CN109736769A - 一种冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统与方法，包括主钻井、生产区域、生产井、区域多分支井、生产区域边界、充填体、分解增强区域、主钻井水平段、主钻井垂直段、分支井、分解圆和拱结构。本发明的有益效果是：多分支井网可以提高地层流体压力敏感性，也为天然气水合物提供更多的分解自由面；开采结束后进行注浆作业充填开采后形成的空洞和贯通裂隙，加强岩层拱结构，减少潜在的环境破坏风险，并拟定了长期生产过程中生产区域的划分和生产区域间的接替次序。

Description

一种冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统与方法

技术领域

本发明涉及一种冻土层天然气水合物的开采方法，具体为一种冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统与方法，属于能源开采技术领域。

背景技术

近十年间，我国陆续在祁连山冻土区及神狐海域进行了几次天然气水合物试采，特别是在神狐海域的试采打破了其他国家的记录。但同时，无论是因事故被动结束试采，还是主动结束试采，都表明了天然气水合物开采距离商业化还有一定距离。而其中限制天然气水合物开发的主要因素就是环境问题和长期开采系统布置问题。

目前主要的试采方法多为改变水合物的相态，使水合物分解生成天然气。试采中使用最多的是降压法，通过降压使水合物分解，在采出逸出的天然气后，地层压力会进一步下降，从而实现连续开采。但在海洋天然气水合物赋存区，水合物多以粒子形式构成沉积物的一部分，甚至与沉积物互为物基质，因此在大量开采或在开采时压力范围失控的情况下，会导致水合物层段溃散塌陷引发海底滑坡，甚至进而引发海啸等灾害。而在冻土区内，岩层压实程度相对较好，天然气水合物多以裂隙型和空隙型形态赋存。但在开采后会形成采空区，产生地面塌陷区，导致冻土退化，即便没有明显塌陷，也有可能形成连通地表和储层的裂隙，这将导致储层不断直接向大气中分解天然气，加剧温室效应和全球气温的变化。

相比之下，对冻土区的岩层控制远比对海洋区域松散沉积物进行控制容易，因此本发明主要依据参考祁连山冻土区地质资料，提出利用充填物及合理的开采系统布置对冻土区天然气水合物地层及覆岩进行控制，避免出现塌陷和裂隙发育。其中根据参考资料，单井开采条件下水合物分解半径为20m左右，垂直井段钻井过程中最大允许曲率半径为277m。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统与方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统，包括主钻井、生产区域、生产井、区域多分支井、生产区域边界、充填体、分解增强区域、主钻井水平段、主钻井垂直段、分支井、分解圆和拱结构；所述主钻井、区域多分支井网、生产井、生产区域、钻井系统以及生产及注浆系统构成该冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统，且通过钻井系统完成主钻井、生产井及区域多分支井网的钻井工作，所述主钻井水平段方向上划分生产区域，通过完井结束的主钻井的侧钻作业，向生产区域中布置区域多分支井网，所述生产井布置在生产区域近外边界处，所述生产井内布置生产系统来开采生产区域内的天然气水合物，且注浆系统在开采结束时布置在生产井中，进行区域充填工作以完成该生产区域的生产工作，所述生产区域边界位于主钻井附近，所述充填体填充在生产井内，所述区域多分支井网通过侧钻技术形成分解增强区域，所述主钻井垂直段垂直设置在主钻井水平段的上方，所述分支井布置在生产区域内，所述生产井开采后会形成空洞和贯通裂隙，所述分解圆外稳定岩体形成的拱结构和充填体共同承担覆岩压力；

其中，多分支井网的布置在生产区域内构建出自由空间，一方面相当于增大了生产区域的裂隙程度，提高地层流体压力敏感性，另一方面为天然气水合物提供更多的分解自由面；特别地，开采结束后进行注浆作业，是为了充填在开采后形成的空洞和贯通裂隙，加强岩层拱结构，减少潜在的环境破坏风险。

进一步地，同一侧相邻的两个所述生产区域的边界之间、主钻井附近的生产区域边界与主钻井垂直井段-间相距不得低于50m，生产区域首个分支点距主钻井不得低于25m，生产井与分支井之间应保持不低于20m的间距。

进一步地，所述生产区域在主钻井水平段方向上最外侧分支与边界间距离不小于30m，生产区域在与主钻井水平段垂直方向上的区域长度不小于800m，生产区域间接替顺序为由远至近，逐步靠近主钻井垂直段-位置，且允许在同一时间段内同步开展多个生产区域的生产工作。

进一步地，所述主钻井为采用三弧井眼轨道、套管完井布置的中半径水平井，其中主钻井水平段位于天然气水合物赋存岩层层段。

进一步地，所述区域多分支井为1级裸眼完井布置，各分支之间应保持大于30m，低于50m的距离，每个生产区域内分支布置不少于8条。

进一步地，一种冻土层天然气水合物水平分支井网开采方法，其特征在于，所述冻土层天然气水合物水平分支井网开采方法包括以下步骤：

a、选定合理位置布置主钻井，采用具有定向功能的钻井系统，主钻井布置采用三弧井眼轨道和套管完井方法的中半径水平井，其中水平段位于天然气水合物赋存岩层层段；

b、在主钻井水平段方向上划分生产区域，通过主钻井下钻，采用侧钻技术进行区域多分支井的布置，形成分解增强区域，多分支井网采用裸眼完井布置；

c、进行多分支井网工作时，同步进行生产井的布置，生产井的布置方法为正常生产井的布置方法，在完成主钻井一侧生产区域的多分支井网工作后，进行与该生产区域对称的生产区域的侧钻作业，收集钻井过程中的岩屑，作为制备充填浆体的材料；

d、在完井结束的生产井内布置降压生产系统，生产系统采用正常的降压开采系统；

e、降压开采后，在生产井中布置注浆系统，通过生产井对生产区域进行充填保护，利用充填物，与分解圆外稳定岩体形成的拱结构共同承担覆岩压力，充填结束后该生产区域生产结束，将设备转移至下一拟生产区域。

进一步地，所述主钻井水平段上对称的两个生产区域，该两个区域的侧钻孔口之间相距不得低于50m。

进一步地，所述主钻井水平段上对称的两个生产区域均完成多分支井网作业后，需要通过主钻井向侧钻作业处上方下入水泥塞进行封堵作业。

本发明的有益效果是：该冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统与方法设计合理，该系统及方法在当前技术条件下构建了更多的自由面，可以实现天然气水合物分解区域的扩大，也充分考虑了冻土层天然气水合物在长期生产下的系统布置问题，以及对生产过程中可能造成环境破坏问题进行了预处理。

优点：天然气水合物分解区域的扩大，使得生产效率及经济效益可以有效得到提高，而进行充填工作也可以极大地弱化潜在的环境破坏风险，同时，提出的长期生产系统布置也为天然气水合物商业化生产提供了可能性。

附图说明

图1为本发明冻土层天然气水合物开采系统总体布置示意图；

图2为本发明单侧生产区域布置示意图；

图3为本发明开采形成空洞示意图。

图中：1、主钻井，2、生产区域，3、生产井，4、区域多分支井，5、生产区域边界，6、充填体，7、分解增强区域，8、主钻井水平段，8′、主钻井垂直段，9、分支井，10、空洞和贯通裂隙，11、分解圆,12、拱结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～3，一种冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统，包括主钻井1、生产区域2、生产井3、区域多分支井4、生产区域边界5、充填体6、分解增强区域7、主钻井水平段8、主钻井垂直段8′、分支井9、分解圆11和拱结构12；所述主钻井1、区域多分支井网4、生产井3、生产区域2、钻井系统以及生产及注浆系统构成该冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统，且通过钻井系统完成主钻井1、生产井3及区域多分支井4网的钻井工作，所述主钻井水平段8方向上划分生产区域2，通过完井结束的主钻井1的侧钻作业，向生产区域2中布置区域多分支井网4，所述生产井3布置在生产区域2近外边界处，所述生产井3内布置生产系统来开采生产区域2内的天然气水合物，且注浆系统在开采结束时布置在生产井2中，进行区域充填工作以完成该生产区域2的生产工作，所述生产区域边界5位于主钻井1附近，所述充填体6填充在生产井3内，所述区域多分支井网4通过侧钻技术形成分解增强区域7，所述主钻井垂直段8′垂直设置在主钻井水平段8的上方，所述分支井9布置在生产区域2内，所述生产井3开采后会形成空洞和贯通裂隙10，所述分解圆11外稳定岩体形成的拱结构12和充填体6共同承担覆岩压力；

其中，多分支井网的布置在生产区域2内构建出自由空间，一方面相当于增大了生产区域的裂隙程度，提高地层流体压力敏感性，另一方面为天然气水合物提供更多的分解自由面；特别地，开采结束后进行注浆作业，是为了充填在开采后形成的空洞和贯通裂隙10，加强岩层拱结构12，减少潜在的环境破坏风险。

本实施例中，同一侧相邻的两个所述生产区域2的边界之间、主钻井1附近的生产区域边界5与主钻井垂直井段8′间相距不得低于50m，生产区域2首个分支点距主钻井1不得低于25m，生产井3与分支井9之间应保持不低于20m的间距。

本实施例中，所述生产区域2在主钻井水平段8方向上最外侧分支与边界间距离不小于30m，生产区域2在与主钻井水平段8垂直方向上的区域长度不小于800m，生产区域2间接替顺序为由远至近，逐步靠近主钻井垂直段8′位置，且允许在同一时间段内同步开展多个生产区域2的生产工作。

本实施例中，所述主钻井1为采用三弧井眼轨道、套管完井布置的中半径水平井，其中主钻井水平段8位于天然气水合物赋存岩层层段。

本实施例中，所述区域多分支井4为1级裸眼完井布置，各分支之间应保持大于30m，低于50m的距离，每个生产区域2内分支布置不少于8条。

本实施例中，一种冻土层天然气水合物水平分支井网开采方法，其特征在于，所述冻土层天然气水合物水平分支井网开采方法包括以下步骤：

a、选定合理位置布置主钻井1，采用具有定向功能的钻井系统，主钻井1布置采用三弧井眼轨道和套管完井方法的中半径水平井，其中水平段位于天然气水合物赋存岩层层段；

b、在主钻井水平段8方向上划分生产区域2，通过主钻井1下钻，采用侧钻技术进行区域多分支井4的布置，形成分解增强区域7，多分支井网采用裸眼完井布置；

c、进行多分支井网工作时，同步进行生产井3的布置，生产井3的布置方法为正常生产井的布置方法，在完成主钻井1一侧生产区域2的多分支井网工作后，进行与该生产区域2对称的生产区域2的侧钻作业，收集钻井过程中的岩屑，作为制备充填浆体的材料；

d、在完井结束的生产井内布置降压生产系统，生产系统采用正常的降压开采系统；

e、降压开采后，在生产井3中布置注浆系统，通过生产井3对生产区域2进行充填保护，利用充填物6，与分解圆11外稳定岩体形成的拱结构12共同承担覆岩压力，充填结束后该生产区域2生产结束，将设备转移至下一拟生产区域2。

本实施例中，所述主钻井水平段8上对称的两个生产区域2，该两个区域2的侧钻孔口之间相距不得低于50m。

本实施例中，所述主钻井水平段8上对称的两个生产区域2均完成多分支井网作业后，需要通过主钻井1向侧钻作业处上方下入水泥塞进行封堵作业。

工作原理：在使用该冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统与方法时，多分支井网的布置在生产区域2内构建出自由空间，一方面相当于增大了生产区域的裂隙程度，提高地层流体压力敏感性，另一方面为天然气水合物提供更多的分解自由面，在当前技术条件下构建了更多的自由面，可以实现天然气水合物分解区域的扩大；在开采结束后进行注浆作业，能够充填在开采后形成的空洞和贯通裂隙10，减少潜在的环境破坏风险；在提出的长期生产系统布置中，给出了在长期生产过程中对生产区域2的简单划分，以及生产区域2之间的生产接替顺序的处理方案。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统，其特征在于：包括主钻井(1)、生产区域(2)、生产井(3)、区域多分支井(4)、生产区域边界(5)、充填体(6)、分解增强区域(7)、主钻井水平段(8)、主钻井垂直段(8′)、分支井(9)、分解圆(11)和拱结构(12)；所述主钻井(1)、区域多分支井网(4)、生产井(3)、生产区域(2)、钻井系统以及生产及注浆系统构成该冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统，且通过钻井系统完成主钻井(1)、生产井(3)及区域多分支井(4)网的钻井工作，所述主钻井水平段(8)方向上划分生产区域(2)，通过完井结束的主钻井(1)的侧钻作业，向生产区域(2)中布置区域多分支井网(4)，所述生产井(3)布置在生产区域(2)近外边界处，所述生产井(3)内布置生产系统来开采生产区域(2)内的天然气水合物，且注浆系统在开采结束时布置在生产井(2)中，进行区域充填工作以完成该生产区域(2)的生产工作，所述生产区域边界(5)位于主钻井(1)附近，所述充填体(6)填充在生产井(3)内，所述区域多分支井网(4)通过侧钻技术形成分解增强区域(7)，所述主钻井垂直段(8′)垂直设置在主钻井水平段(8)的上方，所述分支井(9)布置在生产区域2内，所述生产井(3)开采后会形成空洞和贯通裂隙(10)，所述分解圆(11)外稳定岩体形成的拱结构(12)和充填体(6)共同承担覆岩压力。

2.根据权利要求1所述的一种冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统，其特征在于：同一侧相邻的两个所述生产区域(2)的边界之间、主钻井(1)附近的生产区域边界(5)与主钻井垂直井段(8′)间相距不得低于50m，生产区域(2)首个分支点距主钻井(1)不得低于25m，生产井(3)与分支井(9)之间应保持不低于20m的间距。

3.根据权利要求1所述的一种冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统，其特征在于：所述生产区域(2)在主钻井水平段(8)方向上最外侧分支与边界间距离不小于30m，生产区域(2)在与主钻井水平段(8)垂直方向上的区域长度不小于800m，生产区域(2)间接替顺序为由远至近，逐步靠近主钻井垂直段(8′)位置，且允许在同一时间段内同步开展多个生产区域(2)的生产工作。

4.根据权利要求1所述的一种冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统，其特征在于：所述主钻井(1)为采用三弧井眼轨道、套管完井布置的中半径水平井，其中主钻井水平段(8)位于天然气水合物赋存岩层层段。

5.根据权利要求1所述的一种冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统，其特征在于：所述区域多分支井(4)为1级裸眼完井布置，各分支之间应保持大于30m，低于50m的距离，每个生产区域(2)内分支布置不少于8条。

6.一种冻土层天然气水合物水平分支井网开采方法，其特征在于，所述冻土层天然气水合物水平分支井网开采方法包括以下步骤：

a、选定合理位置布置主钻井(1)，采用具有定向功能的钻井系统，主钻井(1)布置采用三弧井眼轨道和套管完井方法的中半径水平井，其中水平段位于天然气水合物赋存岩层层段；

b、在主钻井水平段(8)方向上划分生产区域(2)，通过主钻井(1)下钻，采用侧钻技术进行区域多分支井(4)的布置，形成分解增强区域(7)，多分支井网采用裸眼完井布置；

c、进行多分支井网工作时，同步进行生产井(3)的布置，生产井(3)的布置方法为正常生产井的布置方法，在完成主钻井(1)一侧生产区域(2)的多分支井网工作后，进行与该生产区域(2)对称的生产区域(2)的侧钻作业，收集钻井过程中的岩屑，作为制备充填浆体的材料；

d、在完井结束的生产井内布置降压生产系统，生产系统采用正常的降压开采系统；

e、降压开采后，在生产井(3)中布置注浆系统，通过生产井(3)对生产区域(2)进行充填保护，利用充填物(6)，与分解圆(11)外稳定岩体形成的拱结构(12)共同承担覆岩压力，充填结束后该生产区域(2)生产结束，将设备转移至下一拟生产区域(2)。

7.根据权利要求6所述的冻土层天然气水合物水平分支井网开采方法，其特征在于：所述主钻井水平段(8)上对称的两个生产区域(2)，该两个区域(2)的侧钻孔口之间相距不得低于50m。

8.根据权利要求6所述的冻土层天然气水合物水平分支井网开采方法，其特征在于：所述主钻井水平段(8)上对称的两个生产区域(2)均完成多分支井网作业后，需要通过主钻井(1)向侧钻作业处上方下入水泥塞进行封堵作业。