CN111255376B - 一种煤层气水平井的延伸下套管装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤层气水平井的延伸下套管装置，包括：延伸下套管设备，延伸下套管设备连接在套管串中，延伸下套管设备设有内部附件，内部附件具有打开和关闭两个工作状态；套管串在向下延伸时，内部附件处于关闭状态，能够限制流体经过内部附件,使延伸下套管设备下方的套管串形成水平空气段，套管串的水平空气段设为充斥有空气的密闭状态，延伸下套管设备上方的套管串内设有压力可变的流体，使其形成垂直加重段。本发明既可以解决煤层气现有水平井段长套管下入困难的问题，同时可以按照施工要求实现垂直段井筒的固井作业，固井完成后使用专用打捞工具将内部附件打捞出；利用该装置将套管串分为两段：水平空气段套管、垂直加重段套管。

Description

一种煤层气水平井的延伸下套管装置

技术领域

本发明涉及一种煤层气水平井的延伸下套管装置。

背景技术

随着钻井工艺技术的不断发展，长水平段钻井已成为未来油田开发的趋势，但是长水平段势必会影响套管的下入及完井作业施工，采取行之有效的技术手段保证水平段套管成功下入是后续完井作业顺利实施的前提。近年来，国家对煤层气资源的开发越来越重视，为提高煤层气开采效率，煤层钻井的水平段也越来越长，由于煤层资源埋深的特殊性，限制了钻井的垂直段长度，往往井身的水垂比大于2，这对套管顺利下入及完井工具性能都提出很大的要求。

目前，常规方法中对于这种大位移水平井的套管下入都是采用井口加大顶驱的重量，对套管施加压力，将套管“硬压”进水平段，这种方式不仅对会对套管串造成一定的损伤，而且操作繁琐，影响工程工期进度；同时“硬压”过程产生的激荡压力，对接在管柱上的液压式半程完井工具产生极大的影响，容易造成工具提前工作，无法准确控制完井工具的打开。

所以亟需一套有效的工艺方案及可靠工具措施，既能使水平段套管的顺利下入，又能保证半程固井工具完好，不影响后续的固井施工作业。

发明内容

本发明提供了一种煤层气水平井的延伸下套管装置，其结构设计合理，既可以解决煤层气现有水平井段长套管下入困难的问题，同时可以按照施工要求实现垂直段井筒的固井作业，固井完成后使用专用打捞工具将内部附件打捞出；利用该装置将套管串分为两段：水平空气段套管、垂直加重段套管。水平空气段套管能够产生浮力F，减少水平段套管自重及摩擦力；垂直加重段套管能够利用垂直自重下压水平段套管，水平空气段和垂直加重段的双重作用使套管串的水平段套管能够正常下入，套管成功下入后，井口加压打开水平井延伸下套管设备，实现套管串内外连通，循环排除水平段管内的空气，继续对直井段的半程免钻塞固井作业。该装置和运用技术完全满足煤层气高效开发的需要，极大的降低生产成本，提高了煤层气的开采效率，缩短施工工期，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：一种煤层气水平井的延伸下套管装置，包括：

延伸下套管设备，所述延伸下套管设备连接在套管串中，所述延伸下套管设备设有内部附件，所述内部附件具有打开和关闭两个工作状态；套管串在向下延伸时，所述内部附件处于关闭状态，能够限制流体经过所述内部附件,使所述延伸下套管设备下方的套管串形成水平空气段，套管串的水平空气段设为充斥有空气的密闭状态，使水平空气段在井内具有浮力，所述延伸下套管设备上方的套管串内设有压力可变的流体，使其形成垂直加重段，所述垂直加重段在井内因自重会产生向下的压力；套管串延伸到位后，垂直加重段内的流体压力变大使所述内部附件脱离所述延伸下套管设备，形成打开状态，使套管串的垂直加重段内流体进入所述水平空气段，将水平空气段内的空气排出套管串；所述延伸下套管设备包括套管接箍、细管、变扣接头和下接头，所述套管接箍和细管相连，所述细管和变扣接头相连，所述变扣接头和下接头相连，所述套管接箍和下接头能够分别连接套管串；所述内部附件包括设置在套管接箍内壁的上滑套，所述上滑套和所述套管接箍内壁之间经限位锁块相互卡接，所述上滑套的内部设有防砂帽，在所述内部附件处于关闭状态下，所述防砂帽能够抵在所述限位锁块端部，使上滑套和套管接箍保持连接状态；还包括设置在所述变扣接头内壁的下滑套，所述下滑套经第一剪切销钉和活塞相连，所述活塞和所述下接头内壁相连，所述下滑套的内部设有中心管，所述中心管靠近下滑套的底部设有导向头，所述中心管靠近上滑套的顶部和沉沙筒相连，所述沉沙筒设置在所述防砂帽的内部，所述中心管内设有和沉沙筒相连的沉沙通道；所述上滑套和下滑套之间设有穿过所述中心管的传压通道，所述中心管内还设有循环通道，所述防砂帽设有导流孔，所述导流孔与循环通道和传压通道相互连通，所述传压通道的底部延伸至所述活塞位置，所述循环通道的底部出口连通所述传压通道且贯穿所述中心管壁，在内部附件处于关闭状态下，所述传压通道的底部出口由所述活塞密封，在内部附件处于打开状态下，所述循环通道能够使内部附件的前后连通，使套管串内的流体从循环通道经过；

拦击器，所述拦击器设置在水平空气段的套管串内，用于接收脱离状态的所述内部附件；

堵塞器，所述堵塞器设置在所述水平空气段套管串的端部，所述堵塞器内设有第一单向阀，所述第一单向阀仅允许套管串内部的流体由内向外流动；所述堵塞器的端部设有偏心导向头，所述偏心导向头能够相对堵塞器进行轴向转动，使套管串在向下延伸过程中，所述堵塞器的偏心导向头能够具有旋转前进的状态，使堵塞器在水平空气段的井内能够自动找正；

注水泥设备，所述注水泥设备设置在所述垂直加重段和水平空气段的拐角位置，分别连接套管串的垂直加重段和水平空气段，所述注水泥设备具有两个工作状态，在第一工作状态下，所述注水泥设备能够封隔套管串外壁与井体内壁的间隙，在第二工作状态下，所述注水泥设备能够连通其上方套管串的内外侧，使套管串内的水泥浆进入注水泥设备上方套管串和井体之间空隙，以完成固井动作; 进一步的，所述注水泥设备包括壳体，所述壳体的一端经壳体接头和套管串相连，所述壳体的另一端内壁和胶筒中心管螺纹相连，所述胶筒中心管外设有胶筒，所述胶筒上部设有护套，所述护套和所述壳体的外壁相连，且所述护套和所述壳体外壁形成有环空缝，所述壳体设有和所述环空缝相对应连通的进液孔，所述壳体内设有注水泥中心管，所述注水泥中心管的顶部和打捞筒螺纹相连，所述注水泥中心管的底部和档环相卡接，所述档环设置在所述胶筒中心管的顶端，所述注水泥中心管的下部设有第二剪切销钉，所述第二剪切销钉和设置在注水泥中心管内壁的球座相连，所述第二剪切销钉和所述进液孔相对应设置，所述球座用于抵接投入套管串内的一级座封球，所述一级座封球在流体压力推动下断开第二剪切销钉，使流体经第二剪切销钉的销钉孔进入进液孔和环空缝，所述环空缝和胶筒相连通，使流体进入胶筒和胶筒中心管之间的缝隙，使胶筒膨胀抵在井体内壁，使套管串和井体之间形成封隔状态；

所述注水泥中心管和壳体之间设有关闭滑套，所述关闭滑套经打捞锁块和所述注水泥中心管相卡接，此时所述关闭滑套的底部位于所述进液孔和第二剪切销钉的上方，此时的关闭滑套底部分别于注水泥中心管和壳体形成滑道；且所述注水泥中心管的内部设有打开塞座，所述打开塞座位于所述球座的上方位置，且打开塞座的内孔通过尺寸大于所述球座的内孔通过尺寸，所述打开塞座经第三剪切销钉和注水泥中心管相连，用于密封贯穿水泥循环孔，所述水泥循环孔对应贯穿注水泥中心管、关闭滑套和壳体设置，所述打开塞座用于抵接投入套管串的二级循环打开球，所述二级循环打开球在流体压力推动下断开第三剪切销钉，使套管串内部水泥沿水泥循环孔进入胶筒封隔后的套管串上方和井体之间环空位置，完成固井；

所述注水泥中心管和打捞筒内壁设有关闭塞座，所述打捞锁块的上方位置设有关闭锁块，所述关闭锁块由所述关闭塞座抵接，所述关闭锁块卡接在所述壳体接头内壁，用于限制注水泥中心管相对壳体接头的下移；所述关闭塞座的外壁设有凹槽，所述凹槽位于所述关闭锁块的上方位置，所述关闭塞座和所述注水泥中心管之间设有关闭销钉，所述关闭塞座用于接收关闭胶塞，所述关闭胶塞在流体压力推动下断开关闭销钉，使关闭塞座下行，所述关闭塞座的凹槽下移至关闭锁块位置，释放所述关闭锁块，使所述打捞筒和所述壳体接头相互分离，继续增加流体压力，所述关闭塞座推动注水泥中心管和打捞筒下行，所述关闭滑套在打捞锁块的带动下移动至所述滑道底部，使水泥循环孔关闭；且所述关闭滑套的外壁设有锁簧，所述壳体的内壁设有和锁簧相配合的锁簧槽，在关闭销钉未断开的状态下，所述锁簧位于所述锁簧槽的上方位置，在关闭销钉断开后，关闭滑套下行至水泥循环孔关闭时，所述锁簧下行至所述锁簧槽位置，使锁簧涨入锁簧槽内，使关闭滑套和壳体锁死，水泥循环孔关闭。

进一步的，所述拦击器包括外管和接头，所述外管和接头能够分别连接套管串，所述外管和接头内部相连接位置设有阀座，所述接头内设有第二单向阀所述第二单向阀和阀座的底部相连，所述阀座的顶部和内管相连，所述内管的壁设有若干循环孔，所述内管用于接收配合所述内部附件，所述内部附件的导向头抵到所述内管的底部后，所述活塞在流体压力作用下移动抵在导向头上，使所述循环通道的底部出口和活塞相互分离，所述循环通道的底部出口和所述内管的循环孔相对应连通，使流体能够经过循环孔流动至第二单向阀，进而使流体通过第二单向阀进入后方的套管串内，使流体流动至堵塞器位置，充满整个水平空气段。

进一步的，所述中心管外壁和所述细管内壁之间设有保护套，所述保护套使中心管和所述细管形成抵接状态，且所述循环通道内设有和所述保护套位置对应的加强管，以增加中心管和传压通道的抗变形能力。

进一步的，所述第二单向阀包括阀体、阀芯和复位弹簧，所述阀体和所述阀座的底部相连，所述阀芯设置在所述阀体内，所述阀芯的球头部朝向内管方向设置，所述复位弹簧环绕在所述阀芯杆部外，复位弹簧的两端分别连接阀芯的球头部和阀体，使阀芯在流体压力下能够挤压复位弹簧，沿其杆部轴向线性移动，使流体仅能从内管一侧通过第二单向阀。

进一步的，所述堵塞器包括管接头、延伸管和偏心导向头，所述管接头能够连接套管串，所述延伸管用于连接管接头和偏心导向头；所述延伸管内设有叶轮，所述叶轮经轴承和延伸管内壁相连，所述叶轮和所述偏心导向头相连，使偏心导向头能够跟随叶轮沿轴承转动，所述叶轮包括叶轮轴和扇叶，所述叶轮轴设为中空结构，所述叶轮轴的壁设有多个叶轮孔，所述偏心导向头内部设有和叶轮轴相连通的空腔，所述偏心导向头的偏心面设有和空腔相连通的喷射孔，所述叶轮能够使流体产生旋转离心力沿喷射孔喷出。

进一步的，所述传压通道和所述循环通道沿所述中心管的圆周方向均匀间隔设有多个。

进一步的，所述活塞和所述下滑套设有相互配合的台阶结构，所述内部附件处于关闭状态下，所述活塞和所述下滑套的两个台阶面形成增压腔，所述传压通道的底部出口穿过所述下滑套和所述增压腔相连。

进一步的，所述护套内还设有Y型圈，所述Y型圈仅允许流体从环空缝一侧进入胶筒一侧。

本发明采用上述结构的有益效果是，本装置既可以解决煤层气现有水平井段长套管下入困难的问题，同时可以按照施工要求实现垂直段井筒的固井作业，固井完成后使用专用打捞工具将内部附件打捞出；利用该装置将套管串分为两段：水平空气段套管、垂直加重段套管。水平空气段套管能够产生浮力F，减少水平段套管自重及摩擦力；垂直加重段套管能够利用垂直自重下压水平段套管，水平空气段和垂直加重段的双重作用使套管串的水平段套管能够正常下入，套管成功下入后，井口加压打开水平井延伸下套管设备，实现套管

串内外连通，循环排除水平段管内的空气，继续对直井段的半程免钻塞固井作业。该装置和运用技术完全满足煤层气高效开发的需要，极大的降低生产成本，提高了煤层气的开采效率，缩短施工工期。

另外，本方案中的注水泥设备设为可打捞式免钻塞结构，相比较常规注水泥设备不受液柱压力的影响，完全采用机械式控制，安全可靠，确保工具没有提前动作的风险，施工结束后下入打捞管柱可将内芯捞出，不需要再使用钻塞。

延伸下套管设备的水平空气段套管和垂直加重段套管相互隔离，具有防止砂埋功能，套管下入完成后不会因为泥浆沉降导致压力无法传递至延伸下套管设备内，避免引起无法开启工具的后果；

本方案中的堵塞器采用自旋转式单向结构，偏心导向头具有自旋转功能，实现根据水平段井眼轨迹“自动找正”功能，起到辅助套管下入的作用。

附图说明

图1为本发明的整体使用状态结构示意图。

图2为本发明的延伸下套管设备的半剖结构示意图。

图3为本发明的图2的中心管的俯视结构示意图。

图4为本发明的拦击器的半剖结构示意图。

图5为本发明的堵塞器的半剖结构示意图。

图6为本发明中叶轮的立体结构示意图。

图7为本发明的注水泥设备的半剖结构示意图。

图8为本发明的一级座封球的结构示意图。

图9为本发明的二级循环打开球的结构示意图。

图10为本发明的关闭胶塞的结构示意图。

图中：

1、延伸下套管设备；101、套管接箍；102、细管；103、变扣接头；104、下接头；105、上滑套；106、限位锁块；107、防砂帽；1071、导流孔；108、下滑套；109、第一剪切销钉；110、活塞；111、中心管；112、导向头；113、沉沙筒；114、传压通道；115、循环通道；116、保护套；117、加强管；118、增压腔；119、沉沙通道；

2、套管串；201、水平空气段；202、垂直加重段；

3、拦击器；301、外管；302、接头；303、阀座；304、第二单向阀；3041、阀体；3042、阀芯；3043、复位弹簧；305、内管；3051、循环孔；

4、堵塞器；401、第一单向阀；402、偏心导向头；403、管接头；404、延伸管；405、叶轮；4051、叶轮轴；4052、扇叶；4053、叶轮孔；406、轴承；407、喷射孔；408、摩擦环；409、限位环；410、锁止环；

5、注水泥设备；501、壳体；502、壳体接头；503、胶筒中心管；504、胶筒；505、护套；506、环空缝；507、进液孔；508、注水泥中心管；509、打捞筒；510、档环；511、第二剪切销钉；512、球座；513、一级座封球；514、关闭滑套；515、打捞锁块；516、滑道；517、打开塞座；518、第三剪切销钉；519、水泥循环孔；520、二级循环打开球；521、关闭塞座；5211、凹槽；522、关闭锁块；523、关闭销钉；524、关闭胶塞；525、锁簧；526、锁簧槽；527、Y型圈。

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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

如图1-10所示，一种煤层气水平井的延伸下套管装置，包括：

延伸下套管设备1，所述延伸下套管设备1连接在套管串2中，所述延伸下套管设备1设有内部附件，所述内部附件具有打开和关闭两个工作状态；套管串2在向下延伸时，所述内部附件处于关闭状态，能够限制流体经过所述内部附件,使所述延伸下套管1设备下方的套管串2形成水平空气段201，套管串2的水平空气段201设为充斥有空气的密闭状态，使水平空气段201在井内具有浮力，所述延伸下套管设备1上方的套管串2内设有压力可变的流体，使其形成垂直加重段202，所述垂直加重段202在井内因自重会产生向下的压力；套管串2延伸到位后，垂直加重段202内的流体压力变大使所述内部附件脱离所述延伸下套管设备1，形成打开状态，使套管串2的垂直加重段202内流体进入所述水平空气段201，将水平空气段201内的空气排出套管串2；

所述延伸下套管设备1包括套管接箍101、细管102、变扣接头103和下接头104，所述套管接箍101和细管102相连，所述细管102和变扣接头103相连，所述变扣接头103和下接头104相连，所述套管接箍101和下接头104能够分别连接套管串2；

所述内部附件包括设置在套管接箍101内壁的上滑套105，所述上滑套105和所述套管接箍101内壁之间经限位锁块106相互卡接，所述上滑套105的内部设有防砂帽107，在所述内部附件处于关闭状态下，所述防砂帽107能够抵在所述限位锁块106端部，使上滑套105和套管接箍101保持连接状态；还包括设置在所述变扣接头103内壁的下滑套108，所述下滑套108经第一剪切销钉109和活塞110相连，所述活塞110和所述下接头104内壁相连，所述下滑套108的内部设有中心管111，所述中心管111靠近下滑套108的底部设有导向头112，所述中心管111靠近上滑套105的顶部和沉沙筒113相连，所述沉沙筒113设置在所述防砂帽107的内部，所述中心管111内设有和沉沙筒相连的沉沙通道119；所述上滑套105和下滑套108之间设有穿过所述中心管111的传压通道114，所述中心管111内还设有循环通道115，所述防砂帽107设有导流孔1071，所述导流孔1071与循环通道115和传压通道114相互连通，所述传压通道114的底部延伸至所述活塞110位置，所述循环通道115的底部出口连通所述传压通道114且贯穿所述中心管111壁，在内部附件处于关闭状态下，所述传压通道114的底部出口由所述活塞110密封，在内部附件处于打开状态下，所述循环通道115能够使内部附件的前后连通，使套管串2内的流体从循环通道115经过。本装置既可以解决煤层气现有水平井段长套管下入困难的问题，同时可以按照施工要求实现垂直段井筒的固井作业，固井完成后使用专用打捞工具将内部附件打捞出；利用该装置将套管串2分为两段：水平空气段套管201、垂直加重段202套管。水平空气段201套管能够产生浮力F，减少水平段套管自重及摩擦力；垂直加重段202套管能够利用垂直自重下压水平段套管，水平空气段201和垂直加重段202的双重作用使套管串的水平段套管能够正常下入，套管成功下入后，井口加压打开水平井延伸下套管设备，实现套管串内外连通，循环排除水平段管内的空气，继续对直井段的半程免钻塞固井作业。该装置和运用技术完全满足煤层气高效开发的需要，极大的降低生产成本，提高了煤层气的开采效率，缩短施工工期。

拦击器3，所述拦击器3设置在水平空气段201的套管串2内，用于接收脱离状态的所述内部附件；

堵塞器4，所述堵塞器4设置在所述水平空气段201套管串的端部，所述堵塞器4内设有第一单向阀401，所述第一单向阀401仅允许套管串2内部的流体由内向外流动；所述堵塞器4的端部设有偏心导向头402，所述偏心导向头402能够相对堵塞器4进行轴向转动，使套管串2在向下延伸过程中，所述堵塞器4的偏心导向头402能够具有旋转前进的状态，使堵塞器4在水平空气段201的井内能够自动找正；

注水泥设备5，所述注水泥设备5设置在所述垂直加重段202和水平空气段201的拐角位置，分别连接套管串的垂直加重段202和水平空气段201，所述注水泥设备5具有两个工作状态，在第一工作状态下，所述注水泥设备5能够封隔套管串2外壁与井体内壁的间隙，在第二工作状态下，所述注水泥设备5能够连通其上方套管串2的内外侧，使套管串2内的水泥浆进入注水泥设备5上方套管串2和井体之间空隙，以完成固井动作。

如附图7所示，所述注水泥设备5包括壳体501，所述壳体501的一端经壳体接头502和套管串2相连，所述壳体501的另一端内壁和胶筒中心管503螺纹相连，所述胶筒中心管503外设有胶筒504，所述胶筒504上部设有护套505，所述护套505和所述壳体501的外壁相连，且所述护套505和所述壳体501外壁形成有环空缝506，所述壳体501设有和所述环空缝506相对应连通的进液孔507，所述壳体501内设有注水泥中心管508，所述注水泥中心管508的顶部和打捞筒509螺纹相连，所述注水泥中心管508的底部和档环510相卡接，所述档环510设置在所述胶筒中心管503的顶端，所述注水泥中心管508的下部设有第二剪切销钉511，所述第二剪切销钉511和设置在注水泥中心管508内壁的球座512相连，所述第二剪切销钉511和所述进液孔507相对应设置，所述球座512用于抵接投入套管串2内的一级座封球513，所述一级座封球513在流体压力推动下断开第二剪切销钉511，使流体经第二剪切销钉511的销钉孔进入进液孔507和环空缝506，所述环空缝506和胶筒504相连通，使流体进入胶筒504和胶筒中心管503之间的缝隙，使胶筒504膨胀抵在井体内壁，使套管串2和井体之间形成封隔状态；

08和壳体501之间设有关闭滑套514，所述关闭滑套514经打捞锁块515和所述注水泥中心管508相卡接，此时所述关闭滑套514的底部位于所述进液孔507和第二剪切销钉511的上方，此时的关闭滑套514底部分别于注水泥中心管508和壳体501形成滑道516；且所述注水泥中心管508的内部设有打开塞座517，所述打开塞座517位于所述球座512的上方位置，且打开塞座517的内孔通过尺寸大于所述球座512的内孔通过尺寸，所述打开塞座517经第三剪切销钉518和注水泥中心管508相连，用于密封贯穿水泥循环孔519，所述水泥循环孔519对应贯穿注水泥中心管508、关闭滑套514和壳体501设置，所述打开塞座514用于抵接投入套管串2的二级循环打开球520，所述二级循环打开球520在流体压力推动下断开第三剪切销钉518，使套管串2内部水泥沿水泥循环孔519进入胶筒504封隔后的套管串2上方和井体之间环空位置，完成固井；

所述注水泥中心管508和打捞筒509内壁设有关闭塞座521，所述打捞锁块515的上方位置设有关闭锁块522，所述关闭锁块522由所述关闭塞座521抵接，所述关闭锁块522卡接在所述壳体接头502内壁，用于限制注水泥中心管508相对壳体接头502的下移；所述关闭塞座521的外壁设有凹槽5211，所述凹槽5211位于所述关闭锁块522的上方位置，所述关闭塞座521和所述注水泥中心管508之间设有关闭销钉523，所述关闭塞座521用于接收关闭胶

塞524，所述关闭胶塞524在流体压力推动下断开关闭销钉523，使关闭塞座521下行，所述关闭塞座521的凹槽5211下移至关闭锁块522位置，释放所述关闭锁块522，使所述打捞筒509和所述壳体接头502相互分离，继续增加流体压力，所述关闭塞座521推动注水泥中心管508和打捞筒509下行，所述关闭滑套514在打捞锁块515的带动下移动至所述滑道516底部，使水泥循环孔519关闭；且所述关闭滑套514的外壁设有锁簧525，所述壳体501的内壁设有和锁簧525相配合的锁簧槽526，在关闭销钉523未断开的状态下，所述锁簧525位于所述锁簧槽526的上方位置，在关闭销钉523断开后，关闭滑套514下行至水泥循环孔519关闭时，所述锁簧525下行至所述锁簧槽526位置，使锁簧525涨入锁簧槽526内，使关闭滑套514和壳体501锁死，水泥循环孔519关闭。

另外，本方案中的注水泥设备设为可打捞式免钻塞结构，相比较常规注水泥设备不受液柱压力的影响，完全采用机械式控制，安全可靠，确保工具没有提前动作的风险，施工结束后下入打捞管柱可将内芯捞出，不需要再使用钻塞。

延伸下套管设备1的水平空气段201套管和垂直加重段202套管相互隔离，具有防止砂埋功能，套管下入完成后不会因为泥浆沉降导致压力无法传递至延伸下套管设备内，避免引起无法开启工具的后果；

本方案中的堵塞器4采用自旋转式单向结构，偏心导向头402具有自旋转功能，实现根据水平段井眼轨迹“自动找正”功能，起到辅助套管下入的作用。

在优选的实施例中，如附图4所示，所述拦击器3包括外管301和接头302，所述外管301和接头302能够分别连接套管串2，所述外管301和接头302内部相连接位置设有阀座303，所述接头302内设有第二单向阀304，所述第二单向阀304和阀座303的底部相连，所述阀座303的顶部和内管305相连，所述内管305的壁设有若干循环孔3051，所述内管305用于接收配合所述内部附件，所述内部附件的导向头112抵到所述内管305的底部后，所述活塞110在流体压力作用下移动抵在导向头112上，使所述循环通道115的底部出口和活塞110相互分离，所述循环通道115的底部出口和所述内管305的循环孔3051相对应连通，使流体能够经过循环孔3051流动至第二单向阀304，进而使流体通过第二单向阀304进入后方的套管串2内，使流体流动至堵塞器4位置，充满整个水平空气段201。

在优选的实施例中，如附图2所示，所述中心管111外壁和所述细管102内壁之间设有保护套116，所述保护套116使中心管111和所述细管102形成抵接状态，且所述循环通道115内设有和所述保护套116位置对应的加强管117，以增加中心管111和传压通道114的抗变形能力。

在优选的实施例中，如附图4所示，所述第二单向阀304包括阀体3041、阀芯3042和复位弹簧3043，所述阀体3041和所述阀座303的底部相连，所述阀芯3042设置在所述阀体3041内，所述阀芯3042的球头部朝向内管方向设置，所述复位弹簧3043环绕在所述阀芯3042杆部外，复位弹簧3043的两端分别连接阀芯3042的球头部和阀体3041，使阀芯3042在流体压力下能够挤压复位弹簧3043，沿其杆部轴向线性移动，使流体仅能从内管305一侧通过第二单向阀304。

在优选的实施例中，如附图5所示，所述堵塞器4包括管接头403、延伸管404和偏心导向头402，所述管接头403能够连接套管串2，所述延伸管404用于连接管接头403和偏心导向头402；所述延伸管404内设有叶轮405，所述叶轮405经轴承406和延伸管404内壁相连，所述叶轮405和所述偏心导向头402相连，使偏心导向头402能够跟随叶轮405沿轴承406转动，所述叶轮405包括叶轮轴4051和扇叶4052，所述叶轮轴4051设为中空结构，所述叶轮轴4051的壁设有多个叶轮孔4053，所述偏心导向头402内部设有和叶轮轴4051相连通的空腔，所述偏心导向头402的偏心面设有和空腔相连通的喷射孔407，所述叶轮405能够使流体产生旋转离心力沿喷射孔407喷出，能够清洗套管外的井体内壁，帮助套管更好的前进下入。

值得一提的是，偏心导向头405外设有摩擦环408、限位环409和锁止环410，所述摩擦环408和导向头405的转动位置相接触，所述限位环409用于和延伸管404连接，所述锁止环410用于定位锁死。摩擦环具有较强的抗摩擦能力，能够避免偏心导向头多次转动后造成磨损。

需要说明的是，所述堵塞器4的管接头403设有所述第一单向阀401，所述第一单向阀401使流体仅从管接头403连接的套管串2一侧进入延伸管404的叶轮405一侧，第一单向阀401的结构原理和拦击器3的第二单向阀304相同。

在优选的实施例中，如附图2所示，所述活塞110和所述下滑套108设有相互配合的台阶结构，所述内部附件处于关闭状态下，所述活塞110和所述下滑套108的两个台阶面形成增压腔118，所述传压通道114的底部出口穿过所述下滑套108和所述增压腔118相连。使流体通过传压通道114进入到增压腔118内，提高流体对活塞110的压力推动能力。

在优选的实施例中，如附图7所示，所述护套505内还设有Y型圈527，所述Y型圈527仅允许流体从环空缝506一侧进入胶筒504一侧。

在优选的实施例中，如附图3所示，所述传压通道114和所述循环通道115沿所述中心管111的圆周方向均匀间隔设有多个。

具体使用时，分阶段施工：

施工前准备：落实井眼各项数据。根据数据计算出水平井延伸下套管设备2在套管串2中的接入位置。

下套管阶段：按图1依次接入4、3工具，开始时套管串2内空管下入，利用套管自身重力实现垂直井段下入；当套管串2进入水平段后，水平空气段201具有浮力F和自身重力G1，产生综合摩阻f＝(G1-F)*μ，同时垂直加重段202的套管自身重力G，当G＞f时，套管仍然可以靠自身重力下入。当G＝f时，接入延伸下套管设备1，此后每根套管开始灌入钻井液，此时由于套管内灌入钻井液，加大了垂直加重段的重量，套管继续依靠自重下入，而不用借助外力，直至下入完成。

循环阶段：当套管下入完成后，井口连接管线至泵车，开始打压，作用到延伸下套管设备1上，压力通过防砂帽107，流体进入传压通道114作用到活塞110，剪断第一剪切销钉109，活塞110下行至导向头112上端面，通过中心管111、沉沙筒113带动防砂帽107下行，释放限位锁块106，此时内部附件成为自由状态。同时循环通道115露出，套管串2上下连通，建立循环，在延伸下套管设备1以上的钻井液作用下，内部附件开始下行，推动水平空气段201的管内气体通过拦击器3、堵塞器4后进入套管外环空，最终排出井体。

固井阶段：井口投入一级座封球8，开泵循环，一级座封球8送至球座512内部锥面内形成密封，井口打压，球座512下行剪断第二剪切销钉511，露出进液孔507，套管内泥浆从进液孔进入壳体501与护套505的环空缝506，继而进入封隔器胶筒504，随着压力不断增加，胶筒504膨胀，最终贴紧井壁，形成封隔环，停止打压，由于Y型圈527具有单向密封性，胶筒能够始终处于膨胀状态。井口投入二级循环打开球520，泵送至打开塞座517内部的锥面上，形成密封，继续打压，打开塞座517下行剪断第三剪切销钉518，露出水泥循环孔519，套管内外连通。

行注水泥作业，胶筒504膨胀后与井壁形成的封隔环阻止水泥浆落入水平段的煤层中，使套管串2内部水泥沿水泥循环孔519进入胶筒504封隔后的套管串2上方和井体之间环空位置，注水泥完成后，井口投入关闭胶塞524，下行至关闭塞座521下端内部的凸台上，碰压，继续打压剪断关闭销钉523，直至关闭塞座521下端面与注水泥中心管508上端内侧的台阶接触，此时关闭锁块522释放，落入关闭塞座521外侧的凹槽5211内，打捞筒509与注水泥中心管508组成的结构与壳体接头502分离成自由状态，继续打压，继而通过打捞锁块515带动关闭滑套514下行，关闭水泥循环孔519，同时锁簧525涨入壳体501下端内侧的锁簧槽526内，关闭滑套514与壳体501之间锁死，井口泄压。

打捞阶段：井口下入专用打捞矛，缓慢下放至注水泥设备内，插入关闭塞座521的内孔中，上提打捞矛，关闭塞座521上行至打捞筒509上端内侧的台阶上，关闭塞座521下端面在打捞锁块515的上部，打捞锁块515释放，内部结构与关闭滑套514分离，成为自由状态，继续上提打捞管柱，将打捞筒509与注水泥中心管508组成的内部结构上提出套管，此时工具实现与套管内通径一致，施工结束，专用打捞矛采用现有技术，具体结构在此不作过多赘述。

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。

Claims (8)

1.一种煤层气水平井的延伸下套管装置，其特征在于，包括：

延伸下套管设备，所述延伸下套管设备连接在套管串中，所述延伸下套管设备设有内部附件，所述内部附件具有打开和关闭两个工作状态；套管串在向下延伸时，所述内部附件处于关闭状态，能够限制流体经过所述内部附件,使所述延伸下套管设备下方的套管串形成水平空气段，套管串的水平空气段设为充斥有空气的密闭状态，使水平空气段在井内具有浮力，所述延伸下套管设备上方的套管串内设有压力可变的流体，使其形成垂直加重段，所述垂直加重段在井内因自重会产生向下的压力；套管串延伸到位后，垂直加重段内的流体压力变大使所述内部附件脱离所述延伸下套管设备，形成打开状态，使套管串的垂直加重段内流体进入所述水平空气段，将水平空气段内的空气排出套管串；所述延伸下套管设备包括套管接箍、细管、变扣接头和下接头，所述套管接箍和细管相连，所述细管和变扣接头相连，所述变扣接头和下接头相连，所述套管接箍和下接头能够分别连接套管串；所述内部附件包括设置在套管接箍内壁的上滑套，所述上滑套和所述套管接箍内壁之间经限位锁块相互卡接，所述上滑套的内部设有防砂帽，在所述内部附件处于关闭状态下，所述防砂帽能够抵在所述限位锁块端部，使上滑套和套管接箍保持连接状态；还包括设置在所述变扣接头内壁的下滑套，所述下滑套经第一剪切销钉和活塞相连，所述活塞和所述下接头内壁相连，所述下滑套的内部设有中心管，所述中心管靠近下滑套的底部设有导向头，所述中心管靠近上滑套的顶部和沉沙筒相连，所述沉沙筒设置在所述防砂帽的内部，所述中心管内设有和沉沙筒相连的沉沙通道；所述上滑套和下滑套之间设有穿过所述中心管的传压通道，所述中心管内还设有循环通道，所述防砂帽设有导流孔，所述导流孔与循环通道和传压通道相互连通，所述传压通道的底部延伸至所述活塞位置，所述循环通道的底部出口连通所述传压通道且贯穿所述中心管壁，在内部附件处于关闭状态下，所述传压通道的底部出口由所述活塞密封，在内部附件处于打开状态下，所述循环通道能够使内部附件的前后连通，使套管串内的流体从循环通道经过；

拦击器，所述拦击器设置在水平空气段的套管串内，用于接收脱离状态的所述内部附件；

堵塞器，所述堵塞器设置在所述水平空气段套管串的端部，所述堵塞器内设有第一单向阀，所述第一单向阀仅允许套管串内部的流体由内向外流动；所述堵塞器的端部设有偏心导向头，所述偏心导向头能够相对堵塞器进行轴向转动，使套管串在向下延伸过程中，所述堵塞器的偏心导向头能够具有旋转前进的状态，使堵塞器在水平空气段的井内能够自动找正；

注水泥设备，所述注水泥设备设置在所述垂直加重段和水平空气段的拐角位置，分别连接套管串的垂直加重段和水平空气段，所述注水泥设备具有两个工作状态，在第一工作状态下，所述注水泥设备能够封隔套管串外壁与井体内壁的间隙，在第二工作状态下，所述注水泥设备能够连通其上方套管串的内外侧，使套管串内的水泥浆进入注水泥设备上方套管串和井体之间空隙，以完成固井动作; 所述注水泥设备包括壳体，所述壳体的一端经壳体接头和套管串相连，所述壳体的另一端内壁和胶筒中心管螺纹相连，所述胶筒中心管外设有胶筒，所述胶筒上部设有护套，所述护套和所述壳体的外壁相连，且所述护套和所述壳体外壁形成有环空缝，所述壳体设有和所述环空缝相对应连通的进液孔，所述壳体内设有注水泥中心管，所述注水泥中心管的顶部和打捞筒螺纹相连，所述注水泥中心管的底部和档环相卡接，所述档环设置在所述胶筒中心管的顶端，所述注水泥中心管的下部设有第二剪切销钉，所述第二剪切销钉和设置在注水泥中心管内壁的球座相连，所述第二剪切销钉和所述进液孔相对应设置，所述球座用于抵接投入套管串内的一级座封球，所述一级座封球在流体压力推动下断开第二剪切销钉，使流体经第二剪切销钉的销钉孔进入进液孔和环空缝，所述环空缝和胶筒相连通，使流体进入胶筒和胶筒中心管之间的缝隙，使胶筒膨胀抵在井体内壁，使套管串和井体之间形成封隔状态；

所述注水泥中心管和壳体之间设有关闭滑套，所述关闭滑套经打捞锁块和所述注水泥中心管相卡接，此时所述关闭滑套的底部位于所述进液孔和第二剪切销钉的上方，此时的关闭滑套底部分别于注水泥中心管和壳体形成滑道；且所述注水泥中心管的内部设有打开塞座，所述打开塞座位于所述球座的上方位置，且打开塞座的内孔通过尺寸大于所述球座的内孔通过尺寸，所述打开塞座经第三剪切销钉和注水泥中心管相连，用于密封贯穿水泥循环孔，所述水泥循环孔对应贯穿注水泥中心管、关闭滑套和壳体设置，所述打开塞座用于抵接投入套管串的二级循环打开球，所述二级循环打开球在流体压力推动下断开第三剪切销钉，使套管串内部水泥沿水泥循环孔进入胶筒封隔后的套管串上方和井体之间环空位置，完成固井；

所述注水泥中心管和打捞筒内壁设有关闭塞座，所述打捞锁块的上方位置设有关闭锁块，所述关闭锁块由所述关闭塞座抵接，所述关闭锁块卡接在所述壳体接头内壁，用于限制注水泥中心管相对壳体接头的下移；所述关闭塞座的外壁设有凹槽，所述凹槽位于所述关闭锁块的上方位置，所述关闭塞座和所述注水泥中心管之间设有关闭销钉，所述关闭塞座用于接收关闭胶塞，所述关闭胶塞在流体压力推动下断开关闭销钉，使关闭塞座下行，所述关闭塞座的凹槽下移至关闭锁块位置，释放所述关闭锁块，使所述打捞筒和所述壳体接头相互分离，继续增加流体压力，所述关闭塞座推动注水泥中心管和打捞筒下行，所述关闭滑套在打捞锁块的带动下移动至所述滑道底部，使水泥循环孔关闭；且所述关闭滑套的外壁设有锁簧，所述壳体的内壁设有和锁簧相配合的锁簧槽，在关闭销钉未断开的状态下，所述锁簧位于所述锁簧槽的上方位置，在关闭销钉断开后，关闭滑套下行至水泥循环孔关闭时，所述锁簧下行至所述锁簧槽位置，使锁簧涨入锁簧槽内，使关闭滑套和壳体锁死，水泥循环孔关闭。

2.根据权利要求1所述的一种煤层气水平井的延伸下套管装置，其特征在于，所述拦击器包括外管和接头，所述外管和接头能够分别连接套管串，所述外管和接头内部相连接位置设有阀座，所述接头内设有第二单向阀，所述第二单向阀和阀座的底部相连，所述阀座的顶部和内管相连，所述内管的壁设有若干循环孔，所述内管用于接收配合所述内部附件，所述内部附件的导向头抵到所述内管的底部后，所述活塞在流体压力作用下移动抵在导向头上，使所述循环通道的底部出口和活塞相互分离，所述循环通道的底部出口和所述内管的循环孔相对应连通，使流体能够经过循环孔流动至第二单向阀，进而使流体通过第二单向阀进入后方的套管串内，使流体流动至堵塞器位置，充满整个水平空气段。

3.根据权利要求1所述的一种煤层气水平井的延伸下套管装置，其特征在于，所述中心管外壁和所述细管内壁之间设有保护套，所述保护套使中心管和所述细管形成抵接状态，且所述循环通道内设有和所述保护套位置对应的加强管，以增加中心管和传压通道的抗变形能力。

4.根据权利要求2所述的一种煤层气水平井的延伸下套管装置，其特征在于，所述第二单向阀包括阀体、阀芯和复位弹簧，所述阀体和所述阀座的底部相连，所述阀芯设置在所述阀体内，所述阀芯的球头部朝向内管方向设置，所述复位弹簧环绕在所述阀芯杆部外，复位弹簧的两端分别连接阀芯的球头部和阀体，使阀芯在流体压力下能够挤压复位弹簧，沿其杆部轴向线性移动，使流体仅能从内管一侧通过第二单向阀。

5.根据权利要求2所述的一种煤层气水平井的延伸下套管装置，其特征在于，所述堵塞器包括管接头、延伸管和偏心导向头，所述管接头能够连接套管串，所述延伸管用于连接管接头和偏心导向头；所述延伸管内设有叶轮，所述叶轮经轴承和延伸管内壁相连，所述叶轮和所述偏心导向头相连，使偏心导向头能够跟随叶轮沿轴承转动，所述叶轮包括叶轮轴和扇叶，所述叶轮轴设为中空结构，所述叶轮轴的壁设有多个叶轮孔，所述偏心导向头内部设有和叶轮轴相连通的空腔，所述偏心导向头的偏心面设有和空腔相连通的喷射孔，所述叶轮能够使流体产生旋转离心力沿喷射孔喷出。

6.根据权利要求1所述的一种煤层气水平井的延伸下套管装置，其特征在于，所述传压通道和所述循环通道沿所述中心管的圆周方向均匀间隔设有多个。

7.根据权利要求1所述的一种煤层气水平井的延伸下套管装置，其特征在于，所述活塞和所述下滑套设有相互配合的台阶结构，所述内部附件处于关闭状态下，所述活塞和所述下滑套的两个台阶面形成增压腔，所述传压通道的底部出口穿过所述下滑套和所述增压腔相连。

8.根据权利要求1所述的一种煤层气水平井的延伸下套管装置，其特征在于，所述护套内还设有Y型圈，所述Y型圈仅允许流体从环空缝一侧进入胶筒一侧。

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