附權利 要求範圍中的所有實施方式。
權利要求
一種用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法，包括下述步驟(1)鑽出一口直井；(2)在與直井相隔常規距離的位置處鑽出一口水平井，所述水平井先豎直向下鑽出水平井的豎直通道，然後造斜以逐漸轉成朝向直井延伸的水平通道；(3)在向水平井的水平通道鑽入單根鑽杆或鑽井立柱的同時，從水平井將鑽井液注入所述單根鑽杆或鑽井立柱的空腔內，從而衝走鑽井過程中形成的巖屑、砂石並進行循環流動，直至該水平井的水平通道與直井井筒的下端的洞穴相連通；(4)在形成與所述直井井筒的下端相連通的水平通道之後繼續鑽入單根鑽杆或鑽井立柱時，向所述直井井筒注氣，並使其與從水平井注入的鑽井液混合而得到第一氣液兩相流；(5)此後，在進行鑽入下一根單根鑽杆或鑽井立柱的準備工作期間，停止從水平井注入鑽井液，並在保持向直井井筒中注氣的同時向直井井筒中注入鑽井液，從而形成第二氣液兩相流，使所述第二氣液兩相流流入水平井的水平通道並在其中保持流動；(6)在完成鑽入下一根單根鑽杆或鑽井立柱的準備工作後，在保持向直井井筒中注氣的同時，停止向直井井筒中注入鑽井液，在鑽入所述下一根單根鑽杆或鑽井立柱的過程中，從水平井注入鑽井液從而與所述來自直井井筒的注氣再次形成第一氣液兩相流；(7)完成上一步驟中的單根鑽杆或鑽井立柱的鑽入操作之後，重複上述步驟(5) (6)，直至完成煤層氣多分支水平井的鑽井過程。
2.根據權利要求1所述的用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法，其中，將注氣管插入直 井井筒，使得所述注氣管的下端到達直井井筒的下部，從而通過所述注氣管向所述直井井 筒下部注氣，在注氣管外壁與直井井筒壁之間形成注液環空。
3.根據權利要求2所述的用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法，其中，所述注氣管的下 端與直井井筒的洞穴的頂端之間的距離為10-20米。
4.根據權利要求3所述的用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法，其中，在所述注氣管的 最下端連接有氣液混合裝置，用於將來自於所述注液環空的鑽井液與來自於所述注氣管的 注氣初步混合形成第二氣液兩相流，並使所述第二氣液兩相流單向地向下流向水平井。
5.根據權利要求4所述的用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法，其中，所述氣液混合裝 置包括由氣體單向閥、液體單向閥和氣液兩相流單向閥構成的防回流裝置，以及位於所述 防回流裝置下方的封隔器，所述封隔器封堵住所述注液環空的下端，從而使位於所述注液 環空中的鑽井液和來自於所述注氣管的注氣只能單向流入所述防回流裝置，以在所述防回 流裝置中開始初步地混合注氣和鑽井液，並使其只能單向地經過所述封隔器的內部空腔而 流向水平井。
6.根據權利要求5所述的用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法，其中，在將直井井筒的 內壁刮洗乾淨之後，將所述封隔器連接到所述防回流裝置的下端並坐封到所述直井井筒的 內壁上。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法，其中，所採 用的鑽井液為水，所採用的注氣為空氣。
全文摘要
一種用於煤層氣的充氣欠平衡鑽井方法，包括下述步驟鑽出直井；鑽出包括豎直和水平通道的水平井；在向水平通道鑽入鑽井立柱的同時將鑽井液注入鑽井立柱內以衝走巖屑等，直至水平通道與直井下端連通；之後在鑽入鑽井立柱時向直井注氣並使其與從水平井注入的鑽井液混合而得到第一氣液兩相流；此後，在進行鑽入下一根鑽井立柱的準備工作期間停止從水平井注入鑽井液，並在保持向直井中注氣的同時向其中注入鑽井液以形成第二氣液兩相流；在完成準備工作後停止向直井注入鑽井液，在鑽入下一根鑽井立柱的過程中從水平井注入鑽井液；完成鑽進操作之後重複上述步驟，直至完成煤層氣水平井的鑽井過程。採用該方法可防止水平井停泵時巖屑下沉填埋鑽具。
文檔編號E21B7/04GK101936142SQ201010246028
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月5日 優先權日2010年8月5日
發明者史現武, 寧守方, 方勇, 蘇曉建 申請人:北京奧瑞安能源技術開發有限公司