支撐管跟進氣液噴射鑽進徑向井煤層氣開採方法
2023-10-04 09:26:04
專利名稱：支撐管跟進氣液噴射鑽進徑向井煤層氣開採方法
支撐管跟進氣液噴射鑽進徑向井煤層氣開採方法本發明涉及一種煤層氣開採領域煤層氣開採方法，具體涉及一種，在垂直井擴孔後的煤層井段，由油管下入定向徑嚮導向工具，然後用鋼絲繩索把支撐管跟進噴射鑽進工具組合下入到油管和定向徑嚮導向工具內，採用高壓氣水混合液、在煤層中沿徑向方向噴射鑽進出一組或多組(多煤層)徑向水平孔，並且在鑽進徑向孔同時，自行跟進置放高強度 PVC割縫篩管，形成有支撐和導流功能的徑向水平孔，並能實現欠平衡鑽進和負壓強化煤層的徑向井煤層氣開採方法。
背景技術：
在煤層氣勘探開發領域，通常採用鑽探垂直壓裂井以及多種樣式的水平井和不同形式的多分支水平井，通過排水降低煤層儲層壓力使煤層中的甲烷氣解吸而產出(排水採氣)來實現煤層氣的開採。垂直井是通過鑽井工藝垂直穿透煤層，完井後通過水力壓裂以及造穴等強化改造手段來實現煤層氣的商業性開採。垂直井的優點是鑽井工藝簡單，強化工藝方法成熟，工程造價較為低廉。其缺點是地面佔地面積大，單井控制煤層排採區域小，氣產量低，尤其是壓裂有效支撐裂縫長度短，煤儲層結構嚴重破壞導致大量煤粉產生，堵塞煤層中導流通道，排水降壓緩慢，經濟效益低下。水平井是通過水平井鑽井工藝實現裸眼井段在煤層中長距離鑽進穿越來實現增加煤儲層的排洩區域，增大單井氣產量。多分支水平井是在水平主井眼的單翼或兩翼，鑽進多個沿煤層長距離穿越的分支井來增加氣水排洩區域，進而最大化實現區域排採降壓，達到煤層氣的商業開採水平，然而，水平井具有施工難度大，工藝複雜，費用高，完井周期長等缺點，更嚴重的是一方面鑽井施工時鑽井液汙染煤層，另一方面煤層垮塌導致埋卡鑽具(構造煤和低階軟煤垮塌更為嚴重)，甚至造成鑽井失敗。
發明內容
為了克服垂直壓裂井地面佔地面積大，單井控制煤層排採區域小，氣產量較低，尤其是壓裂有效支撐裂縫長度短，煤儲層結構破壞嚴重導致大量煤粉產生，並堵塞煤層導流通道，進而造成煤層排水水降壓緩慢，經濟效益低下等缺點，也為了克服水平井鑽井施工難度大，工藝複雜，費用高，完井周期長，鑽井液汙染煤層，煤層垮塌導致埋卡鑽具(構造煤和低階軟煤垮塌更為嚴重)等缺點，也為了實現既能低成本，高效益，單井大區域排水降壓採氣，又能降低施工風險和工藝複雜程度，尤其為了能夠實現欠平衡鑽進煤層同時實現負壓強化大規模提高單井產量和有效實現構造煤和低階軟煤儲層成功鑽進開採煤層氣，本發明提供了一種用油管作為工作管柱，在垂直井擴孔後的煤層井段，下入由球形關節連接的定向徑嚮導向工具進行定向和徑嚮導向，然後用鋼絲繩索把由加重杆、活塞、噴射管、PVC割縫篩管和液力爬行器等組成的支撐管跟進噴射鑽進工具組合下入到定向徑嚮導向工具內進行徑嚮導向，採用高壓氣水混合液作為工作介質，在煤層中噴射鑽進形成一組徑向水平孔，並在鑽進徑向孔過程中，實現欠平衡鑽進和對井眼周圍煤層強化解堵，同時起支撐導流作用的高強度PVC割縫篩管同步跟進到所鑽進的徑向孔內，通過高壓噴射管丟手脫離爬行器並提出噴射管，爬行器和支撐管永久置放在所鑽進的徑向孔內起支撐和導流作用。高壓氣水混合液噴射鑽進、支撐管同時跟進徑向井鑽井技術，既能實現欠平衡鑽井、減少對煤層的汙染，也能強化改造徑向水平井眼周圍煤層，並避免施工鑽進易垮塌煤層時埋卡噴射鑽具，並能在徑向水平孔眼垮塌時起到支撐和導流作用，防止堵塞。使用氣液噴射鑽進、支撐管跟進技術鑽進一組或多組(多煤層井)徑向水平孔構成的徑向水平井和由這些徑向水平井組構成的井網開發煤層氣，增加了煤層的排洩面積，有利於形成區域聯合降壓採氣，能提高煤層氣井的產量和採收率，也能夠實現有效開採構造煤和低階軟煤煤層氣。為了實現上述之目的，本發明採用以下技術方案垂直井鑽井完成後下入直徑178mm(7」)套管，其中煤層段下入直徑178mm(7」)玻璃鋼套管，固井完成後下擴孔器在煤層段擴孔形成500mm的洞穴，然後用直徑89mm(31/2」)的油管作為工作管柱下入直徑152_出」)的井下徑嚮導向工具，通過井口旋轉油管工作管柱，確定井下導向工具的徑向方位，下放油管並適當加壓使導向工具彎曲接觸煤層，然後用直徑22. 2mm(7/8」)的鋼絲繩索下入由加重杆、活塞、噴射管、PVC割縫篩管和液力爬行器等組成的支撐管跟進噴射鑽進工具組合，爬行器穿過徑向定向工具接觸煤層後，地面固定鋼絲繩索使油管和支撐管跟進噴射鑽進工具組合能同步下放，開啟地面泵注系統，在20-30MPa的壓力下，以排量I. 5-2. Om3/Min噴射切割和衝蝕煤層，同時適當加壓使定嚮導向工具始終以一定的壓力接觸煤層，並緩慢同步下放油管和井下噴射工具，使徑嚮導向工具隨支撐管跟進噴射鑽進工具組合一同持續徑向彎曲進入煤層形成徑向彎曲井段，當徑嚮導向工具完全進入煤層後，通過絞車控制釋放鋼絲繩索速度和鑽壓，在20-30MPa的壓力下，以排量I. 0-2. 0m3/Min通過油管注入適當比例(由欠平衡程度決定)的氣(壓縮空或液氮)水混合液，當高壓氣水混合液通過油管和高壓噴射管並從脈衝爬行器的噴嘴噴出後，氣水混合流體具有強大的衝擊切割力，在這一具有強大衝擊切割力流體的作用下，噴嘴附近的煤層會被快速破碎、切割和衝蝕成煤屑和煤粉，快速形成噴射井眼。當脈衝爬行器內部的壓力持續升高時，其內的活塞在混合流體壓力的作用下向前運動並壓迫振動彈簧，同時使脈衝活塞上的洩流孔與爬行器上的後向(反向)噴射孔(三個成120°相位反向噴孔)連通，使流體向後噴射，反衝作用力使得爬行器脈衝向前爬行，當壓力釋放後，振動彈簧迫使活塞向後運動關閉洩流孔，如此循環作用既能向前噴射鑽進徑向孔，又能在徑向孔壁上噴射切割出三條成120°相位的溝槽。噴射切割下來的煤屑和煤粉會被氣水混合液攜帶井底並隨氣水混合流體迅速返排出地面並被分離系統分離出去。由於高壓混合液中氣體的存在，當氣泡從噴嘴內連續噴出後會迅速膨脹形成連續的衝擊波，對孔壁周圍的煤層具有解堵和產生微裂縫的強化改造作用。再者，適當比例的氣泡在井筒中上行時逐漸膨脹(壓力減小導致)，驅替出井筒內一部分液體，這使得井筒液柱在井底所產生的壓力低於煤儲層的壓力，進而實現欠平衡噴射鑽進。由於高壓氣泡強化作用和在欠平衡條件下進行噴射鑽進煤層，這就極大地減小、甚至消除噴射鑽進形成的煤粉對井眼周圍煤層所造成的汙染。在加重杆、液壓力、脈衝爬行器前行和震動的複合作用下，支撐管跟進噴射鑽進工具組合逐漸噴射鑽進前行，進而就會在煤層中噴射出一定直徑大小、一定形狀(三個溝槽120°相位分布)和一定長度(由煤層特性決定)的徑向水平孔眼。當一支徑向孔噴射鑽進到達預定長度，通過地面投球後提高注入泵注壓力並適當上提鋼絲繩索德拉力，使噴射高壓管與爬行器和支撐管脫開，當提出高壓噴射管後，支撐管連同爬行器一同留在所噴射鑽進的徑向孔內起支撐和導流作用。重新定位徑嚮導向工
6具，重複上述作業施工程序，逐一完成所設計的徑向水平孔，直到一組按一定方位角分布具一定長度的徑向水平孔得以完成。用同樣的方法可以在多煤層的垂直井中實現多組徑向水平孔完井。用若干個一組或多組徑向水平孔組成的徑向水平井形成的井組，可構成煤層氣開採井網，實現區域聯合降壓提高煤層氣開採效率。 在本發明的具體實施例中，所述煤層井段擴孔是用機械或液壓擴孔器先在煤層井段擴孔到直徑為500_左右的洞穴。其作用一是消除鑽井、固井施工對煤層的汙染，二是提供一徑向定向工具初步彎曲空間，使徑嚮導向得以實現。所述井下徑嚮導向工具是由連接頭和由一組空心球形關節組件，經工作管住施壓，井下能彎曲成與工作管柱成90°的球形關節彎節。其作用是通過地面旋轉油管工作管柱，對要開始噴射鑽進的徑向水平孔確定方位，對噴射鑽進工具組合進行徑嚮導向。所述鋼絲繩索是上與地面絞車連接，下通過打撈繩帽與支撐管跟進噴射工具組合上的繩索打撈頭連接，其作用是通過地面絞車上提、下方支撐管跟進噴射鑽進工具組合，控制噴射鑽進速度和施加在爬行噴射器上面的鑽壓。所述支撐管跟進噴射工具組合主要是由活塞高壓噴射管總成、脈衝爬行器和割縫支撐管組成。活塞噴射管總成(自上而下)是由繩索打撈頭、加重杆、扶正器、導流管、活塞、噴射管上壓接頭、噴射管和高壓噴射管下壓接頭組成。繩索打撈頭上與打撈繩帽與連接，下通過絲扣與加重杆連接，主要起連接打撈作用；加重杆是由多根圓形加重杆連接而成，上通過絲扣與繩索打撈頭連接，下通過絲扣與導流管連接，起加重增加噴射鑽壓作用；扶正器呈三葉狀，安裝在加重杆的連接處，其作用是控制加重杆位於油管中間位置，使流體通道規則暢通；導流管是由上面均勻分布多個圓形導流孔的管狀物，上通過絲扣與加重杆連接，下通過絲扣與活塞連接，起導流作用；活塞是一中間有一導流孔和其上裝有密封圈的環形活塞體，上通過絲扣與導流管連接，下通過絲扣與高壓噴射管上壓接頭連接，活塞與油管配合作用，主要起密封、導流並產生下行壓力(部分鑽壓)的作用；高壓噴射管是一高壓柔性軟管，上通過壓接方式與高壓噴射管上壓接頭上的馬牙扣連接，下通過壓接方式與高壓噴射管下壓接頭上的馬牙扣連接，起導流和連接作用；下壓接頭是一上通過馬牙扣壓接與噴射管連接、下通過其上的球形環形鍵槽與爬行器上的球形鍵連接的一種丟手接頭，其作用主要是連接和丟手脫離爬行器；脈衝爬行器是由爬行器殼體和脈衝活塞組成，爬行器殼體由殼體、活塞腔室、三個成120°相位分布的反向(後向)噴孔、振動彈簧、密封圈、球形鍵和支撐管和高壓噴管連接機構組成；脈衝活塞位於爬行器腔體內，由中間帶有導流孔的活塞體(其上帶密封圈)、洩流孔(與活塞中間導流孔連通)和噴射嘴構成，在高壓流體的作用下，流體向前噴射切割煤層鑽進，當腔體內活塞振動使高壓流體向後噴射時產生一反作用力使爬行器拖動高壓噴射管和割縫支撐管向前運動(結合加重杆和流體壓力差作用在油管內活塞體上所產生下行壓力二者形成的複合鑽壓)，一方面，爬行器上端通過球形鍵與高壓噴射管的下壓接頭連接，當需要丟手脫開時，通過地面投球後提高泵注壓力並提拉鋼絲繩索使高壓噴射管與爬行器和割縫支撐管分離開來，提出噴射管後，爬行器和割縫支撐管一同置放在所噴射而成的徑向孔內，另一方面，爬行器通過上端的馬牙壓接扣與割縫支撐管連接，使割縫支撐管隨爬行器一同前行；割縫篩管是用雷射槍在高強度的PVC管體(直徑73_)上，按120°方位交替切割寬度為1.0-1.5臟，長度為50-100臟和間距為200-300111111梯形內開口(內寬外窄)導流割縫(寬度2. 0-3. Omm)，下端通過壓接連接爬行器，上端連接一止動環起止動固定作用，支撐管跟進並被置放在所噴射鑽進的徑向孔內，主要起支撐和導流作用，防止井眼垮塌埋卡鑽具、堵塞徑向水孔眼。所述噴射形成徑向彎曲井段是通過井口旋轉油管工作管柱，確定井下導向工具的徑向方位，下放油管並適當加壓使導向工具彎曲接觸煤層，然後用直徑22. 2mm(7/8」)的鋼絲繩索下入(自上而下)由加重杆、活塞、噴射管、PVC割縫篩管和液力爬行器等組成的支撐管跟進噴射鑽進工具組合，當確定高壓爬行噴射槍穿過徑向定向工具接觸煤層後，地面固定鋼絲繩索使支撐管跟進噴射鑽進工具組合與油管一同下放，開啟地面泵注系統，在20-30MPa的壓力下，以排量I. 0-2. 0m3/Min噴射切割，同時適當下放管柱加壓使定向徑嚮導向工具始終以適當的壓力接觸煤層，一同下放油管管柱和井下噴射工具，使徑嚮導向工具持續徑向彎曲噴射進入煤層，形成徑向彎曲井段。所述高壓氣水混合液噴射鑽進是由地面泵車組和空壓機(或液氮泵車組注入氮氣)把清水(添加適量的粘土防膨劑和起泡劑)並加注適當比例(由欠平衡程度決定)的高壓空氣(或液氮)形成的高壓(一般壓力為20-30MPa)混合液，通過地面氣液兩相管匯，經過油管持續注入用於噴射鑽進的支撐管跟進噴射工具組合，當高壓氣水混合液通過噴射槍噴出後，這種混合噴射液具有強大的衝擊力和切割力，在這一流體的作用下，煤層會被快速破碎、切割和衝蝕成煤屑和煤粉。同時，這些煤屑和煤粉又被氣水混合流體攜帶至井底，並隨氣水混合流體迅速返排出地面並被地面分離系統分離出去。由於混合液中氣體的存在，當氣泡從噴射槍噴出後迅速膨脹而形成連續的衝擊波會在孔壁周圍的煤層強化改造產生一系列的為裂縫，改善孔壁附近煤層的導流特性。再者，適當比例的氣泡在井筒中上行時逐漸膨脹(壓力減小所致)，驅替出一部分液體，這使得井筒液柱在井底所產生的壓力大低於煤儲層的壓力，進而實現欠平衡噴射鑽進。由於高壓氣泡強化作用和欠平衡條件下進行噴射鑽進煤層，這就極大地減小、甚至消除流體噴射鑽進時對井眼周圍煤層所造成的汙染，並極大地改善井眼附近煤層的導流特性。隨著持續注入高壓混合液和逐漸下入支撐管跟進噴射工具組合，就會在煤層中噴射鑽進三條具120°相位得溝槽和預定長度(煤層特性和開採速度決定)的徑向水平孔。所述一組徑向水平孔是在煤層中按一定方位，相鄰徑向孔夾角為72°或60°均勻分布的五個或六個、長度約為100-400m的一組徑向水平孔、並隨噴射鑽進跟進下入高強度PVC(直徑73mm)導流割縫篩管、來開採煤層氣，其作用是最大限度地增加開採區域，提高米收率和經濟效益。所述多組徑向水平井是垂直井上下分布多個煤層，在每個煤層中按一定方位，相鄰徑向孔夾角為72°或60°均勻噴射鑽進五個或六個、長度約為100-400m的一組徑向水平孔、並下有帶有導流孔的高強度PVC(直徑73_)篩管、來同時開採多個煤層，提高煤層氣資源的採收率和單井開採經濟效益。所述徑向水平井井網是由上述徑向水平井(一組或多組徑向水平井)按一定井網形狀組成的煤層氣開發井網，快速聯合排採降壓，加快開採速度，提高經濟效益。
圖I為本發明現場施工狀態示意圖；圖2為本發明井下工具工作狀態面示意圖3為本發明活塞高壓噴射管總成結構示意圖；圖4為本發明脈衝爬行器割縫支撐管結構示意具體實施例方式如圖I所示，所述煤層10井段擴孔是用機械或液壓擴孔器先在煤層10井段擴孔到直徑為500_左右的洞穴21。其作用一是消除鑽井、固井施工對煤層的汙染，二是提供一徑向定向工具16初步彎曲空間，使徑嚮導向得以實現。如圖I所示，所述鋼絲繩索13是上與地面絞車2連接，下通過打撈繩帽23與支撐管跟進噴射工具組合14上的繩索打撈頭24連接，其作用是通過地面絞車2上提、下方支撐管跟進噴射鑽進工具組合，控制噴射鑽進速度和施加在爬行噴射器17上面的鑽壓。如圖I所示，所述噴射形成徑向彎曲井段是通過井口旋轉油管12工作管柱，確定井下導向工具16的徑向方位，下放油管12並適當加壓使導向工具彎曲接觸煤層10，然後用直徑22. 2mm(7/8」)的鋼絲繩索13下入支撐管跟進噴射鑽進工具組合14，當確定爬行器17穿過徑向定向工具接觸煤層10後，地面固定鋼絲繩索13，使支撐管跟進噴射鑽進工具組合14與油管12 —同下放，開啟地面泵注系統7，在20-30MPa的壓力下，以排量I. 0-2. Om3/Min噴射切割，同時適當下放油管12加壓使定向徑嚮導向工具16始終以適當的壓力接觸煤層10，一同下放油管管柱12和支撐管跟進噴射鑽進工具組合14，使徑嚮導向工具16持續徑向彎曲噴射進入煤層10，形成徑向彎曲井段。如圖I所示，所述高壓氣水混合液噴射鑽進是由地面泵車組7和空壓機8 (或液氮泵車組注入氮氣)把清水(添加適量的粘土防膨劑和起泡劑)並加注適當比例(由欠平衡程度決定)的高壓空氣(或液氮)形成的高壓(一般壓力為20-30MPa)混合液，通過地面氣液兩相管匯9，經過油管12持續注入用於噴射鑽進的支撐管跟進噴射工具組合14，當高壓氣水混合液通過噴射槍40由噴嘴41噴出後，這種混合噴射液具有強大的衝擊力和切割力，在這一流體20的作用下，煤層10會被快速破碎、切割和衝蝕成煤屑和煤粉。同時，這些煤屑和煤粉又被氣水混合流體攜帶至井底，並隨氣水混合流體迅速返排出地面並被地面分離系統5分離出去。由於混合液中氣體的存在，當氣泡從噴射槍40噴出後迅速膨脹而形成連續的衝擊波會在孔壁周圍的煤層強化改造產生一系列的為裂縫，改善孔壁附近煤層10的導流特性。再者，適當比例的氣泡在井筒中上行時逐漸膨脹(壓力減小所致)，驅替出一部分液體，這使得井筒液柱在井底所產生的壓力大低於煤儲層10的壓力，進而實現欠平衡噴射鑽進。由於高壓氣泡強化作用和在欠平衡條件下進行噴射鑽進煤層10，這就極大地減小、甚至消除流體噴射鑽進時對井眼周圍煤層10所造成的汙染，並極大地改善井眼附近煤層10的導流特性。隨著持續注入高壓混合液20和逐漸下入支撐管跟進噴射工具組合14，就會在煤層10中噴射鑽進三條具120°相位得溝槽和預定長度(煤層特性和開採速度決定)的徑向水平孔22。如圖2所示，所述作業管柱油管12通過連接頭15與定向徑嚮導向工具16連接，支撐管跟進噴射工具組合14通過油管12並經過定向徑嚮導向工具16徑嚮導向噴射鑽進進入煤層10。如圖3所示，活塞噴射管總成(自上而下)是由繩索打撈頭24、加重杆25、扶正器26、導流管27、活塞28、噴射管上壓接頭30、噴射管19和高壓噴射管下壓接頭31組成。繩索打撈頭24上與打撈繩帽23與連接，下通過絲扣與加重杆25連接，主要起連接打撈作用；加重杆25是由多根圓形加重杆連接而成，上通過絲扣與繩索打撈頭24連接，下通過絲扣與導流管27連接，起加重增加噴射鑽壓作用；扶正器26呈三葉狀，安裝在加重杆25的連接處，其作用是控制加重杆25位於油管12中間位置，使流體通道規則暢通；導流管27是由上面均勻分布多個圓形導流孔的管狀物，上通過絲扣與加重杆25連接，下通過絲扣與活塞28連接，起導流作用；活塞28是一中間有一導流孔和其上裝有密封圈29的環形活塞體，上通過絲扣與導流管27連接，下通過絲扣與高壓噴射管19上壓接頭30連接，活塞28與油管12配合作用，主要起密封、導流並產生下行壓力(部分鑽壓)的作用；高壓噴射管19是一高壓柔性軟管，上通過壓接方式與高壓噴射管19上壓接頭30上的馬牙扣連接，下通過壓接方式與高壓噴射管19下壓接頭31上的馬牙扣連接，起導流和連接作用；下壓接頭31是一上通過馬牙扣壓接與高壓噴射管19連接、下通過其上的球形環形鍵槽32與爬行器17上的球形鍵36連接的一種丟手接頭，其作用主要是連接和丟手脫離爬行器17。如圖4所示，脈衝爬行器17是由爬行器殼體33和脈衝活塞34組成，爬行器殼體33活塞腔室、三個成120°相位分布的反向(後向)噴孔35、振動彈簧42、密封圈37-1、2、球形鍵36和支撐管和高壓噴管連接機構組成；脈衝活塞34位於爬行器17腔體內，由中間帶有導流孔的活塞體34 (其上帶密封圈38-1、2)、洩流孔39 (與活塞中間導流孔連通)和噴射搶40和噴嘴41構成，在高壓流體的作用下，流體20向前噴射切割煤層10鑽進，當腔體內活塞34振動使高壓流體向後噴射時產生一反作用力使爬行器17拖動高壓噴射管19和割縫支撐管18向前運動(結合加重杆25和流體壓力差作用在油管12內活塞體28上所產生下行壓力二者形成的複合鑽壓)，一方面，爬行器17上端通過球形鍵36與高壓噴射管19的下壓接頭31連接，當需要丟手脫開時，通過地面投球後提高泵注壓力並提拉鋼絲繩索13使高壓噴射管19與爬行器17和割縫支撐管18分離開來，提出高壓噴射管19後，爬行器17和割縫支撐管18 —同置放在所噴射而成的徑向孔22內，另一方面，爬行器17通過上端的馬牙壓接扣與割縫支撐管18連接，使割縫支撐管18隨爬行器17 —同前行；割縫篩管18是用雷射槍在高強度的PVC管體(直徑73mm)上，按120°方位交替切割寬度為I. 0-1. 5mm，長度為50-100mm和間距為200-300mm梯形內開口 (內寬外窄)導流割縫(寬度2. 0-3. Omm)，下端通過壓接連接爬行器17，上端連接一止動環43起止動固定作用，支撐管18隨爬行器17跟進並被置放在所噴射鑽進的徑向孔22內，主要起支撐和導流作用，防止井眼22垮塌埋卡鑽具、堵塞徑向水孔眼22。
權利要求
1.一種用氣水混合液噴射鑽井梅花形徑向水平井煤層氣開採方法，其特徵在於鑽井完成後下入直徑178mm(7」)套管，其中煤層段下入直徑178mm(7」)玻璃鋼套管，固井完成後下擴孔器在煤層段擴孔形成500mm的洞穴，然後用直徑89mm(31/2」)的油管作為工作管柱下入直徑152mm(6」)的井下徑嚮導向工具，通過井口旋轉油管工作管柱，確定井下導向工具的徑向方位，下放油管並適當加壓使導向工具彎曲接觸煤層，然後用直徑22. 2mm(7/8」) 的鋼絲繩索下入由加重杆、活塞、噴射管、PVC割縫篩管和液力爬行器等組成的支撐管跟進噴射鑽進工具組合，爬行器穿過徑向定向工具接觸煤層後，地面固定鋼絲繩索使油管和支撐管跟進噴射鑽進工具組合能同步下放，開啟地面泵注系統，在20-30MPa的壓力下，以排量I. 5-2. OmVMin噴射切割和衝蝕煤層，同時適當加壓使定嚮導向工具始終以一定的壓力接觸煤層，並緩慢同步下放油管和支撐管跟進噴射鑽進工具組合，使徑嚮導向工具隨支撐管跟進噴射鑽工具組合一同徑向彎曲進入煤層形成徑向彎曲井段，當徑嚮導向工具完全進入煤層後，通過絞車控制釋放鋼絲繩索速度和鑽壓，在20-30MPa的壓力下，通過油管注入適當比例(由欠平衡程度決定)的氣(壓縮空或液氮)水混合液(水排量I. 5-2. OmVMin)， 當高壓氣水混合液通過油管和高壓噴射管並從脈衝爬行器的噴嘴噴出後，氣水混合流體具有強大的衝擊切割力，在這一具有強大衝擊切割力流體的作用下，噴嘴附近的煤層會被快速破碎、切割和衝蝕成煤屑和煤粉，快速形成噴射井眼。當脈衝爬行器內部的壓力持續升高時，其內的活塞在混合流體壓力的作用下向前運動並壓迫振動彈簧，同時使脈衝活塞上的洩流孔與爬行器上的後向(反向)噴射孔(三個成120°相位反向噴孔)連通，使流體向後噴射，反衝作用力使得爬行器脈衝向前爬行，當壓力釋放後，振動彈簧迫使活塞向後運動關閉洩流孔，如此循環作用既能向前噴射鑽進徑向孔，又能在徑向孔壁上噴射切割出三條成120°相位的溝槽，噴射切割下來的煤屑和煤粉會被氣水混合液攜帶井底並隨氣水混合流體迅速返排出地面並被分離系統分離出去，由於高壓混合液中氣體的存在，當氣泡從噴嘴內連續噴出後會迅速膨脹形成連續的衝擊波，對孔壁周圍的煤層具有解堵和產生微裂縫的強化改造作用，再者，適當比例的氣泡在井筒中上行時逐漸膨脹(壓力減小導致)，驅替出井筒內一部分液體，這使得井筒液柱在井底所產生的壓力低於煤儲層的壓力，進而實現欠平衡噴射鑽進，由於高壓氣泡強化作用和在欠平衡條件下進行噴射鑽進煤層，這就極大地減小、甚至消除噴射鑽進形成的煤粉對井眼周圍煤層所造成的汙染。在加重杆、液壓力、 脈衝爬行器前行和震動的複合作用下，支撐管跟進噴射鑽進工具組合逐漸噴射鑽進前行， 進而就會在煤層中噴射出一定直徑大小、一定形狀(三個溝槽120°相位分布)和一定長度 (由煤層特性決定)的徑向水平孔眼，當一支徑向孔噴射鑽進到達預定長度，通過地面投球後提高注入泵注壓力並適當上提鋼絲繩索德拉力，使噴射高壓管與爬行器和支撐管脫開， 當提出高壓噴射管後，支撐管連同爬行器一同留在所噴射鑽進的徑向孔內起支撐和導流作用。重新定位徑嚮導向工具，重複上述作業施工程序，逐一完成所設計的徑向水平孔，直到一組按一定方位角分布具一定長度的徑向水平孔得以完成，用同樣的方法可以在多煤層的垂直井中實現多組徑向水平孔完井，用若干個一組或多組徑向水平孔組成的徑向水平井形成的井組，可構成煤層氣開採井網，實現區域聯合降壓提高煤層氣開採效率。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵是，用直徑22.2mm(7/8」)的鋼絲繩索下入由加重杆、活塞、噴射管、PVC割縫篩管和液力爬行器等組成的支撐管跟進噴射鑽進工具組合，爬行器穿過徑向定向工具接觸煤層後，地面固定鋼絲繩索使油管和支撐管跟進噴射鑽進工具組合能同步下放，開啟地面泵注系統，在20-30MPa的壓力下，以排量I. 5-2. 0m3/Min噴射切割和衝蝕煤層，同時適當加壓使定嚮導向工具始終以一定的壓力接觸煤層，並緩慢同步下放油管和井下噴射工具，使徑嚮導向工具隨支撐管跟進噴射鑽進工具組合一同徑向彎曲進入煤層形成徑向彎曲井段。
3.根據權利要求I所述的方法，其特徵是，當徑嚮導向工具完全進入煤層後，通過絞車控制釋放鋼絲繩索速度和鑽壓，在20-30MPa的壓力下，通過油管注入適當比例(由欠平衡程度決定)的氣(壓縮空或液氮)水混合液(水排量I. 5-2. 0m3/Min)，當高壓氣水混合液通過油管和高壓噴射管並從脈衝爬行器的噴嘴噴出後，氣水混合流體具有強大的衝擊切割力，在這一具有強大衝擊切割力流體的作用下，噴嘴附近的煤層會被快速破碎、切割和衝蝕成煤屑和煤粉，快速形成噴射井眼，當脈衝爬行器內部的壓力持續升高時，其內的活塞在混合流體壓力的作用下向前運動並壓迫振動彈簧，同時使脈衝活塞上的洩流孔與爬行器上的後向(反向)噴射孔(三個成120°相位反向噴孔)連通，使流體向後噴射，反衝作用力使得爬行器脈衝向前爬行，當壓力釋放後，振動彈簧迫使活塞向後運動關閉洩流孔，如此循環作用既能向前噴射鑽進徑向孔，又能在徑向孔壁上噴射切割出三條成120°相位的溝槽，噴射切割下來的煤屑和煤粉會被氣水混合液攜帶井底並隨氣水混合流體迅速返排出地面並被分離系統分離出去，由於高壓混合液中氣體的存在，當氣泡從噴嘴內連續噴出後會迅速膨脹形成連續的衝擊波，對孔壁周圍的煤層具有解堵和產生微裂縫的強化改造作用，再者， 適當比例的氣泡在井筒中上行時逐漸膨脹(壓力減小導致)，驅替出井筒內一部分液體，這使得井筒液柱在井底所產生的壓力低於煤儲層的壓力，進而實現欠平衡噴射鑽進，由於高壓氣泡強化作用和在欠平衡條件下進行噴射鑽進煤層，這就極大地減小、甚至消除噴射鑽進形成的煤粉對井眼周圍煤層所造成的汙染，在加重杆、液壓力、脈衝爬行器前行和震動的複合作用下，支撐管跟進噴射鑽進工具組合逐漸噴射鑽進前行，進而就會在煤層中噴射出一定直徑大小、一定形狀(三個溝槽120°相位分布)和一定長度(由煤層特性決定)的徑向水平孔眼，當一支徑向孔噴射鑽進到達預定長度，通過地面投球後提高注入泵注壓力並適當上提鋼絲繩索德拉力，使噴射高壓管與爬行器和支撐管脫開，當提出高壓噴射管後，支撐管連同爬行器一同留在所噴射鑽進的徑向孔內起支撐和導流作用，重新定位徑嚮導向工具，重複上述作業施工程序，逐一完成所設計的徑向水平孔，直到一組按一定方位角分布具一定長度的徑向水平孔得以完成，用同樣的方法可以在多煤層的垂直井中實現多組徑向水平孔完井，用若干個一組或多組徑向水平孔組成的徑向水平井形成的井組，可構成煤層氣開採井網，實現區域聯合降壓提高煤層氣開採效率。
4.根據權利要求I所述的方法，其特徵是，支撐管跟進噴射工具組合主要是由活塞高壓噴射管總成、脈衝爬行器和割縫支撐管組成，活塞高壓噴射管總成(自上而下)是由繩索打撈頭、加重杆、扶正器、導流管、活塞、噴射管上壓接頭、噴射管和高壓噴射管下壓接頭組成，繩索打撈頭上與打撈繩帽與連接，下通過絲扣與加重杆連接，主要起連接打撈作用， 加重杆是由多根圓形加重杆連接而成，上通過絲扣與繩索打撈頭連接，下通過絲扣與導流管連接，起加重增加噴射鑽壓作用，扶正器呈三葉狀，安裝在加重杆的連接處，其作用是控制加重杆位於油管中間位置，使流體通道規則暢通，導流管是由上面均勻分布多個圓形導流孔的管狀物，上通過絲扣與加重杆連接，下通過絲扣與活塞連接，起導流作用，活塞是一中間有一導流孔和其上裝有密封圈的環形活塞體，上通過絲扣與導流管連接，下通過絲扣與高壓噴射管上壓接頭連接，活塞與油管配合作用，主要起密封、導流並產生下行壓力(部分鑽壓)的作用，高壓噴射管是一高壓柔性軟管，上通過壓接方式與高壓噴射管上壓接頭上的馬牙扣連接，下通過壓接方式與高壓噴射管下壓接頭上的馬牙扣連接，起導流和連接作用，下壓接頭是一上通過馬牙扣壓接與噴射管連接、下通過其上的球形環形鍵槽與爬行器上的球形鍵連接的一種丟手接頭，其作用主要是連接和丟手脫離爬行器，脈衝爬行器是由爬行器殼體和脈衝活塞組成，爬行器殼體由殼體、活塞腔室、三個成120°相位分布的反向(後向)噴孔、振動彈簧、密封圈、球形鍵和支撐管和高壓噴管連接機構組成，脈衝活塞位於爬行器腔體內，由中間帶有導流孔的活塞體(其上帶密封圈)、洩流孔(與活塞中間導流孔連通)和噴射嘴構成，在高壓流體的作用下，流體向前噴射切割煤層鑽進，當腔體內活塞振動使高壓流體向後噴射時產生一反作用力使爬行器拖動高壓噴射管和割縫支撐管向前運動(結合加重杆和流體壓力差作用在油管內活塞體上所產生下行壓力二者形成的複合鑽壓)，一方面，爬行器上端通過球形鍵與高壓噴射管的下壓接頭連接，當需要丟手脫開時，通過地面投球後提高泵注壓力並提拉鋼絲繩索使高壓噴射管與爬行器和割縫支撐管分離開來，提出噴射管後，爬行器和割縫支撐管一同置放在所噴射而成的徑向孔內，另一方面，爬行器通過上端的馬牙壓接扣與割縫支撐管連接，使割縫支撐管隨爬行器一同前行， 割縫篩管是用雷射槍在高強度的PVC管體(直徑73mm)上，按120°方位交替切割寬度為I.0-1. 5臟，長度為50-100mm和間距為200-300mm梯形內開口(內寬外窄)導流割縫(寬度2. 0-3. Omm)，跟進並被置放在所噴射鑽進的徑向孔內，主要起支撐和導流作用，防止井眼垮塌埋卡鑽具、堵塞徑向水孔眼。
5.根據權利要求1-4任一項所述的方法，其特徵是，用於開採頁巖氣和緻密砂巖油氣和常規油氣藏。
全文摘要
本發明涉及一種煤層氣開採領域煤層氣開採方法，具體涉及一種，在垂直井擴孔後的煤層井段，由油管下入定向徑嚮導向工具，然後用鋼絲繩索把支撐管跟進噴射鑽進工具組合下入到油管和定向徑嚮導向工具內，採用高壓氣水混合液、在煤層中沿徑向方向噴射鑽進出一組或多組(多煤層)徑向水平孔，並且在鑽進徑向孔同時，自行跟進高強度PVC割縫篩管，形成有支撐和導流功能的徑向水平孔，並能實現欠平衡鑽進和負壓強化煤層的徑向井煤層氣開採方法。
文檔編號E21B7/18GK102926730SQ201210451430
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月13日 優先權日2012年11月13日
發明者王建生 申請人:王建生