一种用于煤层气水平井的开采装置及方法与流程

本发明涉及煤层气开采领域，尤其是一种用于煤层气水平井的开采装置及方法。

背景技术：

煤层气是指在煤层中吸附在煤基质颗粒表面、或部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，其成分以甲烷为主，属于煤的伴生矿产资源，属非常规天然气，是近一二十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。煤层气的开发利用能产生巨大的经济效益，现已成为重要的国家战略资源。

煤层气的开发一般采用钻井采集方法，在钻井后需要进行固井，现有的固井技术是在已钻好的裸眼井中下入套管，将配置好的水泥浆注入到井眼与套管的环形空间，待水泥浆候凝后形成坚固的水泥环，将套管进行固定，套管固井的主要作用是封隔油、气、水层，阻止地层间流体相互窜流，以保护生产层；还能够封隔严重漏失层、高压层或其它易坍塌等复杂地层，以支撑套管和防止地下流体对套管的腐蚀。

近两年，开始采用水平井技术开发煤层气，水平井技术可以极大提高煤层气开发效果。水平井开发技术，主要包括钻井技术、完井技术和生产技术等。其中完井技术，是衔接钻井和生产工程而又相对独立的工程，是从钻井结束后，包括完井管柱设计、下完井管柱、注水泥固井施工等的一项系统工程。完井技术水平的高低和完井施工质量的优劣，对煤层气生产能否达到预期指标和煤层气开发的经济效益有决定性的影响。利用水平井开发煤层气的完井技术，目前还处在探索阶段，对于蕴藏煤层气的煤层，其地质特点为裂缝性或孔洞性，固井存在水泥浆污染煤层，影响煤层气开采，不适合固井，而煤层以上的其他干扰层又需要进行封堵分隔，避免影响煤层气和煤层的开发。

鉴于以上因素，发明了一种用于煤层气水平井的开采装置及方法。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于煤层气水平井的开采装置及方法，在完井时向煤层的水平井内下入筛管，通过筛管收集煤层气，在煤层以上的干扰地层下入套管，同时以固井的方式对套管和井壁环空带进行封固，以防止干扰地层对煤层气开发的造成干扰；既可以实现直井段的正常完井，又能保证水平段煤层的无损作业，完全满足了煤层气高效开发的需要，同时满足了现场技术操作的简便可靠性，提高操作的安全性，降低完井成本及后期的开采生产成本，解决了现有技术中存在的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于煤层气水平井的开采装置，包括：

筛管，所述筛管下入至煤层的水平井位置；

套管，所述套管和筛管相连，下入至直井段位置；

连接组件，所述连接组件连接所述筛管和套管，所述连接组件包括封隔装置和可打捞的内部附件，所述封隔装置和外壳相连，所述外壳经连接装置和套管相连；

所述封隔装置用于膨胀后和井壁相抵接，分隔封堵煤层以上的干扰地层；

所述内部附件包括第一附件、第二附件和第三附件，所述第一附件使套管内浆体进入封隔装置，所述第二附件使套管内的浆体进入环空带，所述第三附件使内部附件分别和封隔装置、外壳脱离连接状态，且封闭浆体进入环空带位置。

优选的，所述封隔装置包括和筛管相连的中心管，所述中心管和封隔器接头相连，在封隔器接头上设有进液腔，在所述中心管外套设有膨胀胶筒，所述套管内浆体经进液腔进入膨胀胶筒和中心管之间位置，使膨胀胶筒膨胀后和井壁相抵接。

优选的，所述第一附件包括套设在封隔器接头内壁上的球座外壳，在球座外壳上设有和进液腔相连通的进液口，在球座外壳内壁上套设有球座，在球座外壳上设有限位环，在球座上设有卡设在限位环上的球座滑槽，所述球座和限位环经第一销钉相连。

优选的，所述第二附件包括套设在外壳内部的打开塞座，在打开塞座上设有塞座滑槽，所述球座外壳顶部和所述打开塞座的塞座滑槽位置经第二销钉相连，所述打开塞座可沿塞座滑槽相对球座外壳移动，所述球座外壳顶部用于限制打开塞座的移动距离，在外壳上设有第一出液口，所述打开塞座用于封闭或打开外壳上的第一出液口。

优选的，所述第三附件包括套设在外壳内部的可打捞筒，所述可打捞筒和连接装置之间经活动卡接的销块相连，在可打捞筒内壁上设经第三销钉和关闭塞座相连，所述关闭塞座和销块相抵接，所述可打捞筒的底部和球座外壳相连，所述可打捞筒的底部设置在球座外壳和外壳之间位置，所述打开塞座的上部和可打捞筒相抵接，所述打开塞座的下部经第二销钉和球座外壳相连，在可打捞筒上设有和第一出液口相连通的第二出液口；在所述可打捞筒和外壳之间还设有封闭单元，所述封闭单元可跟随可打捞筒移动，用于封闭外壳上的第一出液口。

优选的，所述封闭单元包括套设在外壳和可打捞筒之间的关闭滑套，在所述关闭滑套上设有和第一出液口相连通的第三出液口，在所述关闭滑套上插设有关闭挡块，在所述关闭滑套上设有和关闭挡块相连卡接的卡槽，所述关闭挡块和外壳内壁相抵接，所述关闭滑套可跟随可打捞筒移动，在关闭滑套下方设有释放槽，所述关闭挡块移动至释放槽内使可打捞筒和关闭滑套脱离，所述关闭滑套上的第三出液口移动至和第一出液口相交错位置，以封闭所述第一出液口。

优选的，所述球座的内壁直径＞打开塞座的内壁直径＞关闭塞座的直径。

优选的，所述连接装置包括和外壳相连的上接头，和上接头相连的提升短节，所述关闭塞座设置在上接头位置。

一种用于煤层气水平井的开采方法，包括以下步骤：

s1：首先按自下而上的顺序连接筛管、连接组件和套管，并沿钻井依次下入筛管串、连接组件和套管串，在筛管的最下端连接引鞋；

s2：向井中下完管柱后，连接地面上的水泥头，按照正循环管汇连接水泥头和水泥车输送管路，使水泥头的第一连接管和泥浆管路相连，使水泥头的第二连接管和外部的水泥浆输送管路相连，开泵洗井，达到要求后停泵；

s3：在水泥头内的档杆位置放置座封头后，操作档杆使座封头随泥浆进入井中，泵送座封球到球座位置，座封球抵接到球座位置后，泵车升高压力推动座封球挤压球座，剪断连接球座和限位环的第一销钉，球座在座封球的推动作用下沿球座滑槽下移，球座脱离球座外壳上的进液口，管内泥浆从进液口进入进液腔，泥浆经进液腔充入膨胀胶筒和中心管之间，将膨胀胶筒充起，膨胀胶筒抵接到井壁，完成封隔动作；

s4：继续升高管内泥浆压力，打开塞座受力后剪断第二销钉，打开塞座沿塞座滑槽下移，打开塞座脱离可打捞筒的第二出液口位置，管内泥浆经第二出液口、第三出液口、第一出液口进入环空带，通过水泥头的第二连接管向井中输送水泥浆，水泥浆在压力作用下进入环空带；

s5：当水泥浆充满环空带后，卸开水泥头的上端盖，将关闭胶塞放入水泥头外壳的内腔中，打开水泥头的挡杆，释放关闭胶塞，继续通过第一连接管泵送泥浆，将关闭胶塞泵送至关闭塞座位置，升高管内泥浆压力，关闭塞座受到压力后剪断第三销钉，关闭塞座下移使销块从可打捞筒和上接头之间脱离，关闭塞座推动可打捞筒下移，和可打捞筒连接的球座外壳也同步下移，关闭滑套跟随可打捞筒同步下移，当关闭滑套的销块移动至释放槽位置后，销块和可打捞筒的卡槽脱离卡接状态，关闭滑套抵接到封隔器接头顶部，关闭滑套封闭外壳上的第一出液口，完成注水泥浆固井作业；

s6：等待环空带中的水泥浆凝固后开始打捞内部附件，在钻杆柱下端连接打捞工具，打捞工具的打捞杆插入可打捞筒中，锁住打捞筒后上提钻杆柱，通过打捞工具带出内部附件；

s7：施工结束，实现完井。

优选的，选用可退式打捞矛打捞所述内部附件。

本发明采用上述结构的有益效果是，在完井时向煤层的水平井内下入筛管，通过筛管收集煤层气，在煤层以上的干扰地层下入套管，同时以固井的方式对套管和井壁环空带进行封固，以防止干扰地层对煤层气开发的造成干扰；既可以实现直井段的正常完井，又能保证水平段煤层的无损作业，完全满足了煤层气高效开发的需要，同时满足了现场技术操作的简便可靠性，提高操作的安全性，降低完井成本及后期的开采生产成本。

附图说明

图1为本发明的完井施工第一状态结构示意图。

图2为本发明的完井施工第二状态结构示意图。

图3为本发明的连接组件的结构示意图。

图4为本发明的水泥头的结构示意图。

图5为本发明的关闭胶塞的结构示意图。

图中，1、筛管；2、套管；3、连接组件；4、外壳；401、第一出液口；5、环空带；6、中心管；7、封隔器接头；701、进液腔；8、膨胀胶筒；9、球座外壳；901、进液口；902、球座滑槽；10、球座；11、限位环；12、第一销钉；13、打开塞座；1301、塞座滑槽；14、第二销钉；15、可打捞筒；1501、第二出液口；16、销块；17、第三销钉；18、关闭塞座；19、关闭滑套；1901、第三出液口；20、关闭挡块；21、释放槽；22、上接头；23、提升短节；24、引鞋；25、水泥头；2501、第一连接管；2502、第二连接管；2503、档杆；26、关闭胶塞；27、打捞工具。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1-5所示，一种用于煤层气水平井的开采装置，包括：

筛管1，所述筛管1下入至煤层的水平井位置；

套管2，所述套管2和筛管1相连，下入至直井段位置；

连接组件3，所述连接组件3连接所述筛管1和套管2，所述连接组件3包括封隔装置和可打捞的内部附件，所述封隔装置和外壳4相连，所述外壳4经连接装置和套管2相连；

所述封隔装置用于膨胀后和井壁相抵接，分隔封堵煤层以上的干扰地层；

所述内部附件包括第一附件、第二附件和第三附件，所述第一附件使套管2内浆体进入封隔装置，所述第二附件使套管2内的浆体进入环空带5，所述第三附件使内部附件分别和封隔装置、外壳4脱离连接状态，且封闭浆体进入环空带5位置。

所述封隔装置包括和筛管1相连的中心管6，所述中心管6和封隔器接头7相连，在封隔器接头7上设有进液腔701，在所述中心管6外套设有膨胀胶筒8，所述套管2内浆体经进液腔701进入膨胀胶筒8和中心管6之间位置，使膨胀胶筒8膨胀后和井壁相抵接。

所述第一附件包括套设在封隔器接头7内壁上的球座外壳9，在球座外壳9上设有和进液腔701相连通的进液口901，在球座外壳9内壁上套设有球座10，在球座外壳9上设有限位环11，在球座10上设有卡设在限位环11上的球座滑槽902，所述球座10和限位环11经第一销钉12相连。

所述第二附件包括套设在外壳4内部的打开塞座13，在打开塞座13上设有塞座滑槽1301，所述球座外壳9顶部和所述打开塞座13的塞座滑槽1301位置经第二销钉14相连，所述打开塞座13可沿塞座滑槽1301相对球座外壳9移动，所述球座外壳9顶部用于限制打开塞座13的移动距离，在外壳4上设有第一出液口401，所述打开塞座13用于封闭或打开外壳4上的第一出液口401。

所述第三附件包括套设在外壳4内部的可打捞筒15，所述可打捞筒15和连接装置之间经活动卡接的销块16相连，在可打捞筒15内壁上设经第三销钉17和关闭塞座18相连，所述关闭塞座18和销块16相抵接，所述可打捞筒15的底部和球座外壳9相连，所述可打捞筒15的底部设置在球座外壳9和外壳4之间位置，所述打开塞座13的上部和可打捞筒15相抵接，所述打开塞座13的下部经第二销钉14和球座外壳9相连，在可打捞筒15上设有和第一出液口401相连通的第二出液口1501；在所述可打捞筒15和外壳4之间还设有封闭单元，所述封闭单元可跟随可打捞筒15移动，用于封闭外壳4上的第一出液口401。

所述封闭单元包括套设在外壳4和可打捞筒15之间的关闭滑套19，在所述关闭滑套19上设有和第一出液口401相连通的第三出液口1901，在所述关闭滑套19上插设有关闭挡块20，在所述关闭滑套19上设有和关闭挡块20相连卡接的卡槽，所述关闭挡块20和外壳4内壁相抵接，所述关闭滑套19可跟随可打捞筒15移动，在关闭滑套19下方设有释放槽21，所述关闭挡块20移动至释放槽21内使可打捞筒15和关闭滑套19脱离，所述关闭滑套19上的第三出液口1901移动至和第一出液口401相交错位置，以封闭所述第一出液口401。

为了保证施工操作的顺利进行，所述球座10的内壁直径＞打开塞座13的内壁直径＞关闭塞座18的直径。使投入的座封球能够穿过关闭塞座18和打开塞座13抵接到球座10位置，使管内泥浆压力升高至一定压力值时打开塞座13剪断其连接的第二销钉14，使投入的关闭胶塞能够抵接到关闭塞座18位置。

为了方便和套管2连接，所述连接装置包括和外壳4相连的上接头22，和上接头22相连的提升短节23，所述关闭塞座18设置在上接头22位置。

一种用于煤层气水平井的开采方法，包括以下步骤：

s1：首先按自下而上的顺序连接筛管1、连接组件3和套管2，并沿钻井依次下入筛管串、连接组件3和套管串，在筛管1的最下端连接引鞋24；

s2：向井中下完管柱后，连接地面上的水泥头25，按照正循环管汇连接水泥头25和水泥车26输送管路，使水泥头25的第一连接管2501和泥浆管路相连，使水泥头25的第二连接管2502和外部的水泥浆输送管路相连，开泵洗井，达到要求后停泵；

s3：在水泥头25内的档杆2503位置放置座封头后，操作档杆2503使座封头随泥浆进入井中，泵送座封球到球座10位置，座封球抵接到球座10位置后，泵车升高压力推动座封球挤压球座10，剪断连接球座10和限位环11的第一销钉12，球座10在座封球的推动作用下沿球座滑槽902下移，球座10脱离球座外壳9上的进液口901，管内泥浆从进液口901进入进液腔701，泥浆经进液腔701充入膨胀胶筒8和中心管6之间，将膨胀胶筒8充起，膨胀胶筒8抵接到井壁，完成封隔动作；

s4：继续升高管内泥浆压力，打开塞座13受力后剪断第二销钉14，打开塞座13沿塞座滑槽1301下移，打开塞座13脱离可打捞筒15的第二出液口1501位置，管内泥浆经第二出液口1501、第三出液口1901、第一出液口401进入环空带5，通过水泥头25的第二连接管2502向井中输送水泥浆，水泥浆在压力作用下进入环空带5；

s5：当水泥浆充满环空带5后，卸开水泥头25的上端盖，将关闭胶塞26放入水泥头外壳的内腔中，打开水泥头25的挡杆2503，释放关闭胶塞26，继续通过第一连接管2501泵送泥浆，将关闭胶塞26泵送至关闭塞座18位置，升高管内泥浆压力，关闭塞座18受到压力后剪断第三销钉17，关闭塞座18下移使销块16从可打捞筒15和上接头22之间脱离，关闭塞座18推动可打捞筒15下移，和可打捞筒15连接的球座外壳9也同步下移，关闭滑套19跟随可打捞筒15同步下移，当关闭滑套19的销块16移动至释放槽21位置后，销块16和可打捞筒15的卡槽脱离卡接状态，关闭滑套19抵接到封隔器接头7顶部，关闭滑套19封闭外壳4上的第一出液口401，完成注水泥浆固井作业；

s6：等待环空带5中的水泥浆凝固后开始打捞内部附件，在钻杆柱下端连接打捞工具27，打捞工具27的打捞杆插入可打捞筒15中，锁住打捞筒15后上提钻杆柱，通过打捞工具27带出内部附件；

s7：施工结束，实现完井。

选用可退式打捞矛打捞所述内部附件。所述可退式打捞矛属于现有技术，可直接选用市售产品，方便使用。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。