一种煤层气水平井PE筛管完井应用工艺方法

摘要

一种煤层气水平井PE筛管完井应用工艺方法，属于煤层气钻完井工程技术领域。含有PE筛管制作步骤、PE筛管完井步骤、PE筛管泵送步骤和PE筛管锚定步骤，本发明的有益效果：采用本发明的煤层气水平井PE筛管完井应用工艺方法，能针对现场应用快速方便的设计出尺寸不同、满足强度和流通性要求的煤层气水平井完井用PE筛管，并实现煤层气水平井段PE筛管完井，对解决制约煤层气开发中的煤层坍塌、煤粉沉积堵塞井眼等瓶颈技术问题，确保煤层气水平井高效安全的生产，具有十分重要的意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤层气水平井PE筛管完井应用工艺方法，属于煤 层气钻完井工程技术领域。

背景技术

目前，在利用水平井进行煤层气开采时，裸眼完井是最主要的完井方 式。在生产期裸眼完井容易导致煤粉产出、煤层坍塌，造成井眼堵塞、粉 煤灰堵塞排采泵等事故，严重影响煤层气的单井产量。

国内针对水平段煤层坍塌这一问题，也进行了金属套管（筛管）完井 方面的尝试，但是采用金属套管（筛管）完井进行煤层气开采，会为煤炭 的后期开采留下一定困难：煤炭开采过程中“割煤机切割金属套管（筛管） 可能引起火花”，潜在一定的安全隐患。

为解决制约煤层气开发的瓶颈技术问题，煤层气水平井可利用连续的 PE筛管进行完井。PE筛管能够提高煤层井壁的支撑能力，并有效解决粉 煤灰堵泵事故的发生；为了防止煤粉在井底大量沉淀和堆积，可利用下入 的PE筛管进行间断性的洗井作业；此外PE筛管易拆除，便于今后的采煤， 是先采气后采煤的最佳配套技术。

目前，国内还未有针对煤层气水平井PE筛管完井应用工艺方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种煤层气水平井PE筛管完 井应用工艺方法，以进行煤层气水平井完井用PE筛管制造并在煤层气水 平井完井应用，为煤层气的高效安全开发提供保障。

本发明一种煤层气水平井PE筛管完井应用工艺方法,含有以下步骤：

一、PE筛管制作步骤；

步骤1）、在耐压力、安全系数、环刚度、抗应力开裂能力方面对PE 筛管的基管材质进行选择，并根据生产应用确定基管的尺寸；

所述基管的尺寸主要指基管的外径和壁厚大小；

步骤2）、明确PE筛管的筛眼几何参数，构建不同几何参数组合下的 筛眼分布方案；

步骤3）、对不同的筛眼分布方案进行筛眼水力学计算模拟及参数评 价；

步骤4）、对不同筛眼分布方案的筛管进行强度分析与评价；

步骤5）、综合计算结果，优选筛眼尺寸及分布方案；

所述基管的尺寸主要指基管的外径和壁厚大小；

所述筛眼几何参数包括筛眼的形状、筛眼的宽度、筛眼的相位角分布、 筛眼的长度和筛眼面密度；

所述的筛眼形状为圆孔形或长条形，筛眼剖面呈梯形，梯形大的底边 应为筛管内表面，小的底边应为筛管外表面；筛眼宽度遵循著名的1/3 桥堵原理和修正完善后的1/3～2/3架桥原理，结合GB/T18-1997煤炭粒 度分级，选取筛眼宽度的取值范围；筛眼的相位角分布呈90°或60°； 筛眼长度和筛眼面密度由筛眼的过流面积比决定，一般筛眼过流面积比为 2%～6%；

二、PE筛管完井步骤；

在工程水平井井口安装PE筛管注入装置，将装有PE筛管的滚筒放置 在地面，在PE筛管前端安装筛管引导和锚定装置，然后将PE筛管连接到 筛管注入装置;开动PE筛管注入装置，缓慢的将PE筛管注入到钻杆中; 随着PE筛管的不断注入，逐渐增大PE筛管注入装置的注入力，来实现预 设长度筛管的注入;在预设长度的筛管注入完成后，将筛管在工程水平井 井口割断，移除PE筛管注入装置，并将钻杆连接上方钻杆，开钻井液泵 进行钻井液循环，将PE筛管注入至最后一根钻杆末端，保证引导和锚定 装置离出钻杆;然后逐渐起出钻杆，通过引导和锚定装置将PE筛管固定在 煤层中;

三、PE筛管泵送步骤：

步骤1)、在引导筛管下入的引导机构的最前端安装煤层气水平井PE 筛管完井用泵送装置；用于承受液流压力带动筛管下行；

步骤2)、煤层气水平井PE筛管完井用泵送装置前段为半球体引导头， 以避免在钻杆接头内径较小处或井眼弯曲部分遇阻；后段为圆柱体，通过 螺纹与筛管引导机构本体连接；

步骤3）、根据引导机构所要下入的位置完全坍塌后堵塞流道的可能 性，煤层气水平井PE筛管完井用泵送装置中心部位预留或不预留一定尺 寸的泄流孔；

承受开泵循环时液流的冲击力，从而在筛管一端形成拉力，解除屈曲 锁紧状态并带动筛管下行；同时使筛管在下行过程中保持管体居中，从而 减小与钻杆内壁之间的摩阻；

将光钻具组合（不带钻头）下入井下预定位置后卸扣，用卡瓦将钻具 上端固定在钻井平台上；

根据钻具组合最小通径，及设计的钻井液排量和粘度，确定煤层气水 平井PE筛管完井用泵送装置尺寸；

将煤层气水平井PE筛管完井用泵送装置同筛管的引导机构通过螺纹 连接；将筛管注入装置安装在井口，将连接完毕的煤层气水平井PE筛管 完井用泵送装置、引导机构及筛管通过注入装置安放在钻杆内；开启注入 装置，下放筛管；

当筛管在井内遇阻严重时，或达到预定注入长度时，割断筛管，根据 预先确定的钻井液排量连接钻杆后开泵循环，观察泵压表变化；泵压表的 示数在一定范围内摆动时表明筛管下行正常；

当泵压表有0.3—0.5MPa的压力突降时，表明煤层气水平井PE筛管 完井用泵送装置及引导机构已冲出钻杆；当泵压下降不明显时，可在泵压 稳定后5分钟，根据下入深度调整，起钻100米，再次开泵循环，当泵压 有大于等于2MPa的下降时，确认煤层气水平井PE筛管完井用泵送装置及 引导机构已顺利冲出钻杆；泵送作业完成;

四、PE筛管锚定步骤；

步骤1）、下筛管作业时，引导装置进入钻杆前取下滑套，使刀翼自由 张开与钻杆内壁接触；

步骤2）、在钻杆内下行时，受钻杆内壁限制，刀翼不完全张开；扭簧 弹力使得刀翼与钻杆内壁之间存在接触力；对称刀翼处接触力相等，使得 引导装置保持居中，从而确保了筛管前进方向沿钻杆中心线；

步骤3）、引导装置到达预定位置冲出钻杆开口后，井眼直径大于钻杆 内直径，在扭簧作用力下刀翼迅速进一步弹开，尖角插入煤层当中；上提 钻杆时提供向后拉力，使得刀翼进一步张开插入煤层中；

步骤4）、可根据需要在引导装置中布置一组至多组锚定装置，相邻锚 定装置间相位角为90°。

本发明的有益效果：

采用本发明的煤层气水平井PE筛管完井应用工艺方法，能针对现场 应用快速方便的设计出尺寸不同、满足强度和流通性要求的煤层气水平井 完井用PE筛管，并实现煤层气水平井段PE筛管完井，对解决制约煤层气 开发中的煤层坍塌、煤粉沉积堵塞井眼等瓶颈技术问题，确保煤层气水平 井高效安全的生产，具有十分重要的意义。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地 理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来 提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施 例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1为煤层气水平井完井用PE筛管基管的截面示意图；

图2是煤层气水平井完井用PE筛管筛眼之一的形状示意图；

图3为工程水平井井口安装PE筛管注入装置示意图；

图4为工程水平井中PE筛管注入示意图；

图5为工程水平井中PE筛管泵冲示意图；

图6为PE筛管固定于煤层示意图；

图7为工程水平井PE筛管完井示意图。

图8为煤层气工程水平井井身结构示意图；

图9为工程水平井下放不带钻头的光钻杆示意图；

图10为本发明的泵送装置结构剖面示意图；

图11为本发明的锚定装置结构剖面示意图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属 于本发明的保护范围。

实施例1：如图1、图2所示，煤层气水平井完井用PE筛管，基管 100分布筛眼200，筛眼200的形状为圆孔形或长条形，筛眼200剖面呈 梯形300，梯形300的大底边应为基管100内表面，梯形300的小底边应 为基管100外表面；筛眼200的相位角分布呈90°或60°；筛眼200长 度和筛眼200面密度由筛眼200的过流面积比决定，筛眼200过流面积比 为2%—6%。

一种煤层气水平井PE筛管完井应用工艺方法，含有步骤如下：

一、PE筛管制作步骤；

1）在耐压力、安全系数、环刚度、抗应力开裂能力方面对PE筛管的 基管材质进行选择，并根据生产应用确定基管的尺寸；

步骤1）所述基管的尺寸主要指基管的外直径和壁厚大小。

2）明确PE筛管的筛眼几何参数，构建不同几何参数组合下的筛眼分 布方案；

步骤2）所述筛眼几何参数包括筛眼的形状、筛眼的宽度、筛眼的相 位角分布、筛眼的长度和筛眼面密度。

筛眼形状为圆孔形或长条形，筛眼剖面呈梯形，梯形大的底边应为筛 管内表面，小的底边应为筛管外表面。

筛眼宽度遵循著名的1/3桥堵原理和修正完善后的1/3～2/3架桥原 理，结合GB/T18-1997煤炭粒度分级，选取筛眼宽度的取值范围。

筛眼的相位角分布呈90°或60°。

筛眼长度和筛眼面密度由筛眼的过流面积比决定，一般筛眼过流面积 比为2%～6%。

3）对不同的筛眼分布方案进行筛眼水力学计算模拟及参数评价；

步骤3）所述模拟方法是采用计算流体动力学方法对不同筛眼分布方 案的筛管进行压力损失计算，并根据压力损失越小越利于气、水流动的原 理，对计算结果进行评价和优化。

4）对不同筛眼分布方案的筛管进行强度分析与评价；

步骤4）所述分析方法为有限元分析方法，对不同筛眼分布方案的筛 管进行变形位移和应力计算，并对计算结果进行优化和评价。

5）综合计算结果，优选筛眼尺寸及分布方案；

步骤5）中所述优选方法主要是比较筛眼几何参数对筛管强度和筛眼 压力损失的影响大小，以选择能保证筛管强度高、筛眼压力损失小的筛眼 组合方案。

二、PE筛管完井步骤；

在工程水平井井口安装PE筛管注入装置，将装有PE筛管的滚筒放置 在地面，在PE筛管前端安装筛管引导和锚定装置，然后将PE筛管连接到 筛管注入装置;开动PE筛管注入装置，缓慢的将PE筛管注入到钻杆中; 随着PE筛管的不断注入，逐渐增大PE筛管注入装置的注入力，来实现预 设长度筛管的注入;在预设长度的筛管注入完成后，将筛管在工程水平井 井口割断，移除PE筛管注入装置，并将钻杆连接上方钻杆，开钻井液泵 进行钻井液循环，将PE筛管注入至最后一根钻杆末端，保证引导和锚定 装置离出钻杆;然后逐渐起出钻杆，通过引导和锚定装置将PE筛管固定在 煤层中;

PE筛管完井步骤；含有以下步骤；

如图8所示,钻一口生产直井和一口工程水平井。生产直井在煤层造 洞穴；工程水平井一开下工程水平井Φ244.5mm表层套管1，二开下工程 水平井Φ177.8mm技术套管2，三开下工程水平井Φ152.4mm水平裸眼段3。 工程水平井与生产直井洞穴4间距离为800-1000m，两井在洞穴处连通。

如图9所示,在工程水平井中下放不带钻头的光钻杆5，即煤层气工程 水平井与生产直井连通并完钻之后，起钻卸下钻头，并重新下放不带钻头 的光钻杆5到目的井深。

如图3所示,在工程水平井口安装PE筛管注入装置8，在PE筛管注入 装置8前端安装PE筛管引导和锚定装置9，并将PE筛管引导和锚定装置 9通过PE筛管注入装置8进入钻杆10中，使PE筛管7连接于注入装置 中。

如图4所示,通过:PE筛管注入装置提供的注入力13,缓慢的将PE筛 管7注入到钻杆10中，然后随着PE筛管7的不断注入，逐渐增大PE筛 管注入装置提供的注入力13。

如图5所示,在预设长度的PE筛管7注入完成后，将PE筛管7在工 程水平井井口割断，通过开启钻井液泵进行钻井液循环，逐步将PE筛管 引导和锚定装置9冲出最后一根钻杆10。

如图6所示,将PE筛管引导和锚定装置9冲出钻杆10后，逐渐起出 钻杆，通过PE筛管引导和锚定装置9将PE筛管7固定在煤层15中。

如图7所示,将钻杆10完全起出工程水平井眼后，PE筛管7一端固定 于煤层15中，一端支撑于水平井套管鞋处，实现煤层水平段的完井。

PE筛管完井步骤如下：

1）钻一口工程水平井和一口生产直井步骤；

工程水平井井口与生产直井井口间距离800m～1000m，在生产直井煤 层段造洞穴，工程水平井眼三开裸眼段井径为Φ152.4mm，工程水平井与 生产直井在洞穴处连通。

2）下放光钻杆步骤；

煤层气工程水平井与生产直井连通并完钻之后，起钻卸下钻头，并重 新下放不带钻头的光钻杆到目的井深。

3）安装PE筛管注入装置步骤；

在工程水平井井口安装PE筛管注入装置，使注入装置与钻杆连接并 进行固定。将装有PE筛管的滚筒放置在地面，在PE筛管前端安装筛管引 导和锚定装置，并将引导和锚定装置通过筛管注入装置进入钻杆中，使 PE筛管连接于注入装置中。

4）注入PE筛管步骤；

开动PE筛管注入装置，缓慢的将PE筛管注入到钻杆中。随着PE筛 管的不断注入，逐渐增大PE筛管注入装置的注入力，将PE筛管注入至最 后一根钻杆末端，保证引导和锚定装置离出钻杆。

5）泵冲完井步骤；

在预设长度的筛管注入完成后，将筛管在工程水平井井口割断，移除 PE筛管注入装置，并将钻杆连接上钻柱，开钻井液泵进行钻井液循环， 逐步将PE筛管顶部引导和锚定装置冲出最后一根钻杆。然后逐渐起出钻 杆，通过引导和锚定装置将PE筛管固定在煤层中。

一种煤层气水平井PE筛管完井方法，由钻一口工程水平井和一口生 产直井、下放光钻杆、安装PE筛管注入装置、注入PE筛管、泵冲完井等 工序组成。

在工程水平井井口安装PE筛管注入装置，将装有PE筛管的滚筒放置 在地面，在PE筛管前端安装筛管引导和锚定装置，然后将PE筛管连接到 筛管注入装置。开动PE筛管注入装置，缓慢的将PE筛管注入到钻杆中。 随着PE筛管的不断注入，逐渐增大PE筛管注入装置的注入力，来实现预 设长度筛管的注入。

在预设长度的筛管注入完成后，将筛管在工程水平井井口割断，移除 PE筛管注入装置，并将钻杆连接上钻柱，开钻井液泵进行钻井液循环， 将PE筛管注入至最后一根钻杆末端，保证引导和锚定装置离出钻杆。然 后逐渐起出钻杆，通过引导和锚定装置将PE筛管固定在煤层中。

煤层气水平井PE筛管完井装置，放置地面上的缠有PE筛管7的滚 筒6，放置于工程水平井口的PE筛管注入装置8，PE筛管注入装置8连 接输送PE筛管7，PE筛管7的一端连接PE筛管引导和锚定装置9，PE 筛管7及引导和锚定装置9在钻杆10在中移动，钻杆10安装在工程水平 井Φ177.8mm技术套管12中，工程水平井Φ177.8mm技术套管12安装在 工程水平井Φ244.5mm表层套管11中。

如图4所示，PE筛管注入装置提供的注入力13，PE筛管7，PE筛管 引导和锚定装置9，钻杆10，工程水平井Φ244.5mm表层套管11，水泥 14；钻杆10安装在工程水平井Φ177.8mm技术套管12中。

如图5所示，PE筛管7，PE筛管引导和锚定装置9，钻杆10，煤层 15，工程水平井Φ177.8mm技术套管12，开启钻井液泵时钻井液提供的动 力16，水泥14。

如图6所示，PE筛管7，PE筛管引导和锚定装置9，钻杆10，煤层 15，生产直井洞穴4，钻杆起出方向17。

如图7所示，工程水平井Φ244.5mm表层套管1，工程水平井Φ177.8mm 技术套管2，工程水平井Φ152.4mm水平裸眼段3，PE筛管，PE筛管引导 和锚定装置9，煤层15，生产直井洞穴4。

三、PE筛管泵送步骤，含有以下步骤；

1）在引导筛管下入的引导机构的最前端安装煤层气水平井PE筛管完 井用泵送装置；用于承受液流压力带动筛管下行；

2）煤层气水平井PE筛管完井用泵送装置前段为半球体引导头，以避 免在钻杆接头内径较小处或井眼弯曲部分遇阻；后段为圆柱体，通过螺纹 与筛管引导机构本体连接；

3）根据引导机构所要下入的位置完全坍塌后堵塞流道的可能性，煤 层气水平井PE筛管完井用泵送装置中心部位预留或不预留一定尺寸的泄 流孔；

承受开泵循环时液流的冲击力，从而在筛管一端形成拉力，解除屈曲 锁紧状态并带动筛管下行；同时使筛管在下行过程中保持管体居中，从而 减小与钻杆内壁之间的摩阻；

将光钻具组合（不带钻头）下入井下预定位置后卸扣，用卡瓦将钻具 上端固定在钻井平台上；

根据钻具组合最小通径，及设计的钻井液排量和粘度，确定煤层气水 平井PE筛管完井用泵送装置尺寸；

将煤层气水平井PE筛管完井用泵送装置同筛管的引导机构通过螺纹 连接；将筛管注入装置安装在井口，将连接完毕的煤层气水平井PE筛管 完井用泵送装置、引导机构及筛管通过注入装置安放在钻杆内；开启注入 装置，下放筛管；

当筛管在井内遇阻严重时，或达到预定注入长度时，割断筛管，根据 预先确定的钻井液排量连接钻杆后开泵循环，观察泵压表变化；泵压表的 示数在一定范围内摆动时表明筛管下行正常；

当泵压表有0.3—0.5MPa的压力突降时，表明煤层气水平井PE筛管 完井用泵送装置及引导机构已冲出钻杆；当泵压下降不明显时，可在泵压 稳定后5分钟，根据下入深度调整，起钻100米，再次开泵循环，当泵压 有大于等于2MPa的下降时，确认煤层气水平井PE筛管完井用泵送装置及 引导机构已顺利冲出钻杆；泵送作业完成;

煤层气水平井PE筛管完井用泵送装置;本体的上端为承压面18，承 压面18的中部有引导孔19，引导孔19中有螺纹连接部21；本体的下端 为半球体引导头20；泄流孔23连接引导孔19，泄流孔23的另一端为半 球体引导头20的中部，泄流孔23与引导孔19的连接部位为斜面22。

在泵送装置所在层位煤层发生垮塌后，液（气）流可由上部引导机构 流经引导孔19进入泄流孔23，从泄流孔23流出。

根据井场现场的钻具情况，确定下入井中的钻具组合。将光钻具组合 （不带钻头）下入井下预定位置后卸扣，用卡瓦将钻具上端固定在钻井平 台上。

根据钻具组合最小通径，及设计的钻井液排量和粘度，确定泵送装置 尺寸。

将泵送装置同筛管的引导机构通过螺纹连接。将筛管注入装置安装在 井口，将连接完毕的泵送结构、引导机构及筛管通过注入装置安放在钻杆 内。开启注入装置，下放筛管。

当筛管在井内遇阻严重时，或达到预定注入长度时，割断筛管，根据 预先确定的钻井液排量连接钻杆后开泵循环，观察泵压表变化。泵压表的 示数在一定范围内摆动时表明筛管下行正常。

当泵压表有0.3—0.5MPa的压力突降时，表明泵送装置及引导机构已 冲出钻杆。当泵压下降不明显时，可在泵压稳定后5分钟（根据下入深度 调整），起钻100米，再次开泵循环，当泵压有大于等于2MPa的下降时， 可确认泵送装置及引导机构已顺利冲出钻杆。泵送作业完成。

筛管泵送装置的使用方法，包括尺寸选型、连接次序、入井方法、配 套泵送方法。

四、PE筛管锚定步骤，含有以下步骤；

1）下筛管作业时，引导装置进入钻杆前取下滑套，使刀翼自由张开 与钻杆内壁接触；

2）在钻杆内下行时，受钻杆内壁限制，刀翼不完全张开；扭簧弹力 使得刀翼与钻杆内壁之间存在接触力；对称刀翼处接触力相等，使得引导 装置保持居中，从而确保了筛管前进方向沿钻杆中心线；

3）引导装置到达预定位置冲出钻杆开口后，井眼直径大于钻杆内直 径，在扭簧作用力下刀翼迅速进一步弹开，尖角插入煤层当中；上提钻杆 时提供向后拉力，使得刀翼进一步张开插入煤层中；

4）可根据需要在引导装置中布置一组至多组锚定装置，相邻锚定装 置间相位角为90°。

煤层气水平井PE筛管完井用锚定装置，由一对称支撑刀翼、一个扭簧 及滑套组成;扭簧连接在支撑刀翼上的连接孔24上，两刀翼对称分布，完 全展开时呈180o角;在刀翼收起时受到扭簧提供的扭力;支撑刀翼为钢材 质，在保证强度的基础上采用薄板设计以便于插入煤层，刀翼厚度2mm， 刀翼外侧有45度向内的尖角25。

煤层气水平井PE筛管完井用锚定装置集成在筛管引导装置管体上;在 备用时，将刀翼收起，将滑套箍在刀翼外侧。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上 没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人 员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范 围之内。