CN109882134B - 一种海域非成岩天然气水合物钻采方法 - Google Patents

Abstract

一种海域非成岩天然气水合物钻采方法，包括如下步骤：a、垂直井钻进；b、安装连续油管的钻进装置；c、垂直井开窗；d、在钻井船8上配置可以形成蜂窝状结构的发泡水泥；e、水平井钻进：连续油管通过转向器在转弯半径≤0.3m范围内完成轴向到径向的转变，发泡水泥通过钻进装置注入连续油管中并通过连续油管喷射设备喷向地层当中，形成蜂窝状结构；f、天然气水合物开采；g、多组水平井钻取。本发明采用多孔射流钻头向天然气水合物储层中喷射发泡水泥，以发泡水泥代替钻井液，发泡水泥形成蜂窝状结构，为水合物开采提供通道，并发挥支撑地层的作用，且其渗透率达到了原天然气水合物储层渗透率5倍以上。

Description

一种海域非成岩天然气水合物钻采方法

技术领域

本发明涉及一种水下矿物的开采方法，尤其涉及一种海域水合物的钻采方法。

背景技术

天然气水合物是“后石油时代”最具有潜力的战略资源，广泛存在于陆域冻土或者海底当中，具有储量丰富、清洁高效的特点。其中海洋水合物储量大于陆地水合物储量，是当前世界各国开发的主要区域。我国海域天然气水合物大多赋存于沉积层当中，地层属于粉砂质黏土储层，未固结成岩，渗透率极低，开采难度非常大。2017年我国在南海神狐海域水深1266m以下203-277m的粉砂质黏土层中，采用直井井型通过流体抽取法成功实施了天然气水合物的海上试采，证实了在我国进行海上天然气水合物试采的可行性。

目前海域天然气水合物的试采采用的是直井井型，通过降压的方式进行开采，虽取得了很大的成功，但是此方法开采面积有限，出气量有限，采用水平井模式来增大海域天然气水合物的可控开采面积成为商业开采必然的发展方向。由于海域水合物储层的特殊性，非成岩储层不能为定向工具提供支撑力，所以采用传统的水平井钻井工艺无法完成海域水合物水平井的钻进，且当储层的水合物分解以后，储层原有的框架结构将不复存在，地层压力将发生重大改变，有可能引发海底山脉滑坡等重大地质灾害。因此亟需一种新的技术方案来解决上述问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种海域非成岩天然气水合物钻采方法，采用开窗设备和转向设备进行垂直井向水平井转向，定位准确，多孔射流钻头向天然气水合物储层中喷射发泡水泥，以发泡水泥代替钻井液，发泡水泥形成蜂窝状结构，为水合物开采提供通道，并发挥支撑地层的作用，且其渗透率达到了原天然气水合物储层渗透率5倍以上。

本发明所述的技术问题是以如下技术方案解决的：

一种海域非成岩天然气水合物钻采方法，包括如下步骤：

a、垂直井钻进：根据非成岩天然气水合物储藏区的深度，完成垂直钻井，垂直井钻穿天然气水合物储层，下入垂直井套管进行水泥固井；

b、安装连续油管的钻进装置：水泥固结后，组合安装连续油管的钻进装置，下放连续油管、转向器和开窗设备到垂直井预定的开窗位置，所述开窗设备与所述连续油管连接；

c、垂直井开窗：利用井下转向器、开窗设备和连续油管完成所述垂直井套管的开窗，开窗完成后上提所述开窗设备，下放连续油管喷射设备；

d、在钻井船上配置可以形成蜂窝状结构的发泡水泥；

e、水平井钻进：所述连续油管通过所述转向器可以在转弯半径≤0.3m范围内完成垂直方向到水平方向的转变，进行水平钻进，发泡水泥通过所述连续油管喷射设备喷向地层当中，形成蜂窝状结构层；

f、天然气水合物开采：完成水平井段钻进后，将所述连续油管直接留在井内作为套管使用，然后向套管内下入射孔枪，间隔均匀地射出多个采气孔，天然气水合物降压分解后通过蜂窝状水泥层，到达所述连续油管内并输送至所述钻井船；

g、多组水平井钻取：根据不同天然气水合物储层的地质条件，利用所述步骤c-f的方法，钻出多个水平井，形成水平井组，多组水平井均与垂直井联通。

上述海域非成岩天然气水合物钻采方法，所述步骤b和e中，所述钻进装置包括扶正机构、鹅颈管、卷扬机、储能装置、高压泵组和水泥浆罐，所述卷扬机、储能装置、高压泵组和水泥浆罐依次连接并设置于所述钻井船上，所述鹅颈管一端与所述卷扬机连接，另一端通过所述扶正机构与所述连续油管连接，所述连续油管直径为25.4mm。

上述海域非成岩天然气水合物钻采方法，所述步骤c和e中，所述连续油管喷射设备包括柔性管和多孔射流钻头，所述柔性管一端与所述连续油管的钻进端焊接连接，另一端与所述多孔射流钻头连接，所述多孔射流钻头四周均匀布置有多个喷头。

上述海域非成岩天然气水合物钻采方法，所述步骤e中，增设方向速度控制机构，所述方向速度控制机构包括缆绳和缆绳绞车，所述缆绳一端与所述多孔射流钻头和所述柔性管的连接处连接，另一端缠绕在所述缆绳绞车上，通过缆绳的牵拉调整多孔射流钻头的方向和钻进速度。

上述海域非成岩天然气水合物钻采方法，所述步骤d中，发泡水泥由如下质量百分比含量的组分组成：硅酸盐水泥50%-75%、特种水泥5%-10%、粗骨料：5%-12%、憎水剂1%-2%、减水剂1%-2%、发泡剂5%-6%、纤维2%-3%、粉煤4%-7%、调凝剂1%-3%。

上述海域非成岩天然气水合物钻采方法，所述特种水泥为硅酸盐类膨胀水泥、铝酸盐类膨胀水泥或硫铝酸盐类膨胀水泥中的一种；所述粗骨料为粒径为5mm以上的碎石或者卵石；所述憎水剂为硅烷类憎水剂或硅氧烷类憎水剂；所述减水剂为萘磺酸盐减水剂、密胺系减水剂或聚羧酸系高性能减水剂中的一种或多种；发泡剂为植物蛋白发泡剂、动物蛋白发泡剂或复合型发泡剂中的一种或多种。

上述海域非成岩天然气水合物钻采方法，所述纤维为聚丙烯纤维；所述粉煤为一级粉煤，细度为8-12目；所述调凝剂为硅酸盐类调凝剂。

上述海域非成岩天然气水合物钻采方法，所述步骤e中，发泡水泥的注入压力为70MPa。

上述海域非成岩天然气水合物钻采方法，所述步骤a中，所述垂直井套管的直径为508mm。

本发明钻井设备小、质量轻、占地面积少且便于移动，钻井成本低，可实现非成岩水合物储层的水平钻进；采用开窗设备对垂直井套管进行开窗，无需进行套管锻铣和扩孔；在转向器的作用下，连续油管由轴向向径向的转弯半径可以控制在0.3m以内，且定位准确，一次性定向；多孔射流钻进钻头在钻进过程中，以发泡水泥代替钻井液，向天然气水合物储层喷射发泡水泥，发泡水泥注入地层以后，形成蜂窝状结构，不仅为地层提供支撑力，同时为天然气水合物的开采提供流通通道，且其渗透率达到了原天然气水合物储层渗透率5倍以上；连续油管的直径为25.4mm，钻进的水平井的井眼尺寸小，对天然气水合物储层的污染和扰动小；多孔射流钻头四周均匀设置有多个喷嘴，其中前置喷嘴钻开天然气水合物储层，后置喷嘴为整个钻井系统提供前进的动力，上下喷嘴通过力的反作用对钻井轨迹具有一定的调节作用；采用缆绳来控制和监测连续油管的运动速度和位置，缆绳绞车通过控制缆绳拉力来控制钻进速度，同时对钻进方向进行控制。

附图说明

图1为本发明钻井设备结构示意图；

图2为水平井组结构示意图。

图中各标号清单为：1、天然气水合物储层；2、垂直井套管；3、钻进装置；3-1、扶正机构；3-2、鹅颈管；3-3、卷扬机；3-4、储能装置；3-5、高压泵组；3-6、水泥浆罐；4、连续油管；5、转向器；6、开窗设备；7、连续油管喷射设备；7-1、柔性管；7-2、多孔射流钻头；8、钻井船；9、方向和速度控制机构；9-1、缆绳；9-2、缆绳绞车；10、蜂窝状结构；11、采气孔；12、水平井组。

具体实施方式

本发明针对海洋非成岩天然气水合物钻采方案的不足和缺陷，提出一种海域非成岩天然气水合物钻采方法，实现海域天然气水合物安全、高效、低成本、低污染的开采。

以下结合实施例对本发明作进一步说明。

海域非成岩天然气水合物钻采方法，具体钻采过程包括如下步骤：

a、垂直井钻进：根据非成岩天然气水合物储藏区的深度，采用直径为660.4mm的钻头完成垂直钻井，垂直井钻穿天然气水合物储层1，下入直径为508mm的垂直井套管2进行水泥固井；

b、安装连续油管的钻进装置：水泥固结后，组合安装连续油管的钻进装置3，所述钻进装置3包括扶正机构3-1、鹅颈管3-2、卷扬机3-3、储能装置3-4、高压泵组3-5和水泥浆罐3-6，所述卷扬机3-3、储能装置3-4、高压泵组3-5和水泥浆罐3-6依次连接并设置于所述钻井船7上，所述鹅颈管3-2一端与所述卷扬机3-3连接，另一端通过所述扶正机构3-1与所述连续油管4连接，所述连续油管4直径为25.4mm；下放连续油管4、转向器5和开窗设备6到垂直井预定的开窗位置，所述开窗设备6与所述连续油管4连接；

c、垂直井开窗：利用井下转向器5、开窗设备6和连续油管4完成所述垂直井套管2的开窗，开窗完成后上提开窗设备，下放连续油管喷射设备7；所述连续油管喷射设备7包括柔性管7-1和多孔射流钻头7-2，所述柔性管7-1一端与所述连续油管4的钻进端焊接连接，另一端与所述多孔射流钻头7-2连接，所述多孔射流钻头7-2四周均匀布置有多个喷头，包括前置喷嘴、后置喷嘴、上喷嘴和下喷嘴；其中前置喷嘴钻开天然气水合物储层，后置喷嘴为整个钻井系统提供前进的动力，上、下喷嘴通过力的反作用对钻井轨迹具有一定的调节作用

d、在钻井船8上配置可以形成蜂窝状结构的发泡水泥；发泡水泥由如下质量百分比含量的组分组成：硅酸盐水泥50%-75%、特种水泥5%-10%、粗骨料：5%-12%、憎水剂1%-2%、减水剂1%-2%、发泡剂5%-6%、纤维2%-3%、粉煤4%-7%、调凝剂1%-3%。所述特种水泥为硅酸盐类膨胀水泥、铝酸盐类膨胀水泥或硫铝酸盐类膨胀水泥中的一种；所述粗骨料为粒径为5mm以上的碎石或者卵石；所述憎水剂为硅烷类憎水剂或硅氧烷类憎水剂；所述减水剂为萘磺酸盐减水剂、密胺系减水剂或聚羧酸系高性能减水剂中的一种或多种；发泡剂为植物蛋白发泡剂、动物蛋白发泡剂或复合型发泡剂中的一种或多种；所述纤维为聚丙烯纤维；所述粉煤为一级粉煤，细度为8-12目；所述调凝剂为硅酸盐类调凝剂；

e、水平井钻进：所述连续油管4通过所述转向器5可以在转弯半径≤0.3m范围内完成轴向到径向的转变，进行水平钻进，发泡水泥通过高压泵组3-5泵送到多孔射流钻头7-2中，并通过多孔射流钻头7-2四周均匀布置的多个喷头喷射到天然气水合物储层中，前置喷嘴钻开水合物储层，后置喷嘴为整个钻井系统提供前进的动力，上、下喷嘴通过力的反作用对钻井轨迹发挥一定的调节作用。喷射过程中，控制发泡水泥注入压力为70MPa，发泡水泥在天然气水合物储层中形成蜂窝状结构10，此结构不仅具有耐压性，同时使得天然气水合物的渗透性达到了原水合物储层渗透率的5倍以上，此外，发泡水泥形成的蜂窝状结构不仅为天然气水合物的开采提供了通道，还起到了支撑地层的作用；

另外，在钻进过程中，为了保证多孔射流钻头7-2和钻杆的运动速度和方向，增设有方向和速度控制机构9，所述方向和速度控制机构9包括缆绳9-1和缆绳绞车9-2，所述缆绳9-1一端与所述多孔射流钻头7-2和所述柔性管7-1的连接处连接，另一端缠绕在所述缆绳绞车9-2上，通过缆绳来控制和监测连续油管4的运动速度和位置，缆绳绞车9-2通过控制缆绳拉力来控制钻进速度，同时对钻进方向进行控制；

f、天然气水合物开采：完成水平井段钻进后，将所述连续油管4直接留在井内作为套管使用，然后向套管内下入射孔枪，间隔均匀地射出多个采气孔11，天然气水合物降压分解后通过蜂窝状水泥层，到达所述连续油管4内并输送至所述钻井船8；

g、多组水平井钻取：根据不同天然气水合物储层的地质条件，利用所述步骤a-f的方法，钻进多个水平井，形成水平井组12，多个水平井均与垂直井联通。

Claims (5)

1.一种海域非成岩天然气水合物钻采方法，其特征在于：包括如下步骤：

a、垂直井钻进：根据非成岩天然气水合物储藏区的深度，完成垂直钻井，垂直井钻穿天然气水合物储层（1），下入垂直井套管（2）进行水泥固井；

b、安装连续油管的钻进装置：水泥固结后，组装连续油管的钻进装置（3），下放连续油管（4）、转向器（5）和开窗设备（6）到垂直井预定的开窗位置，所述开窗设备（6）与所述连续油管（4）连接；

c、垂直井开窗：利用井下转向器（5）、开窗设备（6）和连续油管（4）完成所述垂直井套管（2）的开窗，开窗完成后上提所述开窗设备（6），下放连续油管喷射设备（7）；

d、在钻井船（8）上配置可以形成蜂窝状结构的发泡水泥；

e、水平井钻进：所述连续油管（4）通过所述转向器（5）可以在转弯半径≤0.3m范围内完成垂直方向到水平方向的转变，进行水平钻进，发泡水泥通过所述连续油管喷射设备（7）喷向地层当中，形成蜂窝状结构层（10）；

f、天然气水合物开采：完成水平井段钻进后，将所述连续油管（4）直接留在井内作为套管使用，然后下入射孔枪，间隔均匀地射出多个采气孔（11），天然气水合物降压分解后通过蜂窝状水泥层，到达所述连续油管（4）内并输送至所述钻井船（8）；

g、多组水平井钻取：根据不同天然气水合物储层的地质条件，利用所述步骤c-f的方法，钻进多个水平井，形成水平井组（12），多组水平井均与垂直井联通；

所述步骤c和e中，所述连续油管喷射设备（7）包括柔性管（7-1）和多孔射流钻头（7-2），所述柔性管（7-1）一端与所述连续油管（4）的钻进端焊接连接，另一端与所述多孔射流钻头（7-2）连接，所述多孔射流钻头（7-2）四周均匀布置有多个喷头；包括前置喷嘴、后置喷嘴、上喷嘴和下喷嘴；其中前置喷嘴钻开天然气水合物储层，后置喷嘴为整个钻井系统提供前进的动力，上、下喷嘴通过力的反作用对钻井轨迹具有一定的调节作用；

在步骤e中，增设方向速度控制机构（9），所述方向速度控制机构（9）包括缆绳（9-1）和缆绳绞车（9-2），所述缆绳（9-1）一端与所述多孔射流钻头（7-2）和所述柔性管（7-1）的连接处连接，另一端缠绕在所述缆绳绞车（9-2）上，通过缆绳（9-1）的牵拉调整多孔射流钻头（7-2）的方向和钻进速度；

所述步骤d中，发泡水泥由如下质量百分比含量的组分组成：硅酸盐水泥50%-75%、特种水泥5%-10%、粗骨料5%-12%、憎水剂1%-2%、减水剂1%-2%、发泡剂5%-6%、纤维2%-3%、粉煤4%-7%、调凝剂1%-3%；所述粗骨料为粒径为5mm以上的碎石或者卵石；

所述步骤e中，发泡水泥的注入压力为70MPa。

2.根据权利要求1所述的海域非成岩天然气水合物钻采方法，其特征在于：所述步骤b和e中，所述钻进装置（3）包括扶正机构（3-1）、鹅颈管（3-2）、卷扬机（3-3）、储能装置（3-4）、高压泵组（3-5）和水泥浆罐（3-6），所述卷扬机（3-3）、储能装置（3-4）、高压泵组（3-5）和水泥浆罐（3-6）依次连接并设置于所述钻井船（8 ）上，所述鹅颈管（3-2）一端与所述卷扬机（3-3）连接，另一端通过所述扶正机构（3-1）与所述连续油管（4）连接，所述连续油管（4）直径为25.4mm。

3.根据权利要求2所述的海域非成岩天然气水合物钻采方法，其特征在于：所述特种水泥为硅酸盐类膨胀水泥、铝酸盐类膨胀水泥或硫铝酸盐类膨胀水泥中的一种；所述憎水剂为硅烷类憎水剂或硅氧烷类憎水剂；所述减水剂为萘磺酸盐减水剂、密胺系减水剂或聚羧酸系高性能减水剂中的一种或多种；发泡剂为植物蛋白发泡剂、动物蛋白发泡剂或复合型发泡剂中的一种或多种。

4.根据权利要求3所述的海域非成岩天然气水合物钻采方法，其特征在于：所述纤维为聚丙烯纤维；所述粉煤为一级粉煤，细度为8-12目；所述调凝剂为硅酸盐类调凝剂。

5.根据权利要求4所述的海域非成岩天然气水合物钻采方法，其特征在于：所述步骤a中，采用直径为660.4mm的钻头完成垂直钻井，所述垂直井套管（2）的直径为508mm。

Images