煤层气开采中清理直井口袋中的沉积物的方法

摘要

本发明提供一种煤层气开采中清理直井口袋中的沉积物的方法，包括：(1)从地面向下钻一口直井；(2)在钻透目标煤层之后继续钻进以形成口袋；(3)扩孔以形成洞穴；(4)使直井的井筒中充满清水；(5)将充填沙投入所述直井的井筒的清水中，并使充填沙在所述口袋中沉积压实，直至充填沙充满所述口袋，其顶表面达到洞穴的底端至洞穴顶端的范围内；(6)在与直井相隔常规距离的位置处钻出一口水平井，使该水平井与直井的洞穴相连通，并且进一步钻进形成多分支水平井；(7)在形成多分支水平井和直井之后，将口袋中的充填沙和沉积物捞取出来。采用本发明的方法能够提高捞砂速度，也可确保水平段井眼不被捞取物堵塞。

说明书

技术领域

本发明涉及煤层气开采中清理直井口袋中的沉积物的方法，在开采煤层气处打出一口直井，在钻透目标煤层之后，继续钻进以在直井的下端形成用于收集沉积物的口袋；在直井与目标煤层相对应的部分处进行扩孔以形成洞穴；在与直井相隔常规距离位置，钻出与直井洞穴相连通的水平井；在煤层气开采投产前将钻水平井时掉落到口袋中的沉积物取出以清空口袋和投产后排采过程中对直井口袋中的沉积物进行清理。

背景技术

在煤层气多分支水平井、U型井的钻井工程中，通常在准备开采煤层气的位置处向下钻一口直井，并在钻进煤层段之后，继续向下钻入足够的深度以形成直井的口袋。在直井与煤层段相对应的部分处进行扩孔以形成洞穴。由于口袋位于直井井筒的最下端，所以可用于在开采煤层气过程中收集沉积下来的砂石、岩屑、煤块等沉积物，从而保持排采作业的连续性。

然后，在与直井相隔常规距离处钻一口多分支水平井。在钻水平井的过程中，先从地面沿竖直方向向下打井，到达一定深度后造斜从而逐渐过渡成沿水平方向朝向直井的位置延伸，使得水平井与直井在直井的洞穴处相互连通，之后继续向目标煤层钻进并形成多分支水平井。

在钻水平井过程中，通常采用钻井立柱钻入目标煤层中而形成水平井。同时，需要将钻井液注入钻井立柱的空腔中，并使得钻井液流过钻井立柱的空腔到达水平井当时的尽头，然后从钻井立柱与水平通道之间的环空中返回，由此实现钻井液在钻井立柱中的循环流动。

该循环流动的目的在于冲洗钻井过程中形成的砂石、岩屑、煤块等沉积物，并将这些沉积物夹带在钻井液中以返回到地面，然后从井口的过滤器一般为震动筛处流出过滤，以备循环使用。

如上文所述的口袋位于直井的最下端，直井中与水平井相互连通的洞穴位于所述口袋的上方，因此在水平井钻井过程中，夹带在钻井液中的沉积物在流经洞穴时大块的砂石、岩屑和煤块会掉落到洞穴中。由于口袋在煤层气开采过程中具有收集沉积物保持产气通道畅通的作用，所以必须在开采煤层气之前将掉落到口袋中的沉积物捞取出来，以使口袋保持清空状态。

为此，在钻完直井之后、开钻多分支水平井之前，需要将粘度很高的稠泥浆填入口袋和洞穴中，从而防止在钻多分支水平井的过程中产生的砂石、岩屑、煤块等沉积物掉落到口袋中并在口袋中下沉和积压造成捞砂困难。然后，在钻完多分支水平井之后，需要将口袋中的稠泥浆以及其中沉积的砂石、岩屑、煤块等沉积物捞取出来以将口袋清空，从而使口袋有空间实现上述收集沉积物并保持排采作业的连续性。另外，在煤层气开采一段时间以后，水平井段中随着清水和煤层气流动而掉落入直井口袋中的例如砂石、岩屑、煤块等沉积物会将口袋填满，造成排采被迫停止，这时仍然需要捞取沉积的砂石、岩屑、煤块等沉积物以将口袋清空从而继续收集沉积下来的砂石、岩屑、煤块等沉积物。

但是，由于稠泥浆本身属于悬浮体，所以如果钻井过程中产生的砂石、岩屑、煤块等沉积物过多或者收集这些沉积物的时间过长，那么砂石、岩屑、煤块等沉积物将会在稠泥浆中沉降，而不能按照所需要的那样浮在稠泥浆的上方方便捞取清空口袋。沉积物在稠泥浆中沉降所形成的沉积物和稠泥浆的混合物是不易于捞取的，使得清空口袋的操作难于进行。

为了防止沉积物堆积在口袋中并保障口袋的有效容积，中国发明专利申请CN1651715A中公开了一种在口袋的上部设置桥塞或可回收式封隔器的结构，“为了使已经形成的口袋免遭堵塞，可在目标储层之下的一定距离处设置可钻式桥塞或可回收式封隔器，然后再在目标储层处造人工洞穴......特别是，如果桥塞上的岩屑不多，不会显著影响口袋的容积，在开始抽放煤层瓦斯之前，可以直接把桥塞钻掉，使得口袋开通，这样操作更方便。相反，如果桥塞上的岩屑很多，将显著影响口袋的容积，在开始抽放煤层瓦斯之前，应该通过把桥塞移出直井使得口袋开通，以保证产气通道的长时间畅通”。

因此，在煤层气开采中清理直井口袋中的沉积物的过程中，需要一种相对于现有技术来说能够提高捞砂速度的捞砂方法，也需要尽量减少稠泥浆等对煤层的污染。

发明内容

为此，本发明要解决的技术问题是提供能够在煤层气开采中清理直井口袋中的沉积物的过程中提高捞砂速度并且尽量减少对煤层的污染的捞砂方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种煤层气开采中清理直井口袋中的沉积物的方法，包括下述步骤：(1)采用钻具从地面向下钻一口直井；(2)在钻透目标煤层之后，继续钻进以在所述直井的下端形成用于收集沉积物的口袋；(3)在所述直井与目标煤层相对应的部分处进行扩孔以形成洞穴；(4)使直井的井筒中充满清水，之后将钻具起出直井；(5)将充填沙投入所述直井的井筒的清水中，并使所述充填沙在所述口袋中沉积压实，直至充填沙充满所述口袋，其顶表面达到所述洞穴的底端至顶端的范围内；(6)在与直井相隔常规距离的位置处按照传统的水平井钻井工艺钻出水平井，其水平通道与直井的洞穴相连通后，沿目标煤层钻进，形成多分支水平井；(7)在形成所述多分支水平井和直井之后、开采煤层气之前，将所述口袋中的充填沙和沉积物捞取出来。采用这种改进的煤层气开采中清理直井口袋中的沉积物的方法，通过向直井的井筒中投入充填沙，充填沙压实填满在直井下端的口袋中形成充填沙层，当砂石、岩屑、煤块等沉积物掉落到口袋中的充填沙层上时，不会继续沉降入充填沙层中，从而能够提高捞砂速度，此外，由于采用充填沙代替稠泥浆，所以可减少稠泥浆对煤层的污染。

作为本发明的改进，使直井井筒中充满清水是按照下述方式实现的，将清水注入所述钻具的空腔以流动至口袋，使钻入直井时进入口袋的泥浆从钻具与直井井筒之间的环空排出所述直井之外，从而使直井井筒中充满清水。这种方法能够使泥浆全部移除离开直井，防止在投入充填沙的过程中导致泥浆与充填沙相互混合降低充填沙层的纯度。

对于本发明所投入的充填沙来说，采用河沙时，优选在投入河沙之前用1毫米孔径的筛布对河沙进行筛选，使所投入的河沙干净且颗粒均匀。作为另一种优选方案，所述充填沙采用粒径为0.45-0.9毫米的压裂砂。这两种优选方案均可以得到干净且颗粒均匀的充填沙，从而在口袋中形成充实致密的充填沙层，防止砂石、岩屑、煤块等沉积物掉落到充填沙层中。

作为本发明的进一步的改进，在向直井井筒投放充填沙时，使所述充填沙沉积后的顶端的高度达到超出所述洞穴的底端上方0.5-1.5米的位置。由此，在直井与水平井相互连通时保证充填沙层的致密性，防止口袋内积聚非均质的沉积物，从而方便此后提取沉积物和充填沙层的操作。同时，也可以为后续作业使用的仪器留有下入空间。

作为本发明的更进一步改进，采用捞砂泵将所述口袋中的充填沙和沉积物捞取出来，由此清空所述口袋。采用捞砂泵能够通过提取的方式将沉积物和充填沙层直接地提取出来，加快捞砂速度，同时也避免了沉积物扩散入水平井导致水平井堵塞的风险。

作为本发明上述更进一步改进的替换方案，将由钻头、钻杆和螺杆组成的冲砂管柱插入直井的口袋中，泵送清水进入所述冲砂管柱，通过所述冲砂管柱冲击充填沙和沉积物使其破碎并在清水循环的作用下沿所述直井的井筒返出。采用冲砂管柱能够冲击破碎口袋中不均匀或者坚硬的沉积物，并通过清水循环使其返回至直井的井口。作为该替换方案的进一步改进，在已破碎的充填沙和沉积物未完全返出所述直井而仍有部分存留在口袋或水平井中的情况下，从水平井将清水注入所述单根钻杆或钻井立柱的空腔内，从而将存留的沉积物冲走，由此清空所述口袋。采用这种交叉循环的方式能够彻底清除口袋中留存的沉积物。

作为本发明的另一种改进，该方法还包括对投产后排采过程中掉落入直井口袋中的沉积物进行清理的步骤。在沉积物比较松散均匀时，采用捞砂泵将所述口袋中的充填沙和沉积物捞取出来，由此清空所述口袋；在沉积物比较坚硬或不均匀时，也可以采用将冲砂管柱插入直井的口袋中，泵送清水进入冲砂管柱，通过冲砂管柱冲击充填沙和沉积物使其破碎并在清水循环的作用下沿直井的井筒返出，由此清空所述口袋。对于后一种情况，如果已破碎的充填沙和沉积物未完全返出所述直井而仍有部分存留在口袋中的情况下，优选采用钻入单根钻杆或钻井立柱将水平井的封闭段钻开，从水平井将清水注入所述单根钻杆或钻井立柱的空腔内，从而将存留的沉积物冲走，由此清空所述口袋。采用冲砂管柱能够将坚硬的沉积物冲击破碎，同时配合循环流过的钻井液以将破碎的沉积物冲出流到地面，这样也避免了已破碎的沉积物扩散入水平井导致水平井堵塞的风险。

在重新钻入单根钻杆或钻井立柱将水平井的封闭段钻开的情况下，钻头经过洞穴后继续前进10-30米后停止下入。在这种情况下，钻具在交叉循环捞砂操作结束起钻时，能够避免将水平井内的煤屑等携带入口袋而造成抽采之前洞穴容积就已经减小的危害。

附图说明

下面将参照附图对本发明的煤层气开采中清理直井口袋中的沉积物的方法的具体实施方式进行详细说明。

图1是在用于煤层气的多分支水平井的直井中装填充填沙的示意图。

图2是用于煤层气的多分支水平井的示意图，在该示意图中，水平井的水平通道与直井相互连通。

图3是根据本发明的采用捞砂泵捞砂的示意图。

图4是根据本发明的采用冲砂管柱进行循环捞砂操作的示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图4具体说明本发明的在煤层气开采中清理直井口袋中沉积物的方法。本方法包括如下四个阶段：如常规的煤层气开采方式那样在煤层气开采处钻出一口直井；使直井井筒充满清水以及向直井中投入充填沙；如常规方法那样钻出多分支水平井；在开采煤层气之前将直井口袋中的充填沙捞取出来。

下面将参照图1对本发明在煤层气开采中清理直井口袋中沉积物方法的前两个阶段作出说明。

如图1所示，说明本发明的实施方式的步骤(1)至(5)。具体地说，在用于煤层气的钻井工程中，先在准备开采煤层气的位置处采用钻具从地面开始向下钻一口直井2。在形成直井2的过程中，一般将套管放入直井2中以形成直井井筒的壁部，并且能够构成良好的流体通道并且防止直井2崩塌。在钻透目标煤层之后，继续向下钻一段足够的深度(在现有技术中一般为60米)以形成直井2的用于收集砂石、岩屑、煤块等沉积物的口袋。一般情况下，为了进行固井和后续扩孔，可以在直井2与目标煤层7相对应的部分处设置一段玻璃钢套管，在玻璃钢套管的上下两侧进一步设置普通的钢套管。之后，将直井与目标煤层相对应的部分或者该部分处的玻璃钢套管切开，并在对应的直井井壁上进行扩孔以形成洞穴3。

在口袋5和洞穴3形成后，将井内的钻井液从井底至井口全部替换为清水，然后根据洞穴3下方的口袋5的容积，将充填沙投入到直井2中。作为优选，在替换清水的过程中，将清水注入钻具的空腔以流动至口袋5，口袋5中的泥浆从钻具与直井的井筒之间的环空返出直井的井口。不断地向钻具中注入清水，直到泥浆全部返出井口，此时直井中已经充满清水，之后将钻具起出离开直井。

将充填沙(例如，经筛选的河沙或者压裂砂)投入直井的清水中，充填沙不断地向下沉降直至落在直井井筒底部的口袋5中。可以使充填沙静止一段时间例如4-5个小时而使充填沙压实形成充填沙层，静止的时间视口袋的大小、投入充填沙的多少等因素而定，至少使充填沙沉淀并且充满口袋5。作为优选，在充填沙充满口袋5之后，还可以继续投入一些充填沙，使得沉积的充填沙超出口袋5，其超出的高度取决于口袋的大小，一般情况下，充填沙的顶表面达到洞穴5的顶端位置处。作为优选，使充填沙沉积后的顶端的高度到达超出洞穴5的底端上方0.5-1.5米的位置处，这样可以防止口袋5内积聚非均质的沉积物，也为后续作业使用的仪器留有下入的空间。需要指出的是，如果不将直井2井筒中的钻井液替换为清水，那么投入的充填沙会卷带着直井中原始存在的泥浆等沉积物下降，导致沉降速度较慢且难于验证充填沙沉积后的顶端超出洞穴的底端上方的位置，这样就无法保证充填沙面的高度以及充填沙层的充实和干净。

本发明采用充填沙充满直井的口袋的实施方式能够在口袋中形成充实的充填沙层，通过充填沙层将口袋填充满，使砂石、岩屑、煤块等沉积物掉落到口袋中的充填沙层的上方，无法沉降到充填沙层中，由此方便对充填沙和沉积物进行捞取。而在现有技术中，通常将稠泥浆诸如聚合物钻井液等注入到直井中并到达直井井筒下部的口袋中，那么如背景技术中所描述的，在水平井钻井过程中，由于稠泥浆本身属于悬浮体，所以如果钻井过程中产生的砂石、岩屑、煤块等沉积物过多或者收集这些沉积物的时间过长，那么砂石、岩屑、煤块等沉积物将会在稠泥浆中沉降，而不能按照所需要的那样浮在稠泥浆液柱中，这样会造成捞砂作业难以进行。另外，随着时间的推移，稠泥浆的顶部会变得稠化甚至形成类似盖子的层面，造成后续作业过程中所使用的仪器在此遇阻或者下入难度增加。

在本发明的实施方式中，作为优选，所投入的充填沙应当为干净且颗粒均匀的充填沙。因而，在选优河沙作为充填沙时，在投入河沙之前需要采用例如孔径1毫米的筛布对充填沙进行筛选。当然，也可以采用例如粒径为0.45-0.9毫米的压裂砂，但是采用压裂砂时则不需要进行筛选，因为压裂砂的颗粒的均匀程度已经能够满足要求。

下面结合图2对本发明的在煤层气开采中清理直井口袋中沉积物方法的第三阶段即传统的多分支水平井的钻进方法作一简要说明。如图2所示，在距离直井2一段常规距离处例如相隔100-350米左右的位置处钻有一口水平井1。水平井1在经过传统的一开、二开、三开的钻井工艺之后，形成水平井的竖直通道11和水平通道12两个部分。单根钻杆或钻井立柱4从水平井井口处钻入竖直通道11中，并由此推动水平通道12向前移动与直井2的扩孔形成的洞穴3相连通，之后继续钻进水平通道12从而形成多分支水平井。

单根钻杆或钻井立柱4的外壁与目标煤层7之间形成有环空6。单根钻杆或钻井立柱4中形成有空腔。在向水平井的水平通道12钻入单根钻杆或钻井立柱4的过程，需要从水平井将钻井液例如水注入单根钻杆或钻井立柱4的空腔中。该钻井液将沿着单根钻杆或钻井立柱4的空腔流向当时的水平井的水平通道12的尽头，在那里，钻井液折回再从单根钻杆或钻井立柱4与目标煤层7之间的环空6中向回流动，从而冲走钻井过程中形成的岩屑、砂石、煤块等杂质，之后，夹带有岩屑、砂石、煤块等杂质的钻井液从出口排出并进入循环过程。

在如上所述完成水平井1和直井2的钻进工程之后新井投产之前，需要将直井2的井筒的口袋5中的和充填到口袋5中的充填沙捞取出来以清空口袋，因此在新井投产之前需要进行捞砂作业。基于本发明上述实施方式提供的将充填沙投入直井井筒下端的口袋5的技术方案，本发明能够提供一种处理煤层气开采中产生的沉积物的改善方法，下面将对本发明第四阶段捞取作业的两种实施方式作出具体说明。

图3是本发明中捞砂作业的第一种实施方式采用捞砂泵捞砂的示意图。如图3所示，采用本领域技术人员公知的捞砂泵进行操作，常用的捞砂泵的型号为例如CB-TH-89*4000或者CB-TH-105*4000。该捞砂泵包括拉杆81、泵体82和形状如笔尖一样的锥入装置83(该装置在作业现场通常称为“笔尖”)。该捞砂泵的拉杆81的上端通过油管10连接到直井2的井口，捞砂泵的泵体82的下端通过油管10连接到锥入装置83。该锥入装置83具有一类似于笔尖的尖端，该尖端能够锥入充填沙中以使油管10抽吸充填沙和沉积物从而实现提取操作。

在捞砂过程中，通过活塞拉杆81上行，使捞砂泵内产生负压，由此，沉积物和充填沙层在压差的作用下进入油管10，并在油管10底部单向阀的作用下将沉积物和充填沙层收集起来，由此通过油管10将沉积物和充填沙层带出到地面。

在采用捞砂泵的情况下，需要根据直井2的井筒的规格确定所需要的与捞砂泵连接的油管的数量以及捞砂泵的型号。对于油管10来说，一般情况下需要采用N80以上型号的管材，从而满足捞砂过程中抗冲击性能的要求。

另外，在将捞砂泵下井之前，需要检查捞砂泵的各个部件有否损伤及变形，如果发现损伤或变形，需要及时更换。在将捞砂泵下井之后，将捞砂泵的笔尖锥入口袋的充填沙中捞取充填沙和沉积物，直至捞砂泵到达直井的井底，从而清空口袋。

另一方面，直井2的井筒内的情况有时会比较复杂而不能通过例如捞砂泵的直接提取的操作来满足捞砂的目的，例如，直井2的井筒内的沉积物比常规沉积物坚硬或胶结致密，或者存在坚硬的沉积物，导致砂铲或笔尖很难将其破碎或在冲击破碎时造成工具的损坏，或者填砂时的充填沙未经良好筛选，造成大块岩石填入井眼，岩石坚硬难以破碎，此时不宜采用直接提取式操作来进行捞砂，而需采用本发明的方法中捞砂作业的第二种实施方式，即，循环捞砂操作。

图4是本发明的采用冲砂管柱进行循环捞砂操作的示意图。如图4所示，冲砂管柱通过将钻杆91、螺杆92和钻头93组装到一起而形成。在进行循环捞砂操作时，将冲砂管柱插入直井2并对准口袋5中的沉积物和充填沙层，通过直井2的井口处的直井水泵13将清水泵送进入冲砂管柱，使冲砂管柱冲击充填沙和沉积物使其破碎，已破碎的沉积物和充填沙在清水循环的作用下沿直井2的井筒返出，由直井2中的水带到地面，由此清空口袋5。对于在已破碎的充填沙和沉积物未完全返出直井2而仍有部分存留在口袋5中的情况，还可以采取进一步的交叉循环捞砂操作，采用例如水平井水泵14从水平井将清水注入单根钻杆或钻井立柱4的空腔内，从而将存留的沉积物冲走，由此清空口袋5。通过上述操作，能够实现水平井1和直井2的联动循环捞砂，使得钻井液夹带的被冲击破碎的岩屑、砂石、煤块等沉积物流动以从水平井1的出口排出至地面，也可防止存留物进入水平井1堵塞水平井眼。

需要指出的是，在进行交叉循环捞砂操作时，冲砂管柱与单根钻杆或钻井立柱4是采用十字交叉的方式叠置在洞穴3中的，如图4所示。洞穴3的直径能够满足冲砂管柱和钻杆4叠置在一起所需的大小。同时，在下钻和起钻时在相互重叠的位置处需要防止冲砂管柱与钻杆4卡住。

除了上述在完成水平井1和直井2的钻进工程之后新井投产之前进行捞砂操作，在投产后排采过程中，水平井的多分支通道排出的水或者气体会携带砂石、岩屑、煤块等沉积物会流入口袋，并逐渐形成沉积物。这样随着时间的推移会慢慢减少洞穴3和口袋5的空间，甚至直接全部堵塞，这时还需要进行捞砂作业。

对于上述投产后排采煤层气期间形成的沉积物，仍然可以采用本发明中的捞砂泵提取操作和循环捞砂两种方式清空口袋。

当采用捞砂泵提取操作时，将捞砂泵的锥入装置锥入沉积物中，以使油管10抽吸沉积物从而实现提取操作。具体操作与上文采用捞砂泵提取充填沙层和沉积物的操作相同，在此不再赘述。

当采用循环捞砂操作时，使冲砂管柱进行冲砂并且破碎的沉积物和充填沙在清水循环的作用下沿直井2的井筒返出这一过程与上述实施方式相同。但是，对于在已破碎的充填沙和沉积物未完全返出直井2而仍有部分存留在口袋5中时所采用的交叉循环捞砂操作，由于在投产后排采过程期间水平井需要被封闭，所以相对于上述实施方式必须额外地先采用例如单根钻杆或钻井立柱将已经水平井的封闭段重新钻开，从而从水平井将钻井液注入单根钻杆或钻井立柱4的空腔内，从而实现水平井1和直井2联动的交叉循环捞砂操作，将被冲击破碎的岩屑、砂石、煤块等沉积物排出至地面，这样也可防止存留物进入水平井1堵塞水平井眼。

还需要指出的是，在水平井中重新下入上述单根钻杆或钻井立柱的钻具时，其主要作用是建立一条循环通道以防止井眼被堵塞，此时存在水平井中钻具在交叉循环捞砂操作结束起钻时将水平井内的煤屑等携带入口袋而造成抽采之前洞穴容积就已经被占据一部分的风险，因此，单根钻杆或钻井立柱的钻头在水平井中所到达的位置以经过洞穴后继续前进10-30米为优选。

尽管已经参照本发明的实施方式对其进行了描述，但是本领域的技术人员可以理解，在不背离本发明范围的情况下，可以对本发明做出各种改变。另外，可以对本发明的教导做出很多变形来适应特定的条件或材料，而不背离本发明的实质范围。因此，本发明并不限于作为实施本发明的最佳模式而被公开的具体实施方式，本发明应该包括落入所附权利要求范围中的所有实施方式。