CN109488264A - 一种适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置及其使用方法，所述装置包括引鞋、回压凡尔和丢手，所述引鞋、回压凡尔和丢手依次组合联结后安装于钻杆下部。由于在钻井过程中不能降低钻井液的比重，若降低容易造成煤层坍圮，使用本发明的装置及方法通过将下管空间与外部钻井液隔离开，因此对外部钻井液比重无特殊要求，大大提升了钻井、下管过程的安全性；由于回压凡尔的阻挡作用，使得上部钻杆内无液体，适合于可下入井底的任意柔性筛管(如：PE筛管)。

Description

一种适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置及 其使用方法

技术领域

本发明涉及煤矿钻探设备技术领域，特别涉及一种适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置及其使用方法。

背景技术

煤矿瓦斯是煤矿，特别是有瓦斯突出的煤矿在生产过程中，从煤岩内涌出的以甲烷为主的各种有害气体的总称，其浓度增大到一定程度会产生各种井下危害，如：(1)瓦斯排采不及时或井下通风不畅，瓦斯聚集浓度达到爆炸临界范围(5-16％)，如遇明火、电火花等会发生燃烧和爆炸，使井下设备损坏和人员伤亡，易造成重、特大事故；(2)煤矿瓦斯的继续集聚能使空气浓度降低至10％以下，严重威胁井下工作人员的呼吸，使井下人员窒息死亡；(3)在煤矿采掘过程中，由于地层压力失衡会发生瓦斯喷出与瓦斯突出，造成重大安全事故，所以在煤矿生产过程中瓦斯检测与预防是煤矿生产的重中之重。瓦斯气体无毒，五味，危害隐蔽性大，检测成本高，井下检测死角多。目前，比较常用且有效的减轻瓦斯危害预防方法是在煤炭开采前先抽采瓦斯，降低井下瓦斯含量，使高瓦斯突出煤矿称为低瓦斯突出煤矿。

随着钻探技术的发展，目前，瓦斯抽放应用最多、技术最先进的成熟的是集束定向钻孔群。即通过一个主孔连接多个定向分支钻孔，其主孔相对集中，分支孔方位呈扇形、花束型或平行在煤层中延伸，成孔后，下入筛管来保护煤层稳定的同时又提供抽采瓦斯通道。通过主孔抽采各连通分支瓦斯，是分支与主孔深度基本相同的钻孔集合。集束定向钻孔群一般在煤层普氏硬度大于1，赋存条件好，地质结构简单，煤层稳定、易成孔的硬质煤中施工。如国内的普城寺河、陕西大佛寺和神华汝箕沟等多采用此类井型，取得良好的抽采效果。对于煤层普氏硬度系数小于1，煤质松软，构造复杂，采用集束定向钻孔群难以成孔。中煤科工集团西安研究院有限公司在焦煤集团九里山矿、淮北朱仙庄及杨柳多家煤矿因煤层松软而施工梳状钻孔代替集束定向钻孔群进行瓦斯抽采。梳状钻孔是在松软煤层的顶板或底板打一系列呈梳状的分支钻穿煤层分段下入筛管成井。采用梳状钻孔比常规高位钻孔出气量大，有一定的优势，从梳状钻孔与煤层接触的面积上看要比集束定向钻孔群低；近期将在淮北设计一口于煤层顶板施工水平分支井，在松软煤层中施工水平井的难度较大，拟采用在松软煤层顶板下入套管后的射孔压裂工艺进行瓦斯抽采。由于抽采管线不与煤层接触，预计抽采效果不如在煤层中直接施工集束定向钻孔群好。

目前，常用的井下筛管有两类：一类是玻璃筛管，一类是PE筛管。两类筛管各有优劣。玻璃筛管硬度、比重都较大，下管时不必考虑钻井液的比重，一旦顺利入井，井下稳定性能，抗压性能好。缺陷是玻璃筛管需要一根一根分段下，上下管之间需要稳固联结，一旦脱口易导致井下事故，甚至分支报废，井下施工风险较大，施工效率低，且施工成本高(约是PE筛管成本的5倍)。玻璃筛管适用于井斜不大、分支较短的分支井或直井，对于软弱煤层尚无使用的先例。由于松软煤层固结差，需要较大密度钻井液来平衡地层压力，维护井壁稳定。PE筛管强度低、比重小于1。对钻井液比重敏感，如果钻井液比重过高，产生浮力大于PE管自重，由于PE管韧性大，强度低，分支过长容易在浮力作用下产生蛇形弯曲，与钻杆臂产生摩擦力和阻力，在浮力与摩擦力综合作用下，导致下管失败。随着钻井技术的发展，集束定向钻孔群必然是井下煤炭瓦斯治理的发展方向，PE管的优势可以在松软煤层集束定向钻孔群中很好的发挥。需要提供一种解决在松软煤层、大井斜、长分支瓦斯井下筛管困难的问题装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置及其使用方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种适用于松软煤层和长分支瓦斯井下PE筛管的装置，包括引鞋、回压凡尔和丢手，所述引鞋、回压凡尔和丢手依次组合联结后安装于钻杆下部。

优选的，所述引鞋为下部带一定弧度的能与所述回压凡尔公称联结的空芯钢管。

优选的，所述回压凡尔包括设置在底部的下部挡板，所述下部挡板上开设有钻井液下入口，所述下部挡板上部固定设有挡球弹簧，所述挡球弹簧上设有挡球托盘，所述挡球托盘上固定有下部挡球，所述下部挡球上方设置有上部挡板，所述上部挡板开设有直径小于所述下部挡球的钻井液上入孔。

优选的，所述丢手通过下部联结与所述回压凡尔的上部相固定连接，所述丢手中部通过滑套固定螺丝固定设置有滑套，所述滑套外部套设有滑套压簧，所述滑套压簧与所述丢手的上部固定相连，所述滑套压簧下部直径大于其上部直径，所述滑套压簧下部直径大于其上部直径的凸出部卡于所述丢手中部内侧的凹槽内，所述滑套抵住所述滑套压簧，所述滑套上部设有楔形结构托住上部挡球，所述滑套压簧的直径大于所述上部挡球的直径，所述丢手上部与钻具的钻杆联结成密闭系统。

优选的，所述下部联结通过公扣螺丝联结于所述回压凡尔上部的母扣螺丝。

优选的，所述滑套下部位于所述滑套固定螺丝上部位置处套设有密封圈，所述滑套上部位于套设有密封圈，所述滑套压簧上部套设有密封圈。

优选的，所述丢手上部的母扣螺丝与钻具的钻杆上的公扣螺丝相连接。

优选的，所述滑套固定螺丝为铜质。

一种所述的适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置的使用方法，包括如下步骤：

(a)将所述引鞋、回压凡尔和丢手依次组合联结后安装于钻杆下部并将安装好的该套装置下入井底；

(b)通过所述钻杆向所述丢手内投入上部挡球；

(c)通过所述钻杆向井内下柔性筛管；

(d)打开井上部的泵向所述钻杆内泵水冲，使所述丢手的上部和中部脱离；

(e)将所述钻杆向上提升一端距离；

(f)继续开泵冲，将锚头冲出所述钻杆,锚头带动柔性筛管头部固定在井内；

(g)将所述钻杆缓慢提出井内即可。

优选的，所述柔性筛管为PE管。

采用上述技术方案，(1)由于在钻井过程中不能降低钻井液的比重，若降低容易造成煤层坍圮，使用本发明的装置通过将下管空间与外部钻井液隔离开，因此对外部钻井液比重无特殊要求，大大提升了钻井、下管过程的安全性；(2)由于回压凡尔2的阻挡作用，使得上部钻杆4内无液体，适合于可下入井底的任意柔性筛管(如：PE筛管)；(3)对井型、分支长度无要求，只要钻具能够下入井底就可以使用本发明的装置；(4)使用本发明的装置提高了下管成功率、降低施工成本；(5)本发明的装置尤其适用于强度不高、下玻璃筛管困难的软弱煤层。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的回压凡尔的结构示意图；

图3为本发明的丢手的结构示意图。

图中，1-引鞋，2-回压凡尔，3-丢手，4-钻杆，201-下部挡板，202-钻井液下入口，203-挡球弹簧，204-挡球托盘，205-下部挡球，301-下部联结，302-滑套固定螺丝，303-滑套，304-滑套压簧，305-上部挡球，306-密封圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

如图1、图2和图3所示，一种适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置，包括引鞋1、回压凡尔2和丢手3，所述引鞋1、回压凡尔2和丢手3依次组合联结后安装于钻杆4下部；

所述引鞋1是下部带一定弧度的能与所述回压凡尔2公称联结的空芯钢管，其作用是引导钻具沿钻井轨迹运动，从而避免钻具进入软弱岩层导致下管失败的情况；

所述回压凡尔2包括设置在底部的下部挡板201，所述下部挡板201上开设有钻井液下入口202，用于建立钻具内钻井液与环空钻井液循环的通道，所述下部挡板201上部固定设有挡球弹簧203，所述挡球弹簧203上设有挡球托盘204，所述挡球托盘204用于顶住固定于挡球托盘204上的下部挡球205，所述下部挡球205上方设置有上部挡板206，所述上部挡板206开设有直径小于所述下部挡球205的钻井液上入孔207，所述挡球弹簧203联结挡球托盘204托住下部挡球205，挡球弹簧203产生弹性力托住下部挡球205阻挡位于下部挡球205上方的钻井液上入孔207，上部钻具在不施加高压钻井液时，环空钻井液通过下部挡球205和上方钻井液上入孔207密封，钻井液无法通过钻井液上入孔207进入上部钻具内，从而保持钻具内清洁；所述回压凡尔2的作用是在下入钻具的过程中阻止井筒内的钻井液进入上部钻具内，在上部钻具内没有高压钻井液的情况下保持上部钻具清洁；一旦在上部钻具内施加的高压钻井液大于所述挡球弹簧203的屈服强度可以使钻具内部钻井液与井筒环空内的钻井液建立循环；

所述丢手3通过下部联结301与所述回压凡尔2的上部相固定连接，优选的，所述下部联结301通过公扣螺丝联结于所述回压凡尔2上部的母扣螺丝，采用此种方式连接，结构简单且能保证有效的固定效果，所述丢手3中部通过滑套固定螺丝302固定设置有滑套303，优选的，所述滑套固定螺丝302为铜质，所述滑套303外部套设有滑套压簧304，所述滑套压簧304与所述丢手3的上部固定相连，所述滑套压簧304下部直径大于其上部直径，所述滑套压簧304下部直径大于其上部直径的凸出部卡于所述丢手3中部内侧的凹槽内，所述滑套303抵住所述滑套压簧304，所述滑套303上部设有楔形结构用于托住上部挡球305，所述滑套压簧304的直径大于所述上部挡球305的直径，便于所述上部挡球305在下压过程中的顺利通过，优选的，所述滑套303下部位于所述滑套固定螺丝302上部位置处套设有密封圈306，所述滑套303上部位于套设有密封圈306，所述滑套压簧304上部套设有密封圈306，通过设置密封圈306进行封闭，使得钻具上下钻井液不能联通，使钻具上部无高压钻井液时保持清洁；所述丢手3上部与钻具的钻杆4联结成密闭系统，优选的，所述丢手3上部的母扣螺丝与钻具的钻杆4上的公扣螺丝相连接，采用此种固定方式结构简单且能保证有效的固定效果；所述丢手3的工作原理为：当高压钻井液通过上部的钻杆4作用于上部挡球305，上部挡球305将压力传导至滑套303，滑套303接受到的作用力作用于滑套固定螺丝302，由于所述滑套固定螺丝302为铜质，铜相较于其他金属材质较软，在承受的力大于一定限度后会被切断，当所述滑套固定螺丝302被切断后所述滑套303脱落通过所述丢手3下部进入所述回压凡尔2上部，丢手3中部的滑套压簧304由于滑套303的脱落失去内部支撑力，从而使得滑套压簧304的凸出部从从丢手3内侧凹槽脱落，从而使得丢手3的上部和中部脱离，使钻杆4内高压钻井液与井筒环空钻井液产生沟通形成钻井液循环，高压钻井液携带上部PE管顺钻杆4通过丢手3上部中央通道压入井底，PE筛管下入后所述引鞋1、回压凡尔2、丢手3的下部和中部以及滑套303留下井底，上部丢手随钻具提离井口。

使用时，将本发明的引鞋1、回压凡尔2和丢手3依次组合联结后安装于钻杆4下部并将安装好的该套装置下入井底，通过钻杆4向丢手3内投入上部挡球305，通过钻杆4向井内下柔性筛管，优选的，所述柔性筛管为PE管，打开井上部的泵向钻杆4内泵水冲，使丢手3的上部和中部脱离，将钻杆4向上提升一端距离，优选的，由于柔性筛管前部锚头为1.2米左右，为了让锚头更容易在水泵的冲击下冲出钻杆4，因此，可将柔性筛管外侧的钻杆4向上提升1.5米左右，继续开泵冲，将锚头冲出钻杆4,锚头带动柔性筛管头部固定在井内，将钻杆4缓慢提出井内即可。

实施例2

一种适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置的使用方法，包括如下步骤：

(a)将本发明的引鞋1、回压凡尔2和丢手3依次组合联结后安装于钻杆4下部并将安装好的该套装置下入井底；

(b)通过钻杆4向丢手3内投入上部挡球305；

(c)通过钻杆4向井内下柔性筛管，优选的，所述柔性筛管为PE管；

(d)打开井上部的泵向钻杆4内泵水冲，使丢手3的上部和中部脱离；

(e)将钻杆4向上提升一端距离，优选的，由于柔性筛管前部锚头为1.2米左右，为了让锚头更容易在水泵的冲击下冲出钻杆4，因此，可将柔性筛管外侧的钻杆4向上提升1.5米左右；

(f)继续开泵冲，将锚头冲出钻杆4,锚头带动柔性筛管头部固定在井内；

(g)将钻杆4缓慢提出井内即可。

采用本发明的装置及方法，(1)由于在钻井过程中不能降低钻井液的比重，若降低容易造成煤层坍圮，使用本发明的装置通过将下管空间与外部钻井液隔离开，因此对外部钻井液比重无特殊要求，大大提升了钻井、下管过程的安全性；(2)由于回压凡尔2的阻挡作用，使得上部钻杆4内无液体，适合于可下入井底的任意柔性筛管(如：PE筛管)；(3)对井型、分支长度无要求，只要钻具能够下入井底就可以使用本发明的装置；(4)使用本发明的装置提高了下管成功率、降低施工成本；(5)本发明的装置尤其适用于强度不高、下玻璃筛管困难的软弱煤层。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置，其特征在于：包括引鞋(1)、回压凡尔(2)和丢手(3)，所述引鞋(1)、回压凡尔(2)和丢手(3)依次组合联结后安装于钻杆(4)下部。

2.根据权利要求1所述的适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置，其特征在于：所述引鞋(1)为下部带一定弧度的能与所述回压凡尔(2)公称联结的空芯钢管。

3.根据权利要求1所述的适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置，其特征在于：所述回压凡尔(2)包括设置在底部的下部挡板(201)，所述下部挡板(201)上开设有钻井液下入口(202)，所述下部挡板(201)上部固定设有挡球弹簧(203)，所述挡球弹簧(203)上设有挡球托盘(204)，所述挡球托盘(204)上固定有下部挡球(205)，所述下部挡球(205)上方设置有上部挡板(206)，所述上部挡板(206)开设有直径小于所述下部挡球(205)的钻井液上入孔(207)。

4.根据权利要求1所述的适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置，其特征在于：所述丢手(3)通过下部联结(301)与所述回压凡尔(2)的上部相固定连接，所述丢手(3)中部通过滑套固定螺丝(302)固定设置有滑套(303)，所述滑套(303)外部套设有滑套压簧(304)，所述滑套压簧(304)与所述丢手(3)的上部固定相连，所述滑套压簧(304)下部直径大于其上部直径，所述滑套压簧(304)下部直径大于其上部直径的凸出部卡于所述丢手(3)中部内侧的凹槽内，所述滑套(303)抵住所述滑套压簧(304)，所述滑套(303)上部设有楔形结构托住上部挡球(305)，所述滑套压簧(304)的直径大于所述上部挡球(305)的直径，所述丢手(3)上部与钻具的钻杆(4)联结成密闭系统。

5.根据权利要求4所述的适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置，其特征在于：所述下部联结(301)通过公扣螺丝联结于所述回压凡尔(2)上部的母扣螺丝。

6.根据权利要求4所述的适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置，其特征在于：所述滑套(303)下部位于所述滑套固定螺丝(302)上部位置处套设有密封圈(306)，所述滑套(303)上部位于套设有密封圈(306)，所述滑套压簧(304)上部套设有密封圈(306)。

7.根据权利要求4所述的适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置，其特征在于：所述丢手(3)上部的母扣螺丝与钻具的钻杆(4)上的公扣螺丝相连接。

8.根据权利要求4所述的适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置，其特征在于：所述滑套固定螺丝(302)为铜质。

9.一种如权利要求1-8中任一所述的适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

(a)将所述引鞋(1)、回压凡尔(2)和丢手(3)依次组合联结后安装于钻杆(4)下部并将安装好的该套装置下入井底；

(b)通过所述钻杆(4)向所述丢手(3)内投入上部挡球(305)；

(c)通过所述钻杆(4)向井内下柔性筛管；

(d)打开井上部的泵向所述钻杆(4)内泵水冲，使所述丢手(3)的上部和中部脱离；

(e)将所述钻杆(4)向上提升一端距离；

(f)继续开泵冲，将锚头冲出所述钻杆(4),锚头带动柔性筛管头部固定在井内；

(g)将所述钻杆(4)缓慢提出井内即可。

10.一种如权利要求9所述的适用于松软煤层长分支瓦斯水平井下柔性筛管的装置的使用方法，其特征在于：所述柔性筛管为PE管。