CN111395962A - 一种海域天然气水合物气举反循环钻井系统及开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海域天然气水合物气举反循环钻井系统及开采方法，钻井系统包括有钻塔、钻井平台、主动钻杆和钻头，其中钻塔架设在钻井平台的顶面上，主动钻杆吊挂在钻塔上，钻头设在主动钻杆的下部，钻头与主动钻杆之间装配有三通道钻杆，主动钻杆的顶端装配有气水龙头，气水龙头通过管路与天然气分离系统相连接。其方法为：步骤一、形成垂直通道；步骤二、利用高压水射流辅助切削刀具破碎水合物储层；步骤三、被降压分解罐分离出的天然气通过输气管进入储气罐中进行存储；步骤四、形成水射流用于切削地层和冷却钻头。有益效果：反循环携岩效率高，可避免岩屑床的形成，减少井下复杂情况，减少非生产时间。

Description

一种海域天然气水合物气举反循环钻井系统及开采方法

技术领域

本发明涉及一种气举反循环钻井系统及开采方法，特别涉及一种海域天然气水合物气举反循环钻井系统及开采方法。

背景技术

目前，天然气水合物是水分子和甲烷等气体分子在低温、高压、气体体积分数大于其溶液条件下形成的一种具有笼状结构的化合物，是一种清洁无污染的新型能源，并以固态形式赋存于深海沉积物中和永久冻土地区，据估计，陆地上20.7％和深水海底90％的地区具有形成水合物的有利条件，其中海洋水合物储量巨大，保守估计总量达2.83×10¹⁵m³，是陆地资源量的100倍。

对于成岩天然气水合物的开采方法(降压法、加热法、注入抑制剂法)是采用降压、加热、注剂等方式破坏水合物稳定存在的温度压力条件，使其分解为气体和水，分解后的气体通过岩石裂隙流入井筒，再输运到地面储气设备进行采集。但在降压开采过程中，颗粒运移可能导致储层渗透率变化，压实作用引起地层破坏，影响了产气的稳定性和可持续性。

非成岩水合物是指水合物颗粒蕴藏在弱胶结、易碎化的尚未成形的岩石骨架中，常常表现为沙-水的混合浆体。二氧化碳置换法只能开采与二氧化碳有接触表面的非成岩天然气水合物，不适于大规模的商业化开采。大规模商业开采中，可能会使地质结构变得疏散，导致海底地层不稳定，从而出现海床沉降、坍塌以及海底滑坡等地质灾害。

综上所述，各种开采方法存在的技术问题成为制约天然气水合物商业开采的瓶颈。本发明提出一种海域天然气水合物气举反循环钻井系统及开采方法，旨在解决目前天然气水合物开采所面临的的技术难题，并为水合物的开发利用提供新的思路。

发明内容

本发明的目的是为了解决海底天然气水合物在开采过程中所存在的诸多问题而提供的一种海域天然气水合物气举反循环钻井系统及开采方法。

本发明提供的海域天然气水合物气举反循环钻井系统包括有钻塔、钻井平台、主动钻杆和钻头，其中钻塔架设在钻井平台的顶面上，主动钻杆吊挂在钻塔上，钻头设在主动钻杆的下部，钻头与主动钻杆之间装配有三通道钻杆，主动钻杆的顶端装配有气水龙头，气水龙头通过管路与天然气分离系统相连接。

主动钻杆的下端套设有防喷器，防喷器的下部套设有隔水导管，主动钻杆的下端与三通道钻杆上端连接，并从防喷器和隔水导管的中心通道穿过，三通道钻杆是由外层钻杆、内层钻杆和注气管组成，其中内层钻杆插设在外层钻杆内，内层钻杆和外层钻杆为同心结构，内层钻杆的内腔设置有中心通道，外层钻杆的内壁与内层钻杆的外壁之间形成有环状通道，注气管插设在环状通道内并与内层钻杆并列设置，内层钻杆纵向的连接形式为插接，外层钻杆纵向采用螺纹连接，注气管采用金属软管，注气管的纵向采用插接或螺纹连接，内层钻杆的中心通道内装配有气水混合器，气水混合器通过内层钻杆侧壁上的通孔与注气管相连接，主动钻杆与三通道钻杆的断面结构相应，主动钻杆的内腔与三通道钻杆的内腔相连通。

钻头内设置有射吸孔和合金喷嘴，射吸孔与内层钻杆的中心通道相连通，合金喷嘴与内层钻杆和外层钻杆之间的环状通道相连通，钻头的内腔与内层钻杆的中心通道相连通。

天然气分离系统包括有降压分解罐和储气罐，降压分解罐与储气罐之间通过输气管相连接，主动钻杆顶端装配的气水龙头的出口通过第一管路与降压分解罐的进口相连接，降压分解罐底部的排渣口通过第二管路与气水龙头的进液口相连接，第二管路上依次装配有固液分离器、泥浆泵和稳压罐，稳压罐为可加热式的，储气罐通过第三管路与气水龙头的进气口相连接，第三管路上装配有甲烷储罐和防爆空压机。

本发明提供的海域天然气水合物气举反循环开采方法，其方法如下所述：

步骤一、下入隔水导管至临近水合物储层并安装防喷器，形成垂直通道；

步骤二、利用高压水射流辅助切削刀具破碎水合物储层，产生由水合物颗粒、岩屑和海水组成的浆液，射流通过钻头上的射吸孔喷出在钻头底部形成卷吸作用，甲烷储罐中的甲烷气体经过防爆空压机、气水龙头、主动钻杆和注气管注入到三通道钻杆内的中心通道，并通过气水混合器喷出，形成气泡沿内层钻杆的中心通道迅速上升，同时膨胀，实现气举作用，确保水合物颗粒、岩屑、海水和甲烷气体以气液固多相流形式沿内层钻杆中心通道、主动钻杆的内腔上返至地表；

步骤三、含水合物颗粒的多相流浆液通过气水龙头的出口流出进入降压分解罐，被降压分解罐分离出的天然气通过输气管进入储气罐中进行存储；

步骤四、经降压分解罐分离后的液固浆体经降压分解罐底部的排渣口通过第二管路上的固液分离器净化处理后，分离出的海水则输送给泥浆泵，海水通过泥浆泵、可加热的稳压罐、气水龙头进液口进入主动钻杆的内腔中，并沿着主动钻杆下部三通道钻杆内腔中外层钻杆和内层钻杆之间的环状通道下行至井底钻头，形成水射流用于切削地层和冷却钻头。

上述的防喷器、降压分解罐、储气罐、固液分离器、泥浆泵、稳压罐、甲烷储罐和防爆空压机均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明的工作原理如下：

前期施工过程：采用常规钻井方法在上覆地层中进行一开钻井至临近水合物储层，下入隔水导管，并灌注水泥进行加固，然后在隔水导管上安装防喷器，为井下钻具预留垂直通道，并精确控制井筒压力和流体流动。

水合物储层钻井及开采过程：依次下入钻头、三通道钻杆，并安装主动钻杆和气水龙头，由主动钻杆带动三通道钻杆和钻头进行回转。利用泥浆泵将海水通过加热的稳压罐输送至气水龙头的进液口，海水沿主动钻杆和三通道钻杆的内部通道进入钻头。一部分海水经钻头内的合金喷嘴喷出形成径向的高速水射流，用以辅助切削刀具破碎水合物储层，产生由水合物颗粒、岩屑和海水组成的浆液；另一部分海水则经钻头内的射吸孔形成斜向上喷射的水射流，并在钻头底部形成局部负压区，引导含水合物颗粒的浆液进入钻头的内腔。另一方面，甲烷储罐中的甲烷气体经过防爆空压机、气水龙头、主动钻杆和注气管注入到三通道钻杆中内层钻杆的中心通道，并通过气水混合器喷出，实现气举作用，确保水合物颗粒、岩屑、海水和甲烷气体以气液固多相流形式沿内层钻杆的中心通道、主动钻杆上返至地表，并进入降压分解罐进行进一步的分解、收集和处理。

反循环输运的工作原理：甲烷气由防爆空压机送入井下的气水混合器后进入内层钻杆的中心通道内，甲烷气与海水相混合，形成密度更低的气-液混合液，使得内层钻杆的管内外产生压力差，从而实现气举反循环；另一方面，部分海水经钻头的射吸孔喷射出后，会卷吸海水进入钻头的内腔并在钻头底部形成局部负压区，从而实现射吸反循环。在气举反循环和射吸反循环的共同作用下，孔底的多相浆液混合物将沿钻杆的中心通道上返至地表。

天然气分离的工作原理：由主动钻杆内上返的含水合物颗粒的多相流浆液进入水合物降压分解罐，碎化后的水合物颗粒随着温度的升高及压力的降低而分解和气液分离，分解出的天然气沿输气管进入储气罐中存储，并为气举反循环提供甲烷气。剩余的液固浆液则流入固液分离器进行液固分离，分离出的泥沙进行集中收集，而分离净化后的海水则重新注入泥浆泵，进而重复的利用。

本发明提供的海域天然气水合物气举反循环钻井系统及开采方法，利用水射流辅助切削刀具破碎水合物岩层、采用气举反循环输运多相流浆液和地面分离存储的方式，有望解决降压、注热、置换等天然气水合物常规方法容易引发的储层坍塌、井涌和井漏等问题。不增加其他污染物，利用海水和甲烷气作为循环介质，并进行回收再利用，能够实现海底非成岩或成岩天然气水合物资源的绿色环保、高效、安全和经济的开采。

本发明的有益效果：

本发明提供的海域天然气水合物气举反循环钻井系统及开采方法利用三通道钻杆实现钻井液闭式循环，减少对孔壁冲刷，可预防因水合物分解引起的孔壁坍塌；反循环携岩效率高，可避免岩屑床的形成，减少井下复杂情况，减少非生产时间；水合物上返通道压力低于井筒外部压力，有利于天然气水合物的分解；循环通道可控性强，便于控制井筒中的压力和温度；可将加热后的流体通过钻杆的环状通道注入，调节井筒环境温度来打破水合物的相平衡，提高水合物产量。

附图说明

图1为本发明所述钻井系统整体结构示意图。

图2为本发明所述三通道钻杆断面俯视图。

图3为本发明所述三通道钻杆与钻头连接关系局部放大示意图。

上图中的标注如下：

1、钻塔 2、钻井平台 3、主动钻杆 4、钻头 5、三通道钻杆

6、气水龙头 7、防喷器 8、隔水导管 9、外层钻杆 10、内层钻杆

11、注气管 12、中心通道 13、环状通道 14、气水混合器

15、射吸孔 16、合金喷嘴 17、降压分解罐 18、储气罐

19、输气管 20、第一管路 21、第二管路 22、固液分离器

23、泥浆泵 24、稳压罐 25、第三管路 26、甲烷储罐

27、防爆空压机 28、水合物储层 29、海水 30、上覆地层。

具体实施方式

请参阅图1至图3所示：

本发明提供的海域天然气水合物气举反循环钻井系统包括有钻塔1、钻井平台2、主动钻杆3和钻头4，其中钻塔1架设在钻井平台2的顶面上，主动钻杆3吊挂在钻塔1上，钻头4设在主动钻杆3的下部，钻头4与主动钻杆3之间装配有三通道钻杆5，主动钻杆3的顶端装配有气水龙头6，气水龙头6通过管路与天然气分离系统相连接。

主动钻杆3的下端套设有防喷器7，防喷器7的下部套设有隔水导管8，主动钻杆3的下端与三通道钻杆5上端连接，并从防喷器7和隔水导管8的中心通道穿过，三通道钻杆5是由外层钻杆9、内层钻杆10和注气管11组成，其中内层钻杆10插设在外层钻杆9内，内层钻杆10和外层钻杆9为同心结构，内层钻杆10的内腔设置有中心通道12，外层钻杆9的内壁与内层钻杆10的外壁之间形成有环状通道13，注气管11插设在环状通道13内并与内层钻杆10并列设置，内层钻杆10纵向的连接形式为插接，外层钻杆9纵向采用螺纹连接，注气管11采用金属软管，注气管11的纵向采用插接或螺纹连接，内层钻杆10的中心通道12内装配有气水混合器14，气水混合器14通过内层钻杆10侧壁上的通孔与注气管11相连接，主动钻杆3与三通道钻杆5的断面结构相应，主动钻杆3的内腔与三通道钻杆5的内腔相连通。

钻头4内设置有射吸孔15和合金喷嘴16，射吸孔15与内层钻杆10的中心通道12相连通，合金喷嘴16与内层钻杆10和外层钻杆9之间的环状通道13相连通，钻头4的内腔与内层钻杆10的中心通道12相连通。

天然气分离系统包括有降压分解罐17和储气罐18，降压分解罐17与储气罐18之间通过输气管19相连接，主动钻杆3顶端装配的气水龙头6的出口通过第一管路20与降压分解罐17的进口相连接，降压分解罐17底部的排渣口通过第二管路21与气水龙头6的进液口相连接，第二管路21上依次装配有固液分离器22、泥浆泵23和稳压罐24，稳压罐24为可加热式的，储气罐18通过第三管路25与气水龙头6的进气口相连接，第三管路25上装配有甲烷储罐26和防爆空压机27。

本发明提供的海域天然气水合物气举反循环开采方法，其方法如下所述：

步骤一、下入隔水导管8至临近水合物储层28并安装防喷器7，形成垂直通道；

步骤二、利用高压水射流辅助切削刀具破碎水合物储层28，产生由水合物颗粒、岩屑和海水29组成的浆液，射流通过钻头4上的射吸孔15喷出在钻头4底部形成卷吸作用，甲烷储罐26中的甲烷气体经过防爆空压机27、气水龙头6、主动钻杆3和注气管11注入到三通道钻杆5内的中心通道12，并通过气水混合器14喷出，形成气泡沿内层钻杆10的中心通道12迅速上升，同时膨胀，实现气举作用，确保水合物颗粒、岩屑、海水29和甲烷气体以气液固多相流形式沿内层钻杆10的中心通道12、主动钻杆3的内腔上返至地表；

步骤三、含水合物颗粒的多相流浆液通过气水龙头6的出口流出进入降压分解罐17，被降压分解罐17分离出的天然气通过输气管19进入储气罐18中进行存储；

步骤四、经降压分解罐17分离后的液固浆体经降压分解罐17底部的排渣口通过第二管路21上的固液分离器22净化处理后，分离出的海水29则输送给泥浆泵23，海水29通过泥浆泵23、可加热的稳压罐24、气水龙头6进液口进入主动钻杆3的内腔中，并沿着主动钻杆3下部三通道钻杆5内腔中外层钻杆9和内层钻杆10之间的环状通道13下行至井底钻头4，形成水射流用于切削地层和冷却钻头4。

上述的防喷器7、降压分解罐17、储气罐18、固液分离器22、泥浆泵23、稳压罐24、甲烷储罐26和防爆空压机27均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明的工作原理如下：

前期施工过程：采用常规钻井方法在上覆地层30中进行一开钻井至临近水合物储层28，下入隔水导管8，并灌注水泥进行加固，然后在隔水导管8上安装防喷器7，为井下钻具预留垂直通道，并精确控制井筒压力和流体流动。

水合物储层钻井及开采过程：依次下入钻头4、三通道钻杆5，并安装主动钻杆3和气水龙头6，由主动钻杆3带动三通道钻杆5和钻头4进行回转。利用泥浆泵23将海水29通过加热的稳压罐24输送至气水龙头6的进液口，海水29沿主动钻杆3和三通道钻杆5的内部通道进入钻头4。一部分海水29经钻头4内的合金喷嘴16喷出形成径向的高速水射流，用以辅助切削刀具破碎水合物储层28，产生由水合物颗粒、岩屑和海水29组成的浆液；另一部分海水29则经钻头4内的射吸孔15形成斜向上喷射的水射流，并在钻头4底部形成局部负压区，引导含水合物颗粒的浆液进入钻头4的内腔。另一方面，甲烷储罐26中的甲烷气体经过防爆空压机27、气水龙头6、主动钻杆3和注气管11注入到三通道钻杆5中内层钻杆10的中心通道12，并通过气水混合器14喷出，实现气举作用，确保水合物颗粒、岩屑、海水29和甲烷气体以气液固多相流形式沿内层钻杆10的中心通道12、主动钻杆3上返至地表，并进入降压分解罐17进行进一步的分解、收集和处理。

反循环输运的工作原理：甲烷气由防爆空压机27送入井下的气水混合器14后进入内层钻杆10的中心通道12内，甲烷气与海水29相混合，形成密度更低的气-液混合液，使得内层钻杆10的管内外产生压力差，从而实现气举反循环；另一方面，部分海水29经钻头4的射吸孔15喷射出后，会卷吸海水29进入钻头4的内腔并在钻头4底部形成局部负压区，从而实现射吸反循环。在气举反循环和射吸反循环的共同作用下，孔底的多相浆液混合物将沿钻杆的中心通道12上返至地表。

天然气分离的工作原理：由主动钻杆3内上返的含水合物颗粒的多相流浆液进入水合物降压分解罐17，碎化后的水合物颗粒随着温度的升高及压力的降低而分解和气液分离，分解出的天然气沿输气管19进入储气罐18中存储，并为气举反循环提供甲烷气。剩余的液固浆液则流入固液分离器22进行液固分离，分离出的泥沙进行集中收集，而分离净化后的海水则重新注入泥浆泵，进而重复的利用。

本发明提供的海域天然气水合物气举反循环钻井系统及开采方法，利用水射流辅助切削刀具破碎水合物岩层、采用气举反循环输运多相流浆液和地面分离存储的方式，有望解决降压、注热、置换等天然气水合物常规方法容易引发的储层坍塌、井涌和井漏等问题。不增加其他污染物，利用海水29和甲烷气作为循环介质，并进行回收再利用，能够实现海底非成岩或成岩天然气水合物资源的绿色环保、高效、安全和经济的开采。

Claims (5)

1.一种海域天然气水合物气举反循环钻井系统，其特征在于：包括有钻塔、钻井平台、主动钻杆和钻头，其中钻塔架设在钻井平台的顶面上，主动钻杆吊挂在钻塔上，钻头设在主动钻杆的下部，钻头与主动钻杆之间装配有三通道钻杆，主动钻杆的顶端装配有气水龙头，气水龙头通过管路与天然气分离系统相连接。

2.根据权利要求1所述的一种海域天然气水合物气举反循环钻井系统，其特征在于：所述的主动钻杆的下端套设有防喷器，防喷器的下部套设有隔水导管，主动钻杆的下端与三通道钻杆上端连接，并从防喷器和隔水导管的中心通道穿过，三通道钻杆是由外层钻杆、内层钻杆和注气管组成，其中内层钻杆插设在外层钻杆内，内层钻杆和外层钻杆为同心结构，内层钻杆的内腔设置有中心通道，外层钻杆的内壁与内层钻杆的外壁之间形成有环状通道，注气管插设在环状通道内并与内层钻杆并列设置，内层钻杆纵向的连接形式为插接，外层钻杆纵向采用螺纹连接，注气管采用金属软管，注气管的纵向采用插接或螺纹连接，内层钻杆的中心通道内装配有气水混合器，气水混合器通过内层钻杆侧壁上的通孔与注气管相连接，主动钻杆与三通道钻杆的断面结构相应，主动钻杆的内腔与三通道钻杆的内腔相连通。

3.根据权利要求1或2所述的一种海域天然气水合物气举反循环钻井系统，其特征在于：所述的钻头内设置有射吸孔和合金喷嘴，射吸孔与内层钻杆的中心通道相连通，合金喷嘴与内层钻杆和外层钻杆之间的环状通道相连通，钻头的内腔与内层钻杆的中心通道相连通。

4.根据权利要求1所述的一种海域天然气水合物气举反循环钻井系统，其特征在于：所述的天然气分离系统包括有降压分解罐和储气罐，降压分解罐与储气罐之间通过输气管相连接，主动钻杆顶端装配的气水龙头的出口通过第一管路与降压分解罐的进口相连接，降压分解罐底部的排渣口通过第二管路与气水龙头的进液口相连接，第二管路上依次装配有固液分离器、泥浆泵和稳压罐，稳压罐为可加热式的，储气罐通过第三管路与气水龙头的进气口相连接，第三管路上装配有甲烷储罐和防爆空压机。

5.一种海域天然气水合物气举反循环开采方法，其特征在于：其方法如下所述：

步骤一、下入隔水导管至临近水合物储层并安装防喷器，形成垂直通道；

步骤二、利用高压水射流辅助切削刀具破碎水合物储层，产生由水合物颗粒、岩屑和海水组成的浆液，射流通过钻头上的射吸孔喷出在钻头底部形成卷吸作用，甲烷储罐中的甲烷气体经过防爆空压机、气水龙头、主动钻杆和注气管注入到三通道钻杆内的中心通道，并通过气水混合器喷出，形成气泡沿内层钻杆的中心通道迅速上升，同时膨胀，实现气举作用，确保水合物颗粒、岩屑、海水和甲烷气体以气液固多相流形式沿内层钻杆中心通道、主动钻杆的内腔上返至地表；

步骤三、含水合物颗粒的多相流浆液通过气水龙头的出口流出进入降压分解罐，被降压分解罐分离出的天然气通过输气管进入储气罐中进行存储；

步骤四、经降压分解罐分离后的液固浆体经降压分解罐底部的排渣口通过第二管路上的固液分离器净化处理后，分离出的海水则输送给泥浆泵，海水通过泥浆泵、可加热的稳压罐、气水龙头进液口进入主动钻杆的内腔中，并沿着主动钻杆下部三通道钻杆内腔中外层钻杆和内层钻杆之间的环状通道下行至井底钻头，形成水射流用于切削地层和冷却钻头。

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