一种空气钻进中快速封堵地层出水的封隔器及封隔方法与流程

本发明属于煤层封堵，尤其涉及一种空气钻进中快速封堵地层出水的封隔器及封隔方法。

背景技术：

1、煤层气钻井过程中经常遇到漏失严重的地层，导致泥浆“有进无出”，钻进难度增加，成本增加。为了解决此难题，将空气钻井技术运用到煤层气开采中。空气钻井技术是利用空气作为循环介质将岩石破碎过程中产生的岩屑携带出地表的一种欠平衡钻井技术。相比于常规钻井技术，空气钻井具有产层伤害小、钻进速度快、硬地层钻进效率高、成本低、清洁环保等优点。

2、然而，空气钻井技术并非是一把万能的“钥匙”，在其应用的过程中同样存在着自身的缺陷。空气钻进遇地层出水是目前空气钻井所面临的技术难题之一。当空气钻井钻遇地层出水以后，水敏性泥页岩岩屑极易水化膨胀，使得岩屑黏结成团，如果不加以处理，将越结越大并产生沉降，聚集井内，形成泥饼圈，导致井眼环空堵塞或卡钻等，可能引发井下复杂事故。同时，水敏性泥页岩地层自发吸水，一方面导致近井壁地层孔隙压力升高，另一方面泥页岩粘土矿物水化膨胀，产生附加水化应力，泥页岩力学强度降低，井壁稳定性下降。目前所使用的封堵水层的办法主要有注浆法、聚氨酯封堵法、化学封堵法等，其主要特点及缺陷见下表：

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4、因此，亟需研制出一种装置，能够适应不同的地质储层条件，快速封堵出水层，保证空气钻进的正常进行。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种空气钻进中快速封堵地层出水的封隔器及封隔方法，针对目前空气钻进过程中钻遇含水层时，地层出水引起钻杆循环阻力增大、卡钻等工程问题，本发明相较于工程中现有的封隔器，具有可通过钻柱直接携带，无需提钻二次绑定封隔器、可溶于洗井液等优点，有助于提高钻井作业的效率。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种空气钻进中快速封堵地层出水的封隔器，包括位于中心竖直设置的橡胶内管，套设于橡胶内管的上、下部固定组件和位于中间的功能性组件，所述上、下部固定组件均包括套设于橡胶内管外的可溶性金属外壳，可溶性金属外壳端部设有螺纹接口，橡胶内管外套设有钢片弹发座，钢片弹发座上铰接有钢片伸缩杆，钢片伸缩杆端部设有固定钢片，可溶性金属外壳一周设有与固定钢片位置相匹配的钢片出口；功能性组件包括控制模块和执行模块，控制模块包括压力传感器、转速传感器、电池和控制器，控制模块均固设于橡胶内管外壁且由设置于外部的可溶性金属保护壳保护，执行模块包括套设于橡胶内管外的橡胶外壳，橡胶外壳内壁贴敷一层桶状薄金属外壳，位于橡胶外壳内部的橡胶内管中部外侧套设有环形发条和环形可折叠金属隔离片，环形可折叠金属隔离片上部设有聚氨酯a液，下部设有聚氨酯b液，fpc柔性线路板位于橡胶内层外壁且分别与弹发座、应力传感器、转速传感器、控制器、环形发条电连接；控制器在获取传感器信号的前提下做出决策，将执行信号通过fpc柔性线路板传递给执行模块，执行模块的主要作用为在接收控制器反馈的执行信号后，环形发条收缩环形可折叠金属隔离片，聚氨酯a/b液融合产生化学反应膨胀冲破桶状薄金属外壳，挤压外部橡胶外壳，使其紧贴含水层以达到封堵的目的。

4、进一步的，所述聚氨酯a液是聚氨酯胶体，b液是硬化剂，两液相混后在常温条件下即可发生膨胀、硬化，进而达到膨胀外部橡胶以封堵含水层的目的。聚氨酯全称为聚氨酯甲酸酯，是一种高分子化合物。聚氨酯a、b液混合后，30分钟即可达到最高强度的50%，24小时左右达到最高强度，可在-60 ℃~100 ℃的环境可使用，并具有耐油、耐磨、耐低温、耐老化、硬度高等优点，因此对出水地层有着良好的封隔作用。

5、进一步的，上部可溶性金属外壳与可溶性金属保护壳固定连接，可溶性金属保护壳通过可溶性环形固定金属片与橡胶外壳上部固定连接，下部可溶性金属外壳通过下部的可溶性环形固定金属片与橡胶外壳底部固定连接，可溶性金属外壳、可溶性金属保护壳、可溶性环形固定金属片均能溶于洗井液中，洗井液为水+1%kcl。

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7、所述控制器与弹发座和环形发条之间均为电磁感应控制，弹发座和环形发条均具有磁性，环形发条与环形可折叠金属隔离片之间固定连接，环形发条具有收缩弹性。

8、进一步的，所述可溶性金属外壳外还设有一层橡胶保护膜，保护其在钻进过程中表面损坏。

9、一种利用封隔器的封隔方法，包括以下步骤：

10、s1.钻前通过水文地质资料和相邻区域的测井资料提前判识水层和预测出水量;

11、s2.通过螺纹接头将封隔器接入钻杆，随后将钻杆与钻头连接，下入钻头开始钻进，排渣过程中应力传感器激活将信号传递至控制器，控制器将转速传感器休眠；

12、s3.钻头继续钻进，钻遇含水层后，将封隔器与含水层严格对接，钻头不再钻进，开始空转，应力传感器感应不到排渣应力时，控制器将激活转速传感器，钻杆空转，设置钻杆达到一定转速后，转速传感器将信号传递至控制器，控制器通过fpc柔性线路板将信号传递给封隔器两端的固定钢片弹发座和环形发条；

13、s4.接受到控制器的信号后，固定钢片弹发座启动弹出钢片固定封隔器至含水层处，环形发条折叠后，环形可折叠金属隔离片折叠，聚氨酯a/b液混合开始产生化学作用引起聚氨酯膨胀，聚氨酯膨胀引起桶状薄金属外壳破裂；

14、s5.聚氨酯a/b液反应后的膨胀过程持续2~3个小时，待聚氨酯完全反应后撑开橡胶外壳贴紧含水层以达到封堵效果；

15、s6.反向旋转钻杆，钻杆螺纹与封隔器螺纹脱离，钻头继续钻进；

16、s7.待钻探完成后，开始洗井工作，可溶性金属部件会在洗井过程中溶解于洗井液中。

17、本发明具有的优点是：

18、1.本发明可在地面连接钻杆，跟随钻头钻杆直接钻入地层以达到钻进-排渣-封隔一体化的效果，略去了钻头钻遇含水层后提钻至地面绑定封隔器再次下钻封隔含水层的工序；

19、2.该封隔器制作成本低，操作简便，可通过传感器实现对含水层的智能化封隔以大大缩减施工时长；

20、3.本装置同样适用于软弱地层，适用范围广，达到快速封堵复杂地质储层条件出层层的目的。

技术特征：

1.一种空气钻进中快速封堵地层出水的封隔器，其特征在于：包括位于中心竖直设置的橡胶内管，套设于橡胶内管的上、下部固定组件和位于中间的功能性组件，所述上、下部固定组件均包括套设于橡胶内管外的可溶性金属外壳，可溶性金属外壳端部设有螺纹接口，橡胶内管外套设有钢片弹发座，钢片弹发座上铰接有钢片伸缩杆，钢片伸缩杆端部设有固定钢片，可溶性金属外壳一周设有与固定钢片位置相匹配的钢片出口；功能性组件包括控制模块和执行模块，控制模块包括压力传感器、转速传感器、电池和控制器，控制模块均固设于橡胶内管外壁且由设置于外部的可溶性金属保护壳保护，执行模块包括套设于橡胶内管外的橡胶外壳，橡胶外壳内壁贴敷一层桶状薄金属外壳，位于橡胶外壳内部的橡胶内管中部外侧套设有环形发条和环形可折叠金属隔离片，环形可折叠金属隔离片上部设有聚氨酯a液，下部设有聚氨酯b液，fpc柔性线路板位于橡胶内层外壁且分别与弹发座、应力传感器、转速传感器、控制器、环形发条电连接。

2.如权利要求1所述的空气钻进中快速封堵地层出水的封隔器，其特征在于：所述聚氨酯a液是聚氨酯胶体，b液是硬化剂。

3.如权利要求1所述的空气钻进中快速封堵地层出水的封隔器，其特征在于：上部可溶性金属外壳与可溶性金属保护壳固定连接，可溶性金属保护壳通过可溶性环形固定金属片与橡胶外壳上部固定连接，下部可溶性金属外壳通过下部的可溶性环形固定金属片与橡胶外壳底部固定连接。

4.如权利要求1所述的空气钻进中快速封堵地层出水的封隔器，其特征在于：所述控制器与弹发座和环形发条之间均为电磁感应控制，弹发座和环形发条均具有磁性，环形发条与环形可折叠金属隔离片之间固定连接，环形发条具有收缩弹性。

5.如权利要求1所述的空气钻进中快速封堵地层出水的封隔器，其特征在于：所述可溶性金属外壳外还设有一层橡胶保护膜。

6.如权利要求1-5任一所述的封隔器的封隔方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明属于煤层封堵技术领域，尤其涉及一种空气钻进中快速封堵地层出水的封隔器及封隔方法，该封隔器由上、中、下三部分组成，其中，上、下两部分为固定组件，中间部分为功能性组件。上下部固定组件一为绑定该封隔器至钻杆；二为钻头钻过含水层时，固定钢片弹出，将封隔器固定在含水层位置。其部件主要包含螺纹接口、可溶性金属外壳、可溶性金属保护壳、固定钢片、钢片伸缩杆、钢片弹发座，该封隔器通过其上、下部的螺纹接口与钻杆上的螺纹连接固定。该封隔器主体框架采用可溶性合金制作而成，具有较高的比强度、低密度，较快的溶解速率和优良的铸造性能。可溶性金属部件会在洗井过程中溶解于洗井液中，具有制作成本低，操作简便的优点。技术研发人员：李延河,王保玉,吕闰生,倪小明,全星苑,张浩权,张海庆,朱林,梁海军,符辉受保护的技术使用者：中国平煤神马控股集团有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/18