CN110005377B - 一种垂直井井底腔室的建造方法 - Google Patents

一种垂直井井底腔室的建造方法 Download PDF

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Abstract

一种垂直井井底腔室的建造方法，用于开采海域天然气水合物，建造按如下步骤进行：水合物上覆地层钻进；水合物地层钻进；高压旋喷注浆形成旋喷水泥混合桩；形成扩腔；扩腔检测；固井充填；完成垂直井井底腔室建设。本发明将高压喷射灌浆技术和扩孔灌注桩技术联合使用，通过高压喷射灌浆技术中的旋转喷射技术形成旋喷混合水泥桩，桩强度较原来地层高，然后再旋喷混合水泥桩的基础上，采用扩孔灌注桩技术建造一个直径较旋喷混合水泥桩小、形状规则、强度高的扩孔灌注桩，在扩孔灌注桩上进行垂直井井底腔室的建造，腔室周围的地层强度高，可以满足多井组水平井向垂直井汇聚采气的要求。

Description

一种垂直井井底腔室的建造方法
技术领域
本发明涉及海洋天然气水合物能源开发应用领域，尤其涉及一种海域天然气水合物垂直井井底腔室的建造方法。
背景技术
2016年南海神狐海域天然气水合物试采尽管已经取得了巨大成功，但受直井可控储层面积的限制，日产气量和持续稳产时间还远远不够，距离水合物的产业化开采还有相当长的距离，将水平井钻井技术和多井组连通汇聚开采技术运用到先导试验区水合物试采是必然的趋势。当前全球海域天然气水合物试采方案采用的均是直井降压法试采技术，即将直井钻进至水合物储层，采用降压法进行水合物试采。实践证明：有的试采6天产气12万立方米，影响储层范围只有10米左右。而有的在试采过程中，采用直井试采连续生产60天，产气30万立方米。随着时间的推移，垂直开采水合物产气量在短期内快速减少，暴露出垂直井控矿面积小而无法实现稳产的弊端。
天然气水合物开采应实现产业化开采，这样亟需开发高效关键技术来支撑产业化的进展。多井连通汇聚开采技术通过钻多口定向水平井与一口垂直井连通形成四通八达的“井工厂”采气模式，实现大幅增产，为海域水合物的产业化开采提供了重要增产稳产方法。高强度大直径垂直井井底腔室是实现多井组联通的关键环节，垂直井井底腔室的建造质量直接影响到整个连通汇聚开采的成败，其主要体现在垂直井井底腔室的形状是否规则、固井充填是否完整、直径与高度是否满足连通汇聚开采的要求等多面。
若想在软弱地层内建设形状规则、结构稳定的腔室，需要预先对地层进行加固，形成一个直径大于预构建腔室的高强度桩体。目前工程上常用的在软弱地层孔底建造高强度桩体的方式主要有两种：一种是采用高压喷射灌浆技术，该技术是通过在地层中的钻孔内下入喷射管，用高速射流（水、浆液或空气）直接冲击、切割、破坏、剥蚀原地基材料，受到破坏、扰动后的土石料与同时灌注的水泥浆或其它浆液发生充分的掺搅混合、充填挤压、移动包裹，至凝结硬化，从而构成坚固的凝结体，成为结构较密实、强度较高、有足够防渗性能的桩体；一种是采用孔底扩腔的方式，通过扩腔钻具在孔底扩出一个直径较大的腔体，然后通过向内部灌注固化充填体的方式建造高强度桩体。对于在海域中进行的钻采，由于海底地层松软，若想得到形状规格、强度高且稳定的腔体，必须预先建造一个强度由中心向周边逐渐递减的桩体，强度的逐渐递减对于桩体的稳定性起至关重要的作用，若直接采用扩孔灌注桩的形式，则扩腔内的强度高，突然过渡到海底松软的地层，不利于腔室的稳定；高压喷射灌浆技术所成的桩体由于地层的不均匀所成的桩体形状也不规则。因此单独的高压喷射灌浆技术和扩孔灌注桩技术建造腔室，均不能满足海域天然气水合物垂直井井底腔室的建造。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种垂直井井底腔室的建造方法，将高压喷射灌浆技术和扩孔灌注桩技术联合使用，通过高压喷射灌浆技术中的旋转喷射技术形成旋喷混合水泥桩，桩强度较原来地层高，然后再旋喷混合水泥桩的基础上，采用扩孔灌注桩技术建造一个直径较旋喷混合水泥桩小、形状规则、强度高的扩孔灌注桩，在扩孔灌注桩上进行垂直井井底腔室的建造，腔室周围的地层强度高，可以满足多井组水平井向垂直井汇聚采气的要求。
本发明所述的技术问题是以如下技术方案解决的：
一种垂直井井底腔室的建造方法，用于开采海域天然气水合物，建造按如下步骤进行：
a、水合物上覆地层钻进：下入钻具，自海底向下钻进，钻进至水合物上覆地层与水合物地层上部的交界处，然后下入表层固井套管，所述表层固井套管下入到位后，向井内灌注混凝土进行固井；
b、水合物底板以下地层钻进：表层固井套管固井完毕后，自表层固井套管内下入钻具进行钻进，直至钻进到水合物底板以下地层要求的深度；
c、高压旋喷注浆形成旋喷水泥混合桩：在已钻进的孔内下入高压旋喷注浆钻具，钻具下放至孔底，采用自下而上的方式进行旋转喷射，在高压水射流和压缩空气的作用下对周围土体进行破坏，水泥浆进入被破坏的地层，与土体进行混合、填充，形成直径较大，强度较原地层高的旋喷水泥混合桩；
d、形成扩腔：在大直径旋喷水泥混合桩的基础上，下入反循环钻具进行钻井，边钻进边清渣，直至钻进到水合物底板以下地层要求的深度；提钻后更换扩腔钻具，继续下入到井底进行扩腔，扩腔完毕清除腔内沉渣后，提钻；
e、扩腔检测：扩腔完毕后下入腔体检测仪器，检测腔体直径和高度是否满足要求，如满足要求则进行后续固井，如不满足要求则需下入扩腔钻具重新扩腔，直至检测合格；
f、固井充填：腔体检测合格后，向扩腔内填充固化材料进行固井，凝固后形成扩孔灌注桩，其强度高于所述旋喷水泥混合桩的强度；
g、完成垂直井井底腔室建设：扩腔固化完毕后，下入反循环钻具，在已固化的桩体上钻进垂直井，然后下入垂直井生产套管，完成垂直井井底腔室的建设。
上述垂直井井底腔室的建造方法，所述步骤d中，可根据所述扩腔钻具的工作方式选择自上而下或自下而上的方式进行扩腔，扩腔钻具的排渣方式为反循环排渣；反循环钻具钻进过程不钻穿旋喷水泥混合桩。
上述垂直井井底腔室的建造方法，所述步骤f中，所述扩孔灌注桩的直径小于旋喷水泥混合桩的直径，大于垂直井井底腔室的直径。
本发明结合了高压喷射灌浆技术和扩孔灌注桩技术的优势，将两种桩体结合起来，既能通过旋转喷射灌浆快速形成大直径的较原地层强度高的旋喷水泥混合桩桩体，又能利用扩孔灌注桩技术在已形成的较高强度的旋喷水泥混合桩桩体上继续进行更高强度的桩体建设，从而形成自中心向周边强度递减的稳定的扩孔灌注桩桩体。垂直井井底腔室最终建立在高强度的扩孔灌注桩上，扩孔灌注桩的直径大于垂直井井底腔室直径，强度高，不易发生变形和坍塌，足以满足多井组水平井向垂直井的汇聚采气的要求。
附图说明
图1为本发明垂直井井底腔室建造过程结构示意图。
图中各标号清单为：A、旋喷注浆固化地层；B、形成旋喷水泥混合桩；C、大直径扩腔；D、固井充填；E、钻进抽采孔；F、下入生产套管完成抽采孔建设；M1、水合物上覆地层；M2、水合物地层；M3、水合物底板以下地层；H1、旋喷水泥混合桩；H2、扩孔灌注桩；H3、垂直井井底腔室；1、表层固井套管；2、高压旋喷注浆钻具；3、大直径扩腔钻具；4、垂直井生产套管。
具体实施方式
海域天然气水合物垂直井井底腔室的建造方法，将高压喷射灌浆技术和扩孔灌注桩技术结合起来，通过高压喷射灌浆技术中的旋转喷射技术形成旋喷混合水泥桩，桩体强度较原来地层高，但是桩体结构不规格，对于软硬不均的地层所喷射的直径也不同，无法满足腔室规则这一要求。基于以上原因，在旋喷混合水泥桩的基础上，建造一个直径较旋喷混合水泥桩小、形状规则、强度高的桩体，此时需要下入钻头钻至水合物底板以下地层要求的深度，然后再下入大直径扩腔钻具采用由下而上或由上而下的方式进行扩腔。扩腔过程采用反循环方式进行排渣，沉渣排除干净后进行腔体的测量，腔体形状和尺寸满足设计要求后进行固化填充，要求腔体自上而下直径一致，腔体内壁光滑，腔体密实，无明显突出和凹陷，腔体高度是否与设计值一致，此时充填的桩体强度高、形状规则，可以满足多井组对接的要求。再次下入反循环钻具钻进垂直井，钻进至指定深度后，提钻，下入垂直井生产套管，完成垂直井井底腔室的建设。
建造步骤如下：
a、水合物上覆地层钻进：下入钻具，自海底向下钻进，钻进至水合物上覆地层M1与水合物地层M2上部的交界处，然后下入表层固井套管1，所述表层固井套管1下入到位后，向井内灌注混凝土进行固井；
b、水合物地层钻进：表层固井套管固井完毕后，自表层固井套管内下入钻具进行钻进，直至钻进到水合物底板以下地层M3要求的深度；
c、高压旋喷注浆形成旋喷水泥混合桩：在已钻进的孔内下入高压旋喷注浆钻具2，钻具下放至孔底，采用自下而上的方式进行旋转喷射，在高压水射流和压缩空气的作用下对周围土体进行破坏，水泥浆进入被破坏的地层，与土体进行混合、填充，形成直径较大，强度较原地层高的旋喷水泥混合桩H1；
d、形成扩腔：在大直径旋喷水泥混合桩的基础上，下入反循环钻具进行钻井，边钻进边清渣，直至钻进到水合物底板以下地层要求的深度；提钻后更换大直径扩腔钻具3，继续下入到井底进行扩腔，根据所述扩腔钻具3的工作方式选择自上而下或自下而上的方式进行扩腔，扩腔钻具的排渣方式为反循环排渣，扩腔完毕清除腔内沉渣后，提钻；
e、扩腔检测：扩腔完毕后下入腔体检测仪器，检测腔体直径和高度是否如满足要求则进行后续固井，如不满足要求则需下入扩腔钻具重新扩腔，直至检测合格；
f、固井充填：腔体检测合格后，向扩腔内填充固化材料进行固井，凝固后形成扩孔灌注桩H2，其强度高于所述旋喷水泥混合桩H1的强度；
g、完成垂直井井底腔室建设：扩腔固化完毕后，下入反循环钻具，在已固化的桩体上钻进垂直井，然后下入垂直井生产套管4，完成垂直井井底腔室H3的建设。
以下结合一个具体实施案例对本发明作进一步说明，各项深度数值以海域泥面底部开始计算。
a、水合物上覆地层钻进：下入钻具，自海底向下钻进，钻进至水合物上覆地层M1与水合物地层M2上部的交界处，水合物地层位于190-220m处（以海域泥面底处开始计算），然后下入表层固井套管1，所述表层固井套管1下入到位后，向井内灌注混凝土进行固井；
b、水合物地层钻进：表层固井套管固井完毕后，自表层固井套管内下入钻具进行钻进，直至钻进到水合物底板以下地层M3要求的深度，垂直井钻进深度为240m；
c、高压旋喷注浆形成旋喷水泥混合桩：在已钻进的垂直井内下入高压旋喷注浆钻具2，钻具下放至孔底，采用自下而上的方式进行旋转喷射，在高压水射流和压缩空气的作用下对周围土体进行破坏，水泥浆进入被破坏的地层，与土体进行混合、填充，形成直径较大，强度较原地层高的旋喷水泥混合桩H1，旋喷水泥混合桩的直径为Φ5000mm，深度为220-240m，高度为20m；
d、形成扩腔：在大直径旋喷水泥混合桩的基础上，下入反循环钻具进行钻井，边钻进边清渣，直至钻进到水合物底板以下地层要求的深度，本实施例中钻进深度为235m；提钻后更换大直径扩腔钻具3，继续下入到井底进行扩腔，根据所述扩腔钻具3的工作方式选择自上而下或自下而上的方式进行扩腔，扩腔钻具的排渣方式为反循环排渣，扩腔完毕清除腔内沉渣后，提钻，扩腔直径为Φ3000mm，深度为222-235m；
e、扩腔检测：扩腔完毕后下入腔体检测仪器，检测腔体直径是否自上而下一致，无明显突出和凹陷，腔体高度是否与设计值一致。如满足要求则进行后续固井，如不满足要求则需下入扩腔钻具重新扩腔，直至检测合格；
f、固井充填：腔体检测合格后，向扩腔内填充固化材料进行固井，凝固后形成扩孔灌注桩H2，其强度高于所述旋喷水泥混合桩H1的强度；
g、完成垂直井井底腔室建设：扩腔固化完毕后，下入反循环钻具，在已固化的桩体上钻进垂直井，钻进深度为232m，直径为Φ460mm，然后下入Φ339.7的垂直井生产套管4，生产套管下入深度为222m，以下裸孔段为开采用的腔室，此时完成垂直井井底腔室H3的建设。

Claims (3)

1.一种垂直井井底腔室的建造方法，用于开采海域天然气水合物，其特征在于：建造按如下步骤进行：
a、水合物上覆地层钻进：下入钻具，自海底向下钻进，钻进至水合物上覆地层（M1）与水合物地层（M2）上部的交界处，然后下入表层固井套管（1），所述表层固井套管（1）下入到位后，向井内灌注混凝土进行固井；
b、水合物底板以下地层钻进：表层固井套管（1）固井完毕后，自表层固井套管（1）内下入钻具进行钻进，直至钻进到水合物底板以下地层（M3）要求的深度；
c、高压旋喷注浆形成旋喷水泥混合桩：在已钻进的垂直井内下入高压旋喷注浆钻具（2），钻具下放至孔底，采用自下而上的方式进行旋转喷射，在高压水射流和压缩空气的作用下对周围土体进行破坏，水泥浆进入被破坏的地层，与土体进行混合、填充，形成直径较大，强度较原地层高的旋喷水泥混合桩（H1）；
d、形成扩腔：在旋喷水泥混合桩（H1）的基础上，下入反循环钻具进行钻井，边钻进边清渣，直至钻进到水合物层底板以下地层（M3）要求的深度；提钻后更换大直径扩腔钻具（3），继续下入到井底进行扩腔，扩腔完毕清除腔内沉渣后，提钻；
e、扩腔检测：扩腔完毕后下入腔体检测仪器，检测腔体直径和高度是否满足要求，如满足要求则进行后续固井，如不满足要求则需下入扩腔钻具重新扩腔，直至检测合格；
f、固井充填：腔体检测合格后，向扩腔内填充固化材料进行固井，凝固后形成扩孔灌注桩（H2），其强度高于所述旋喷水泥混合桩（H1）的强度；
g、完成垂直井井底腔室建设：扩腔固化完毕后，下入反循环钻具，在已固化的桩体上钻进垂直井，然后下入垂直井生产套管（4），完成垂直井井底腔室（H3）的建设；
所述扩孔灌注桩（H2）的直径小于旋喷水泥混合桩（H1）的直径，大于垂直井井底腔室（H3）的直径。
2.根据权利要求1所述的垂直井井底腔室的建造方法，其特征在于：所述步骤c中，所述旋喷水泥混合桩（H1）底部深度与所述步骤b中钻井深度相同。
3.根据权利要求1所述的垂直井井底腔室的建造方法，其特征在于：所述步骤d中，可根据所述扩腔钻具（3）的工作方式选择自上而下或自下而上的方式进行扩腔，扩腔钻具的排渣方式为反循环排渣；反循环钻具钻进过程不钻穿旋喷水泥混合桩（H1）。
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