CN109630076B - 一种径向水平井与降压注热联合开采天然气水合物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种径向水平井与降压注热联合开采天然气水合物的方法，属于天然气水合物开采技术领域，在已形成的天然气水合物钻孔的套管上，采用侧钻开窗式径向水平井技术钻出呈现辐射形状分布的多口水平井眼，并利用高压热水射流推动高压软管前端的喷射钻头，形成多条长度约百米的径向水平开采通道，利用热水的对流换热促进天然气水合物分解，并通过联合降压的方法，增强远井区的对流换热。在钻进过程中，通过分段式加热的方法进行高效开采。本发明工艺简单、成本低、效率高、易于实现，有利于实现天然气水合物的大规模商业化开采。
Description
技术领域
本发明属于天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种径向水平井与降压注热联合开采天然气水合物的方法。
背景技术
在如今化石能源急缺的国际背景下，天然气水合物以其储量大、分布广、高效清洁等优点在2017年被中国列为第173个新矿种。据专家估计，全球天然气水合物中碳含量为目前化石燃料碳含量总和的2倍，被公认为是最具潜力的清洁替代能源之一。目前天然气水合物的开采技术主要包括降压开采法、热激发法、注入化学试剂开采法和二氧化碳置换开采法。
降压开采法使用条件受限，需要在天然气水合物储层下方具有自由气体时才具备可行性，且在降压开采过程中，由于天然气水合物分解吸热，易导致开采通道再次形成天然气水合物阻碍天然气水合物气体产出，停止产气的现象。热激发法在使用过程中一直存在热效率低、能量利用率低的问题，且热量在天然气水合物储层中扩散范围有限，不具备实施开采的条件。注入化学试剂开采法存在化学试剂昂贵、污染环境及化学试剂作用缓慢、扩散受限等问题不宜推广使用。二氧化碳置换开采法存在着置换作用缓慢，周期长的缺点，目前仍处于实验室研究阶段。目前中国南海天然气水合物储层为黏土质粉砂型地层，地层渗透率小，采用上述开采方法均不能达到高效开采效果。
发明内容
针对目前天然气水合物开采方法的缺陷，本发明提出了一种径向水平井与降压注热联合开采天然气水合物的方法。
具体本发明采用如下技术方案：一种径向水平井与降压注热联合开采天然气水合物的方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1、在天然气水合物储层层位套管壁上侧钻开窗，之后下入高压软管和喷射钻头，所述喷射钻头上开设有中心喷嘴、前向喷嘴及后向喷嘴，所述中心喷嘴位于喷射钻头的轴向中心线上，所述前向喷嘴的喷射方向与中心喷嘴的喷射方向所成角度为锐角；所述后向喷嘴的喷射方向与中心喷嘴的喷射方向所成角度为钝角，向所述高压软管中注入高压热水，热水自位于高压软管前端的喷射钻头的中心喷嘴及前向喷嘴喷出，对位于喷射钻头前方的天然气水合物储层进行破碎，同时清理破碎过程中产生的岩屑，后向喷嘴向后侧壁天然气水合物储层喷射热水，利用水射流推动喷射钻头带动高压软管前进，钻出径向水平井；
步骤2、在径向水平井钻进过程中持续注入热水，钻进1m～2m水平距离后，调整热水注入压力或更换喷射钻头，从而保持喷射钻头不进尺，使热水在已开采水平层段充分加热天然气水合物储层，根据产气量判断此层段开采程度，待此层段天然气水合物完全分解，继续向前钻进，以此步骤重复钻进、停钻加热，实现天然气水合物分段式加热开采；
步骤3、在径向水平井径向钻进距离大于10m时，将注热方法和降压法联合，降低井筒孔底压力，与喷射钻头喷嘴处高压形成压力差，使得远距离处滞留热水流回井筒，加强热水与周围天然气水合物储层的对流换热，促进天然气水合物分解，实现天然气水合物开采。
进一步，步骤一中向所述高压软管中注入的高压热水压力不低于15MPa，温度不低于80℃。
优选的，所述中心喷嘴轴线与水平方向平行，前向喷嘴的轴线方向与水平向夹角为15°～30°，后向喷嘴的轴线方向与水平向夹角为120°～155°。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
一、本发明提供的侧钻开窗式径向水平井技术能有效穿越黏土质粉砂型储层，增加储层渗透率，较传统水平井作用效率高、工艺简单、成本低。
二、本发明提供的径向水平井技术扩大天然气水合物开采半径至100米，增加热水换热面积和气体开采面积。
三、本发明所述高压软管中的热水与井筒内空气的换热效率大大低于热水和海水的热交换，较于传统注热方法更有效的保持热量，提高热利用率。
四、本发明提供的开采方法在径向水平井钻进过程中通过分段式注热的方式，待近井层段天然气水合物开采结束后，再钻进下一层段天然气水合物储层，最大化利用热量，增强开采效果。
五、本发明提供的开采方法在达到降压开采条件后，联合降压法进行开采，加快远距离处滞留热水流回井筒，加强热水与周围天然气水合物储层的对流换热，进一步提高热效率，利于天然气水合物开采。
附图说明
图1是本发明实施例中所述径向水平井与降压注热联合开采天然气水合物的方法采用系统的整体示意图；
图2是本发明实施例中所述喷射钻头的示意图。
图中：1-套管柱，2-油管柱，3-连续管，4-过滤器，5-转向器，6-万向节，7-径向水平井，8-高压软管，9-喷射钻头，10-上覆盖层，11-天然气水合物储层，12-中心孔眼，13-前向孔眼，14-后向孔眼。
具体实施方式
下面结合图1和图2对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，所述天然气水合物储层11位于上覆盖层10下方。
本实施例中所述的径向水平井与降压注热联合开采天然气水合物的方法具体过程如下：在钻进天然气水合物开采井时，下入套管柱1之后，下入外管柱工具，其中外管柱工具包括油管柱2、锚定器和转向器5，通过吊入油管柱2携带锚定器和转向器5下放到目标层位；锚定器用于锚定转向器5和油管柱2，防止传动；转向器5和万向节6的联用实现连续管3由竖直方向向水平方向的转向。之后下入套管开窗工具，利用侧钻开窗技术在套管柱1上开出一个窗口。接着下入高压软管8和喷射钻头9，所述高压软管8采用耐压≥30MPa的软管，可采用山东恒通管业有限公司的2SP-22高压软管；所述喷射钻头9上开设有中心喷嘴12、前向喷嘴13及后向喷嘴14，所述中心喷嘴12位于喷射钻头9的轴向中心线上，所述前向喷嘴13的喷射方向与中心喷嘴12的喷射方向所成角度为锐角；所述后向喷嘴14的喷射方向与中心喷嘴12的喷射方向所成角度为钝角，向所述高压软管8中注入高压热水，在高压热水(压力根据天然气水合物开采地层的地层压力设定，一般不低于15MPa，注入温度不低于80℃)的注入下，位于高压软管8前端的喷射钻头9的中心喷嘴12和前向喷嘴13利用水射流碎岩，后向喷嘴14利用水射流形成向前的反向力推动喷射钻头9前进，实现自进，也起到辅助扩眼和清理岩屑的作用，本实施例中优选前向喷嘴13的轴线方向与水平向夹角为15°～30°，后向喷嘴14的轴线方向与水平向夹角为120°～155°，中心喷嘴轴线与水平方向平行。高压软管8内部设置有过滤器4，过滤器4的作用是滤掉高压热水中的杂质，避免杂质堵塞喷射钻头9水力喷射径向水平井7较传统水平井作用效率高、成本低；且扩大了天然气水合物开采半径，能有效提高产气量。由于热水与空气的对流换热系数小于热水与海水之间的对流换热系数，因此经由内部高压软管8注入的高压热水与周围空气的换热效率大大低于热水和海水的热交换，有效的保持热量，提高热利用率。在径向水平井7钻进过程中持续注入高压热水，在钻进1m～2m水平距离后，调整热水注入压力或更换喷射钻头9，使喷射钻头9不进尺，目的在于让热水在已开采的径向水平井7内充分加热天然气水合物储层11，最大化热利用率。根据产气量判断此加热的径向水平井7开采程度，待产气量有所降低后增大热水注入压力或更换喷射钻头9，继续向前钻进一定距离。以此重复钻进、停钻加热步骤，实现天然气水合物分段式加热高效开采。在径向钻进距离大于10m、获得较大开采面积后，将注热方法和降压法联合，降低井筒孔底开采层段压力，与喷射钻头9处的高压形成压力差，加快远距离处滞留热水流回油管柱2，加强热水与周围天然气水合物储层11的对流换热。径向水平井与降压注热联合开采天然气水合物的技术通过沿井筒径向钻取水平通道，不仅增大了天然气水合物储层11的径向开采面积，而且也增加了热水和天然气水合物储层11的换热面积；同时采用降压和注热联合的方法，极大地提高了热利用率和采气量。在开采天然气水合物储层11过程中也可以通过径向水平井技术钻取多条传热和采气通道，可以大大增加热水换热面积和气体开采面积，提高热利用率和产气量。
以上实施例中为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程及元件并没有详细的叙述。以上实施例是本发明具体实施方式的一种，本领域技术人员在本技术方案范围内进行的通常变化和替换应包含在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种径向水平井与降压注热联合开采天然气水合物的方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1、在天然气水合物储层层位套管壁上侧钻开窗，之后下入高压软管和喷射钻头，所述喷射钻头上开设有中心喷嘴、前向喷嘴及后向喷嘴，所述中心喷嘴位于喷射钻头的轴向中心线上，所述前向喷嘴的喷射方向与中心喷嘴的喷射方向所成角度为锐角；所述后向喷嘴的喷射方向与中心喷嘴的喷射方向所成角度为钝角，向所述高压软管中注入高压热水，热水自位于高压软管前端的喷射钻头的中心喷嘴及前向喷嘴喷出，对位于喷射钻头前方的天然气水合物储层进行破碎，同时清理破碎过程中产生的岩屑，后向喷嘴向后侧壁天然气水合物储层喷射热水，利用水射流推动喷射钻头带动高压软管前进，钻出径向水平井；
步骤2、在径向水平井钻进过程中持续注入热水，钻进1m～2m水平距离后，调整热水注入压力或更换喷射钻头，从而保持喷射钻头不进尺，使热水在已开采水平层段充分加热天然气水合物储层，根据产气量判断此层段开采程度，待此层段天然气水合物完全分解，继续向前钻进，以此步骤重复钻进、停钻加热，实现天然气水合物分段式加热开采；
步骤3、在径向水平井径向钻进距离大于10m时，将注热方法和降压法联合，降低井筒孔底压力，与喷射钻头喷嘴处高压形成压力差，使得远距离处滞留热水流回井筒，加强热水与周围天然气水合物储层的对流换热，促进天然气水合物分解，实现天然气水合物开采；
步骤1中向所述高压软管中注入的高压热水压力不低于15MPa，温度不低于80℃；
所述中心喷嘴轴线与水平方向平行，前向喷嘴的轴线方向与水平向夹角为15°～30°，后向喷嘴的轴线方向与水平向夹角为120°～155°。
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