CN110043190B - 一种垂直井大直径腔室的建造方法 - Google Patents

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Abstract

一种垂直井大直径腔室的建造方法，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；水合物底板以下地层钻进；水合物底板以下地层第一次扩腔；高压旋喷形成水泥砂浆初桩；水泥砂浆初桩钻进；二次扩腔；腔室清渣；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，先通过喷射扩孔在水合物底板以下地层扩出一个腔体，再通过高压喷射灌浆技术进行旋喷灌注，形成了一个直径更大的水泥砂浆初桩，在水泥砂浆初桩的基础上继续进行扩腔灌注，形成扩孔灌注桩，在扩孔灌注桩上进行垂直井腔室的建造，腔室周围的地层强度高，满足多井组水平井向垂直井汇聚采气的要求。

Description

一种垂直井大直径腔室的建造方法
技术领域
本发明涉及海洋天然气水合物技术领域，尤其涉及一种海域天然气水合物垂直井大直径腔室的建造方法。
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，若想得到形状规则、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，提供一种垂直井大直径腔室的建造方法，将高压喷射灌浆技术和扩孔灌注桩技术联合使用，先通过喷射扩孔在水合物底板以下地层扩出一个腔体，再通过高压喷射灌浆技术进行旋喷灌注，形成了一个强度较底板以下地层高，直径更大的水泥砂浆初桩，在水泥砂浆初桩的基础上继续进行扩腔，形成一个直径小于水泥砂浆初桩，但是远大于垂直井井底腔室的扩孔灌注桩，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：
一种垂直井大直径腔室的建造方法，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，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孔，直至钻进到水合物地层要求的深度；
c、水合物底板以下地层第一次扩腔：向已在水合物底板以下地层钻进的孔内下入大直径的喷射扩腔钻头，所述喷射扩腔钻头下放到水合物底板以下地层预计的扩腔位置后，向所述喷射扩腔钻头内部泵送较粘稠的泥浆，泥浆通过喷射扩腔钻头翼板上的喷射孔喷出，喷射周围土体，配合布置在翼板上的切削齿，同时作用在所述水合物底板以下地层上辅助切削，泥浆携带沉渣排出孔外，形成大直径腔室；
d、形成水泥砂浆初桩：第一次扩腔完毕后，将扩腔钻头提出孔外，将扩张式旋喷钻头下入到腔底，所述扩张式旋喷钻头到位后向其内部高压泵送较低标号的水泥浆，进行旋转喷射，高压水泥浆破坏周围土体并与之充分混合，形成直径比第一次扩腔的腔体直径更大的水泥砂浆初桩，初桩强度较水合物底板以下地层强度高；
e、水泥砂浆初桩钻进：水泥砂浆初桩凝固后，下入硬岩钻进的钻头进行钻孔，钻至距离所述水泥砂浆初桩底部一定距离后停止钻进；
f、二次扩腔：在水泥砂浆初桩的钻孔内下入硬岩扩腔钻头，自上而下进行二次扩腔，二次扩腔的直径小于水泥砂浆初桩的直径，扩腔深度与钻孔深度相同；
g、腔室清渣：二次扩腔利用清洁的海水作为钻井液，扩腔过程中部分钻渣随海水逐渐排出孔外，腔体内剩余的钻渣通过反循环的方式进行清渣；
h、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设计要求，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；
i、固井充填：腔体检测合格后，向二次扩腔内填充固化材料进行固井，形成高强度终桩；
j、完成垂直井井底腔室建设：二次扩腔固化完毕后，在已固化的高强度终桩上钻孔，钻至设计深度后，下入垂直井生产套管，将所述垂直井生产套管下放到钻孔底端，向套管内灌注水泥固井。
上述垂直井大直径腔室的建造方法，所述步骤d中，所述扩张式旋喷钻头扩张后的直径小于第一次扩腔所用的喷射扩腔钻头直径，保证下入到腔室内能够完全张开。
上述垂直井大直径腔室的建造方法，所述步骤j中，所述垂直井生产套管包括常规套管、封隔器及无磁套管，所述封隔器设置于所述常规套管与无磁套管之间，所述无磁套管选用较软易钻通的金属套管，下入到垂直井钻孔底端，所述垂直井生产套管下入之后，灌注水泥固井，在水泥初凝之前将所述封隔器座封，密封所述生产套管与桩孔之间的环形间隙。
上述垂直井大直径腔室的建造方法，所述无磁套管选用铝制或者铜制套管。
本发明将高压喷射灌浆技术和扩孔灌注桩技术联合使用，通过喷射扩孔技术在水合物底板以下地层扩出一个腔体，再通过高压喷射灌浆技术进行旋喷灌注，旋喷灌注贴近腔体的孔壁进行，喷射距离加上扩腔直径，形成了一个强度较水合物底板以下地层高，直径更大的水泥砂浆初桩；由于水泥砂浆初桩强度较水合物底板以下地层高，在水泥砂浆初桩的基础上继续进行扩腔灌注，所形成的扩孔灌注桩形状规则，且更稳定，垂直井井底腔室在扩孔灌注桩上进行建造，由于腔室周围的地层强度由中心向周边逐渐递减，使得形成的垂直井井底腔室的稳定性高，形状规则，可以满足多井组水平井向垂直井汇聚采气的要求；生产套管通过三部分组成，上部为常规套管，中间为封隔器，下部为无磁套管，无磁套管采用材质较软的铜或者铝制作，在对垂直井井底腔室起到加固作用的同时，又不影响后续水平井汇聚开采时的钻孔。
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2为生产套管结构示意图。
图中各标号分别表示为：A、水合物底板以下地层一次扩腔；B、反复修腔；C、扩张式旋喷钻头喷射成桩；D、形成水泥砂浆初桩；E、水泥砂浆初桩内钻孔；F、二次扩腔；G、清孔测腔；H、灌注高强度终桩；I、高强度终桩内钻孔；J、下生产套管固井；M1、水合物上覆地层；M2、水合物地层；M3、水合物底板以下地层；Ⅰ、水泥砂浆初桩；Ⅱ、高强度终桩；1、表层固井套管；2、喷射扩腔钻头；3、扩张式旋喷钻头；4、硬岩扩腔钻头；5、垂直井生产套管；5-1、常规套管；5-2、封隔器；5-3、无磁套管。
具体实施方式
本发明的建造方法是将高压喷射灌浆技术和扩孔灌注桩技术结合起来的一种工艺方法。先在水合物底板以下地层上进行一次扩腔，然后在一次扩腔内通过扩张式旋喷钻头旋转向孔壁喷射高压水泥浆，高压水泥浆与底板以下土层混合搅拌，形成强度较水合物底板以下地层强度高的水泥砂浆初桩。由于水泥砂浆初桩桩体边缘通过喷射形成，遇到软硬不均的地层所喷射的直径不同，因此桩体结构不规则，尺寸也无法测量，无法满足要求。基于以上原因，在水泥砂浆初桩的基础上，建造一个直径较初桩小、形状规则、强度高的桩体，此时需要下入钻头钻至水合物层下部要求的深度，然后再下入硬岩扩腔钻头采用由下而上的方式进行二次扩腔。二次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，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。
建腔步骤如下：
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，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：表层固井套管固井完毕后，自表层固井套管内下入钻具进行钻孔，直至钻进到水合物底板以下地层M3要求的深度；
c、水合物底板以下地层第一次扩腔：向已在水合物底板以下地层钻进的孔内下入大直径的喷射扩腔钻头2，所述喷射扩腔钻头2下放到水合物底板以下地层预计的扩腔位置后，向所述喷射扩腔钻头2内部泵送较粘稠的泥浆，泥浆通过喷射扩腔钻头翼板上的喷射孔喷出，配合布置在翼板上的切削齿，同时作用在所述水合物底板以下地层M3上，形成大直径腔室；
d、高压旋喷形成水泥砂浆初桩：第一次扩腔完毕后，将扩腔钻头提出孔外，将扩张式旋喷钻头3下入到腔底，所述扩张式旋喷钻头3到位后向其内部高压泵送较低标号的水泥浆，进行旋转喷射，高压水泥浆破坏周围土体并与之充分混合，形成直径比第一次扩腔的腔体直径更大的水泥砂浆初桩Ⅰ，初桩强度比水合物底板以下地层强度高；
e、水泥砂浆初桩钻进：水泥砂浆初桩凝固后，下入硬岩钻进的钻头进行钻孔，钻至距离所述水泥砂浆初桩Ⅰ底部一定距离后停止钻进；
f、二次扩腔：在水泥砂浆初桩的钻孔内下入硬岩扩腔钻头4，自上而下进行二次扩腔，二次扩腔的直径小于水泥砂浆初桩的直径，扩腔深度与钻孔深度相同；
g、腔室清渣：二次扩腔利用清洁的海水作为钻井液，扩腔过程中部分钻渣随海水逐渐排出孔外，腔体内剩余的钻渣通过反循环的方式进行清渣；
h、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设计要求，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；
i、固井充填：腔体检测合格后，向二次扩腔内填充固化材料进行固井，形成高强度终桩Ⅱ；
j、完成垂直井井底腔室建设：二次扩腔固化完毕后，在已固化的高强度终桩Ⅱ上钻孔，钻至设计深度后，下入垂直井生产套管5，将所述垂直井生产套管5下放到钻孔底端，所述垂直井生产套管5包括上端的常规套管5-1、中间的封隔器5-2及下端的无磁套管5-3，所述封隔器5-2设置于所述常规套管5-1与无磁套管5-3之间，所述无磁套管5-3选用较软易钻通的金属套管；下入所述垂直井生产套管5之后，灌注水泥固井，在水泥初凝之前将所述封隔器5-2座封，密封所述生产套管5与桩孔之间的环形间隙。所述无磁套管5-3选用铝制或者铜制套管，位于垂直井井底高强度腔室内，对腔室起到加固作用，由于所述无磁套管5-3采用的材质较软，不影响后续水平井汇聚开采时的钻孔。
以下结合具体实际案例对本发明作进一步说明，各深度计算均从泥面以下起算，水合物层位于泥面以下190-220m处，层厚30m。
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，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：表层固井套管固井完毕后，自表层固井套管内下入钻具进行钻孔，直至钻进到水合物底板以下地层M3要求的深度；钻进深度为240m。
c、水合物底板以下地层第一次扩腔：向已在水合物底板以下地层钻进的孔内下入大直径的喷射扩腔钻头2，所述喷射扩腔钻头2下放到水合物底板以下地层预计的扩腔位置后，向所述喷射扩腔钻头2内部泵送较粘稠的泥浆，泥浆通过喷射扩腔钻头翼板上的喷射孔喷出，配合布置在翼板上的切削齿，同时作用在所述水合物底板以下地层M3上，形成大直径腔室，第一次扩腔的直径为Φ3000mm，高度为20m，深度从220-240m；
d、高压旋喷形成水泥砂浆初桩：第一次扩腔完毕后，将扩腔钻头提出孔外，将扩张式旋喷钻头3下入到腔底，所述扩张式旋喷钻头3到位后向其内部高压泵送较低标号的水泥浆，进行旋转喷射，高压水泥浆破坏周围土体并与之充分混合，形成直径比第一次扩腔的腔体直径更大的水泥砂浆初桩Ⅰ，初桩强度较水合物底板以下地层强度高，水泥砂浆初桩的直径为Φ4000-5000mm，高度为20m；
e、水泥砂浆初桩钻进：水泥砂浆初桩凝固后，下入硬岩钻进的钻头进行钻孔，钻至距离所述水泥砂浆初桩Ⅰ底部一定距离后停止钻进，钻进深度为235m；
f、二次扩腔：在水泥砂浆初桩的钻孔内下入硬岩扩腔钻头4，自上而下进行二次扩腔，二次扩腔的直径小于水泥砂浆初桩的直径，扩腔深度与钻孔深度相同；二次扩腔直径为Φ3000mm，深度为222-235m。
g、腔室清渣：二次扩腔利用清洁的海水作为钻井液，扩腔过程中部分钻渣随海水逐渐排出孔外，腔体内剩余的钻渣通过反循环的方式进行清渣；
h、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设计要求，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；
i、固井充填：腔体检测合格后，向二次扩腔内填充固化材料进行固井，形成高强度终桩Ⅱ，所述高强度终桩Ⅱ的直径为Φ3000mm，深度为222-235m，高度为13m；
j、完成垂直井井底腔室建设：二次扩腔固化完毕后，在已固化的高强度终桩Ⅱ上钻孔，钻孔的直径为Φ460mm，钻至232m，下入垂直井生产套管5，其直径为φ339.7mm，将所述垂直井生产套管5下放到钻孔底端，所述垂直井生产套管5包括上端的常规套管5-1、中间的封隔器5-2及下端的无磁套管5-3，所述封隔器5-2设置于所述常规套管5-1与无磁套管5-3之间，所述无磁套管5-3选用较软易钻通的金属套管；下入所述垂直井生产套管5之后，灌注水泥固井，在水泥初凝之前将所述封隔器5-2座封，密封所述生产套管5与桩孔之间的环形间隙。所述无磁套管5-3选用铝制或者铜制套管，位于垂直井井底高强度腔室内，对腔室起到加固作用，由于所述无磁套管5-3采用的材质较软，不影响后续水平井汇聚开采时的钻孔。

Claims (4)

1.一种垂直井大直径腔室的建造方法，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，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：表层固井套管固井完毕后，自表层固井套管内下入钻具进行钻孔，直至钻进到水合物底板以下地层(M3)要求的深度；
c、水合物底板以下地层第一次扩腔：向已在水合物底板以下地层钻进的孔内下入大直径的喷射扩腔钻头(2)，所述喷射扩腔钻头(2)下放到水合物底板以下地层预计的扩腔位置后，向所述喷射扩腔钻头(2)内部泵送较粘稠的泥浆，泥浆通过喷射扩腔钻头翼板上的喷射孔喷出，喷射周围土体，配合布置在翼板上的切削齿辅助切削，同时作用在所述水合物底板以下地层(M3)上，泥浆携带沉渣排出孔外，形成大直径腔室；
d、高压旋喷形成水泥砂浆初桩：第一次扩腔完毕后，将扩腔钻头提出孔外，将扩张式旋喷钻头(3)下入到腔底，所述扩张式旋喷钻头(3)到位后向其内部高压泵送较低标号的水泥浆，进行旋转喷射，高压水泥浆破坏周围土体并与之充分混合，形成直径比第一次扩腔的腔体直径更大的水泥砂浆初桩(Ⅰ)，初桩强度较水合物底板以下地层强度高；
e、水泥砂浆初桩钻进：水泥砂浆初桩凝固后，下入硬岩钻进的钻头进行钻孔，钻至距离所述水泥砂浆初桩(Ⅰ)底部一定距离后停止钻进；
f、二次扩腔：在水泥砂浆初桩的钻孔内下入硬岩扩腔钻头(4)，自上而下进行二次扩腔，二次扩腔的直径小于水泥砂浆初桩的直径，扩腔深度与钻孔深度相同；
g、腔室清渣：二次扩腔利用清洁的海水作为钻井液，扩腔过程中部分钻渣随海水逐渐排出孔外，腔体内剩余的钻渣通过反循环的方式进行清渣；
h、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设计要求，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；
i、固井充填：腔体检测合格后，向二次扩腔内填充固化材料进行固井，形成高强度终桩(Ⅱ)；
j、完成垂直井井底腔室建设：二次扩腔固化完毕后，在已固化的高强度终桩(Ⅱ)上钻孔，钻至设计深度后，下入垂直井生产套管(5)，将所述垂直井生产套管(5)下放到钻孔底端，向套管内灌注水泥固井。
2.根据权利要求1所述的垂直井大直径腔室的建造方法，其特征在于：所述步骤d中，所述扩张式旋喷钻头(3)扩张后的直径小于第一次扩腔所用的喷射扩腔钻头(2)直径，保证下入到腔室内能够完全张开。
3.根据权利要求1所述的垂直井大直径腔室的建造方法，其特征在于：所述步骤j中，所述垂直井生产套管(5)包括常规套管(5-1)、封隔器(5-2)及无磁套管(5-3)，所述封隔器(5-2)设置于所述常规套管(5-1)与无磁套管(5-3)之间，所述无磁套管(5-3)选用较软易钻通的金属套管，下入到垂直井钻孔底端，所述垂直井生产套管(5)下入之后，灌注水泥固井，在水泥初凝之前将所述封隔器(5-2)座封，密封所述垂直井生产套管(5)与桩孔之间的环形间隙。
4.根据权利要求3所述的垂直井大直径腔室的建造方法，其特征在于：所述无磁套管(5-3)选用铝制或者铜制套管。
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