CN111878041B - 一种煤层气水平井欠平衡钻井系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层气水平井欠平衡钻井系统及其方法，包括套管、钻杆、导流器、顶驱、脱气阀、水气混合供给单元和三相分离器；本发明的稳定欠平衡钻进是根据钻井液排量和压力调整压缩空气的排量和压力，向钻杆内注入一定比例的压缩空气，压缩空气在远离钻头位置的煤层井眼之上，通过安装在钻杆上的一组脱气阀被脱离出来并迅速膨胀，膨胀后的空气泡上行并持续膨胀，膨胀的气泡会替换或排出同等体积的钻井液，由于压缩空气泡的密度远远小于钻井液的密度，这使环空通道内流体的密度变小，使得环空液柱作用在煤层井眼的压力减小，这就形成了环空液柱作用在煤层井眼的压力小于或近似等于煤层空隙压力的欠平衡或近平衡钻井状态。

Description

一种煤层气水平井欠平衡钻井系统及其方法

技术领域

本发明涉及煤层气开采技术领域，更具体的说是涉及一种在煤层中钻进水平井眼时，通过向远离钻头位置安装一组通过泵压控制开闭井下脱气阀的钻杆，由空压机加注压缩空气来实现煤层中水平井眼稳定的欠平衡钻井系统及其方法。

背景技术

在煤层气开发领域，有一种采用在煤层中钻进不进行压裂改造的水平井实现煤层气开采。由于多数煤层是低孔隙度、低渗透率和低储层压力的煤层，钻井过程中钻井液和钻进时产生的煤粉在环空液柱压力的作用下进入煤层的微细裂缝造成堵塞，致使水平井气产量没有商业价值，甚至部分水平井几乎不产气。

为了降低煤层水平井眼钻进时对煤层造成的伤害和污染，目前常用的一种方法是采用清水加少量添加剂的无固相的清洁钻井液钻进煤层，另一种方法是打一口近端对接垂直井，并通过对接井注入压缩空气进入到水平井眼，来降低钻进时的环空液柱压力，来实现煤层中水平井眼欠平衡钻进。个别地方也曾尝试微泡泥浆体系钻井液和钻杆加气的方法实现降低环空液柱压力，试图实现煤层中水平井眼欠平衡钻进来降低钻井对煤层的伤害，然而都没有获得水平井较高产气量，甚至造成煤层严重污染和煤层井眼严重垮塌，致使钻井完全失败。

由于煤层的地质特性，在煤层中钻进时容易造成煤层污染和垮塌，成功钻进煤层中水平井并减少对煤层的污染是决定产气量高低的关键因素。无固相清洁钻井液无疑减少固相添加剂对低压煤层的侵入污染，对较高渗透率和空隙压力较高的煤层，该方法对煤层污染程度较小，且能够获得理想的气产量，但对储层压力较低的煤层，钻井时产生的煤粉随钻井液的漏失进入煤层并堵塞煤层中的微细裂缝，这对煤层有较大的伤害。微泡无固相钻井液虽然能部分降低环空液柱对煤层的压力，但是钻井液漏失仍然造成对煤层的严重污染，尤其是微泡钻井液使用的化学添加剂，对煤层的伤害更为严重，甚至造成水平井不产气。钻杆加气欠平衡钻井工艺虽然能对高阶煤和固结程度高的煤层能实现欠平衡钻进，但对大多数低阶煤层和松软碎裂煤层是不使用的，原因是这些煤层容易垮塌，再加上压缩空气气泡从钻头流出后会迅速涨大形成冲击波，对煤造成持续的冲击，使原本易垮塌的煤层井眼更加不稳定，垮塌更加严重，甚至埋卡钻具，致使钻井无法正常进行。

通过近端对接的垂直井注入压缩空气是实现煤层中水平井欠平衡钻进较为成功的方法，它既可实现煤层中水平井欠平衡钻进，又能避免上述钻杆加气欠平衡钻进导致井眼垮塌的弊端，但是，该项工艺费用较大，因为，一口近端对接垂直井的施工费用花费近150万元，钻井成本增加了近20％。同时，其结构复杂，对接施工困难。

因此，如何提供一种结构简单、能够降低对煤层污染，且同时能够降低成本、防止加气钻井导致煤层井眼垮塌的水平井眼稳定的欠平衡钻井系统及其方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，旨在解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，用于对水平井眼内的煤层进行钻进开采煤层气；包括：套管、钻杆、导流器、顶驱、脱气阀、水气混合供给单元和三相分离器；

所述套管安装在地面的井口和所述水平井眼的煤层着陆点之间的井眼内；

所述钻杆下放至所述套管内部，且其底端的钻头用于对煤层进行钻进；所述钻杆和套管之间形成环空通道；

所述导流器安装在所述井口的顶部，且用于夹紧或释放所述钻杆，并在所述钻头工作时封堵所述环空通道的顶部；

所述顶驱安装在所述导流器的上方，且用于实现对所述钻杆的下放或提出并提供钻头旋转动力；

所述脱气阀的数量为多个，且等间距安装在所述钻杆靠近所述钻头的一端，并与所述钻头存在间距；多个所述脱气阀的脱气压力由所述钻头一端至另一端依次降低；

所述水气混合供给单元安装在地面上，且用于向所述钻杆内注入混有压缩空气的钻井液；

所述三相分离器安装在地面上，且与所述井口的侧壁连接，并与所述井口的内腔连通，用于对所述环空通道内上行的带有煤粉和空气的钻井液进行三相分离，并对钻井液循环使用。

通过上述技术方案，本发明为了克服无固相钻井液钻井时钻井液和煤粉侵入和微泡钻井液侵入造成对煤层伤害的缺点、为了克服加气钻井导致煤层井眼垮塌的缺点、为了克服实现欠平衡钻井而采用通过近端对接单垂直井注气而费用增加之弊端，本发明提供了一种混有压缩空气的钻井液沿钻杆下行到其上安装有一组脱气阀的位置，通过控制钻井液和压缩空气的供给压力，打开井下脱气阀，使钻井液中混入的压缩空气通过脱气阀被分离出来，并进入钻杆和套管组成的环空通道。脱气后的钻井液继续下行通过钻头排出进入环空通道，并携带钻头破碎煤层产生的煤粉和煤屑上行至脱气阀处与其分离出的压缩空气泡混合并继续上行到井口导流器，井口使环空通道返出的气液固三相混合流进入到三相分离器分离出煤粉和空气，液相钻井液再次进入钻井液循环系统。压缩空气从脱气阀分离出进入环空通道并迅速膨胀形成气泡，这些气泡随钻井液上行并持续膨胀，持续膨胀的空气泡会替换或排出同等体积的钻井液，由于压缩空气泡的密度远远小于钻井液的密度，这使得环空通道内流体的密度变小，使得环空通道液柱作用在煤层上的压力降低。一定比例的压缩空气能使环空通道的流体柱作用在煤层上的压力小于或近似等于煤储层的空隙压力，这样作用在煤层上的压力小于或近似等于煤层的空隙压力，即欠平衡或近平衡钻井状态。在这种状态下钻进煤层井眼，钻井液和钻进时产生的煤粉就不会或很少地侵入煤层微裂缝，也就不会或很少地造成对煤层的伤害，使煤层气井的产量更高。同时，由于压缩空气在远离钻头的位置被脱气阀从钻井液分离出来，没有或很少有压缩空气下行并从钻头流出，不会或很少地对钻头附近的井眼进行扰动，降低钻进时煤层井眼垮塌的风险。另外，若煤层足够稳定，也可通过泵压控制，关闭部分脱气阀，使钻头附近有部分压缩空气流出，迅速膨胀的气泡形成一种持续的冲击波可起到清洗煤层井眼的作用。加入一定比例的压缩空气，可以实现煤层井眼稳定状态下欠平衡钻进煤层，减少钻井液和钻进时所产生的煤粉侵入煤层造成煤层中微小裂缝堵塞和对煤层的伤害，提高水平井的产气量，降低欠平衡钻井成本。

优选的，在上述一种煤层气水平井欠平衡钻井系统中，所述水气混合供给单元包括钻井液管路和压缩空气管路；所述钻井液管路包括泥浆池，以及与所述泥浆池串联的泥浆泵；所述压缩空气管路包括空压机，以及与所述空压机依次串联的第一阀门和单向阀；所述钻井液管路和压缩空气管路并联后串联有第二阀门，并与所述钻杆顶端连通。两条管路能够满足钻井液和压缩空气的混合供给需求。

优选的，在上述一种煤层气水平井欠平衡钻井系统中，所述三相分离器的入口通过第三阀门与所述井口的侧壁连接，液体分离出口与所述泥浆池连接；所述井口侧壁还具有一条循环洗井管路，所述循环洗井管路安装有第四阀门，并与钻井液管路和压缩空气管路并联后的管路连接。能够实现循环洗井作用。

优选的，在上述一种煤层气水平井欠平衡钻井系统中，所述导流器包括壳体和环形胶筒；所述壳体为具有双层侧壁的环形架体；且用于安装在所述井口顶部，并使所述钻杆从其中央的通孔穿过；所述壳体的内侧壁具有周向的环形槽口，所述环形槽口与所述壳体的双层侧壁形成的液体腔连通；所述壳体的外侧壁具有进水口和出水口；所述环形胶筒与所述环形槽口密封固定，且与所述液体腔连通；所述环形胶筒从所述壳体的内侧壁向所述钻杆的安装轴心凸出。

本发明通过注入泵向壳体的液体腔内注入高压水使环形胶筒膨胀，膨胀的环形胶筒抱紧钻杆并密封壳体中央通孔形成的环空，需要开启时，出水口排水，环形胶筒自身收缩开启环空，这样就可以实现钻具正常起下，建立正反循环、流体导流，并防止浅层气突然溢出造成的井喷现象，起到井口防喷的作用，实现钻井正常进行。能够克服目前井口防喷器结构复杂、安装操作困难等缺点，既能实现煤层中水平井眼欠平衡钻进，减少钻井时对煤层的污染，降低采用通过近端对接垂直井注气而增加的钻井成本，也为了克服常规井口防喷器安装困难等缺点，提高水平井的气产量。

优选的，在上述一种煤层气水平井欠平衡钻井系统中，所述壳体包括第一上壳体和第一下壳体；所述第一上壳体包括上法兰盘，以及在所述上法兰盘内圈向下垂直凸起的环形上内侧壁；所述第一下壳体包括下法兰盘，以及在所述下法兰盘内圈垂直向上凸起的环形下内侧壁，和在所述下法兰盘内圈和外圈之间凸起的环形外侧壁；所述环形外侧壁的顶端与所述上法兰盘通过丝扣连接，且使所述环形上内侧壁和环形下内侧壁对应形成所述环形槽口；所述进水口和出水口开设在所述环形外侧壁上；所述进水口安装有进水阀，并连接有注入泵；所述出水口安装有出水阀。通过第一上壳体和第一下壳体的预制成型和固定连接，能够实现壳体的快速制造，生产简单方便。

优选的，在上述一种煤层气水平井欠平衡钻井系统中，所述环形胶筒包括安装部和膨胀部；所述安装部贴合固定在所述液体腔的内壁上，且避让所述进水口和出水口；所述膨胀部为环形结构，且截面为U型，并与所述安装部密封连接形成一体，且从所述环形槽口向所述液体腔外侧凸出。易于环形胶筒的安装，且能够提高其密封性和连接的稳定性。

优选的，在上述一种煤层气水平井欠平衡钻井系统中，所述脱气阀包括第二上壳体、第二下壳体和锥形反射碗；所述第二上壳体为筒体结构，且顶端具有上接头；所述第二上壳体内部同轴间隔布置有中心管，且所述中心管的顶端与所述上接头密封固定并连通；所述第二上壳体的顶部侧壁周向具有多个脱气组件；所述第二下壳体为筒体结构，且顶端与所述第二上壳体的底端密封固定对接，底端具有下接头；所述锥形反射碗卡接固定在所述第二上壳体和第二下壳体的连接处内部，所述锥形反射碗的尖头内部具有与所述中心管对应的锥形凸起，所述锥形凸起与所述中心管存在间隙；所述锥形反射碗周向开设有多个导流孔，所述导流孔与所述第二上壳体和中心管形成的环形脱气腔对应。

本发明提供的脱气阀能够对气液两相混合液进行有效分离，气液两相混合液从中心管向下喷出后遇到锥形反射碗反射成向上的射流体进入环形脱气腔，气体通过重力分离作用得以分离，分离出的高压气泡通过顶开脱气组件排出，经过脱气的液体通过锥形反射碗周围的一组导流孔继续向下流动，脱气效果好；而且可以通过更换不同规格的脱气组件以适应不同压力的气液两相混合液进行脱气，结构简单，连接方便，适用于煤层气开采的井下脱气。

优选的，在上述一种煤层气水平井欠平衡钻井系统中，所述脱气组件安装在所述第二上壳体开设的脱气孔内，包括球座、压盖、钢珠和弹簧；所述球座卡紧在所述脱气孔内，且内部形成阀孔腔体，所述球座朝向所述第二上壳体内部一侧中央具有进气孔；所述压盖卡紧在所述阀孔腔体朝向所述第二上壳体外部一侧，所述压盖中央开设有排气孔；所述钢珠位于所述阀孔腔体内部；所述弹簧固定在所述压盖和钢珠之间，且其弹性力迫使所述钢珠顶紧所述进气孔。本发明可以通过改变脱气组件的弹簧硬度以适应不同压力的气液两相混合液进行脱气，弹簧的硬度越大，能够满足的脱气压力越大，结构简单，连接方便，适用于煤层气开采的井下脱气。

优选的，在上述一种煤层气水平井欠平衡钻井系统中，所述套管的直径为178mm；所述钻杆的直径为89mm；所述钻头的直径为152.4mm；所述脱气阀的数量为3个，且3个所述脱气阀的压力分别为21Mpa、18Mpa和15Mpa；两个相邻的所述脱气阀之间的距离为150-200m，所述钻头和临近其的所述脱气阀的距离为200-1200m。3个脱气阀能够有效满足使用需求。

本发明还提供了一种煤层气水平井欠平衡钻井系统的方法，包括以下步骤：

S1、将钻头下放至水平井眼的煤层着陆点，开启水气混合供给单元，向钻杆内注入混有压缩空气的钻井液，使钻井液压大于脱气阀的最大脱气压力，并使压缩空气压力大于钻井液压力，此时多个脱气阀同时开启，钻头钻进；

S2、当钻头向煤层钻进的距离等于钻头和临近其的脱气阀的距离时，降低钻井液压力至二级脱气阀的压力，同时等比例降低压缩空气的压力；再次使钻头钻进两个相邻的两个脱气阀的距离后，降低钻井液和压缩空气的压力至三级脱气阀的压力并钻进，依此规律重复操作；

S3、当钻进至最低级压力的脱气阀时，使用顶驱提取钻杆并在钻杆的前端对其进行加长，加长的距离与相邻的两个脱气阀的距离的两倍相等；加长后下放钻杆，并重复步骤S1、S2和S3的操作。

通过上述技术方案，本发明的稳定欠平衡钻进是根据钻井液排量和压力调整压缩空气的排量和压力，向钻杆内注入一定比例的压缩空气，压缩空气在远离钻头位置的煤层井眼之上，通过安装在钻杆上的一组脱气阀被脱离出来并迅速膨胀，膨胀后的空气泡上行并持续膨胀，膨胀的气泡会替换或排出同等体积的钻井液，由于压缩空气泡的密度远远小于钻井液的密度，这使环空通道内流体的密度变小，使得环空液柱作用在煤层井眼的压力减小，这就形成了环空液柱作用在煤层井眼的压力小于或近似等于煤层空隙压力的欠平衡或近平衡钻井状态。在这种欠平衡状态钻进煤层井眼，钻井液和钻进时产生的固相颗粒和煤粉就不会或很少侵入煤层微细裂缝，也就不会或很少造成对煤层的伤害，使煤层气井产气量更高。同时，由于压缩空气在远离钻头的位置的煤层井眼之上被脱气阀从钻井液中分离出来，钻头附近没有或很少压缩空气流出，不会和很少对煤层井眼进行扰动，降低了煤层井眼内钻井液扰动导致的井眼不稳定和井眼垮塌的风险。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种煤层气水平井欠平衡钻井系统及其方法，具有以下有益效果：

1、本发明提供的井眼稳定钻进使压缩空气在远离钻头的位置的煤层井眼之上被脱气阀从钻井液分离出来，钻头附近没有或很少压缩空气泄出，不会和很少对煤层中井眼进行扰动，降低煤层井眼内钻井液扰动导致的井眼垮塌风险。若高压空气气泡从钻头泄出时会迅速膨胀并产生持续的冲击波，这种冲击波会对钻头附近井眼和煤层井眼造成强烈冲击和扰动，导致井眼不稳定和垮塌，甚至埋卡井下钻具。

2、本发明的欠平衡或近平衡钻井状态的形成使压缩空气气泡从脱气阀泄出后迅速膨以及上行并持续膨胀，持续膨胀的气泡会替换或排出同等体积的钻井液，由于压缩空气气泡的密度远远小于钻井液的密度，这使得环空通道内流体的密度变小，这样使环空液柱作用在煤层井眼的压力减小，环空钻井液中一定比例的空气气泡就会形成环空液柱作用在煤层井眼的压力小于或近似等于煤层空隙压力，形成欠平衡或近平衡状态，避免和降低钻井液及钻头破碎煤层产生的煤粉侵入煤层裂缝造成对煤层的污染。

3、本发明远离钻头或在煤层井眼之上安装脱气阀就使压缩空气在远离钻头或煤层井眼之上实现脱气，目的是消除高压空气泡在煤层井眼中泄出并迅速膨胀而产生的强烈扰动，这种扰动易造成脱气阀附近井眼煤层稳定性减弱和垮塌。而在煤层之上井眼下套管固定井眼，能够抵御高压气泡泄出形成的扰动隐患。脱气后的钻井液继续下行通过钻头排出进入环空通道不会造成钻头附近和煤层井眼的不稳定。

4、本发明的压缩空气比例是根据地层压力和设计要求达到的欠平衡状态，根据泥浆泵的排量和压力，调整空压机的排量和压力，把压缩空气加注到钻杆内，通过位于煤层井眼之上的脱气阀脱气，使压缩空气泡进入环空通道，形成环空液柱作用到煤层井眼的压力小于或近似等于煤层空隙压力的欠平衡或近平衡状态钻进煤层。在这种欠平衡或近平衡钻进状态，钻井液和钻进时产生的煤粉就不会或很少侵入煤层微裂缝，也就不会或很少造成对煤层的伤害，使煤层气井产气量更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的煤层气水平井欠平衡钻井系统的结构示意图；

图2附图为本发明提供的导流器的结构剖视图；

图3附图为本发明提供的第一上壳体的结构剖视图；

图4附图为本发明提供的第一下壳体的结构剖视图；

图5附图为本发明提供的环形胶筒的结构剖视图；

图6附图为本发明提供的脱气阀结构和原理的示意图；

图7附图为本发明提供的脱气阀结构的分解图；

图8附图为本发明提供的脱气组件的结构示意图。

其中：

1-水平井眼；

2-套管；

3-钻杆；

31-钻头；

32-环空通道；

4-导流器；

41-壳体；

411-第一上壳体；

4111-上法兰盘；

4112-环形上内侧壁；

412-第一下壳体；

4121-下法兰盘；

4122-环形下内侧壁；

4123-环形外侧壁；

4124-进水口；

4125-出水口；

413-环形槽口；

414-液体腔；

42-环形胶筒；

421-安装部；

422-膨胀部；

43-螺栓；

44-进水阀；

45-出水阀；

46-注入泵；

5-顶驱；

6-脱气阀；

61-第二上壳体；

611-上接头；

612-中心管；

613-脱气组件；

6131-球座；

6132-压盖；

6133-钢珠；

6134-弹簧；

6135-进气孔；

6136-排气孔；

614-环形脱气腔；

62-第二下壳体；

621-下接头；

622-环形卡槽；

63-锥形反射碗；

631-导流孔；

632-锥形凸起；7-水气混合供给单元；

71-钻井液管路；

711-泥浆池；

712-泥浆泵；

72-压缩空气管路；

721-空压机；

722-第一阀门；

723-单向阀；

73-第二阀门；

8-三相分离器；

81-第三阀门；

9-井口；

91-气体回收管路；

92-第四阀门。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1至附图8，本发明实施例公开了一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，用于对水平井眼1内的煤层进行钻进开采煤层气；包括：套管2、钻杆3、导流器4、顶驱5、脱气阀6、水气混合供给单元7和三相分离器8；

套管2安装在地面的井口9和水平井眼1的煤层着陆点之间的井眼内；

钻杆3下放至套管2内部，且其底端的钻头31用于对煤层进行钻进；钻杆3和套管2之间形成环空通道32；

导流器4安装在井口9的顶部，且用于夹紧或释放钻杆3，并在钻头31工作时封堵环空通道32的顶部；

顶驱5安装在导流器4的上方，且用于实现对钻杆3的下放或提出并提供钻头旋转动力；

脱气阀的6数量为多个，且等间距安装在钻杆3靠近钻头31的一端，并与钻头31存在间距；多个脱气阀6的脱气压力由钻头31一端至另一端依次降低；

水气混合供给单元7安装在地面上，且用于向钻杆3内注入混有压缩空气的钻井液；

三相分离器8安装在地面上，且与井口9的侧壁连接，并与井口9的内腔连通，用于对环空通道32内上行的带有煤粉和空气的钻井液进行三相分离，并对钻井液循环使用。

为了进一步优化上述技术方案，水气混合供给单元7包括钻井液管路71和压缩空气管路72；钻井液管路71包括泥浆池711，以及与泥浆池711串联的泥浆泵712；压缩空气管路72包括空压机721，以及与空压机721依次串联的第一阀门722和单向阀723；钻井液管路71和压缩空气管路72并联后串联有第二阀门73，并与钻杆3顶端连通。

为了进一步优化上述技术方案，三相分离器8的入口通过第三阀门81与井口9的侧壁连接，液体分离出口与泥浆池711连接；井口9侧壁还具有一条循环洗井管路91，循环洗井管路91安装有第四阀门92，并与钻井液管路71和压缩空气管路72并联后的管路连接。

为了进一步优化上述技术方案，导流器4包括壳体41和环形胶筒42；壳体41为具有双层侧壁的环形架体；且用于安装在井口9顶部，并使钻杆3从其中央的通孔穿过；壳体41的内侧壁具有周向的环形槽口413，环形槽口413与壳体41的双层侧壁形成的液体腔414连通；壳体41的外侧壁具有进水口4124和出水口4125；环形胶筒42与环形槽口413密封固定，且与液体腔414连通；环形胶筒42从壳体41的内侧壁向钻杆3的安装轴心凸出。

为了进一步优化上述技术方案，壳体41包括第一上壳体411和第一下壳体412；第一上壳体41包括上法兰盘4111，以及在上法兰盘4111内圈向下垂直凸起的环形上内侧壁4112；第一下壳体412包括下法兰盘4121，以及在下法兰盘4121内圈垂直向上凸起的环形下内侧壁4122，和在下法兰盘4121内圈和外圈之间凸起的环形外侧壁4123；环形外侧壁4123的顶端与上法兰盘4111通过丝扣连接，且使环形上内侧壁4112和环形下内侧壁4122对应形成环形槽口413；进水口4124和出水口4125开设在环形外侧壁4123上；进水口4124安装有进水阀44，并连接有注入泵46；出水口4125安装有出水阀45。

为了进一步优化上述技术方案，环形胶筒42包括安装部421和膨胀部422；安装部421贴合固定在液体腔414的内壁上，且避让进水口4124和出水口4125；膨胀部422为环形结构，且截面为U型，并与安装部421密封连接形成一体，且从环形槽口413向液体腔414外侧凸出。

为了进一步优化上述技术方案，下法兰盘4121通过螺栓43与井口9紧固连接。

为了进一步优化上述技术方案，环形外侧壁4123的顶端与上法兰盘4111焊接固定。

导流器4的使用方法为：将下法兰盘4121通过螺栓43与井口9固定，此时，壳体41的液体腔414内不注入液体，下放钻杆3，下放完成后，通过注入泵46向壳体41的液体腔414内注入高压水使环形胶筒42膨胀，膨胀的环形胶筒42抱紧钻杆3并密封壳体41中央通孔形成的环空，需要开启时，打开出水阀45排水，环形胶筒42自身收缩开启环空，这样就可以实现钻杆3正常起下，建立正反循环、流体导流，并防止浅层气突然溢出造成的井喷现象，起到井口防喷的作用，实现钻井正常进行。

为了进一步优化上述技术方案，脱气阀6包括第二上壳体61、第二下壳体62和锥形反射碗63；第二上壳体61为筒体结构，且顶端具有上接头611；第二上壳体61内部同轴间隔布置有中心管612，且中心管612的顶端与上接头611密封固定并连通；第二上壳体61的顶部侧壁周向具有多个脱气组件613；第二下壳体62为筒体结构，且顶端与第二上壳体61的底端密封固定对接，底端具有下接头621；锥形反射碗63卡接固定在第二上壳体61和第二下壳体62的连接处内部，锥形反射碗63的尖头内部具有与中心管612对应的锥形凸起632，锥形凸起632与中心管612存在间隙；锥形反射碗63周向开设有多个导流孔631，导流孔631与第二上壳体61和中心管612形成的环形脱气腔614对应。

为了进一步优化上述技术方案，脱气组件613安装在第二上壳体61开设的脱气孔内，包括球座6131、压盖6132、钢珠6133和弹簧6134；球座6131卡紧在脱气孔内，且内部形成阀孔腔体，球座6131朝向第二上壳体61内部一侧中央具有进气孔6135；压盖6132卡紧在阀孔腔体朝向第二上壳体61外部一侧，压盖6132中央开设有排气孔6136；钢珠6133位于阀孔腔体内部；弹簧6134固定在压盖6132和钢珠6133之间，且其弹性力迫使钢珠6133顶紧进气孔6135。

为了进一步优化上述技术方案，第二上壳体61的顶端为口径逐渐缩小的变径结构，且其最小口径等于上接头611的口径尺寸。

为了进一步优化上述技术方案，脱气组件613布置在倾斜面上，呈120°相位分布。

为了进一步优化上述技术方案，第二下壳体62的底端为口径逐渐缩小的变径结构，且其最小口径等于下接头621的口径尺寸。

为了进一步优化上述技术方案，第二下壳体62的内壁上方具有用于卡接锥形反射碗63侧壁的环形卡槽622，锥形反射碗63的侧壁顶沿与第二上壳体61的底沿顶紧贴合，锥形反射碗63的侧壁底沿与环形卡槽622的底沿顶紧贴合。

为了进一步优化上述技术方案，第二上壳体61和第二下壳体62之间通过焊接固定或丝扣连接。

为了进一步优化上述技术方案，第二上壳体61和第二下壳体62的外壁平滑过渡连接。

脱气阀的工作原理为：参见附图6，气液两相混合液，通过图中单独的虚线尖头表示，从中心管612向下喷出后遇到锥形反射碗63反射成向上的射流体进入环形脱气腔614，气相流由图中的带有虚线圆圈的虚线尖头表示，通过重力分离作用得以分离；分离出的高压气泡通过顶开脱气组件613的钢珠6133，从进气孔6135进入，由排气孔6136排出；经过脱气的液相流，通过实线箭头表示，通过锥形反射碗63周围的一组导流孔631继续向下流动，以此实现气液的分离。

为了进一步优化上述技术方案，套管2的直径为178mm；钻杆3的直径为89mm；钻头31的直径为152.4mm；脱气阀6的数量为3个，且3个脱气阀6的压力分别为21Mpa、18Mpa和15Mpa；两个相邻的脱气阀6之间的距离为150-200m，钻头31和临近其的脱气阀6的距离为200-1200m。

本发明提供的煤层气水平井欠平衡钻井系统的方法包括以下步骤：

S1、将钻头31下放至水平井眼1的煤层着陆点，开启水气混合供给单元7，向钻杆3内注入混有压缩空气的钻井液，使钻井液压力大于脱气阀6的最大脱气压力，并使压缩空气压力大于钻井液压力，此时多个脱气阀6同时开启，钻头31钻进；

S2、当钻头31向煤层钻进的距离等于钻头31和临近其的脱气阀6的距离时，降低钻井液压力至二级脱气阀6的压力，同时等比例降低压缩空气的压力；再次使钻头31钻进两个相邻的两个脱气阀6的距离后，降低钻井液和压缩空气的压力至三级脱气阀6的压力并钻进，依此规律重复操作；

S3、当钻进至最低级压力的脱气阀6时，使用顶驱5提取钻杆3并在钻杆3的前端对其进行加长，加长的距离与相邻的两个脱气阀6的距离的两倍相等；加长后下放钻杆3，并重复步骤S1、S2和S3的操作。

具体的，以实际的操作情况为例：

安装一组脱气阀6是在开始钻进煤层中水平井眼1时，在89mm钻杆3上，距152.4mm的钻头150-200m安装一只21MPa(高压)的脱气阀，距第一只脱气阀(高压)150-200m位置安装一只18MPa(中压)脱气阀，距第二只脱气阀(中压)150-200m位置安装一只15MPa(低压)脱气阀，然后下钻到着陆点附近开始钻进煤层中水平井眼1。

开启泥浆泵712使泵压达到21MPa，此时，井下三只脱气阀6的脱气组件613同时开启，这时开启空压机721使压缩空气压力略微高于泥浆泵712压力，使压缩空气得以按设计比例进入钻杆3。当压缩空气随钻井液沿钻钻杆3下行到脱气阀6时，三只脱气阀6分离出的高压空气泡进入由钻杆3和套管2构成的环空通道32。

当钻进煤层150-200米时，也就是第一只(高压)脱气阀即将进入煤层水平井眼1时，调整泥浆泵712排量降低泵压到18MPa，这时高压脱气阀的脱气组件613关闭，中压和低压脱气阀处于开启状态，调整空压机721压缩空气排量，使进入到钻杆3的气液比例保持基本稳定，维持作用在煤层的欠平衡压力基本稳定状态钻进。

当再钻进150-200米时，高压脱气阀已进入煤层约150-200m，也就是第二只(中压)脱气阀即将计入煤层水平井眼1时，调整泥浆泵712排量降低泵压到15MPa，这时中压脱气阀的脱气组件613关闭，此时低压脱气阀处于开启状态，高压脱气阀处于关闭状态，再次调整空压机721压缩空气排量，使进入到钻杆3的气液比例保持基本稳定，维持作用在煤层的欠平衡压力基本稳定状态钻进。

通过逐个关闭高压和中压脱气阀，既可保持整段煤层井眼相对稳定，又能提高钻井速度，降低钻工劳动强度，节约钻井时间和钻井成本，又能实现欠平衡钻进煤层井眼，保护煤层不被伤害，也能避免仅安装一只脱气阀造成频繁起下钻杆来调整脱气阀位置。

当钻进到低压脱气阀即将煤层井眼时，此时可停止钻进并起下钻杆3，在高压脱气阀之下再加接上150-200m钻杆，重复以上步骤，进行煤层井眼钻进。根据水平井眼1设计的长短和钻井其它工艺要求，可调整井下脱气阀6位置和间距，加接钻杆，调整气液比例，调整泵压开启或关闭井下脱气阀6，实现煤层井眼欠平衡状态下高效科学钻进，降低成本，提高煤层气井产量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，其特征在于，用于对水平井眼(1)内的煤层进行钻进开采煤层气；包括：套管(2)、钻杆(3)、导流器(4)、顶驱(5)、脱气阀(6)、水气混合供给单元(7)和三相分离器(8)；

所述套管(2)安装在地面的井口(9)和所述水平井眼(1)的煤层着陆点之间的井眼内；

所述钻杆(3)下放至所述套管(2)内部，且其底端的钻头(31)用于对煤层进行钻进；所述钻杆(3)和套管(2)之间形成环空通道(32)；

所述导流器(4)安装在所述井口(9)的顶部，且用于夹紧或释放所述钻杆(3)，并在所述钻头(31)工作时封堵所述环空通道(32)的顶部；

所述顶驱(5)安装在所述导流器(4)的上方，且用于实现对所述钻杆(3)的下放或提出并提供钻头旋转动力；

所述脱气阀(6)的数量为多个，且等间距安装在所述钻杆(3)靠近所述钻头(31)的一端，并与所述钻头(31)存在间距；多个所述脱气阀(6)的脱气压力由所述钻头(31)一端至另一端依次降低；所述脱气阀(6)包括第二上壳体(61)、第二下壳体(62)和锥形反射碗(63)；所述第二上壳体(61)为筒体结构，且顶端具有上接头(611)；所述第二上壳体(61)内部同轴间隔布置有中心管(612)，且所述中心管(612)的顶端与所述上接头(611)密封固定并连通；所述第二上壳体(61)的顶部侧壁周向具有多个脱气组件(613)；所述第二下壳体(62)为筒体结构，且顶端与所述第二上壳体(61)的底端密封固定对接，底端具有下接头(621)；所述锥形反射碗(63)卡接固定在所述第二上壳体(61)和第二下壳体(62)的连接处内部，所述锥形反射碗(63)的尖头内部具有与所述中心管(612)对应的锥形凸起(632)，所述锥形凸起(632)与所述中心管(612)存在间隙；所述锥形反射碗(63)周向开设有多个导流孔(631)，所述导流孔(631)与所述第二上壳体(61)和中心管(612)形成的环形脱气腔(614)对应；

所述水气混合供给单元(7)安装在地面上，且用于向所述钻杆(3)内注入混有压缩空气的钻井液；

所述三相分离器(8)安装在地面上，且与所述井口(9)的侧壁连接，并与所述井口(9)的内腔连通，用于对所述环空通道(32)内上行的带有煤粉和空气的钻井液进行三相分离，并对钻井液循环使用。

2.根据权利要求1所述的一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，其特征在于，所述水气混合供给单元(7)包括钻井液管路(71)和压缩空气管路(72)；所述钻井液管路(71)包括泥浆池(711)，以及与所述泥浆池(711)串联的泥浆泵(712)；所述压缩空气管路(72)包括空压机(721)，以及与所述空压机(721)依次串联的第一阀门(722)和单向阀(723)；所述钻井液管路(71)和压缩空气管路(72)并联后串联有第二阀门(73)，并与所述钻杆(3)顶端连通。

3.根据权利要求2所述的一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，其特征在于，所述三相分离器(8)的入口通过第三阀门(81)与所述井口(9)的侧壁连接，液体分离出口与所述泥浆池(711)连接；所述井口(9)侧壁还具有一条循环洗井管路(91)，所述循环洗井管路(91)安装有第四阀门(92)，并与所述钻井液管路(71)和压缩空气管路(72)并联后的管路连接。

4.根据权利要求1所述的一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，其特征在于，所述导流器(4)包括壳体(41)和环形胶筒(42)；所述壳体(41)为具有双层侧壁的环形架体；且用于安装在所述井口(9)顶部，并使所述钻杆(3)从其中央的通孔穿过；所述壳体(41)的内侧壁具有周向的环形槽口(413)，所述环形槽口(413)与所述壳体(41)的双层侧壁形成的液体腔(414)连通；所述壳体(41)的外侧壁具有进水口(4124)和出水口(4125)；所述环形胶筒(42)与所述环形槽口(413)密封固定，且与所述液体腔(414)连通；所述环形胶筒(42)从所述壳体(41)的内侧壁向所述钻杆(3)的安装轴心凸出。

5.根据权利要求4所述的一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，其特征在于，所述壳体(41)包括第一上壳体(411)和第一下壳体(412)；所述第一上壳体(411)包括上法兰盘(4111)，以及在所述上法兰盘(4111)内圈向下垂直凸起的环形上内侧壁(4112)；所述第一下壳体(412)包括下法兰盘(4121)，以及在所述下法兰盘(4121)内圈垂直向上凸起的环形下内侧壁(4122)，和在所述下法兰盘(4121)内圈和外圈之间凸起的环形外侧壁(4123)；所述环形外侧壁(4123)的顶端与所述上法兰盘(4111)通过丝扣连接，且使所述环形上内侧壁(4112)和环形下内侧壁(4122)对应形成所述环形槽口(413)；所述进水口(4124)和出水口(4125)开设在所述环形外侧壁(4123)上；所述进水口(4124)安装有进水阀(44)，并连接有注入泵(46)；所述出水口(4125)安装有出水阀(45)。

6.根据权利要求4或5所述的一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，其特征在于，所述环形胶筒(42)包括安装部(421)和膨胀部(422)；所述安装部(421)贴合固定在所述液体腔(414)的内壁上，且避让所述进水口(4124)和出水口(4125)；所述膨胀部(422)为环形结构，且截面为U型，并与所述安装部(421)密封连接形成一体，且从所述环形槽口(413)向所述液体腔(414)外侧凸出。

7.根据权利要求1所述的一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，其特征在于，所述脱气组件(613)安装在所述第二上壳体(61)开设的脱气孔内，包括球座(6131)、压盖(6132)、钢珠(6133)和弹簧(6134)；所述球座(6131)卡紧在所述脱气孔内，且内部形成阀孔腔体，所述球座(6131)朝向所述第二上壳体(61)内部一侧中央具有进气孔(6135)；所述压盖(6132)卡紧在所述阀孔腔体朝向所述第二上壳体(61)外部一侧，所述压盖(6132)中央开设有排气孔(6136)；所述钢珠(6133)位于所述阀孔腔体内部；所述弹簧(6134)固定在所述压盖(6132)和钢珠(6133)之间，且其弹性力迫使所述钢珠(6133)顶紧所述进气孔(6135)。

8.根据权利要求1所述的一种煤层气水平井欠平衡钻井系统，其特征在于，所述套管(2)的直径为178mm；所述钻杆(3)的直径为89mm；所述钻头(31)的直径为152.4mm；所述脱气阀(6)的数量为3个，且3个所述脱气阀(6)的压力分别为21Mpa、18Mpa和15Mpa；两个相邻的所述脱气阀(6)之间的距离为150-200m，所述钻头(31)和临近其的所述脱气阀(6)的距离为200-1200m。

9.一种权利要求1-8任一项所述的煤层气水平井欠平衡钻井系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将钻头(31)下放至水平井眼(1)的煤层着陆点，开启水气混合供给单元(7)，向钻杆(3)内注入混有压缩空气的钻井液，使钻井液压力大于脱气阀(6)的最大脱气压力，并使压缩空气压力大于钻井液压力，此时多个脱气阀(6)同时开启，钻头(31)钻进；

S2、当钻头(31)向煤层钻进的距离等于钻头(31)和临近其的脱气阀(6)的距离时，降低钻井液压力至二级脱气阀(6)的压力，同时等比例降低压缩空气的压力；再次使钻头(31)钻进两个相邻的两个脱气阀(6)的距离后，降低钻井液和压缩空气的压力至三级脱气阀(6)的压力并钻进，依此规律重复操作；

S3、当钻进至最低级压力的脱气阀(6)时，使用顶驱(5)提取钻杆(3)并在钻杆(3)的前端对其进行加长，加长的距离与相邻的两个脱气阀(6)的距离的两倍相等；加长后下放钻杆(3)，并重复步骤S1、S2和S3的操作。

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