CN109763794A - 海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法，针对海洋水合物分布零散且无法自行流动聚集的“先天性”弱点，基于“主井眼+多分支水平井”的井型结构改进，对矿体储层采取垂直水合物层水力割缝以提高水合物分解效率，实现三维零散矿体连接、缓解过渡压降带来的大量出砂、储层失稳和二次水合物形成堵塞的设计目的。联采方法包括有以下步骤，(1)主井眼成井；(2)钻开多分支水平井，在主井眼周围形成若干与主井眼呈一定夹角、定向分布的多分支水平井；将水平井设置于水合物储层的中部区域；多分支水平井、多分支水平井与主井眼的连接处，均采用套管和常规防砂筛管结构；(3)有限防砂与储层支撑；(4)水力喷射改造储层；(5)加热防堵塞。

Description

海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法

技术领域

本发明涉及一种基于分形理论、针对海洋水合物储层进行主井辅加多分支水平井进行降压加热的联采方法，属于海洋资源开发工程技术领域。

背景技术

天然气水合物作为一种新型、高效环保能源，广泛地分布于陆地永久冻土带与大陆边缘海底，其中海洋水合物资源量保守估计高于冻土水合物资源量两个数量级。然而，较之冻土水合物藏，海洋水合物藏开采面临更为严峻的技术和环境问题，从而使得海洋水合物研究机遇与挑战并存。2007年和2015年，我国在南海北部陆坡神狐海域开展钻探，发现了超过1500亿m³天然气当量的粉砂质水合物矿藏，零散分布在多个矿体中。2017年，我国在南海开展首次水合物试采获得成功，取得连续产气 60天、累计产气量超过30万立方米的重大突破。然而，针对平均产气只有5151m³/ 天、与工业气流标准尚有较大差距的重大应用问题，如何从技术方法上创新探索思路，从创新井型和储层改造两方面同时入手，实现三维零散矿体连接并扩大产气面积，在增产的同时保总量、保持续性，形成安全、高效的水合物开采方法，是我国水合物试采中急需开展的基础前沿研究问题，对我国实现水合物商业化应用、占领该能源制高点具有重要意义。

目前，国际上天然气水合物开采方法主要有降压法、注热法、二氧化碳置换法及上述单一方法的联合，从国内外历次试采经历可知，降压法是最行之有效的水合物开采方法，但还有待于方法改进和提升。对砂质储层而言，井筒失稳和地层出砂是影响试采终止最主要的因素。

如在先公开以下内容的专利申请，公开号为CN106761587A，名称为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，其通过主井眼周围多分支孔和有限防砂、控砂技术的结合以实现水合物储层的有限降压开采。主要包括以下步骤：(1) 主井眼钻开并采用预留分支孔套管完井；(2)钻开多分支孔，其均匀分布在主井眼周围，与主井眼呈一定夹角并定向排列；(3)在主井眼套管外围和多分支孔中充填砾石层，进行有限防砂；(4)反洗井，投产，进入分步降压阶段。上述在先申请并解决现有单一方法形成的局限与缺点。

对于粉砂质储层，我国首次水合物试采结果表明，泥质粉砂地层因有效支撑了地层空间，且束缚水比例高、出水/出砂量少，而具有连续排采的先天优势，从而颠覆了以往人们对开采粉砂质水合物储层前景悲观的偏见。这一认识上的转变将自然界占比最大的粉砂质水合物储层变为可采储层，大大提升了水合物的可采资源量。然而，同时也可以看出，相比于砂质储层，粉砂质储层水合物开采平均日产气量离工业气流标准具有更大的差距，开采效率还有待于极大提升。

因此，如何联合井型创新和储层改造方法，在提高水合物分解效率的同时，扩大产气面积，实现保总量、保持续性开采，并缓解过渡压降带来的大量出砂和储层稳定性难题，是南海粉砂质水合物储层开采面临的主要问题。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法，在于解决上述现有技术存在的问题而针对海洋水合物分布零散且无法自行流动聚集的“先天性”弱点，基于“主井眼+多分支水平井”的井型结构改进，对矿体储层采取垂直水合物层水力割缝以提高水合物分解效率，实现三维零散矿体连接、缓解过渡压降带来的大量出砂、储层失稳和二次水合物形成堵塞的设计目的。

为实现上述设计目的，所述的海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法，核心技术是基于“主井眼+多分支水平井+水力割缝”实施降压与加热的有效联合开采。即基于主井眼和多分支水平井的井型结构，使用水力割缝与加热控制手段，对三维零散矿体进行连接以适应粉砂质储层的水合物降压开采；

包括有以下步骤，

(1)主井眼成井

所述主井眼钻开方式为钻开水合物储层上部地层后固井，使用大尺寸钻头钻进，主井眼穿越储层并在储层底界以下的井底留有沉砂口袋；

(2)钻开多分支水平井

在主井眼周围形成若干与主井眼呈一定夹角、定向分布的多分支水平井；将水平井设置于水合物储层的中部区域；

多分支水平井、多分支水平井与主井眼的连接处，均采用套管和常规防砂筛管结构；

(3)有限防砂与储层支撑

在多分支水平井内密实充填砾石层；

(4)水力喷射改造储层

在多分支水平井通过水合物储层区域，采用水力割缝方式在垂直于多分支水平井处进行360°水力喷射；

(5)加热防堵塞

沿多分支水平井内部进行加热；

(6)投产阶段

投产，实施水合物降压开采。

如上述基本方案构思，本申请提出“主井眼多分支水平井+水力割缝+降压加热联采”的水合物开采模型，目的是通过基于南海实际储层条件的主井井身和多分支水平井及其水力割缝的参数设计，同时达到保总量、稳定、增产的效果。同时，开发水合物多分支水平井水力割缝降压开采方法，采取“小步降压、大面产气、有限度防砂、疏导性排泥”思路，建立产能提升与地层、井筒稳定之间的平衡关系，形成一套适应于我国南海粉砂质储层天然气水合物降压开采的新方法。

该方法克服了水合物分布零散且无法自行流动聚集的“先天性”弱点，有效解决了我国南海北部天然气水合物储层渗透率极低与地层综合强度低、出砂趋势严重之间的矛盾，对延长南海水合物试采持续时间、提供商业化开采技术方法储备具有重要意义。

进一步地改进与优化方案是，所述主井眼的完井方式为套管完井，套管留有与多分支水平井对接的预留孔；储层底界以下套管与地层之间用水泥固井，储层段不注水泥；主井眼套管底部可设置为盲孔。

所述的多分支水平井基于分形理论设计，主井眼与每个多分支水平井之间桥接的机械结构以一定维数体现自相似性，整体井型形状呈树叶形结构维持平衡状态；每个分支井采用合理的狗腿度即在15-20°之间而与主井眼形成一定的定向结构，水平井在横向空间跨度在400-600米之间。

为防止水合物的二次生成，可在多分支水平井的套管内壁，通过绕丝形成的加热板以提供热量。

在所述多分支水平井上实施水力割缝，其是根据储层厚度、渗透率而采用不同的间隔密度、喷射深度等参数控制。具体地，在横向空间上采用0.5m、1m或2m的间隔密度，垂向喷射深度范围控制在5-15米之间；喷射力度由水力喷射器控制，采用底层海水作为水力喷射水源，保证温度与储层温度相近。

将多分支水平井的根端设置为盲孔。

如上所述的降压、加热联合开采方法中，通过在水合物储层中部布设水平井，实现零散分布矿体的横向连接，通过垂直于水平井进行水力喷射，实现储层的垂向压力传导，通过降压实现水合物矿体的逐步分解。

为防止水合物二次生成，可加沿套管布设光纤以监测所述主井和多分支水平井的套管内温度分布，根据温度分布判断水合物二次生成潜在区，通过针对性的加热实现套管内气体的流动保障。

综合地，本申请所述海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法采用的技术要点、工作原理与有益效果如下：

1、通过布置多层位多分支水平井，把零散分布的多个矿体相连，保障了产气总量供给；采取垂直于水平井进行水力割缝的手段，能够更有效地波及整体储层，有效增大水合物分解面；多分支水平井与主井眼形成压力传递的高速多通道，在一定产能要求条件下减小井底压降幅度，减缓地层出砂程度；

2、在多分支水平井内密实充填砾石层，能够起到有限度地防砂作用，同时对储层有一定的支撑作用；

3、沿多分支水平井布置加热板，不仅能防止水合物二次生成堵塞管道影响气体产出，还在一定程度上促进水合物的分解。

4、主井眼钻进时考虑了周围一定范围内多个水合物矿体的深度分布，多分支水平井钻进时考虑了周围一定范围内多个水合物矿体的横向分布。多个分支水平井通过分形理论设计，采用合理的狗腿度与主井眼形成一定的定向结构，一方面使得主井眼与多分支水平井满足分形理论的稳定维数，结合地层承载力建立稳定的主井眼+ 多分支水平井模型；另一方面，定向分支水平井能横向刺穿水合物储层的中间部位，从而能最大尺度的加大泄压面积；

5、多分支水平井段上的水力割缝采用优化的间隔密度，喷射范围根据储层厚度而定，喷射所采用海水先降温至储层温度，有效地防止了水力割缝导致水合物分解和大面积储层破坏情况的发生；

6、多分支水平井中采取密实充填砾石，在现有常规充填参数设计方法的基础上，优选多分支水平井最佳充填材料，如石英砂或人工陶粒、核桃壳等；

7、所述多分支水平井的根端设置为盲孔，以防止底水或下部地层流体进入井筒；

8、所述多分支水平井与主井眼间采用复合模式下的砾石层挡砂精度、充填强度、充填排量等参数的设计方法，实现挡砂和排泥功能；

9、本申请整体上实现了“小步降压、大面产气、有限度防砂、疏导性排泥”设计思路，在“主井眼+多分支水平井+水力割缝”模式下极大地增加了泄压面积，采用较小降压即可实现大产量产气的目的；通过小幅变压以及砾石充填挡砂，减少出砂并维持稳定性；利用加热板防止水合物二次生成，实现流动保障。

10、综上所述，本申请能够克服南海水合物储层分布零散、粒度细、渗透率低的难题，建立有效井型实现矿体桥接，优化水力割缝参数增大水合物分解面，实现气体增产和保量；通过所建立起的具有特定几何形状的主井眼和多分支水平井模型，结合防砂排泥措施，能够适应南海粉砂质储层强度，防止地层、井筒失稳，确保稳定和持续性。因此，本申请特别地适合于离边、底水层位较远或无边、底水的水合物储层的降压、加热联合开采。

附图说明

图1是本申请所述联采方法的原理图；

在图中，主井筒1，水合物储层上覆地层2，水合物储层3，水合物储层下伏地层4，多分支水平井5，水合物矿体6，水力割缝7，加热板8，多分支水平井内砾石充填9，沉砂口袋10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1，如图1所示，所述海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法，是基于主井眼和多分支水平井的井型结构，使用水力割缝与加热控制手段，对三维零散矿体进行连接以适应粉砂质储层的水合物降压开采。

具体地，包括有以下实施步骤：

(1)主井眼成井

所述主井眼钻开方式为钻开水合物储层上部地层后固井，钻进形成16”主井眼，主井眼穿越储层并在储层底界以下的井底留有沉砂口袋；

所述主井眼的完井方式为套管完井，套管留有与多分支水平井对接的预留孔；储层底界以下套管与地层之间用水泥固井，储层段不注水泥；主井眼套管底部可设置为盲孔。

(2)钻开多分支水平井

在主井眼周围形成若干与主井眼呈一定夹角、定向分布的多分支水平井；将水平井设置于水合物储层的中部区域，以将零散分布的多个矿体相连；

多分支水平井、多分支水平井与主井眼的连接处，均采用套管和常规防砂筛管结构；所述主井眼与每个多分支水平井之间的桥接结构，以一定维数体现自相似性，整体井型结构呈树叶形的平衡状态；

每个多分支水平井与主井眼形成定向结构，水平井的狗腿度在15°、且其在横向空间跨度在500米。

在多分支水平井的套管内壁，通过绕丝形成的加热板以提供热量。

将多分支水平井的根端设置为盲孔。

(3)有限防砂与储层支撑

在多分支水平井内密实充填砾石层；

(4)水力喷射改造储层

在多分支水平井通过水合物储层区域，采用水力割缝方式在垂直于多分支水平井处进行360°水力喷射；

在所述多分支水平井上实施水力割缝，在横向空间上采用2米的间隔密度，在垂向上喷射深度范围控制在10米；水力喷射水源采用海底底层水；

(5)加热防堵塞

沿多分支水平井内部进行加热，同时沿套管布设光纤以监测所述的主井、多分支水平井的套管内部温度分布；

根据温度分布判断水合物二次生成的潜在区，通过针对性的加热实现井筒内气体的流动保障以防止水合物二次生成。

(6)投产阶段

投产，实施水合物降压开采。

在主井眼内下放电潜离心泵，进行抽水降压，进行产气；

监控产出参数，通过光纤温度数据发现潜在二次水合物形成区域，用加热板控制加热，保证气体流动顺畅。

如上所述，结合附图和描述给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明的结构的方案内容，依据本发明的技术实质对以上描述所作的任何部件形状、尺寸、连接方式和安装结构的修改、等同变化与修饰及各组成部件位置和结构的轻微调整，均仍属于本发明技术方案的权利范围。

Claims (8)

1.一种海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法，其特征在于：基于主井眼和多分支水平井的井型结构，使用水力割缝与加热控制手段，对三维零散矿体进行连接以适应粉砂质储层的水合物降压开采；

包括有以下步骤，

(1)主井眼成井

所述主井眼钻开方式为钻开水合物储层上部地层后固井，使用大尺寸钻头钻进，主井眼穿越储层并在储层底界以下的井底留有沉砂口袋；

(2)钻开多分支水平井

在主井眼周围形成若干与主井眼呈一定夹角、定向分布的多分支水平井；将水平井设置于水合物储层的中部区域；

多分支水平井、多分支水平井与主井眼的连接处，均采用套管和常规防砂筛管结构；

(3)有限防砂与储层支撑

在多分支水平井内密实充填砾石层；

(4)水力喷射改造储层

在多分支水平井通过水合物储层区域，采用水力割缝方式在垂直于多分支水平井处进行360°水力喷射；

(5)加热防堵塞

沿多分支水平井内部进行加热；

(6)投产阶段

投产，实施水合物降压开采。

2.根据权利要求1所述的海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法，其特征在于：所述主井眼的完井方式为套管完井，套管留有与多分支水平井对接的预留孔；

储层底界以下套管与地层之间用水泥固井，储层段不注水泥；

主井眼套管底部可设置为盲孔。

3.根据权利要求1或2所述的海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法，其特征在于：所述主井眼与每个多分支水平井之间的桥接结构，以一定维数体现自相似性，整体井型结构呈树叶形的平衡状态；

每个多分支水平井与主井眼形成定向结构，水平井的狗腿度在15-20°之间、且其在横向空间跨度在400-600米之间。

4.根据权利要求3所述的海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法，其特征在于：在多分支水平井的套管内壁，通过绕丝形成的加热板以提供热量。

5.根据权利要求1或2所述的海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法，其特征在于：在所述多分支水平井上实施水力割缝，在横向空间上采用0.5米、1米或2米的间隔密度，在垂向上喷射深度范围控制在5-15米之间；

喷射力度由水力喷射器控制，采用底层海水作为水力喷射水源，保证温度与储层温度相近。

6.根据权利要求5所述的海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法，其特征在于：将多分支水平井的根端设置为盲孔。

7.根据权利要求1或2所述的海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法，其特征在于：在垂直于多分支水平井的横向空间进行水力喷射，以实现储层的垂向压力传导，通过降压实现水合物矿体的逐步分解。

8.根据权利要求7所述的海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法，其特征在于：沿套管布设光纤以监测所述的主井、多分支水平井的套管内部温度分布；

根据温度分布判断水合物二次生成的潜在区，通过针对性的加热实现井筒内气体的流动保障以防止水合物二次生成。