CN107435531B - 一种基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法，天然气水合物储层包括上覆盖层、下覆盖层和水合物区，包括以下步骤：步骤1：进行从海底到下覆盖层的钻井施工；步骤2：向井中下钢筋笼；步骤3：下旋转喷射器，旋转喷射器利用抑制天然气水合物分解的浆液在所述井底喷射出扩大头；步骤4：旋转喷射器利用水泥浆在扩大头内喷涂出混凝土墩；步骤5：旋转喷射器上移一个混凝土墩的高度后，旋转喷射器在步骤4中混凝土墩上喷射出一个新的扩大头；步骤6：重复步骤4、5，直到形成一个连接上覆盖层和下覆盖层的混凝土柱桩。有益效果：解决了深海开采时可能带来的因海底失稳而导致天然气水合物储层被破坏、使人类的生命财产遭受损失的问题。
Description
技术领域
本发明涉及海洋资源及基础工程技术领域，尤其涉及一种基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法。
背景技术
天然气水合物储存于低温高压环境下的覆盖层的沉积物孔隙中，当温度升高或者压力减小时，天然气水合物就分解为气、水混合物，释放出的气、水混合物在覆盖层中形成超压，从而使得沉积物固结程度大大降低。特别是在深海天然气水合物开采的过程中，如果海底的覆盖层中的天然气水合物的温度或者压力的变化超过平衡条件，由天然气水合物分解产生的超压势必会影响覆盖层的稳定性，进而可能使海底斜坡的稳定性降低而导致发生海底滑坡。大规模发生的海底滑坡不但会对深海油气钻探、输油管道、海底电缆等海底工程设施造成破坏，而且还能导致海啸，极大地危害着人类生命财产的安全。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例为了解决深海天然气水合物开采时可能带来的因海底失稳而导致天然气水合物储层被破坏、使人类的生命财产遭受损失的问题而提供了一种基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法。
本发明的实施例提供一种基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法，所述天然气水合物储层包括上覆盖层和下覆盖层，所述上覆盖层和所述下覆盖层之间为储存天然气水合物的水合物区，所述方法包括以下步骤：
步骤1：利用深海钻井技术进行从海底到下覆盖层的钻井施工而形成井；
步骤2：向所述井中下放与所述井规格尺寸相适宜的钢筋笼；
步骤3：沿着所述钢筋笼的内部下放旋转喷射器，使所述旋转喷射器到达所述井的井底，所述旋转喷射器在所述井底喷射具有抑制天然气水合物分解的浆液而在所述井底形成一个异型的扩大头；
步骤4：所述旋转喷射器在所述扩大头内喷涂水泥浆而在所述扩大头内形成一个异型的混凝土墩；
步骤5：使所述旋转喷射器上移一个所述混凝土墩的高度后，所述旋转喷射器利用所述浆液在步骤4中所述混凝土墩上喷射出一个新的扩大头，所述新的扩大头为异型结构；
步骤6：重复步骤4和步骤5，直到形成一个混凝土柱桩，所述混凝土柱桩贯穿所述水合物区且连接所述上覆盖层和所述下覆盖层，利用所述混凝土柱桩来加固所述天然气水合物储层。
进一步地，所述扩大头和所述混凝土墩均为椭圆球结构。
进一步地，所述椭圆球结构的长赤道半径：短赤道半径：极半径之比为6:3:4。
进一步地，步骤1中的所述的深海钻井技术为采用下多层套管钻井的钻井技术。
进一步地，步骤1中的所述的深海钻井技术为采用下6层套管钻井的钻井技术。
进一步地，所述旋转喷射器喷射所述浆液时的喷射压力大于所述旋转喷射器喷涂所述水泥浆时的喷涂压力。
进一步地，所述井深入所述下覆盖层，所述井底的直径与所述钢筋笼的捆扎直径相同。
进一步地，所述井的局部位于所述上覆盖层，所述井的上端的直径大于所述井底的直径。
进一步地，所述井深入所述下覆盖层的深度为所述水合物区厚度的1/10。
进一步地，所述钢筋笼位于所述混凝土柱桩的内部。
本发明的实施例提供一种基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的装置，所述天然气水合物储层包括上覆盖层和下覆盖层，所述上覆盖层和所述下覆盖层之间为储存天然气水合物的水合物区，所述装置包括自所述海底钻入所述下覆盖层的井，所述井内设有混凝土柱桩，所述混凝土柱桩贯穿所述水合物区且连接所述上覆盖层和所述下覆盖层，所述混凝土柱桩包括若干在竖直方向上堆叠的具有异形结构的混凝土墩，所述混凝土柱桩内设有钢筋笼。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)通过本发明的基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法，在天然气水合物储层中筑建所述混凝土柱桩，当所述水合物区的力学性能降低时，由于应力集中效应，其主要受力由所述混凝土柱桩承担，从而使所述天然气水合物储层所承受的作用力仍然在其承受的范围内，因此所述天然气水合物储层的结构得到了加固，能够承受海底的所述天然气水合物储层中的天然气水合物因温度或者压力的变化超过平衡条件而产生的超压；(2)所述混凝土柱桩的横截面为异型，其内设有钢筋笼，这增加了所述混凝土柱桩抵抗竖向荷载和水平荷载的能力；(3)椭圆球结构的扩大头增加了其加固范围和加固效果，从而使整个所述天然气水合物储层在一定范围内是稳定的。
附图说明
图1是本发明天然气水合物储层的结构示意图；
图2是本发明基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法的步骤图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
本发明的实施例提供了提供一种基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法，目的是为了解决深海天然气水合物开采时可能带来的因海底失稳而导致天然气水合物储层被破坏、使人类的生命财产遭受损失的问题。
请参考图1，所述天然气水合物储层包括上覆盖层6和下覆盖层8，所述上覆盖层6和所述下覆盖层8之间为储存天然气水合物的水合物区7。本实施例当中，所述上覆盖层6位于海深1500m处，所述上覆盖层6的厚度为400m，所述水合物区7的厚度为200m，海底5温度为10°左右，海底5压力大约为15MPa。但并不以本实施例为限。
请参考图1和图2，本实施例所述的基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：利用深海钻井技术进行从海底5到下覆盖层8的钻井施工而形成井1。
利用深海钻井平台进行深海钻井，钻井深度与所述上覆盖层6、所述下覆盖层8和所述水合物区7力学性能相关，所述井1深入所述下覆盖层8的深度为所述水合物区7厚度的1/10。本实施例中，所述井1的开口处的直径为1.5m，所述井1向下深入所述下覆盖层8的20m深处，此时井底直径预留0.8m。由于深海沉积物复杂，钻井难度大，故要利用多层套管钻井技术，优选利用6层套管钻井技术。钻井时选用的钻井液，既需要符合地层基本要求，也要求能有效的防止水合物分解。
步骤2：向所述井1中下放与所述井1规格尺寸相适宜的钢筋笼。
所述钢筋笼直下入所述井底，所述钢筋笼的尺寸由所述井1的直径和最终形成的混凝土柱桩4确定，一般情况下，所述井底的直径与所述钢筋笼的捆扎直径相同。本实施例中，所述钢筋笼的捆扎直径为0.8m。
步骤3：沿着所述钢筋笼的内部下放旋转喷射器2，使所述旋转喷射器2到达所述井底，所述旋转喷射器2在所述井底喷射具有抑制天然气水合物分解的浆液而在所述井底形成一个异型的扩大头。
所述旋转喷射器2的直径小于所述钢筋笼的内径，将所述旋转喷射器2下入到所述井底，所述扩大头为椭圆球结构，所述椭圆球结构的长赤道半径：短赤道半径：极半径之比为6:3:4。本实施例中，所述椭圆球结构的长赤道半径、短赤道半径、极半径分别为1.2m、0.6m、0.8m。
步骤4：所述旋转喷射器2在所述扩大头内喷涂水泥浆而在所述扩大头内形成一个异型的混凝土墩3。
所述井底的所述扩大头形成后，将所述浆液换为水泥浆进行回灌，直到在所述扩大头内形成所述混凝土墩3，所述旋转喷射器2喷涂或者回灌所述水泥浆时使用的压力小于所述旋转喷射器2喷射所述浆液时使用的压力。所述混凝土墩3为椭圆球结构，该椭圆球结构的长赤道半径：短赤道半径：极半径＝6:3:4，所述混凝土墩的体积与所述扩大头的体积一致。
步骤5：使所述旋转喷射器2上移一个所述混凝土墩3的高度(1.6m)后，所述旋转喷射器2利用所述浆液在步骤4中所述混凝土墩3上喷射出一个新的扩大头，所述新的扩大头为异型结构。
优选步骤5中新的扩大头和步骤3、步骤4中的扩大头结构、尺寸均一致。
步骤6：重复步骤4和步骤5，直到形成一个混凝土柱桩4，所述混凝土柱桩4贯穿所述水合物区7且连接所述上覆盖层6和所述下覆盖层8，利用所述混凝土柱桩来加固所述天然气水合物储层。
所述混凝土柱桩4类似糖葫芦结构，其横截面为异型，其内设有所述钢筋笼，这增加了所述混凝土柱桩4抵抗竖向荷载和水平荷载的能力。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)通过本发明的基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法，在天然气水合物储层中筑建所述混凝土柱桩4，当所述水合物区7的力学性能降低时，由于应力集中效应，其主要受力由所述混凝土柱桩4承担，从而使所述天然气水合物储层所承受的作用力仍然在其承受的范围内，因此所述天然气水合物储层的结构得到了加固，能够承受海底的所述天然气水合物储层中的天然气水合物因温度或者压力的变化超过平衡条件而产生的超压；(2)所述混凝土柱桩4的横截面为异型，其内设有钢筋笼，这增加了所述混凝土柱桩4抵抗竖向荷载和水平荷载的能力；(3)椭圆球结构的扩大头增加了其加固范围和加固效果，从而使整个所述天然气水合物储层在一定范围内是稳定的。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法，所述天然气水合物储层包括上覆盖层和下覆盖层，所述上覆盖层和所述下覆盖层之间为储存天然气水合物的水合物区，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：利用深海钻井技术进行从海底到下覆盖层的钻井施工而形成井；
步骤2：向所述井中下放与所述井规格尺寸相适宜的钢筋笼；
步骤3：沿着所述钢筋笼的内部下放旋转喷射器，使所述旋转喷射器到达所述井的井底，所述旋转喷射器在所述井底喷射具有抑制天然气水合物分解的浆液而在所述井底形成一个异型的扩大头；
步骤4：所述旋转喷射器在所述扩大头内喷涂水泥浆而在所述扩大头内形成一个异型的混凝土墩；
步骤5：使所述旋转喷射器上移一个所述混凝土墩的高度后，所述旋转喷射器利用所述浆液在步骤4中所述混凝土墩上喷射出一个新的扩大头，所述新的扩大头为异型结构；
步骤6：重复步骤4和步骤5，直到形成一个混凝土柱桩，所述混凝土柱桩贯穿所述水合物区且连接所述上覆盖层和所述下覆盖层，利用所述混凝土柱桩来加固所述天然气水合物储层。
2.如权利要求1所述的基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法，其特征在于：所述扩大头和所述混凝土墩均为椭圆球结构。
3.如权利要求2所述的基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法，其特征在于：所述椭圆球结构的长赤道半径：短赤道半径：极半径之比为6:3:4。
4.如权利要求1所述的基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法，其特征在于：步骤1中的所述的深海钻井技术为采用下多层套管钻井的钻井技术。
5.如权利要求1所述的基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法，其特征在于：步骤1中的所述的深海钻井技术为采用下6层套管钻井的钻井技术。
6.如权利要求1所述的基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法，其特征在于：所述旋转喷射器喷射所述浆液时的喷射压力大于所述旋转喷射器喷涂所述水泥浆时的喷涂压力。
7.如权利要求1所述的基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法，其特征在于：所述井深入所述下覆盖层，所述井底的直径与所述钢筋笼的捆扎直径相同，所述井的局部位于所述上覆盖层，所述井的上端的直径大于所述井底的直径。
8.如权利要求7所述的基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法，其特征在于：所述井深入所述下覆盖层的深度为所述水合物区厚度的1/10。
9.如权利要求1所述的基于旋喷法加固深海天然气水合物储层的方法，其特征在于：所述钢筋笼位于所述混凝土柱桩的内部。
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