CN109763771A - 一种基于连续油管电驱动的双梯度钻井系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于连续油管电驱动的双梯度钻井系统及方法，属于天然气水合物和海底浅层油气钻探设备技术领域。所述双梯度钻井井下防喷器系统包括：领眼钻进系统和水合物搅吸系统；所述领眼钻进系统包括连续油管、电缆线、空心电动多级离心泵、变径接头、双层钻杆、外套管、简易井口、套管防喷器、提升泵、转换接头、连接套管、空心电机、钻头、钻头水眼；所述水合物搅吸系统包括连续油管、电缆线、空心电动多级离心泵、变径接头、双层钻杆、外套管、简易井口、套管防喷器、提升泵、转换接头、连接套管、空心电机、钻头、钻头水眼。本发明能够有效对海洋天然气水合物进行开采，提高开采成功率，是一种可靠性较高的工艺设备及方法。

Description

一种基于连续油管电驱动的双梯度钻井系统及方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物钻探和海底浅层油气钻探技术领域，具体是一种基于连续油管电驱动的双梯度钻井系统及方法。

背景技术

21世纪，能源与环境是人们越来越关注的两大问题，随着我国环境问题的日益严重以及能源问题的日渐枯竭，降低能源消费，减少污染物的排放是重中之重。海底浅层油气和天然气水合物储备丰厚，分布广泛，高效清洁，商业开发前景广阔。地质勘测专家表示，中国天然气水合物和海底浅层油气储量丰厚，高于常规可用资源，具备成为未来清洁能源的条件。因此对于天然气水合物以及海底浅层油气的开采，对于未来能源具有重要的战略意义。天然气水合物虽然资源储量丰富，但是开采过程却面临很多问题。天然气水合物及海底浅层油气埋藏在海底，开采运输所需要的工程量大，成本高。如果开采方法不当，就可能导致天然气水合物大量气化，扩散至大气中，加速地球的气候变暖。常规天然气水合物和海底浅层油气的开采方式为：在天然气水合物储层直接采集海底固态天然气水合物，再将天然气水合物拖至浅水区进行控制性分解。这种方法进而演化为混合开采或矿物泥浆开采。该方法的具体步骤是：首先促使天然气水合物在海底原地分解为气液混合相，采集混有气、液、固体水合物的混合泥浆，然后将这种混合泥浆导入海面作业船或生产平台进行处理，促使天然气水合物彻底分解从而获取天然气水合物。基于以上分析，天然气水合物的开发成本高昂，因此迫切需要我们研发一种有效的开采天然气水合物的技术，以降低天然气水合物的开发成本。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于连续油管电驱动的双梯度钻井系统及方法，以实现对天然气水合物安全、高效、可持续开发利用。

本发明的技术方案为：一种基于连续油管电驱动的双梯度钻井系统及方法，其特征在于：包括领眼钻进系统和水合物搅吸系统；所述领眼钻进系统和水合物搅吸系统包括：连续油管、变径接头、电缆线、空心电动多级离心泵、双层钻杆、简易井口、套管防喷器、提升泵、外套管、转换接头、连接套管、空心电机、钻头、钻头水眼；所述转换接头由上阀体、下阀体、旋转阀体共同组成，下阀体内腔安装有空心电机，用于驱动旋转阀体开度；所述上阀体与双层钻杆主通道连接形成主通路；所述连接套管上端连接外套管，与转换接头外壁形成环形通路；所述双层钻杆内腔牵引电缆线，在破岩和开采过程中传递电信号，控制转换接头起到不同作用。

所述转换接头在领眼钻进过程中，上阀体与旋转阀体连接之间通路打开，海水从环形通路变道进入旋转阀体内腔，下阀体与旋转阀体侧壁通路关闭，海水由钻头底部钻头水眼流出，冲刷岩屑后经下阀体侧通孔流入环形通路，再经上阀体内腔进入主通路。

所述转换接头在水合物搅吸过程中，上阀体与旋转阀体连接之间通路关闭，海水经环形通路从下阀体侧壁通孔流出，裹挟天然气水合物浆体再由下阀体与旋转阀体侧壁通路进入旋转阀体内腔，经上阀体内腔由主通道收集至母船。

所述双层钻杆内腔安装提升泵，上端部与空心电动多级离心泵相连接；在工作状态下，提升泵功率大于空心电动多级离心泵功率，形成负压环境；所述套管防喷器安装在套管外壁一端，在领眼钻进系统中，套管防喷器不工作，在开采天然气水合物浆体系统中，套管防喷器处于工作状态。

所述连续油管中牵引电缆线，电缆线传输信号驱动空心电动多级离心泵、提升泵、空心电机；所述空心电动多级离心泵与双层钻杆之间设有变径接头；所述电缆线通过传输信号控制钻头，从而进行破岩操作形成领眼，为后续钻进起到引导作用。

进一步地，所述空心电动离心泵将海水泵入双层钻杆，配合转换接头镜像喷射，起到搅动天然气水合物浆体作用；所述的水合物搅吸系统，其特征在于：所述提升泵配合转换接头，将抽回的天然气水合物浆体送入主通道；所述套管防喷器连接在套管外壁上，在水合物搅吸过程中，套管防喷器处于工作状态。

所述的领眼钻进系统和水合物搅吸系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：连续油管牵引电缆线，电缆线传递信号控制钻头对埋藏天然气水合物矿藏的岩石进行破岩，并钻出一个领眼，辅助后续设备可深入水合物层中。

S2：通过电缆线驱动空心电动多级离心泵，将海水打压入双层钻杆环形通路，通过空心电机控制转换接头开度，海水经转换接头的旋转阀体内腔由钻头底部钻头水眼部位排出。

S3：从钻头水眼排出的海水冲刷井壁，裹挟钻井过程中产生的岩屑形成泥浆；电缆线驱动提升泵工作形成负压环境，抽取泥浆由下阀体侧壁通孔至主通道，再由主通道输送至海面母船进行处理。

S4：在完成钻井工作后，下放套管并注水泥完成固井工作形成简易井口。

S5：在开采天然气水合物浆体过程中，电缆线驱动空心电动多级离心泵打压海水，通过空心电机控制转换接头开度，海水进入环形通路后由下阀体的侧壁通A镜像喷射，尽可能覆盖较大工作面积，此时套管防喷器处于工作状态。

S6：电缆线驱动提升泵工作形成负压环境，所产生的甲烷水合物浆体由下阀体侧壁通孔进入旋转阀体内腔，再由主通道输送至海面母船进行收集。

本发明能够较精确控制注入海水压力和流量，施工风险低，通过空心电动多级离心泵和提升泵工作将天然气水合物浆体带出，以实现对天然气水合物的安全、高效、可持续的开发利用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图。

图中，1-空心电动多级离心泵、2-大套管、3-变径接头、4-外套管、5-内套管、6-简易井口、7-套管防喷器、8-提升泵、9-连接套管、10-上阀体、11-下阀体、12-空心电机、13-旋转阀体、14-通孔A、15-密封圈、16-通孔B、17-钻头、18-钻头水眼、19-转换接头、20-双层钻杆、21-电缆线、22-连续油管。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图1所示，一种基于连续油管电驱动的双梯度钻井系统，包括领眼钻进系统和水合物搅吸系统；所述领眼钻进系统和水合物搅吸系统包括：连续油管22、变径接头3、电缆线21、空心电动多级离心泵1、双层钻杆20、简易井口6、套管防喷器7、提升泵8、外套管4、转换接头19、连接套管9、空心电机12、钻头17、钻头水眼18；所述连续油管22牵引电缆线21，电缆线21上连接空心电动多级离心泵1，从而控制空心电动多级离心泵1工作功率大小；所述空心电动多级离心泵1安装在大套管2内部，大套管2与外套管4之间采用变径接头3相互连接，空心电动多级离心泵1通过双层钻杆20将海水注入环形通路；所述双层钻杆20包括双层钻杆外套管4和双层钻杆内套管5，双层钻杆外套管4与简易井口6之间安装有套管防喷器7，套管防喷器7在在水合物搅吸过程中处于工作状态；所述提升泵8通过电缆线21与海面母船连接，从而可以控制提升泵8工作功率大小，在具体使用时，提升泵8配合叶轮将天然气水合物浆体抽吸至主通路，且提升泵8工作功率大于空心电动多级离心泵1，使得井下部位处于负压环境；所述转换接头19由上阀体10、下阀体11、旋转阀体13共同组成，双层钻杆外套管4下端部与连接套管9上端部相连接，双层钻管内套管5与上阀体10相连接；所述连接套管9下端部与下阀体11连接，空心电机12安装在下阀体11内腔，并通过电缆线21与海面母船连接，从而可以控制空心电机12转速；所述钻头水眼18开在钻头17下端部，钻头17通过电缆线与海面母船连接，从而控制钻头17旋转等操作。

具体使用时，转换接头19在领眼钻进过程中，空心电机12驱动旋转阀体13旋转，此时上阀体10与旋转阀体13连接之间通路打开，海水从环形通路变道进入旋转阀体13内腔，下阀体11与旋转阀体13侧壁通路关闭，海水由钻头17的钻头水眼18部位流出，冲刷岩屑后经下阀体11的侧壁通孔A14流入环形通路，再经上阀体10内腔进入主通路；所述转换接头19在水合物搅吸过程中，空心电机12驱动旋转阀体13旋转，此时上阀体10与旋转阀体13连接之间通路关闭，海水经环形通路从下阀体11侧壁通孔A14流出，裹挟天然气水合物浆体再由下阀体11与旋转阀体13侧壁通孔B16进入旋转阀体13内腔，甲烷水合物浆体经上阀体10内腔由主通道收集至母船，图1所示的箭头表示流体的流动方向。

本发明钻采方法，其具体包括以下步骤：

S1：连续油管22牵引电缆线21，电缆线21传递信号控制钻头17对埋藏天然气水合物矿藏的岩石进行破岩，并钻出一个领眼，辅助后续设备可深入水合物层中。

S2：通过电缆线21驱动空心电动多级离心泵1，将海水打压入双层钻杆20环形通路，通过空心电机12控制转换接头19开度，海水经转换接头19的旋转阀体13内腔由钻头17底部钻头水眼18排出。

S3：从钻头水眼17排出的海水冲刷井壁，裹挟钻井过程中产生的岩屑形成泥浆；电缆线21驱动提升泵8工作形成负压环境，抽取泥浆由下阀体11侧壁通孔A14至主通道，再由主通道输送至海面母船进行处理。

S4：在完成钻井工作后，下放套管并注水泥完成固井工作形成简易井口6。

S5：在开采天然气水合物浆体过程中，电缆线21驱动空心电动多级离心泵1打压海水，通过空心电机12控制转换接头19开度，海水进入环形通路后由下阀体11的侧壁通孔A14镜像喷射，尽可能覆盖较大工作面积，此时套管防喷器7处于工作状态。

S6：电缆线21驱动提升泵8工作形成负压环境，所产生的甲烷水合物浆体由下阀体11侧壁通孔B16进入旋转阀体13内腔，再由主通道输送至海面母船进行收集。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于连续油管电驱动的双梯度钻井系统及方法，所述系统应用于海洋天然气水合物产层或海底浅层钻井，其特征在于：包括领眼钻进系统和水合物搅吸系统；所述领眼钻进系统和水合物搅吸系统包括：连续油管、电缆线、空心电动多级离心泵、变径接头、双层钻杆、外套管、简易井口、套管防喷器、提升泵、转换接头、连接套管、空心电机、钻头、钻头水眼；所述转换接头由上阀体、下阀体、旋转阀体共同组成，下阀体内腔安装有空心电机，用于驱动旋转阀体开度；所述上阀体内腔与双层钻杆主通道连接形成主通路；所述连接套管上端连接外套管，与转换接头外壁形成环形通路；所述双层钻杆内腔牵引电缆线，在破岩和开采过程中传递电信号，控制转换接头起到不同作用；所述转换接头在领眼钻进过程中，上阀体与旋转阀体连接之间通路打开，海水从环形通路变道进入旋转阀体内腔，下阀体与旋转阀体侧壁通路关闭，海水由钻头底部钻头水眼流出，冲刷岩屑后经下阀体侧通孔流入环形通路，再经上阀体内腔进入主通路；所述转换接头在水合物搅吸过程中，上阀体与旋转阀体连接之间通路关闭，海水经环形通路从下阀体侧壁通孔流出，裹挟天然气水合物浆体再由下阀体与旋转阀体侧壁通路进入旋转阀体内腔，经上阀体内腔由主通道至母船；所述双层钻杆内腔安装提升泵，上端部与空心电动多级离心泵相连接；在钻采状态下，提升泵工作功率大于空心电动多级离心泵工作功率，形成负压环境；所述套管防喷器安装在套管外壁一端，在领眼钻进系统中，套管防喷器不工作，在开采天然气水合物浆体系统中，套管防喷器处于工作状态。

2.根据权利要求1所述的领眼钻进系统和水合物搅吸系统，其特征在于：所述连续油管中牵引电缆线，信号通过电缆线传输，驱动空心电动多级离心泵、提升泵、空心电机；所述空心电动多级离心泵与双层钻杆之间设有变径接头。

3.根据权利要求1所述的领眼钻进系统，其特征在于：所述电缆线通过传输信号控制钻头，从而进行破岩操作形成领眼，为后续钻进起到引导作用。

4.根据权利要求书1所述的水合物搅吸系统，其特征在于：所述空心电动离心泵将海水泵入双层钻杆，配合转换接头镜像喷射，起到搅动天然气水合物浆体作用。

5.根据权利要求书1所述的水合物搅吸系统，其特征在于：所述提升泵配合转换接头，将抽回的天然气水合物浆体送入主通道。

6.根据权利要求书1所述的水合物搅吸系统，其特征在于：所述套管防喷器连接在套管外壁上，在水合物搅吸过程中，套管防喷器处于工作状态。

7.根据权利要求书1至6任一项所述的领眼钻进系统和水合物搅吸系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：连续油管牵引电缆线，电缆线传递信号控制钻头对埋藏天然气水合物矿藏的岩石进行破岩，并钻出一个领眼，辅助后续设备深入水合物层；

S2：通过电缆线驱动空心电动多级离心泵，将海水打压入双层钻杆环形通路，通过空心电机控制转换接头开度，海水经转换接头的旋转阀体内腔由钻头底部钻头水眼部位排出；

S3：从钻头水眼排出的海水冲刷井壁，裹挟钻井过程中产生的岩屑形成泥浆；电缆线驱动提升泵工作从而形成负压环境，使泥浆由下阀体侧壁通孔抽取至主通道，再由主通道输送至海面母船进行处理；

S4：在完成钻井工作后，下放套管并注水泥完成固井工作形成简易井口；

S5：在开采天然气水合物浆体过程中，电缆线驱动空心电动多级离心泵打压海水，通过空心电机控制转换接头开度，海水进入环形通路后由下阀体的侧壁通孔镜像喷射，尽可能覆盖较大工作面积，此时套管防喷器处于工作状态；

S6：电缆线驱动提升泵工作形成负压环境，所产生的甲烷水合物浆体由下阀体侧壁通孔进入旋转阀体内腔，再由主通道输送至海面母船进行收集。