CN109707349B - 泥质粉砂水合物多分支孔开采钻完井一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用一趟管柱开展疏松泥质粉砂型天然气水合物多分支孔钻完井的一体化方法，多分支孔成孔采用钻完井一套管柱完成，不同分支孔钻孔过程中无需完全从主井眼中起出钻具组合，采用连续油管水力喷射钻孔，钻到预定深度后不起出钻具直接进行逆向砾石充填，采用多分支孔砾石充填完井和大尺寸主井眼套管完井相结合的技术手段，既防止多分支孔再次闭合的风险，又达到了稳定主井眼、防止地层失稳的目的，可以达到多分支孔有限控砂开采增产效果，为海洋天然气水合物多分支孔有限控砂开采方法提供钻完井支撑，具有较高的实用价值及经济价值。

Description

泥质粉砂水合物多分支孔开采钻完井一体化方法

技术领域

本发明属于海洋天然气水合物资源开发工程技术领域，具体涉及一种专门针对海洋天然气水合物多分支孔有限防砂开采技术的一趟管柱钻完井方法。

背景技术

天然气水合物资源是一种潜在的能源，具有分布广、能源密度高等特点，我国目前已经探明的大部分海域天然气水合物为泥质粉砂型天然气水合物，该类储层的基本特点是：(1)储层砂粒径极低(总体低于20μm)，泥质含量特别是蒙脱石和高岭石含量高，部分区域泥质含量超过40％，防砂困难；(2)储层渗透率低，压力传导性能差，极不利于开采井的提产，单纯降压法条件下提产技术只能是进一步降低井筒压力从而形成储层与井底之间的压差，过度放宽生产压差又会带来储层失稳、严重出砂等工程问题；(3)储层埋深较浅，这是所有天然气水合物储层的共性，较浅的储层导致沉积物胶结强度差，水合物分解以后面临的井壁失稳问题严重。以上三种特点为我国泥质粉砂型天然气水合物的开采带来了极大的挑战。

为了有效提高泥质粉砂型天然气水合物储层的开采效率，缓解该类储层提产与出砂问题之间的矛盾，授权公告号为【CN106761587B】的发明专利公开一种海洋粉砂质储层天然气水合物所分支孔有限防砂开采方法，该方法通过主井眼周围多分支孔和有限防砂、控砂技术的结合，实现天然气水合物储层的有效降压开采，为有效开采大面积分布的泥质粉砂型天然气水合物提供了可选方案。

但是该方法在钻完井工艺方法上尚有待进一步完善。泥质粉砂型天然气水合物储层多分支孔有限防砂开采方法在钻完井阶段的典型难度如下：(1)泥质粉砂型天然气水合物储层稳定性差，分支孔稳定持久能力差，下一分支孔的钻进过程中上一次钻进形成的分支孔可能已经发生蠕变压实；(2)泥质粉砂型天然气水合物储层埋深浅、储层松软程度高，因此常规钻杆侧钻分支孔难度非常大。

基于上述分析，海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法在钻完井阶段首先要解决的问题是(1)克服常规油气钻杆侧钻成孔困难，解决多分支孔无法成孔的难题；(2)提高多分支孔成孔效率；(3)防止多分支孔在坍塌蠕变作用下再次闭合。

发明内容

本发明针对基于多分支孔有限防砂开采方法在钻完井阶段存在的困难，提出一种采用一趟管柱开展泥质粉砂型天然气水合物储层多分支孔钻完井的一体化方法，通过连续油管、水力喷射钻进、管柱移动充填方案的结合，完成泥质粉砂型天然气水合物多分支孔开采井的钻完井作业，为我国南海天然气水合物开采提供新思路。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种泥质粉砂水合物多分支孔开采钻完井一体化方法，包括以下步骤：

(1)采用常规深水钻井方法钻进，形成大尺寸主井眼，采用套管完井方式固井，所述主井眼为水平井或竖直井；

(2)更换连续油管钻具，在连续油管的端部安装水力喷射钻头，采用水力喷射钻进代替机械钻孔，且与连续油管技术配合，易于控制水力喷射角，从而有效控制多分支孔走向，避免常规机械钻孔钻杆弯曲困难、分支孔倾角不容易控制的缺点；

(3)下入封隔器到指定水合物储层段，下入连续油管及水力喷射钻头，采用水力喷射割缝方式开窗侧钻，切穿主井眼的完井套管，钻开多分支孔，利用泥质粉砂天然气水合物储层容易破碎的特点，进行水力喷射钻进，其中，所述封隔器的主要作用是分隔井筒钻井液、完井液与下部井眼，防止砾石颗粒或钻进多分支孔时形成的岩屑在主井眼中沉降；

(4)与步骤(3)同步的，水力喷射钻进过程中不断送入连续油管，直至达到设计分支孔孔深；

(5)不起出钻具，改变地面泵注程序，更换钻井液为携砂液，通过连续油管向已钻的多分支孔中循环注入一定尺寸的防砂砾石，进行逆向充填，在井眼中形成砾石充填高渗透带，即节约了时间，又形成了有效的高渗通道；

(6)与步骤(5)同步的，不断上提回收连续油管，当连续油管与水力喷射钻头从多分支孔提出时，多分支孔内填满砾石充填层；

(7)解除封隔器，将封隔器移动至下一预定层位，重复步骤(3)-(6)，采用相同原理形成多层定向分布的多分支孔；

(8)起出连续油管钻具，循环洗井，冲出大尺寸主井眼中残留的砾石和泥沙，完成钻井；

其中，在进行一体化完井过程中，多分支孔钻孔、完井采用一趟管柱，水力喷射钻开储层并回拖连续油管逆向充填，在井眼中形成砾石充填高渗透带，即节约了时间，又形成了有效的高渗通道。

进一步的，在所述步骤(5)中，在多分支孔中逆向填充砾石的过程中，对所填充砾石的尺寸采用以下方式确定：

(51)对水合物储层多分支孔钻井层段的储层粒度进行筛析，获得根据质量/体积分布计算的原始地层砂粒度筛析曲线；

(52)将根据粒度筛析曲线获得的粒度筛析结果转化为利用颗粒数表征的半对数筛析结果，具体转换方式为：

其中，M为多分支孔层段的筛析地层砂样总质量(kg)；ρ_g为水合物储层泥砂平均密度(kg/m³)；d_i为筛析数据中第i组分的地层砂对应的砂粒径(m)；W_i为筛析数据中第i组分地层砂所占的质量百分数；N_i为筛析数据中第i组分泥砂对应的颗粒数目(个)。

(53)通过式(1)转换后，取N_i以10为底的对数，然后以析数据中第i组的粒径d_i为横坐标，以lg(N_i)为纵坐标绘制以颗粒数占比表征的地层砂筛析曲线；在d_i-lg(N_i)曲线上，随着粒度的增大，lg(N_i)的减小趋势会呈现出明显的双线性特征，小粒径条件下lg(N_i)快速下降，大粒径条件下lg(N_i)下降缓慢，因此可以分别做小粒径地层砂筛析曲线和大粒径地层砂筛析曲线的近似线性回归线，从而获取两条直线；

(54)步骤(53)获得的两条近似线性回归线会在d_i-lg(N_i)图版上相交，二者的交点则认为是地层砂颗粒的粗颗粒与细颗粒分界点d_f；

(55)建模分析获得能够将细颗粒完全排出、且不至于导致多分支孔堵塞的最小砾石尺寸D_gmin：

D_gmin＞14·d_f (2)

(56)获得忽略细颗粒的地层砂的均匀系数C：

其中，d40为累积粒度分布曲线上累重40％时对应的地层砂粒径；d90为累积粒度分布曲线上累重90％时对应的地层砂粒径；

(57)得到能够阻挡粗颗粒、且不至于使地层大面积产砂而坍塌所需的最大砾石尺寸：

其中，d₅₀为累积粒度分布曲线上累重50％时对应的地层砂粒径；

(58)确定多分支孔中逆向充填所需的最佳砾石尺寸：D的取值范围为D_gmin～D_gmax。

进一步的，所述步骤(1)中，在对多分支孔进行完井时：

若主井眼为竖直井，则多分支孔的成孔方法按照从下至上的顺序钻孔，钻开并完成下部分支孔后，解除并上提封隔器，然后钻进下一组分支孔；

若主井眼为水平井，则多分支孔成孔时在水平井指端先成孔，然后依次向跟端推进，既可以保证在钻后一组分支孔的时候，钻井液及砾石循环不会对已形成的分支孔产生影响，还能尽可能减少分支孔泥浆循环扰动时间。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案所述的一体化完井方法，多分支孔成孔采用钻完井一套管柱完成，不同分支孔钻孔过程中无需完全从主井眼中起出钻具组合，能够有效提高分支孔成孔效率和钻井效率，并具有以下优势：

(1)通过主井眼下部储层(水平井主井眼指端)先成孔，上部储层(水平井主井眼跟端)后成孔，避免了多层多方位多分支孔钻进过程中泥浆循环对已成分支孔的影响，而且有效避免了砾石颗粒及钻孔岩屑在主井眼中的沉降；

(2)采用连续油管水力喷射钻孔，钻到预定深度后不起出钻具直接进行逆向砾石充填，当钻具从分支孔中起出时，该分支孔已经被砾石层充填，避免了多次钻井、完井过程中水合物储层蠕变坍塌造成的多分支孔再次闭合；

(3)采用多分支孔砾石充填完井和大尺寸主井眼套管完井相结合的技术手段，即防止多分支孔再次闭合的风险，又达到了稳定主井眼、防止地层失稳的目的，可以达到多分支孔有限控砂开采增产效果，具有较高的实用价值及经济价值。

附图说明

图1为本发明实施例所述的多分支孔完井结构示意图；

图2为地层砂粒度分布曲线示意图；

其中：1、大尺寸主井眼；2、连续油管；3、充填砾石；4、水力喷射钻头；5-1、5-2、5-3、多分支孔孔眼；6、封隔器。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例，一种泥质粉砂水合物多分支孔开采完井一体化方法，包括以下步骤：

(1)采用常规深水钻井方法钻进，形成大尺寸主井眼1，采用套管完井方式固井，所述主井眼为水平井或竖直井；在对多分支孔进行完井时，若主井眼为竖直井，则多分支孔的成孔方法优选按照从下至上的顺序钻孔，钻开并完成下部分支孔后，解除并上提封隔器，然后钻进下一组分支孔，若主井眼为水平井，则多分支孔成孔时在水平井指端先成孔，然后依次向跟端推进，既可以保证在钻后一组分支孔的时候，钻井液及砾石循环不会对已形成的分支孔产生影响，还能尽可能减少分支孔泥浆循环扰动时间，如图1所示，本实施例以竖直井为例进行介绍；

(2)更换连续油管钻具，在连续油管的端部安装水力喷射钻头，采用水力喷射钻进代替机械钻孔，与连续油管技术配合，易于控制水力喷射角，从而有效控制多分支孔走向，避免常规机械钻孔钻杆弯曲困难、分支孔倾角不容易控制的缺点；

(3)下入封隔器6到指定水合物储层段，比如分支孔5-1之下，下入连续油管2及水力喷射钻头4，采用水力喷射割缝方式开窗侧钻，切穿主井眼的完井套管，钻开多分支孔5-1，利用泥质粉砂天然气水合物储层容易破碎的特点，进行水力喷射钻进，其中，所述封隔器6的主要作用是分隔井筒钻井液、完井液与下部井眼，防止砾石颗粒或钻进多分支孔时形成的岩屑在主井眼中沉降；

(4)与步骤(3)同步的，水力喷射钻进过程中不断送入连续油管，直至达到设计分支孔孔深；

(5)不起出钻具，改变地面泵注程序，更换钻井液为携砂液，通过连续油管向已钻的多分支孔5-1中循环注入一定尺寸的防砂砾石3，进行逆向充填，在井眼中形成砾石充填高渗透带，即节约了时间，又形成了有效的高渗通道；

(6)与步骤(5)同步的，不断上提回收连续油管，当连续油管与水力喷射钻头从多分支孔提出时，多分支孔内填满砾石充填层；

(7)解除封隔器6，将封隔器移动至下一预定层位，向上移动至分支孔5-1之上、分支孔5-2之下，重复步骤(3)-(6)，形成分支孔5-2，继而，采用相同原理形成多层定向分布的多分支孔；

(8)起出连续油管钻具，循环洗井，冲出大尺寸主井眼中残留的砾石和泥沙，完成钻井。

本实施例中，在进行一体化完井过程中，多分支孔钻孔、完井采用一趟管柱，水力喷射钻开储层并回拖连续油管逆向充填，在井眼中形成砾石充填高渗透带，即节约了时间，又形成了有效的高渗通道。

另外，在所述步骤(5)中，在多分支孔中逆向填充砾石的过程中，对所填充砾石的尺寸采用以下方式确定：

(51)对水合物储层多分支孔钻井层段的储层粒度进行筛析，获得根据质量/体积分布计算的原始地层砂粒度筛析曲线；

(52)将根据粒度筛析曲线获得的粒度筛析结果转化为利用颗粒数表征的半对数筛析结果，具体转换方式为：

其中，M为多分支孔层段的筛析地层砂样总质量(kg)；ρ_g为水合物储层泥砂平均密度(kg/m³)；d_i为筛析数据中第i组分的地层砂对应的砂粒径(m)；W_i为筛析数据中第i组分地层砂所占的质量百分数；N_i为筛析数据中第i组分泥砂对应的颗粒数目(个)。

(53)通过式(1)转换后，取N_i以10为底的对数，然后以析数据中第i组的粒径d_i为横坐标，以lg(N_i)为纵坐标绘制以颗粒数占比表征的地层砂筛析曲线；在d_i-lg(N_i)曲线上，随着粒度的增大，lg(N_i)的减小趋势会呈现出明显的双线性特征，小粒径条件下lg(N_i)快速下降，大粒径条件下lg(N_i)下降缓慢，因此可以分别做小粒径地层砂筛析曲线和大粒径地层砂筛析曲线的近似线性回归线，从而获取两条直线；

(54)步骤(53)获得的两条近似线性回归线会在d_i-lg(N_i)图版上相交，二者的交点则认为是地层砂颗粒的粗颗粒与细颗粒分界点d_f；

(55)计算能够将细颗粒完全排出，不至于导致多分支孔堵塞的最小砾石尺寸D_gmin：

D_gmin＞14·d_f (2)

(56)从原始粒度分布曲线中删除细颗粒，重新累积计算粗颗粒的粒度分布，并绘制粒度分布曲线，如此可获得地层砂粗颗粒的均匀系数C：

其中，d₄₀为累积粒度分布曲线上累重40％时对应的地层砂粒径；d₉₀为累积粒度分布曲线上累重90％时对应的地层砂粒径；

如图2所示，为地层累积砂粒度分布曲线的示意图，其基本原理是，比如，假设所有地层砂的质量加起来是1，然后从大到小依次将地层砂通过筛子进行筛析，记录每个粒径的地层砂占整个地层砂重量的百分比，从大到小累加就得到了累积粒度分布曲线；比如整个地层砂粒径分布在1～101mm，这就是一个整体，其中1～10mm的占10％，10～50mm的占40％，50～80mm的占30％，80～100mm的占19.99％，那么从小到大累加的话就是d₁₀＝10mm，d₅₀＝50mm，d₈₀＝80mm，d_99.99＝100mm(该部分仅用于解释说明，不起限定作用)；

(57)计算能够阻挡粗颗粒、且不至于使地层大面积产砂而坍塌所需的最大砾石尺寸：

其中，d₅₀为累积粒度分布曲线上累重50％时对应的地层砂粒径；

(58)确定多分支孔中逆向充填所需的最佳砾石尺寸：D的取值范围为D_gmin～D_gmax。

本方案所述的一体化完井方法，多分支孔成孔采用钻完井一套管柱完成，不同分支孔钻孔过程中无需完全从主井眼中起出钻具组合，能够有效提高分支孔成孔效率和钻井效率，采用多分支孔砾石充填完井和大尺寸主井眼套管完井相结合的技术手段，即防止多分支孔再次闭合的风险，又达到了稳定主井眼、防止地层失稳的目的，可以达到多分支孔有限控砂开采增产效果，具有较高的实用价值及经济价值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.泥质粉砂水合物多分支孔开采钻完井一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用常规深水钻井方法钻进，形成大尺寸主井眼，采用套管完井方式固井，所述主井眼为水平井或竖直井；

(2)更换连续油管钻具，在连续油管的端部安装水力喷射钻头；

(3)下入封隔器到指定水合物储层段，下入连续油管及水力喷射钻头，采用水力喷射割缝方式开窗侧钻，切穿主井眼的完井套管，钻开多分支孔；

(4)与步骤(3)同步的，水力喷射钻进过程中不断送入连续油管，直至达到设计的分支孔孔深；

(5)不起出钻具，改变地面泵注程序，更换钻井液为携砂液，通过连续油管向已钻的多分支孔中循环注入防砂砾石，进行逆向充填；

对所填充防砂砾石的尺寸采用以下方式确定：

(51)对水合物储层多分支孔钻井层段的储层粒度进行筛析，获得根据质量/体积分布计算的原始地层砂粒度筛析曲线；

(52)将根据粒度筛析曲线获得的粒度筛析结果转化为利用颗粒数表征的半对数筛析结果，具体转换方式为：

其中，M为多分支孔层段的筛析地层砂样总质量；ρ_g为水合物储层泥砂平均密度；d_i为筛析数据中第i组分的地层砂对应的砂粒径；W_i为筛析数据中第i组分地层砂所占的质量百分数；N_i为筛析数据中第i组分泥砂对应的颗粒数目；

(53)通过式(1)转换后，取N_i以10为底的对数，然后以析数据中第i组的粒径d_i为横坐标，以lg(N_i)为纵坐标绘制以颗粒数占比表征的地层砂筛析曲线；在地层砂筛析曲线上，随着粒度的增大，lg(N_i)的减小趋势呈现出明显的双线性特征，小粒径条件下lg(N_i)快速下降，大粒径条件下lg(N_i)下降缓慢，基于此，分别做小粒径地层砂筛析曲线和大粒径地层砂筛析曲线的近似线性回归线，从而获取两条近似线性回归线；

(54)步骤(53)获得的两条近似线性回归线在d_i-lg(N_i)图版上相交，二者的交点则为地层砂颗粒的粗颗粒与细颗粒分界点d_f；

(55)建模分析获得能够将细颗粒完全排出、且不至于导致多分支孔堵塞的最小砾石尺寸D_gmin：

D_gmin＞14·d_f (2)

(56)从原始粒度分布曲线中删除细颗粒，重新累积计算粗颗粒的粒度分布，并绘制累积粒度分布曲线，以可获得地层砂粗颗粒的均匀系数C：

其中，d₄₀为累积粒度分布曲线上累重40％时对应的地层砂粒径；d₉₀为累积粒度分布曲线上累重90％时对应的地层砂粒径；

(57)得到能够阻挡粗颗粒、且不至于使地层大面积产砂而坍塌所需的最大砾石尺寸：

其中，d₅₀为累积粒度分布曲线上累重50％时对应的地层砂粒径；

(58)确定多分支孔中逆向充填所需的最佳砾石尺寸：D的取值范围为D_gmin～D_gmax；

(6)与步骤(5)同步的，不断上提回收连续油管，当连续油管与水力喷射钻头从多分支孔提出时，多分支孔内填满砾石充填层；

(7)解除封隔器，将封隔器移动至下一预定层位，重复步骤(3)-(6)，采用相同原理形成多层定向分布的多分支孔；

(8)起出连续油管钻具，循环洗井，冲出大尺寸主井眼中残留的砾石和泥沙，完成钻井。

2.根据权利要求1所述的泥质粉砂水合物多分支孔开采钻完井一体化方法，其特征在于：所述步骤(1)中，在对多分支孔进行完井时：

若主井眼为竖直井，则多分支孔的成孔时按照从下至上的顺序钻孔；

若主井眼为水平井，则多分支孔成孔时在水平井指端先成孔，然后依次向跟端推进。