一种提高煤层气地面钻井稳定性的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及应用在煤层气开采技术领域，特别是涉及一种提高煤层气地面钻井稳定性的方法。
【背景技术】
[0002]在我国煤层气开发领域，地面钻井抽采煤层气是高效抽采煤层气方法之一，但这种方法投入巨大，需要有充分的经济回收保证，同时绝大多数地面钻井无法做到“一井多用”，钻井利用率低，这是因为在采动影响阶段，井身围岩发生剧烈变形，继而造成井身变形、堵塞，使得煤层气井在采动影响期和采后稳定期发生闭孔现象，无法继续抽采煤层气。要做到煤层气井“一井多用”，不仅要有合理的煤层气工业规划，更重要的是提高煤层气井的抽采效率和井身稳定性。在采动影响期，随煤层开采，上覆岩层发生冒落、弯曲、断裂，从上至下依次形成缓沉带、裂隙带、冒落带，传统的煤层气钻井布置于冒落带或裂隙带内，在水平和竖直方向受应力影响会随岩石一同发生剧烈变形，因此提高煤层气井井身稳定性就是要提高井身的水平和竖直方向的抗变形能力。
[0003]泡沫混凝土是通过化学或物理的方式，根据应用需要将空气或氮气、二氧化碳、氧气等气体引入混凝土浆体中，经过合理养护，而形成的含有大量细小封闭气孔，并具有相当强度的混凝土制品，具有轻质高强、变形能力好、冲击能量吸收性能好、渗透性好的特点。泡沫混凝土自上世纪30年代，由瑞典人开发研制，在挪威大举成功，在欧、美地区迅速取得广泛的应用。我国从建国初期泡沫混凝土由前苏联传入我国，目前已在建筑、煤炭等行业得到了广泛应用，但是目前尚未有泡沫混凝土应用于煤层气地面钻井。
[0004]根据煤层气地面钻井在采动期的变形破坏特性与泡沫混凝土的特点，可在煤层气井钻井期输送泡沫混凝土，在吸收采动期围岩水平变形冲击能量的同时又不影响岩层或煤层的渗透性；在钻井轴向安装变形装置，抵抗岩层竖直变形。通过上述措施提高井身的水平和竖直方向的抗变形能力，实现煤层气地面钻井“一井多用”，提高煤层气地面钻井利用率，降低煤层气井的全寿命周期成本。
【发明内容】
[0005]本发明需要解决的问题是克服目前煤层气地面钻井在地下煤炭开采期受采动影响导致的井身变形、闭孔等现象，提高煤层气地面钻井的稳定性，继而实现煤层气井的“一井多用”。
[0006]为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的:
[0007]本发明提供了一种提高煤层气地面钻井稳定性的方法，包括如下步骤:
[0008](I)利用水力喷射钻孔设备在煤层气开发区域的地表处对钻井进行扩井，水力喷射钻孔设备即基于水动力学的动量-冲量定律，当高压流体通过喷嘴时，液流的压强被喷嘴转换为动量，以高速射流射出，而冲击目标物。此时，动量在瞬时被转换为冲量，在冲击力作用下底层岩石被剥蚀破损；扩井即利用钻井设备将原始钻井孔径扩大；
[0009](2)扩井段高度为开采煤层的冒落带高度，扩井段直径为钻井孔径的8?10倍，扩井段即利用钻井设备将原始钻井孔径扩大后，具有一定高度和扩大后的钻井孔径的空间范围；
[0010](3)扩井完成后向扩井段输送泡沫混凝土，待泡沫混凝土成形后，利用钻井设备按照原始钻井孔径，从井口进入钻孔，钻穿泡沫混凝土至首次钻井井头处，钻井成型后安装外层套管、内层抽采管以及筛管；
[0011](4)在筛管与内层抽采管之间安装轴向变形装置。
[0012]该方法施工简单，费用较低，同时提高了煤层气钻井的稳定性，使煤层气井在采动影响期和采后稳定期不受岩层运动的影响发生闭孔、堵塞现象，真正可实现煤层气地面钻井的“一井多用”，提高煤层气钻井的利用率，降低了煤层气钻井的全寿命周期费用，间接的降低了煤层气地面钻井的开发成本。
[0013]步骤(I)中所述的煤层气钻井孔径为1.2?2米。
[0014]步骤⑴中所述扩井操作中钻井深度达到煤层顶板上方3?5米处。
[0015]步骤⑵中所述的矿井的冒落带高度利用煤矿冒落带高度经验公式确定，即当煤层倾角小于54°时，若直接顶抗压强度σ彡20MPa，冒落带高度H1= (I?2)M，M为采高；若直接顶抗压强度20MPa ( σ ( 40MPa，冒落带高度H2= (3?4)M ;若直接顶抗压强度40MPa彡σ彡60MPa，冒落带高度H3= (4?5)M。
[0016]步骤(3)中所述输送操作中输送体积为扩井段体积的1.5?2倍。采用扩井与输送泡沫混凝土的方法，扩井增加煤层气井的水平抗压空间，充分发挥泡沫混凝土吸收冲击能力强和渗透性好的特点，提高煤层气钻井的抗水平变形能力。
[0017]步骤(4)中所述轴向变形装置为弹簧。采用加装轴向变形装置的方法，通过高强弹簧的变形能力，结合煤层开采后上覆岩层的运动特点，赋予煤层气钻井中的筛管轴向变形能力。
[0018]上述的提高煤层气地面钻井稳定性的方法要求在煤层开采前完成煤层气钻井成井作业。
[0019]本发明的有益效果:
[0020](I)本发明针对煤层气钻井稳定性的抗水平变形能力，采用扩井与输送泡沫混凝土的方法，扩井增加煤层气井的水平抗压空间，同时可增大抽采段的渗透性，输送泡沫混凝土则充分发挥了其吸收冲击能力强和渗透性好的特点。在煤层开采后的采动影响和采后稳定期，利用扩井带来的水平抗压空间和泡沫混凝土的冲击吸收性能，将本来直接作用于煤层气钻井抽采管的冲击动能吸收降低，大大提高了煤层气钻井的抗水平变形能力。
[0021](2)本发明针对煤层气钻井稳定性的抗竖直变形能力，采用加装轴向变形装置的方法，通过高强弹簧的变形能力，结合煤层开采后上覆岩层的运动特点，赋予煤层气钻井中的筛管轴向变形能力。在煤层开采后，上覆岩层弯曲、垮落、沉陷后，煤层气钻井的筛管部分可随岩层运动改变轴向长度，既能适应岩层的轴向拉伸，也能适应岩层的轴向压缩。
[0022](3)本发明与传统的煤层气钻井相比增加的扩井方法、泡沫混凝土制备及输送工艺均施工简单，费用较低，同时提高了煤层气钻井的稳定性，使煤层气井在采动影响期和彩后稳定期不受岩层运动的影响发生闭孔、堵塞现象，真正可实现煤层气地面钻井的“一井多用”，提高煤层气钻井的利用率，降低了煤层气钻井的全寿命周期费用，间接的降低了煤层气地面钻井的开发成本。
【附图说明】
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[0023]图1是本发明的煤层气地面钻井施工过程竖向剖面图。
[0024]图2是本发明的煤层开采前煤层气地面钻井的竖向剖面图。
[0025]图3是本发明的煤层开采后煤层气地面钻井的竖向剖面图。
[0026]图4是本发明的扩井段的水平剖面图。
[0027]图5是本发明的泡沫混凝土地面配制及泵送设备系统。
[0028]其中:1 一水力喷射钻孔设备，2—钻头，3—直接顶，4一采煤层，5—钻井井头，6—泡沫混凝土地面配制及泵送设备系统，7—泡沫混凝土，8—外层套管，9一内层抽采管，10—筛管，11—轴向变形装置，12—尚强度弹簧，13—上料口，14—搅拌机，15—发泡剂，16—发泡装置，17—出料