CN105257261B - 海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，包括步骤：依托海上浮式钻井装置，在试采区域钻测试井与取样井，利用所述测试井实施测井作业，判断天然气水合物层位；移动海上浮式钻井装置到所述取样井井位，利用钻杆钻进至所述天然气水合物层位顶部并取样后，通过流化措施流化所述天然气水合物；利用所述钻杆和所述钻杆与连续油管之间的环形通道建立流化后的天然气水合物‑水多相流体的上升通道，以将所述多相流体上返至所述海上浮式钻井装置进行试采或测试。本发明避免使用昂贵的深水钻井隔水管、水下防喷器、水下采油树和水下测试树，同时利用取样、同步实施试采，所需设施简单，因此具有很好的经济效益。

Description

海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法

技术领域

本发明涉及新能源油气资源开发技术领域，尤其涉及一种海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法。

背景技术

天然气水合物是甲烷等烃类气体或挥发性液体与水在高压低温条件下形成的白色结晶状“笼形化合物”(Clathrate)，外表像冰，一点就燃，因此被称为“可燃冰”。高密度、高热值、分布广是天然气水合物的显著特点，通常一单位体积的天然气水合物分解可产生164-180单位体积的甲烷气体。世界各国围绕北极和深海天然气水合物勘探和钻探成果初步证实，天然气水合物资源主要分布在北极冻土带、印度洋、太平洋、北冰洋、大西洋等沿海大陆架300米-3000米水深的深水区，初步估计其资源量为常规油气的近百倍，其中约95％储存在深海区域，天然气水合物有可能成为继页岩气、煤层气、油砂等之后的又一储量巨大的接替能源。

海上天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘大陆坡、被动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地内、满足天然气水合物生成温压条件的表层沉积物或沉积岩中，也可散布于洋底以颗粒状出现。目前发现的水合物主要以四种形态存在：砂岩型、砂岩裂隙型、细粒裂隙型水合物、分散型水合物。

针对砂岩型水合物常用的流化试采方法主要包括降压法、注热法、注化学剂、CO₂置换法，如在海上实施试采则需要动用深水浮式钻井装备和常规深水测试装备，如深水半潜式平台、深水隔水管、水下防喷器、水下采油树、水下测试树和地面处理流程，投资大，给试采技术验证带来实际财政困难；2013年3月12日，日本在其近海爱知海1200米水深、海底约300米储层采用常规钻井机具和降压法，成功进行了海上天然气水合物藏第一次生产测试，初步证实了海上试采技术的可行性，但6天海上试验由于技术和经费问题暂时停止；因此安全、经济、高效开发水合物技术没有根本突破。

同时目前细粒裂隙型水合物、分散型水合物总量大，占整体水合物资源的约80％，但由于具有埋深浅、胶结性差等特点，无法采用上述方法进行试采作业。

综上所述，无论是胶结较好的成岩水合物，还是胶结较差的非成岩水合物，在国内外研究技术中安全、高效开采技术没有根本突破，常规试采工程设备复杂、投资大，迫切需要一种简易的试采技术测试方法和工艺。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种所需设施简单、具有良好经济效益的用于开采海上非成岩或成岩天然气水合物的流化试采方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，包括步骤：依托海上浮式钻井装置，在试采区域钻测试井与取样井，利用所述测试井实施测井作业，判断天然气水合物层位；移动海上浮式钻井装置到所述取样井井位，利用钻杆钻进至所述天然气水合物层位顶部并取样后，通过流化措施流化所述天然气水合物；利用所述钻杆和所述钻杆与连续油管之间的环形通道建立流化后的天然气水合物-水多相流体的上升通道，以将所述多相流体上返至所述海上浮式钻井装置进行试采或测试。

本发明的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，优选的，所述试采方法中天然气水合物取样与试采步骤在海上同步进行，在进行试采时，所述取样井转化为试采井。

本发明的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，优选的，在深部天然气水合物层，通过钻杆直接造斜钻到天然气水合物层顶部并取样后，利用所述流化措施流化所述天然气水合物，循环上返所述天然气水合物进行流化试采。

本发明的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，优选的，在浅部天然气水合物层，移动所述海上浮式钻井装置远离天然气水合物层合理位置，钻完表层后，打一水泥塞，待所述水泥塞凝固后，以所述水泥塞为造斜点造斜钻至天然气水合物层顶部并取样，之后利用所述流化措施流化所述天然气水合物，循环上返所述天然气水合物进行流化试采。

本发明的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，优选的，所述海上浮式钻井装置为深水钻井平台、深水勘察船或多功能支持船。

本发明的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，优选的，所述流化措施包括利用连续油管高压喷射、反复扩眼钻进或移动浮式钻井装置造斜钻进。

本发明的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，优选的，所述海上浮式钻井装置为具有包括电阻率和γ射线在内的基本测井装备、对上返至海面的所述多相流体进行收集和后期处理的分离处理设备以及控制所述环形通道内压力的压力控制系统的海上浮式钻井装置。

本发明的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，优选的，在浅部天然气水合物层钻进过程中，当钻杆钻至测井异常水合物层位后，下入紧急解脱组件和底部立管总成和连续油管提升架作为钻杆不再前进的标志，而连续油管继续钻进，钻进深度在地震解释海底模拟反射层上方。

本发明的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，优选的，还包括通过所述连续油管注热、注剂或降压将天然气水合物进行分解，进行吞吐或循环吞吐测试的步骤。

本发明的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，优选的，所述海上浮式钻井装置上还具有火炬燃烧系统，所述分离处理设备处理后的天然气进入所述火炬燃烧系统燃烧。

本发明的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，优选的，建立所述多相流体上返的上升通道的步骤包括：钻进至天然气水合物层顶部；下入紧急解脱组件和底部立管总成和连续油管提升架组合；接连续油管防喷器、接连续油管高压泥浆管线、接连续油管注入头、对连续油管防喷器及高压泥浆管线进行试压；接连续油管钻进循环系统，组合连续油管、马达和钻具组合；在钻杆内下入连续油管钻具组合至水合物储层顶部位置，继续钻进水合物层；循环建立钻杆与连续油管钻具组合开采通道。

本发明的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，优选的，还包括降压试采的步骤，通过调节地面连续油管防喷装置的翼阀开度，降低所述环形通道内的压力，使所述天然气水合物发生自分解进行试采。

本发明的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，优选的，还包括步骤：通过所述测试井向所述试采井注入水、注入热或化学药剂，使所述天然气水合物层位发生分解并进行驱替测试。

本发明的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，优选的，对天然气水合物储层，选择海水为钻井液，使用连续油管钻进流化天然气水合物，使所述天然气水合物从钻杆和连续油管之间的环形通道上返至所述海上浮式钻井装置。

本发明的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，优选的，在试采区域分布一口或多口监测井以监测所述天然气水合物层在试采过程中的压力变化。

本发明的有益效果在于，本发明是依托深水钻井平台、深水勘察船或多功能支持船、使用取样、钻探、连续油管实施水合物层的流化测试，只需少量增加相关设备与设施对海洋水合物进行产能测试的工艺，在世界水合物勘探开发领域尚属空白。

本发明避免使用昂贵的海上深水钻井隔水管、水下防喷器、水下采油树、水下测试树，同时利用取样、同步实施试采，所需设施简单，因此具有很好的经济效益。且本发明对成岩水合物、非成岩水合物、深层水合物、浅层水合物均可以实施测试与试采。

附图说明

图1为本发明实施例的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法的示意图。

图2为本发明实施例的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法的钻杆和连续油管钻进的示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是，本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

为使说明书简洁，本说明中，天然气水合物简称为水合物。本发明的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，需要依托海上浮式钻井装置(或称海面浮式钻井装置、海上浮式支持平台或多功能支持船)，海上浮式钻井装置优选的是深水勘察船或多功能支持船。以下以深水勘察船作为海面浮式钻井装置为例介绍本发明实施例的海上天然气水合物流化试采方法。

本发明实施例的海上天然气水合物流化试采方法，如图1和图2所示，其思路和原理是：本发明提出了以钻杆2+连续油管9进行海上水合物试采的组合工艺技术，是借助海上水合物取样工程实施，依托深水勘察船1进行海上水合物流化试采的技术方法。其基本思路为：利用测试井6实施测井作业、判断水合物的层位，将取样井7转化为试采井7，采用连续油管9(带有连续油管钻头20)作为钻进工具，以钻杆2与连续油管9之间的环形通道(即环空)作为井下与海面的流化试采通道，必要时，可以用连续油管9实施循环注剂、循环注热等操作，在深水勘察船1上配备压力控制系统、火炬燃烧系统，从而保证试采过程的安全、达到快速实施海上水合物试采的目的。

本发明实施例的流化试采方法，可解决深部、浅部水合物层或成岩、非成岩水合物层的测试与试采，均可通过钻杆与连续油管的环空上返地面以达到试采地目的。

如果，水合物埋深较深，可依据地层自身的硬度和造斜能力，通过钻杆在浅部地层造斜可钻至水合物层顶部并取样，再采用连续油管流化钻进水合物层，将流化(破碎)后水合物循环上返至海上浮式钻井装置而进行测试。

如果，水合物层埋深很浅，地层很软、造斜能力低，在浅部地层钻杆不可能依据地层的造斜能力钻至水合物层顶部，此时，可移深水勘察船到水合物发现层位合理位置，这样一可避免可能的浅部水合物分解气体对深水勘察船的不利影响，二可易于采用其它手段使钻杆造斜钻至水合物顶部，具体技术措施可以为：深水勘察船移到合理位置后，可采用常规钻井法钻完表层后，打一个水泥塞，再采用侧钻水泥塞造斜法使钻杆钻达水合物层顶部并取样，之后再采用连续油管流化钻进水合物层。

本发明实施例的流化试采方法，利用钻杆钻进至天然气水合物层位顶部并取样后，需要通过流化措施流化所述天然气水合物；流化措施可包括利用连续油管高压喷射、利用钻杆或连续油管反复扩眼钻进，或者移动浮式钻井装置造斜钻进等方式对天然气水合物层进行流化。

本发明实施例的流化试采方法，解决其技术问题所采用的钻杆+连续油管进行海上水合物流化试采的组合工艺主要包括以下步骤和关键设备：

(1)水合物测试井测试

深水勘察船上应配备地面测试设备，基本测井装备要求有电阻、射线等，应用钻探随钻测试该试采区域的水合物地层，当出现电阻等异常时，结合其他特征海底模拟反射层(简称BSR,代表含气水合物(气水合物在海洋环境中是稳定的)的沉积物与下伏不含气水合物之间的声反射界面)，判断水合物的层位和底界。

(2)水合物试采井层位和钻深、范围的确定

如图1所示，鉴于海洋水合物藏不具备完整的圈闭构造，因此试采布设方案为至少1口测试井6，用于通过测井获取水合物的层位，同时布设一口试采井(取样井)7，也可布置一口或几口监测井，用以监测地层水合物在试采过程中地层的压力变化情况，确保安全作业，当测井信号出现高电阻等特征时，根据测井信号和取样结果，确定水合物试采的层位、结合所在区域地球物理解释，确定水合物试采井的钻探范围，根据测井、取样和BSR确定钻探深度。

(3)水合物试采井的连续油管和钻具组合钻探

在海上浅表层水合物层钻进过程中，当钻杆钻至测井异常水合物层位后，下入紧急解脱组件EDP(Emergency Disconnect Package)和底部立管总成LRP(Lower RiserPackage)和连续油管提升架作为钻杆不再前进的标志，而连续油管可继续钻进，钻井深度要在地震解释BSR上方，此时钻杆和连续油管之间的环空将具备作为试采水合物流体上返到水面的通道。

本发明实施例的流化试采方法，有以下技术点：

钻杆最大钻入深度必须满足两点要求：一要保证井壁稳定，二要保证分解后水合物-水多相流体能通过连续油管与钻杆的环空能上返到地面而不至于流窜至表面地层。

在确定连续油管尺寸、相应的马达和钻具组合时，连续油管最大可钻深度取决于地层特性(硬度)和连续油管及设备的最大钻进能力，连续油管和钻杆之间的环空通道有利于流化(破碎)的水合物上返，连续油管钻进时的钻进速度和泵注排量是控制的重要参数。

以下，再具体介绍本发明流化试采方法中，建立循环通道的主要过程。

要实现水合物流化试采，首先必须是建立水合物循环上升通道(连续油管和钻杆之间的环形通道，是连接水合物层位和海面浮式钻井装置的唯一上升通道)，其基本的操作流程如下：

第一步：采用常规钻进方法钻至水合物层段顶部；

第二步：下入紧急解脱组件和底部立管总成(EDP/LRP)和连续油管提升架组合；

第三步：接连续油管防喷器、接连续油管高压泥浆管线、接连续油管注入头、对连续油管防喷器及高压泥浆管线进行试压；

第四步：接连续油管钻进循环系统(固井泵或泥浆泵)，组合连续油管、马达和钻具组合，

第五步：在钻杆内下入连续油管钻具组合至水合物储层顶部位置，继续钻进水合物层；

第六步：循环建立钻杆+连续油管钻具组合开采通道。

本发明实施例的流化试采方法，关键的步骤是进行试采，对成岩水合物储层、非成岩水合物储层、埋深较深或埋藏很浅的水合物层，均可通过钻杆和连续油管钻进至水合物预定层位对水合物进行试采，水合物的试采有以下几种方法：

(1)、降压试采法：通过调节地面连续油管防喷器翼阀开度，适当降低环空压力，使水合物层发生自分解进行试采；

(2)、注热和注化学药剂吞吐法：通过连续油管注热和化学药剂到水合层位，进行吞吐测试；

(3)、循环注热和化学药剂试采法：通过连续油管对水合物储层实施循环注热和循环注入化学药剂并进行循环开采测试；

(4)、驱替试采法：通过测试井向试采井注入水、注热或注入化学药剂，使水合物储层在地层内发生分解并进行驱替测试。

本发明实施例的流化试采方法，需进行试采安全控制。可以有以下作法：深水勘察船作为整个开采过程的终端，负责天然气-未分解完全水合物-海水-泥沙多相管流混合物的收集与后期处理，处理后的天然气进入火炬系统燃烧。

整个试采过程的安全由地面流程的安全阀、放喷系统等给予保障，通过调节连续油管防喷器翼阀开度，形成水合物分解的降压分解驱动力，从而实施对井下水合物的降压开采，同时通过加入水合物抑制剂等方法避免形成第二次水合物冻堵环空上升通道。

综上上述，所述海面浮式钻井装置应具有：包括电阻率、γ射线在内的基本测井装备；对举升至海面的所述混合物的收集和后期处理的分离处理设备；以及火炬燃烧系统、控制所述环形通道内压力的压力控制系统。

本发明实施例的流华试采方法，可在试采区域分布一口或多口监测井，监测井的作用是监测天然气水合物层在试采过程中的压力变化，以保证整个试采作业过程中的作业安全。

本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，其特征在于，所述海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法包括步骤：

依托海上浮式钻井装置，在试采区域钻测试井与取样井，利用所述测试井实施测井作业，判断天然气水合物层位；

移动海上浮式钻井装置到所述取样井井位，利用钻杆钻进至所述天然气水合物层位顶部并取样后，在钻杆内下入连续油管钻具组合至水合物储层顶部位置，继续钻进水合物层；

通过流化措施流化所述天然气水合物；

利用所述钻杆和所述钻杆与连续油管之间的环形通道建立流化后的天然气水合物-水多相流体的上升通道，以将所述多相流体上返至所述海上浮式钻井装置进行试采或测试。

2.如权利要求1所述的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，其特征在于，所述试采方法中天然气水合物取样与试采步骤在海上同步进行，在进行试采时，所述取样井转化为试采井。

3.如权利要求2所述的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，其特征在于，在深部天然气水合物层，通过钻杆直接造斜钻到天然气水合物层顶部并取样后，利用所述流化措施流化所述天然气水合物，循环上返所述天然气水合物进行流化试采。

4.如权利要求2所述的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，其特征在于，在浅部天然气水合物层，移动所述海上浮式钻井装置远离天然气水合物层合理位置，钻完表层后，打一水泥塞，待所述水泥塞凝固后，以所述水泥塞为造斜点造斜钻至天然气水合物层顶部并取样，之后利用所述流化措施流化所述天然气水合物，循环上返所述天然气水合物进行流化试采。

5.如权利要求2所述的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，其特征在于，所述海上浮式钻井装置为深水钻井平台、深水勘察船或多功能支持船。

6.如权利要求1所述的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，其特征在于，所述流化措施包括利用连续油管高压喷射、反复扩眼钻进或移动浮式钻井装置造斜钻进。

7.如权利要求6所述的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，其特征在于，所述海上浮式钻井装置为具有包括电阻率和γ射线在内的基本测井装备、对上返至海面的所述多相流体进行收集和后期处理的分离处理设备以及控制所述环形通道内压力的压力控制系统的海上浮式钻井装置。

8.如权利要求4所述的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，其特征在于，在浅部天然气水合物层钻进过程中，当钻杆钻至测井异常水合物层位后，下入紧急解脱组件和底部立管总成和连续油管提升架作为钻杆不再前进的标志，而连续油管继续钻进，钻进深度在地震解释海底模拟反射层上方。

9.如权利要求7所述的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，其特征在于，还包括通过所述连续油管注热、注剂或降压将天然气水合物进行分解，进行吞吐的步骤。

10.如权利要求7所述的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，其特征在于，还包括通过所述连续油管注热、注剂或降压将天然气水合物进行分解，进行循环吞吐测试的步骤。

11.如权利要求7所述的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，其特征在于，所述海上浮式钻井装置上还具有火炬燃烧系统，所述分离处理设备处理后的天然气进入所述火炬燃烧系统燃烧。

12.如权利要求11所述的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，其特征在于，建立所述多相流体上返的上升通道的步骤包括：

钻进至天然气水合物层顶部；

下入紧急解脱组件和底部立管总成和连续油管提升架组合；

接连续油管防喷器、接连续油管高压泥浆管线、接连续油管注入头、对连续油管防喷器及高压泥浆管线进行试压；

接连续油管钻进循环系统，组合连续油管、马达和钻具组合；

在钻杆内下入连续油管钻具组合至水合物储层顶部位置，继续钻进水合物层；

循环建立钻杆与连续油管钻具组合开采通道。

13.如权利要求9所述的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，其特征在于，还包括降压试采的步骤，通过调节地面连续油管防喷装置的翼阀开度，降低所述环形通道内的压力，使所述天然气水合物发生自分解上返或循环上返进行试采。

14.如权利要求13所述的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，其特征在于，所述试采方法中天然气水合物取样与试采步骤在海上同步进行，在进行试采时，所述取样井转化为试采井；所述试采方法还包括步骤：通过所述测试井向所述试采井注入水、注入热或化学药剂，使所述天然气水合物层位发生分解并进行驱替测试。

15.如权利要求13所述的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，其特征在于，对天然气水合物储层，选择海水为钻井液，使用连续油管钻进流化天然气水合物，使所述天然气水合物从钻杆和连续油管之间的环形通道上返至所述海上浮式钻井装置。

16.如权利要求1所述的海域非成岩和成岩天然气水合物流化试采方法，其特征在于，在试采区域分布一口或多口监测井以监测所述天然气水合物层在试采过程中的压力变化。