CN109630023B - 在软弱地层敷设水平管道的方法及地面调向装置 - Google Patents

在软弱地层敷设水平管道的方法及地面调向装置 Download PDF

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Abstract

地面调向装置，包括外套管、内套管及减重组件；外套管活动套装在内套管外，两者可相对滑动且不可相对转动；减重组件安装在内套管的内孔中。一种利用地面调向装置在软弱地层敷设水平管道的方法，步骤如下：1，打井；2，置入井口套管；3，置入外套管；4，置入内套管并完成钻机的动力连接；5，锁定钻进方位角；6，钻进至目标层；7，敷设管道。本发明提供的装置和方法可将管道水平敷设在软弱、破碎地层中，这使得在煤层中有效萃取煤层气成为可能，既有效利用了这种优质能源，又避免了其直接排放所带来的温室效应负面影响，还降低了开采煤矿时发生瓦斯事故的概率，一举三得。

Description

在软弱地层敷设水平管道的方法及地面调向装置
技术领域
本发明涉及地质勘探技术领域，特别是一种在软弱地层敷设水平管道的方法及地面调向装置。
背景技术
煤层气是赋存于煤炭及其煤岩中，与煤伴生的非常规天然气，俗称“矿井瓦斯”，其气体组分和应用范围与石油天然气相同，主要成分为甲烷，是一种非常清洁的优质燃料。1m3纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油或1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。
煤层气是一种非常优质的能源，也是一种会造成严重后果的温室气体，其温室效应约为CO2的21倍，自人类开发利用煤炭资源以来，煤层气就被视为对煤矿安全构成重大威胁的可怕气体，由于它经常造成瓦斯事故，故通常被集中排放到大气中。
若能在开采煤层之前在煤层中置入管道以萃取煤层气，既有效利用了这种优质能源，又避免了其直接排放所带来的温室效应负面影响，还降低了开采煤矿时发生瓦斯事故的概率，一举三得。但遗憾的是，目前在地质勘探领域，还没有在软弱地层或煤层中敷设水平方向管道的方法及相应装置，仅仅只能实现在煤层中敷设垂直方向管道，其萃取的煤层气非常有限，不具有推广利用的价值。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种在软弱地层敷设水平管道的方法及地面调向装置，它解决了目前煤层中的煤层气无法得到有效萃取的问题。
本发明的技术方案是：地面调向装置，包括外套管、内套管及减重组件；外套管活动套装在内套管外，两者可相对滑动且不可相对转动；减重组件安装在内套管的内孔中，其包括平面推力轴承和接头；接头通过平面推力轴承活动安装在内套管的内孔中，其与内套管之间可相对转动，接头一端为钻机动力端，另一端为钻杆输出端。
本发明进一步的技术方案是：外套管内壁中设有轴向延伸的导向棱；内套管的外壁上设有与外套管的导向棱相配合的滑槽，内套管活动安装在外套管的内孔中，其滑槽与外套管的导向棱滑配。
本发明再进一步的技术方案是：接头呈两端开口的套筒形，其在钻机动力端和钻杆输出端均设有内螺纹。
本发明的技术方案是：一种利用地面调向装置在软弱地层敷设水平管道的方法，步骤如下：
S01，打井：用钻机在地面向下打井至完整的岩体部分；
S02，置入井口套管：将预先准备好的井口套管安放在打出的井内，使井口套管下端与岩体接触，再灌注水泥浆于井口套管外壁与井壁之间，从而将井口套管与岩体固定连接；
S03，置入外套管：将外套管置入井口套管内，外套管直接或间接承载在井口套管上，两者之间暂不固定；
S04，置入内套管并完成钻机的动力连接：将内套管安装在外套管的内孔中，内套管与外套管通过滑槽与导向棱的配合形成滑动配合，在接头的钻杆输出端上连接钻杆、钻具和钻头，再将连接有钻杆的接头通过平面推力轴承装入内套管内孔中，最后将钻机的动力输出件连接在接头的钻机动力端上；
S05，锁定钻进方位角：先转动外套管至设定的钻孔方位角度，再将外套管与井口套管固定连接，从而锁定了钻进方位角；
S06，钻进至目标层：启动钻机进行钻进，钻机的动力通过动力输出件、接头、钻杆及钻具，传递至钻头上，驱动钻头钻进，在钻进过程中，内套管和减重组件一同沿外套管的轴向方向下降，钻至一定深度后暂停钻进，钻进深度以内套管不脱离出外套管的内孔为准，将内套管连同减重组件沿着外套管的内孔上提，直至内套管与外套管完全脱离并位于井口上方，然后断开减重组件下端两相邻钻杆节段之间的连接，再在断开的两相邻钻杆节段之间加入新的钻杆节段以延长钻杆长度，再在内套管下端连接钻杆套管节段，新加入的钻杆套管节段应与新加入的钻杆节段长度相适应，然后将内套管连同减重组件装回外套管的内孔中，继续启动钻机进行钻进，钻至一定深度后暂停钻进，钻进深度以内套管不脱离出外套管的内孔为准，将内套管连同减重组件沿着外套管的内孔上提，直至内套管与外套管完全脱离并位于井口上方，然后断开减重组件下端两相邻钻杆节段之间的连接，再在断开的两相邻钻杆节段之间加入新的钻杆节段以延长钻杆长度，再断开内套管与钻杆套管节段的连接，然后在内套管与钻杆套管节段之间加入新的钻杆套管节段以延长钻杆套管的长度，新加入的钻杆套管节段应与新加入的钻杆节段长度相适应，然后将内套管连同减重组件装回外套管的内孔中，继续启动钻机进行钻进；如此重复上述加装钻杆节段和钻杆套管节段的步骤，直至钻头钻进达到目标层；
本步骤中，钻杆套管只能沿着轴向方向往复移动，在锁定了钻进方位角后，钻杆套管起到井口定向和导向作用；
S07，敷设管道：设计置入软弱地层水平段的所有钻杆套管节段均通过左旋螺纹首尾连接，未置入软弱地层水平段的所有钻杆套管节段均通过右旋螺纹首尾连接，两段钻杆套管通过正反螺纹接头连接；钻进达到目标层后，在地面对整条钻杆套管施加扭矩，使两段钻杆套管在正反螺纹接头处脱离，将上段的钻杆套管从井口取出，然后在地面对整条钻杆施加扭矩，使钻杆节段分离，将钻杆分段取出，下段的钻杆套管即被留在了设计置入软弱地层水平段内；
本步骤中，正反螺纹接头一端设有左旋螺纹，另一端设有右旋螺纹，正反螺纹接头通过左旋螺纹与置入软弱地层水平段的一段钻杆套管连接，通过右旋螺纹与未置入软弱地层水平段的一段钻杆套管连接。
本发明进一步的技术方案是：所述井口套管在靠近地面的一端设有法兰盘A；法兰盘A上设有螺栓孔；所述外套管一端设有法兰盘B，法兰盘B上设有弧形腰孔；外套管可通过法兰盘B承载在井口套管的法兰盘A上，法兰盘B上的弧形腰孔正对法兰盘A上的螺栓孔。
本发明再进一步的技术方案是：下段的钻杆套管的下端和中部设有多个透气孔，透气孔可供煤层气进入钻杆套管的内腔中。
本发明再进一步的技术方案是：钻杆套管的所有钻杆套管节段外径均一致。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明提供的装置和方法可将管道水平敷设在软弱、破碎地层中，这使得在煤层中有效萃取煤层气成为可能，既有效利用了这种优质能源，又避免了其直接排放所带来的温室效应负面影响，还降低了开采煤矿时发生瓦斯事故的概率，一举三得。
以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为地面调向装置的结构示意图；
图2为外套管的结构示意图；
图3为内套管的结构示意图；
图4为在软弱地层敷设水平管道的方法在S04步骤的状态示意图；
图5为在软弱地层敷设水平管道的方法在S06步骤的状态示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图1-3所示，地面调向装置，包括外套管1、内套管2及减重组件。
外套管1内壁中设有轴向延伸的导向棱11。内套管2的外壁上设有与外套管1的导向棱11相配合的滑槽21，内套管2活动安装在外套管1的内孔中，其滑槽21与外套管1的导向棱11滑配。外套管1与内套管2可相对滑动且不可相对转动。
减重组件安装在内套管2的内孔中，其包括平面推力轴承31和接头32；接头32呈两端开口的套筒形，接头32通过平面推力轴承31活动安装在内套管2的内孔中，其与内套管2之间可相对转动，接头32一端为钻机动力端，另一端为钻杆输出端，接头32在钻机动力端和钻杆输出端均设有内螺纹。
简述本发明的应用：
如图4-5所示，在软弱(破碎)地层的水平段敷设水平管道的方法，利用所述地面调向装置，步骤如下：
S01，打井：用钻机4在地面向下打井至完整的岩体101部分。
S02，置入井口套管：将预先准备好的井口套管5安放在打出的井内，使井口套管5下端与岩体101接触，再灌注水泥浆102于井口套管5外壁与井壁之间，从而将井口套管5与岩体101固定连接。
S03，置入外套管：将外套管1置入井口套管5内，外套管1直接或间接承载在井口套管5上，两者之间暂不固定。
S04，置入内套管并完成钻机的动力连接：将内套管2安装在外套管1的内孔中，内套管2与外套管1通过滑槽21与导向棱11的配合形成滑动配合，在接头32的钻杆输出端上连接钻杆41、钻具42和钻头43，再将连接有钻杆41的接头32通过平面推力轴承31装入内套管2内孔中，最后将钻机4的动力输出件44连接在接头32的钻机动力端上。
S05，锁定钻进方位角：先转动外套管1至设定的钻孔方位角度，再将外套管1与井口套管5固定连接，从而锁定了钻进方位角。
S06，钻进至目标层：启动钻机4进行钻进，钻机4的动力通过动力输出件44、接头32、钻杆41及钻具42，传递至钻头43上，驱动钻头43钻进，在钻进过程中，内套管2和减重组件一同沿外套管1的轴向方向下降，钻至一定深度后暂停钻进，钻进深度以内套管2不脱离出外套管1的内孔为准，将内套管2连同减重组件沿着外套管1的内孔上提，直至内套管2与外套管1完全脱离并位于井口上方，然后断开减重组件下端两相邻钻杆节段411之间的连接，再在断开的两相邻钻杆节段411之间加入新的钻杆节段411以延长钻杆41长度，再在内套管2下端连接钻杆套管节段451，新加入的钻杆套管节段451应与新加入的钻杆节段411长度相适应，然后将内套管2连同减重组件装回外套管1的内孔中，继续启动钻机4进行钻进，钻至一定深度后暂停钻进，钻进深度以内套管2不脱离出外套管1的内孔为准，将内套管2连同减重组件沿着外套管1的内孔上提，直至内套管2与外套管1完全脱离并位于井口上方，然后断开减重组件下端两相邻钻杆节段411之间的连接，再在断开的两相邻钻杆节段411之间加入新的钻杆节段411以延长钻杆41长度，再断开内套管2与钻杆套管节段451的连接，然后在内套管2与钻杆套管节段451之间加入新的钻杆套管节段451以延长钻杆套管45的长度，新加入的钻杆套管节段451应与新加入的钻杆节段411长度相适应，然后将内套管2连同减重组件装回外套管1的内孔中，继续启动钻机4进行钻进。如此重复上述加装钻杆节段411和钻杆套管节段451的步骤，直至钻头43钻进达到目标层。
本步骤中，钻杆套管45只能沿着轴向方向往复移动，在锁定了钻进方位角后，钻杆套管45起到井口定向和导向作用。
S07，敷设管道：设计置入软弱地层水平段的所有钻杆套管节段451均通过左旋螺纹首尾连接，未置入软弱地层水平段的所有钻杆套管节段451均通过右旋螺纹首尾连接，两段钻杆套管通过正反螺纹接头6连接。钻进达到目标层后，在地面对整条钻杆套管45施加扭矩，使两段钻杆套管在正反螺纹接头6处脱离，将上段的钻杆套管从井口取出，然后在地面对整条钻杆41施加扭矩，使钻杆节段分离，将钻杆分段取出，下段的钻杆套管即被留在了设计置入软弱地层水平段内。
本步骤中，正反螺纹接头6一端设有左旋螺纹，另一端设有右旋螺纹，正反螺纹接头6通过左旋螺纹与置入软弱地层水平段的一段钻杆套管连接，通过右旋螺纹与未置入软弱地层水平段的一段钻杆套管连接。
优选，所述井口套管5在靠近地面的一端设有法兰盘A51。法兰盘A51上设有螺栓孔。所述外套管1一端设有法兰盘B12，法兰盘B12上设有弧形腰孔。外套管1可通过法兰盘B12承载在井口套管5的法兰盘A51上，法兰盘B12上的弧形腰孔正对法兰盘A51上的螺栓孔。通过螺栓将法兰盘A51和法兰盘B12连接即将外套管1固定在井口套管上。
优选，下段的钻杆套管45的下端和中部设有多个透气孔，透气孔可供煤层气进入钻杆套管45的内腔中。
优选，钻杆套管45的所有钻杆套管节段451外径均一致。

Claims (5)

1.一种在软弱地层敷设水平管道的方法，其特征是，利用地面调向装置；
所述地面调向装置，包括外套管(1)、内套管(2)及减重组件；外套管(1)活动套装在内套管(2)外，两者可相对滑动且不可相对转动；减重组件安装在内套管(2)的内孔中，其包括平面推力轴承(31)和接头(32)；接头(32)通过平面推力轴承(31)活动安装在内套管(2)的内孔中，其与内套管(2)之间可相对转动，接头(32)一端为钻机动力端，另一端为钻杆输出端；
外套管(1)内壁中设有轴向延伸的导向棱(11)；内套管(2)的外壁上设有与外套管(1)的导向棱(11)相配合的滑槽(21)，内套管(2)活动安装在外套管(1)的内孔中，其滑槽(21)与外套管(1)的导向棱(11)滑配；
步骤如下：
S01，打井：用钻机(4)在地面向下打井至完整的岩体(101)部分；
S02，置入井口套管：将预先准备好的井口套管(5)安放在打出的井内，使井口套管(5)下端与岩体(101)接触，再灌注水泥浆(102)于井口套管(5)外壁与井壁之间，从而将井口套管(5)与岩体(101)固定连接；
S03，置入外套管：将外套管(1)置入井口套管(5)内，外套管(1)直接或间接承载在井口套管(5)上，两者之间暂不固定；
S04，置入内套管并完成钻机的动力连接：将内套管(2)安装在外套管(1)的内孔中，内套管(2)与外套管(1)通过滑槽(21)与导向棱(11)的配合形成滑动配合，在接头(32)的钻杆输出端上连接钻杆(41)、钻具(42)和钻头(43)，再将连接有钻杆(41)的接头(32)通过平面推力轴承(31)装入内套管(2)内孔中，最后将钻机(4)的动力输出件(44)连接在接头(32)的钻机动力端上；
S05，锁定钻进方位角：先转动外套管(1)至设定的钻孔方位角度，再将外套管(1)与井口套管(5)固定连接，从而锁定了钻进方位角；
S06，钻进至目标层：启动钻机(4)进行钻进，钻机(4)的动力通过动力输出件(44)、接头(32)、钻杆(41)及钻具(42)，传递至钻头(43)上，驱动钻头(43)钻进，在钻进过程中，内套管(2)和减重组件一同沿外套管(1)的轴向方向下降，钻至一定深度后暂停钻进，钻进深度以内套管(2)不脱离出外套管(1)的内孔为准，将内套管(2)连同减重组件沿着外套管(1)的内孔上提，直至内套管(2)与外套管(1)完全脱离并位于井口上方，然后断开减重组件下端两相邻钻杆节段(411)之间的连接，再在断开的两相邻钻杆节段(411)之间加入新的钻杆节段(411)以延长钻杆(41)长度，再在内套管(2)下端连接钻杆套管节段(451)，新加入的钻杆套管节段(451)应与新加入的钻杆节段(411)长度相适应，然后将内套管(2)连同减重组件装回外套管(1)的内孔中，继续启动钻机(4)进行钻进，钻至一定深度后暂停钻进，钻进深度以内套管(2)不脱离出外套管(1)的内孔为准，将内套管(2)连同减重组件沿着外套管(1)的内孔上提，直至内套管(2)与外套管(1)完全脱离并位于井口上方，然后断开减重组件下端两相邻钻杆节段(411)之间的连接，再在断开的两相邻钻杆节段(411)之间加入新的钻杆节段(411)以延长钻杆(41)长度，再断开内套管(2)与钻杆套管节段(451)的连接，然后在内套管(2)与钻杆套管节段(451)之间加入新的钻杆套管节段(451)以延长钻杆套管(45)的长度，新加入的钻杆套管节段(451)应与新加入的钻杆节段(411)长度相适应，然后将内套管(2)连同减重组件装回外套管(1)的内孔中，继续启动钻机(4)进行钻进；如此重复上述加装钻杆节段(411)和钻杆套管节段(451)的步骤，直至钻头(43)钻进达到目标层；
本步骤中，钻杆套管(45)只能沿着轴向方向往复移动，在锁定了钻进方位角后，钻杆套管(45)起到井口定向和导向作用；
S07，敷设管道：设计置入软弱地层水平段的所有钻杆套管节段(451)均通过左旋螺纹首尾连接，未置入软弱地层水平段的所有钻杆套管节段(451)均通过右旋螺纹首尾连接，两段钻杆套管通过正反螺纹接头(6)连接；钻进达到目标层后，在地面对整条钻杆套管(45)施加扭矩，使两段钻杆套管在正反螺纹接头(6)处脱离，将上段的钻杆套管从井口取出，然后在地面对整条钻杆(41)施加扭矩，使钻杆节段分离，将钻杆分段取出，下段的钻杆套管即被留在了设计置入软弱地层水平段内；
本步骤中，正反螺纹接头(6)一端设有左旋螺纹，另一端设有右旋螺纹，正反螺纹接头(6)通过左旋螺纹与置入软弱地层水平段的一段钻杆套管连接，通过右旋螺纹与未置入软弱地层水平段的一段钻杆套管连接。
2.如权利要求1所述的在软弱地层敷设水平管道的方法，其特征是：所述接头(32)呈两端开口的套筒形，其在钻机动力端和钻杆输出端均设有内螺纹。
3.如权利要求2所述的在软弱地层敷设水平管道的方法，其特征是：所述井口套管(5)在靠近地面的一端设有法兰盘A(51)；法兰盘A(51)上设有螺栓孔；所述外套管(1)一端设有法兰盘B(12)，法兰盘B(12)上设有弧形腰孔；外套管(1)可通过法兰盘B(12)承载在井口套管(5)的法兰盘A(51)上，法兰盘B(12)上的弧形腰孔正对法兰盘A(51)上的螺栓孔。
4.如权利要求3所述的在软弱地层敷设水平管道的方法，其特征是：下段的钻杆套管(45)的下端和中部设有多个透气孔，透气孔可供煤层气进入钻杆套管(45)的内腔中。
5.如权利要求4所述的在软弱地层敷设水平管道的方法，其特征是：钻杆套管(45)的所有钻杆套管节段(451)外径均一致。
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