CN113006744A - 一种适用于天然气水合物地层的钻井方法及钻井设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于天然气水合物地层的钻井方法及钻井设备，其中，包括钻井平台、钻井管柱和导向基座，其中钻井管柱包括钻具和柔性管柱，钻井平台的柔杆钻机通过柔性钻杆向内层管柱内注入高压流体，流体通过内层管柱和井底动力钻具供入旋转喷射钻头，推动旋转喷射钻头转动在浅层天然气水合物地层内进行钻进。在钻具带动柔性管柱达到钻设深度后，柔性钻杆通过丢手与柔性管柱的内层管柱分离，将柔性管柱和钻具留置在井筒内。本方案中柔性管柱由内层管柱、外层管柱和筛管组成，能够钻入浅层天然气水合物地层，且直径相对较小，适合钻设小井眼，成本相对降低。
Description
技术领域
本发明涉及海洋油气钻井技术领域，特别涉及一种适用于天然气水合物地层的钻井方法及钻井设备。
背景技术
天然气水合物是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，不能在地层空隙或者裂缝中流动。
现有技术中天然气水合物的钻井一般是采用具有流动性的油和气的钻井方法和钻井设备，需要采用大平台、大管串，导致天然气水合物的钻井成本高，影响天然气水合物钻井的经济可行性。
因此，如何降低天然气水合物的钻井成本，提高天然气水合物钻井的经济可行性，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种适用于天然气水合物地层的钻井设备，以降低天然气水合物的钻井成本，提高天然气水合物钻井的经济可行性。本发明还提供了一种适用于天然气水合物地层的钻井方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种适用于天然气水合物地层的钻井设备，包括钻井平台、钻井管柱和导向基座，
所述导向基座为罩体形导向基座，能够坐落在天然气水合物地层上，所述导向基座的下端为开放端，所述导向基座通过开放端罩设在天然气水合物地层上，
所述钻井管柱包括钻具和柔性管柱，所述钻具包括旋转喷射钻头和井底动力钻具，所述井底动力钻具的下端与所述旋转喷射钻头连接，所述井底动力钻具的上端与所述柔性管柱连接，
所述柔性管柱包括内层管柱、外层管柱和筛管，所述外层管柱的一端通过所述防喷器与所述导向基座连接，所述外层管柱的另一端与所述筛管连接，所述筛管与所述井底动力钻具的外壳连接，所述内层管柱位于所述外层管柱和所述筛管内，所述内层管柱的一端通过投球丢手与所述柔性钻杆连接，所述内层管柱内设置有回压凡尔，所述回压凡尔位于所述投球丢手的下方，所述内层管柱的另一端与所述井底动力钻具的高压流体入口连通，所述柔性钻杆通过所述内层管柱向所述井底动力钻具的高压流体入口注入流体，驱动所述旋转喷射钻头旋转，
所述内层管柱与所述外层管柱之间、以及所述内层管柱与所述筛管之间均设置有高渗透填充层，所述内层管柱与所述外层管柱以及所述内层管柱与所述筛管通过所述高渗透填充层连接，所述高渗透填充层用于滤除天然气水合物分解出的泥沙颗粒。
优选的，在上述适用于天然气水合物地层的钻井设备中，所述筛管与所述内层管柱之间的所述高渗透填充层内预埋有电加热器，所述电加热器用于为所述天然气水合物的分解提供热量，所述电加热器通过加热电缆与电源连接。
优选的，在上述适用于天然气水合物地层的钻井设备中，所述电加热器为伴热带。
优选的，在上述适用于天然气水合物地层的钻井设备中，所述导向基座包括：
密封罩，所述密封罩的上端为封闭端，所述封闭端设置有多个用于安装所述防喷器的安装孔，所述密封罩的下端为开放端；
合成橡胶底座，所述合成橡胶底座安装在所述密封罩的开放端，所述合成橡胶底座内能够充入海水和/或气体，所述合成橡胶底座能够与所述天然气水合物地层所处的海底泥面紧密接触用于密封所述密封罩的开放端与所述天然气水合物地层所处的海底泥面之间的缝隙。
优选的，在上述适用于天然气水合物地层的钻井设备中，所述防喷器包括：
座体，安装在所述密封罩外，所述座体上开设有用于供所述外层管柱穿过的第一通孔，所述座体内设置有第一通道和第二通道，所述第一通道能够与用于供给化学剂的第一管路连通，所述第二通道能够与用于供给高压流体的第二管路连通；
密封盖，罩设在所述座体上，用于阻止所述密封罩内的气体溢出，所述密封盖套设在所述外层管柱上，所述密封盖与所述座体通过止动环锁紧连接，所述密封盖上开设有与所述第一通孔位置对应的第二通孔，所述密封盖内设置有第三通道和第四通道，所述第三通道的一端与所述第一通道连通，所述第三通道的另一端能够与所述内层管柱连通，所述第四通道的一端与所述第二通道连通，所述第四通道的另一端能够与所述内层管柱连通；
内防喷器组件，位于所述密封罩内且与所述座体连接，包括法兰底座、多个莲瓣形爪瓣和多个蹼型爪瓣，所述法兰底座与所述座体同轴布置，多个所述莲瓣形爪瓣和多个所述蹼型爪瓣沿着所述法兰底座的周向设置且所述莲瓣形爪瓣和所述蹼型爪瓣间隔排布，多个所述莲瓣形爪瓣和多个所述蹼型爪瓣的一端与所述法兰底座通过弹性铰链连接，多个所述莲瓣形爪瓣和多个所述蹼型爪瓣远离所述法兰底座的一端为自由端，所述蹼型爪瓣的自由端能够沿所述法兰底座的周向方向发生伸缩，带动与所述蹼型爪瓣连接的所述莲瓣形爪瓣的自由端沿着垂直于所述法兰底座的轴线方向运动，多个所述莲瓣形爪瓣的自由端和多个所述蹼型爪瓣的自由端能够在所述弹性铰链的回复力和所述密封罩内气体压力的作用下与所述外层管柱的外壁贴合。
优选的，在上述适用于天然气水合物地层的钻井设备中，所述密封罩为棱柱形密封罩，所述合成橡胶底座沿着棱柱形密封罩的开放端设置，所述合成橡胶底座的数量与所述棱柱形密封罩的棱边的数量相等。
优选的，在上述适用于天然气水合物地层的钻井设备中，所述密封罩的个数为多个，每个所述密封罩的开放端均设置所述合成橡胶底座，相邻两个所述密封罩的合成橡胶底座密封连接。
优选的，在上述适用于天然气水合物地层的钻井设备中，所述钻井平台与所述导向基座通过脐带缆连接，所述脐带缆包括所述第一管路、所述第二管路、用于将所述导向基座内的气体输送至所述钻井平台的输气管路、用于对所述输气管路加热的伴热电缆、用于传输所述钻井平台对所述导向基座的控制信号的控制电缆和用于对所述导向基座的执行机构供电的动力电缆。
一种适用于天然气水合物地层的钻井方法，所述适用于天然气水合物地层的钻井方法使用上述任意一个方案中记载的所述适用于天然气水合物地层的钻井设备进行钻井，包括步骤：
1)通过作业船将导向基座下至天然气水合物地层上；
2)连通脐带缆与所述钻井平台；
3)通过钻井平台的柔杆钻机的柔性钻杆使钻井管柱的柔性管柱和钻具通过防喷器贯穿进入所述导向基座内；
所述柔性钻杆向所述柔性管柱供入高压流体，所述高压流体通过所述钻具的井底动力钻具带动所述钻具的旋转喷射钻头在天然气水合物地层内钻进，至预设深度；
4)通过投球丢手实现柔性钻杆与内层管柱分离，使所述柔性管柱和所述钻具留置在所述天然气水合物地层内，所述柔性管柱产出以及天然气水合物地层分解产生的气体均聚集在所述导向基座内；
5)重复步骤3)-4)多次，实现多个所述柔性管柱和所述钻具在所述天然气水合物地层内的钻进和留置。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的天然气水合物开采钻井设备，包括钻井平台、钻井管柱和导向基座，其中钻井管柱包括钻具、柔性管柱和柔性钻杆，柔性管柱为由内层管柱、外层管柱和筛管组成的柔性管柱，钻井平台的柔杆钻机通过柔性钻杆向内层管柱内注入高压流体，流体通过内层管柱和井底动力钻具供入旋转喷射钻头，推动旋转喷射钻头转动在浅层天然气水合物地层内进行钻进。随着旋转喷射钻头在浅层天然气水合物地层内钻进，旋转喷射钻头和井底动力钻具带动柔性管柱下入钻设的井筒。在钻具带动柔性管柱达到钻设深度后，柔性钻杆通过丢手与柔性管柱分离，将柔性管柱和钻具留置在井筒内，作为生产管柱。浅层天然气水合物地层中的天然气水合物通过柔性管柱的筛管进入筛管与内层管柱之间的空间，然后向上进入外层管柱与内层管柱之间的空间，经过外层管柱与内层管柱之间的高渗透填充层对天然气水合物分解出的泥沙颗粒进行滤除，并通过筛管裸露在地层以上的筛孔进入导向基座内。本方案中柔性管柱由内层管柱、外层管柱和筛管组成，能够钻入浅层天然气水合物地层，且直径相对较小，适合钻设小井眼，相对于现有技术中利用直径较大的刚性管柱钻设大井眼的方式，施工工序简单，成本相对降低。
本方案还公开了一种天然气水合物钻井方法，使用上述任意一个方案中公开的天然气水合物开采钻井设备进行钻井，由于天然气水合物开采钻井设备具有上述技术效果，采用该天然气水合物开采钻井设备的天然气水合物钻井方法也具有同样的技术效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的天然气水合物开采钻井设备的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的柔性管柱与钻具连接的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的柔性管柱的截面图；
图4为本发明实施例提供的导向基座的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的导向基座的主视图；
图6为本发明实施例提供的包括多个密封罩的导向基座的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的防喷器的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的脐带缆的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的天然气水合物钻井方法的流程图；
图10为本发明实施例提供的天然气水合物开采的电液流程图。
其中，
1、钻井平台，2、钻井管柱，21、钻具，211、旋转喷射钻头，212、井底动力钻具，22、柔性管柱，221、内层管柱，222、外层管柱，223、筛管，224、高渗透填充层，225、电加热器，23、柔性钻杆，3、导向基座，31、密封罩，32、合成橡胶底座，4、防喷器，41、座体，42、密封罩，43、防喷器，431、法兰底座，432、莲瓣形爪瓣，433、蹼型爪瓣，5、脐带缆，51、集输管路，52、第一管路，53、第二管路，54、伴热电缆。
具体实施方式
本发明公开了一种天然气水合物开采钻井设备，以降低天然气水合物的钻井成本，提高天然气水合物钻井的经济可行性。本发明还提供了一种天然气水合物钻井方法。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图10。
本发明公开了一种水合物开采钻井设备，包括钻井平台1、钻井管柱2和导向基座3。
钻井平台1为一种能够漂浮在海面上的船体结构，用于为钻井设备提供安装场地，以为工作人员提供工作平台和生活平台，保障工作人员的安全。
钻井平台1上设置有通讯装置、发电装置、天然气水合物贮存装置、增压装置、气水砂分离装置和柔杆钻机。发电装置安装在钻井平台1上，用于为钻井设备提供动力，为工作人员提供电能等；天然气水合物贮存装置安装在钻井平台1上，用于压缩贮存由天然气水合物地层分解产出的天然气；增压装置安装在钻井平台1上，用于根据需要增加柔性管柱在钻进过程中所需的流体介质增压；气水砂分离装置安装在钻井平台1上，用于根据需要分离钻井过程中产生的流体中携带的油、气、水、砂等，并根据需要进行油和气的贮存、水的循环使用和砂的废弃；通信装置安装在钻井平台1上，用于为施工人员提供通讯需求、以及获取施工期间的准确天气、海况等信息。
导向基座3为罩体形导向基座，能够坐落在天然气水合物地层上，导向基座3的下端为开放端，导向基座3通过开放端罩设在天然气水合物地层所处的海底泥面上，钻井平台1位于导向基座3的上方，导向基座3通过脐带缆5与钻井平台1连通。导向基座3由刚性材料制作，形成具有一定强度、体积和重量的舱室，用于提供一个相对独立且与外部海水隔离的稳固密封空间，同时能够用于暂时存储生产或者溢出的天然气水合物。
导向基座3内设置有水下增压装置、水下加热装置和水下化学剂注入装置。水下增压装置固定安装在导向基座3的上端，便于水下增压装置的维护和维修，水下增压装置用于为产出流体提供向上运输的动力，同时能够为导向基座3的合成橡胶底座32内注入具有一定压力的流体，以及为天然气水合物生产过程中高温流体注入提供一定压力的流体；水下加热装置固定安装在导向基座3的上端，用于为天然气水合物的生产提供一定的高温流体，加热地层，加快天然气水合物的分解；水下化学剂注入装置固定安装在导向基座3的上端，用于向钻井管柱2内注入化学剂，有助于控制天然气水合物的分解速度。
本方案中钻井管柱2包括钻具21和柔性管柱22，柔性钻杆23与钻井平台1的柔杆钻机连接。
钻具21包括旋转喷射钻头211和井底动力钻具212，井底动力钻具212与旋转喷射钻头211连接。
柔性管柱22包括内层管柱221、外层管柱222和筛管223，外层管柱222的一端为自由端，外层管柱222的另一端与筛管223连接，筛管223与旋转喷射钻头211连接，内层管柱221位于外层管柱222和筛管223内，优选的，内层管柱221的长度至少等于外层管柱222与筛管223的长度之和。
内层管柱221通过投球丢手与钻井平台的柔性钻杆连接，内层管柱221内设置有回压凡尔，回压凡尔位于投球丢手的下方。投球丢手用于实现柔性钻杆与内层管柱221的连接，且在钻具21钻至预设深度时，通过投球丢手实现柔性钻杆与内层管柱221的分离，柔性管柱22留置在天然气水合物地层中作为生产管柱。
回压凡尔用于实现丢手后柔性管柱22上端的内部密封。
钻井管柱2穿过导向基座3，对导向基座3覆盖的天然气水合物地层内钻设井筒，在钻井管柱2钻设至天然气水合物地层的预设深度后，钻井管柱2的内层管柱221通过投球丢手与钻井管柱2的柔性钻杆分离，钻井管柱2的钻具21和柔性管柱22留置在井筒内作为生产管柱。
柔性管柱22的内管为连续管柱，外层管柱222为连续管柱，筛管223为连续筛管，外层管柱222与筛管223连接，外层管柱222和筛管223均位于内层管柱221外。
此处需要说明的是，连续管柱为中间无间断的内层管柱221，一根柔性管柱22仅具有一根内层管柱221，不需要进行相邻内层管柱221的连接，内层管柱221的长度确定是根据天然气水合物内的井筒深度进行制造；连续管柱为中间无间断的外层管柱222，一根柔性管柱22仅具有一根外层管柱222，不需要进行相邻外层管柱222的连接，外层管柱222的长度确定是根据天然气水合物内的井筒深度进行制造；连续筛管为中间无间断的筛管223，一根柔性管柱22仅具有一个筛管223，不需要进行相邻筛管223的连接，仅需要进行筛管223与外层管柱222之间的连接；另外，内层管柱221、外层管柱222和筛管223为硬度较小的管，能够根据生产需要发生相应弯曲的管柱。
外层管柱222与筛管223连接，具体的，内层管柱221通过投球丢手与柔性钻杆23连接，外层管柱222的另一端与筛管223的一端连接，内层管柱221的另一端与井底动力钻具211的高压流体入口连通，筛管223与井底动力钻具211的外壳连接。柔性钻杆23向内层管柱221内供入流体，内层管柱221将高压流体注入井底动力钻具212，驱动与井底动力钻具212连接的旋转喷射钻头211旋转，破碎地层。
本方案中内层管柱221与外层管柱222之间形成天然气水合物的输送空间，天然气水合物中分解出的气体通过筛管223进入筛管223和内层管柱221、外层管柱222与内层管柱221之间高渗透填充层224，高渗透填充层224不仅实现了内层管柱221与外层管柱222和筛管223的连接，而且能够对天然气水合物分解出的泥沙颗粒等进行滤除。
钻井时，钻井平台的柔性钻杆与外层管柱222连接，柔性钻杆向内层管柱221内注入高压流体，高压流体通过内层管柱221注入井底动力钻具212，通过井底动力钻具212将高压流体注入旋转喷射钻头211，带动旋转喷射钻头211在天然气水合物地层内旋转钻进。
生产时，天然气水合物地层中的天然气通过筛管223的缝隙进入筛管223与内层管柱221之间，然后通过裸露在泥面之上的筛管223上的筛孔进入导向基座。
本方案采用的柔性管柱22为小直径且柔性的管柱，相对于现有技术采用大直径钻具+大直径的套管管柱钻井的方式，能够降低钻井作业对地层的影响，降低地层滑坡和坍塌的风险，避免造成试采终止甚至失败，降低经济损失。
由于本方案采用的柔性管柱22对地层的伤害小，可以在目标浅层天然气水合物地层进行多点钻井，以提高产能。此处需要对多点钻井进行说明，多点钻井为在目标浅层天然气水合物地层内合理钻设多个井筒，且井筒内均留置本方案公开的生产管柱(生产管柱为钻具与柔性管柱的组合)。
本方案公开的天然气水合物开采钻井设备包括钻井平台1、柔性钻杆、钻井管柱2和导向基座3，其中，钻井管柱2包括钻具21和柔性管柱22，柔性管柱22为由内层管柱221、外层管柱222和筛管223组成的柔性管柱，钻井平台的柔杆钻机通过柔性钻杆向内层管柱221内注入高压流体，流体通过内层管柱221和井底动力钻具212供入旋转喷射钻头211，推动旋转喷射钻头211转动在浅层天然气水合物地层内进行钻进。随着旋转喷射钻头211在浅层天然气水合物地层内钻进，旋转喷射钻头211和井底动力钻具212带动柔性管柱22下入钻设的井筒。在钻具21带动柔性管柱22达到钻设深度后，柔性钻杆通过丢手与柔性管柱22的内层管柱221分离，将柔性管柱22和钻具留置在井筒内，作为生产管柱。浅层天然气水合物地层中的天然气水合物通过柔性管柱22的筛管223进入筛管223与内层管柱221之间的空间，然后向上进入外层管柱222与内层管柱221之间的空间，经过外层管柱222和筛管223与内层管柱221之间的高渗透填充层224对天然气水合物分解出的泥沙颗粒进行滤除，并通过筛管裸露在地层以上的筛孔进入导向基座内。
本方案中柔性管柱22由内层管柱221、外层管柱222和筛管223组成，能够钻入浅层天然气水合物地层，且直径相对较小，适合钻设小井眼，相对于现有技术中利用直径较大的刚性管柱钻设大井眼的方式，施工工序简单，成本相对降低。
本方案公开的柔性管柱22为双层管柱，在钻具21的一次钻进过程中实现双层管柱的外层管柱222+筛管223与内层管柱221的同步下入，钻井和完井一次完成，相对于现有技术中钻井和完井分步实施，钻井和完井管柱分别下入的过程，省去了下导管、下套管、起下钻、接单根、下完井管柱、防砂等工序，施工工序大大简化。
本方案公开的管柱施工费用低，钻井过程简单，对天然气水合物储层的类型、岩性和地层的颗粒大小等没有严格要求，大大提高了该专利涉及的天然气水合物钻井方法对储层的适应范围。
为了进一步优化上述技术方案，本方案公开的钻井管柱2的筛管223与内层管柱221之间设置有电加热器225，电加热器225通过电缆与钻井平台电源连接，电加热器225预埋在高渗透填充层224内。
电加热器225用于对天然气水合物地层加热，促进天然气水合物的分解，提高生产效率。
优选的，电加热器225沿着筛管223与内层管柱221之间的环形空间呈螺旋形绕设，尽可能延长电加热器225在钻井管柱2上长度，增大电加热器225对天然气水合物地层的加热面积，控制天然气水合物的分解速度，提高生产效率。
在本方案的一个具体实施例中，电加热器225为伴热带。
在本方案的一个具体实施例中，导向基座3包括密封罩31和合成橡胶底座32。
密封罩31能够罩设在待钻井的天然气水合物地层上，密封罩31的上端为封闭端，密封罩31的下端为开放端，密封罩31的封闭端设置有多个用于安装柔性管柱22的安装孔；
合成橡胶底座32与密封罩31的开放端连接，合成橡胶底座32能够与天然气水合物地层所处的海底泥面紧密接触，用于密封密封罩31的下端与天然气水合物地层所处的海底泥面之间的缝隙，实现导向基座3与天然气水合物地层之间的密封。
合成橡胶底座32的个数为多个，多个合成橡胶底座32沿着密封罩31的开放端的形状进行设置，多个合成橡胶底座32组成环形结构，但是同一密封罩31相邻的合成橡胶底座32之间做密封处理，即相邻合成橡胶底座32之间不连通，通过向不同位置的合成橡胶底座32内注入不同体积的海水，以调节导向基座3的姿态，从而调节导向基座3不同位置与天然气水合物地层之间的密封效果；或者，在需要移位时，通过对合成橡胶底座32内的液体和气体进行充或者放，改变合成橡胶底座32的形状，移除导向基座3周边的淤积，实现导向基座3的移位；或者，在需要撤离时，先排出合成橡胶底座32内的部分液体，同时向合成橡胶底座32内充入气体，增大导向基座3的浮力，减轻导向基座3的上提重量。
本方案公开的导向基座3的密封罩31为具有一定强度和抗压能力的密封罩31，能够在天然气水合物地层上形成一个具有一定面积的封闭空间，在钻井过程中，自天然气水合物地层产出和/或溢出的气体会聚集在导向基座3的密封罩31内，同时如果在钻井过程中发生井壁坍塌，造成天然气水合物发生大范围的分解时，分解出的气体也会聚集在导向基座3的密封罩31内，避免气体向海水中溢出扩散。聚集在导向基座3内的气体再通过管路输送至钻井设备，有效降低了资源浪费和环境污染。
本方案公开的导向基座3还能够为钻井管柱2提供安装基础。
密封罩31为棱柱形密封罩，相应的，合成橡胶底座32沿着棱柱形密封罩的端面设置，合成橡胶底座32的数量与棱柱形密封罩的棱边的数量相等。本方案中外层管柱222通过防喷器4安装在安装孔内。
在本方案的一个具体实施例中，密封罩31为六棱柱形密封罩，相应的合成橡胶底座32的个数为六个，相邻合成橡胶底座32之间密封连接，使用时可以根据需要向对应的合成橡胶底座32内注入液体或者气体，调整导向基座3与天然气水合物地层之间的密封度以及导向基座3的姿态。
在本方案的一个具体实施例中，导向基座3包括多个密封罩31，每个密封罩31的开放端均设置合成橡胶底座32，相邻两个密封罩31的棱柱面密封连接。
多个密封罩31的组合外形呈蜂巢状结构，每个密封罩31上均设置有至少一个防喷器4，每个防喷器4内设置一个柔性管柱22，通过多个柔性管柱22对天然气水合物进行钻井，增大了地层裸露面积，提高钻井效率。
具体的，单个密封罩31对天然气水合物地层的覆盖面积一般不小于2000㎡，多个密封罩31组合，增大导向基座3对天然气水合物地层的覆盖面积。分解产生的甲烷气体被分散控制在导向基座3的多个密封罩31内，能够有效控制天然气水合物的大范围分解，从而有效防止天然气水合物大量分解外泄带来的生态风险。
为了满足天然气水合物地层能够钻设多个井筒，本方案在密封罩31上设置有至少一个防喷器4。
一个密封罩31上可以设置多个防喷器4，柔性管柱22的数量可以小于或者等于防喷器4的数量。
钻井过程由井筒返出的天然气水合物和岩屑在海水中的分离过程如下：
钻进过程中由井筒返出的天然气水合物和岩屑进入导向基座3，天然气水合物和岩屑依靠密度在海水中进行自动分选，天然气水合物析出的气体上升聚集到导向基座3的顶部，并通过集输管路51输送至钻井平台1，岩屑则下沉存留在导向基座3底部。
在本方案的一个具体实施例中，防喷器4包括座体41、密封盖42和内防喷器组件43。其中座体41和密封盖42位于密封罩31外，内防喷器组件43位于密封罩31内。
座体41用于为防喷器4提供安装基础，座体41安装在密封罩31的安装孔，座体41上开设有用于供外层管柱222穿过的第一通孔。
密封盖42套设在外层管柱222上，在柔性管柱22随钻具下入时，密封盖42岁外层管柱222一起运动，在柔性管柱22下入预设深度后，密封盖42罩设在座体41上，且罩设在座体41远离导向基座3外的一端，实现导向基座3的封闭端与外部海水之间的隔离密封，密封盖42上开设有与第一通孔位置对应且连通的第二通孔，第一通孔和第二通孔用于供柔性管柱22穿过。
具体的，密封盖42与座体41通过止动环锁紧连接。密封盖42与座体41的形状相同，密封盖42的一端为封闭端，一端为开放端，密封盖42通过开放端罩设在座体41上。
座体41内设置有第一通道和第二通道，第一通道的下端能够与用于供给化学剂的第一管路52连通，第二通道的下端能够与用于供给高压流体的第二管路53连通。第一通道和第二通道沿着座体41的轴线方向设置。
本方案中第一管路52与第一通道插接连接，第二管路53与第二通道插接连接。
密封盖42与座体41通过止动环锁紧连接，密封盖42上设置有第三通道和第四通道，第三通道的一端与第一通道连通，第三通道的另一端与内层管柱221连通，第四通道的一端与第二通道连通，第四通道的另一端与内层管柱221连通。第三通道和第四通道沿着密封盖42的径向方向设置。
在需要向柔性管柱22的内层管柱221供入化学剂时，第一管路52通过第一通道和第三通道向内层管柱221供入化学剂，在需要向柔性管柱22内注入化学剂时，第二管路53通过第二通道和第四通道向内层管柱221供入高压流体。
内防喷器组件43与座体41连接且与座体41位于导向基座3内的一端连接，内防喷器组件43的作用是用于防止密封罩31内的气体溢出，同时为柔性管柱22进入导向基座3起到导向作用。
内防喷器组件43包括法兰底座431、多个莲瓣形爪瓣432和多个蹼型爪瓣433，法兰底座431与密封罩31螺栓连接，且法兰底座431与座体41同轴布置。
多个莲瓣形爪瓣432和多个蹼型爪瓣433沿着法兰底座431的周向设置，且莲瓣形爪瓣432和蹼型爪瓣433间隔排布，即法兰底座431的周向上依次设置莲瓣形爪瓣432、蹼型爪瓣433、莲瓣形爪瓣432、蹼型爪瓣433、……、莲瓣形爪瓣432和蹼型爪瓣433。
莲瓣形爪瓣432的尺寸较大的一端与法兰底座431通过弹性铰链连接，莲瓣形爪瓣432的尺寸较小的一端为自由端，能够与外层管柱222的外壁贴合，莲瓣形爪瓣432不能发生沿法兰底座431的周向方向的伸缩，仅能发生沿垂直于法兰底座431的轴线方向的运动；蹼型爪瓣433的一端与法兰底座431通过弹性铰链连接，蹼型爪瓣433的另一端为自由端，蹼型爪瓣433的自由端或者蹼型爪瓣433整体能够发生沿法兰底座431的周向方向的伸缩，且蹼型爪瓣433的自由端能够与外层管柱222的外壁贴合，蹼型爪瓣433不仅能够发生沿法兰底座431的周向方向的伸缩，而且能够沿垂直于法兰底座431的轴线方向的运动。
蹼型爪瓣433能够沿着法兰底座431的周向方向伸展或者收缩，对莲瓣形爪瓣432施加一个向着外层管柱222的轴线方向运动的力，保证莲瓣形爪瓣432能够与外层管柱222的外壁贴合。
蹼型爪瓣433的自由端和莲瓣形爪瓣432的自由端之间形成用于供柔性管柱22穿过的孔，柔性管柱22通过蹼型爪瓣433的自由端和莲瓣形爪瓣432的自由端形成的孔，将蹼型爪瓣433撑开，向莲瓣形爪瓣432施加一个向着远离柔性管柱22的轴线方向运动的力，使蹼型爪瓣433的自由端和莲瓣形爪瓣432的自由端之间形成的孔的孔径变大，莲瓣形爪瓣432与柔性管柱22的外壁贴合，同时蹼型爪瓣433的自由端也与柔性管柱22的外壁贴合。
本方案公开的内防喷器组件43为低压差防喷器组件，能够在导向基座3内低压力气体的作用下实现对柔性管柱22的外壁的密封。
钻井管柱2钻井产生的气体以及天然气水合物地层释放的气体均聚集在导向基座3内，导向基座3通过脐带缆5与钻井平台1连接。
脐带缆5内集成设置有第一管路52、第二管路53、输气管路51、伴热电缆54、控制电缆55和动力电缆56。其中，输气管路51用于将导向基座3内的气体输送至钻井平台1，伴热电缆54用于对输气管路51加热，控制电缆55用于控制导向基座内各工作机的动作，动力电缆56为导向基座3内各工作机提供动力。
本方案中，集输管路51、第一管路52、第二管路53、伴热电缆54、控制电缆55和动力电缆56均具有冗余。
脐带缆5包括集输管路51、伴热电缆54、控制电缆55、动力电缆56、抗拉纤维填充材料和抗拉抗压铠装。具体的，抗拉抗压铠装位于最外层，集输管路51、伴热电缆54、控制电缆55、动力电缆56和抗拉纤维填充材料均位于抗拉抗压铠装内，集输管路51伴热电缆54、控制电缆55和动力电缆56之间填充抗拉纤维填充材料，用于填充脐带缆5的内部空间，提高脐带缆5的强度。动力电缆用于向导向基座3上的机电部件提供动力，并具备冗余。
本方案还公开了一种天然气水合物钻井方法，使用上述任意一个方案中公开的天然气水合物开采钻井设备进行钻井，由于天然气水合物开采钻井设备具有上述技术效果，采用该天然气水合物开采钻井设备的天然气水合物钻井方法也具有同样的技术效果，在此不再赘述。
本方案公开的天然气水合物钻井方法包括步骤：
1)通过作业船将导向基座3下至天然气水合物地层上；
2)连通脐带缆5与钻井平台1；
3)通过钻井平台1的柔杆钻机的柔性钻杆使钻井管柱2的柔性管柱22和钻具21通过防喷器4贯穿进入导向基座3内；
柔性钻杆23向柔性管柱22供入高压流体，高压流体通过钻具21的井底动力钻具212带动钻具21的旋转喷射钻头在天然气水合物地层内钻进，至预设深度；
4)通过投球丢手实现柔性钻杆与内层管柱221分离，使所述柔性管柱22和所述钻具21留置在所述天然气水合物地层内，所述柔性管柱22产出以及天然气水合物地层分解产生的气体均聚集在所述导向基座3内；
5)重复步骤3)-4)多次，实现多个所述柔性管柱22和所述钻具21在所述天然气水合物地层内的钻进和留置。
步骤1)中，在导向基座3下至天然气水合物地层上之前，导向基座3上预先安装有脐带缆5和牵导索，通过作业船将导向基座3下入到天然气水合物地层的指定位置，建立浮标。
钻井平台1置于导向基座3的上方并就位，将导向基座3通过牵导索与钻井平台1连接，然后将脐带缆5与钻井平台1连接，实现钻井平台1与导向基座3内机电设备的通电和通信连接。
利用导向基座3的增压装置为合成橡胶底座32增压，调整导向基座3的姿态，满足工作状态。满足工作状态的意思为导向基座3能够稳定坐落在天然气水合物地层上，且导向基座3的合成橡胶底座32能够对导向基座3与天然气水合物地层之间的缝隙进行密封，同时钻井平台1与导向基座3之间保持一定的张紧力，使钻井平台1保持固定的吃水深度和稳定性。
将钻井管柱2通过浮标引导贯穿防喷器4，钻具带动柔性钻杆22在天然气水合物地层内钻进，至预设深度，通过丢手实现柔性钻杆与柔性钻杆的内层管柱的分离，留置双臂柔性钻杆和钻具在天然气水合物地层内。
重复步骤3)-4)，完成多个钻井管柱2的双臂柔性钻杆和钻具在天然气水合物地层内的钻进和留置。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种适用于天然气水合物地层的钻井设备，其特征在于，包括钻井平台(1)、钻井管柱(2)和导向基座(3)，
所述导向基座(3)为罩体形导向基座，能够坐落在天然气水合物地层上，所述导向基座(3)的下端为开放端，所述导向基座(3)通过开放端罩设在天然气水合物地层上，
所述钻井管柱(2)包括钻具(21)和柔性管柱(22)，所述钻具(21)包括旋转喷射钻头(211)和井底动力钻具(212)，所述井底动力钻具(212)的下端与所述旋转喷射钻头(211)连接，所述井底动力钻具(212)的上端与所述柔性管柱(22)连接，
所述柔性管柱(22)包括内层管柱(221)、外层管柱(222)和筛管(223)，所述外层管柱(222)的一端通过所述防喷器(4)与所述导向基座(3)连接，所述外层管柱(222)的另一端与所述筛管(223)连接，所述筛管(223)与所述井底动力钻具(212)的外壳连接，所述内层管柱(221)位于所述外层管柱(222)和所述筛管(223)内，所述内层管柱(221)的一端通过投球丢手与所述柔性钻杆(23)连接，所述内层管柱(221)内设置有回压凡尔，所述回压凡尔位于所述投球丢手的下方，所述内层管柱(221)的另一端与所述井底动力钻具(212)的高压流体入口连通，所述柔性钻杆(23)通过所述内层管柱(221)向所述井底动力钻具(212)的高压流体入口注入流体，驱动所述旋转喷射钻头(211)旋转，
所述内层管柱(221)与所述外层管柱(222)之间、以及所述内层管柱(221)与所述筛管(223)之间均设置有高渗透填充层(224)，所述内层管柱(221)与所述外层管柱(222)以及所述内层管柱(221)与所述筛管(223)通过所述高渗透填充层(224)连接，所述高渗透填充层(224)用于滤除天然气水合物分解出的泥沙颗粒。
2.根据权利要求1所述的适用于天然气水合物地层的钻井设备，其特征在于，所述筛管(223)与所述内层管柱(221)之间的所述高渗透填充层(224)内预埋有电加热器(225)，所述电加热器(225)用于为所述天然气水合物的分解提供热量，所述电加热器(225)通过加热电缆与电源连接。
3.根据权利要求2所述的适用于天然气水合物地层的钻井设备，其特征在于，所述电加热器(225)为伴热带。
4.根据权利要求2所述的适用于天然气水合物地层的钻井设备，其特征在于，所述导向基座(3)包括：
密封罩(31)，所述密封罩(31)的上端为封闭端，所述封闭端设置有多个用于安装所述防喷器(4)的安装孔，所述密封罩(31)的下端为开放端；
合成橡胶底座(32)，所述合成橡胶底座(32)安装在所述密封罩(31)的开放端，所述合成橡胶底座(32)内能够充入海水和/或气体，所述合成橡胶底座(32)能够与所述天然气水合物地层所处的海底泥面紧密接触用于密封所述密封罩(31)的开放端与所述天然气水合物地层所处的海底泥面之间的缝隙。
5.根据权利要求4所述的适用于天然气水合物地层的钻井设备，其特征在于，所述防喷器(4)包括：
座体(41)，安装在所述密封罩(31)外，所述座体(41)上开设有用于供所述外层管柱(222)穿过的第一通孔，所述座体(41)内设置有第一通道和第二通道，所述第一通道能够与用于供给化学剂的第一管路(52)连通，所述第二通道能够与用于供给高压流体的第二管路(53)连通；
密封盖(42)，罩设在所述座体(41)上，用于阻止所述密封罩(31)内的气体溢出，所述密封盖(42)套设在所述外层管柱(222)上，所述密封盖(42)与所述座体(41)通过止动环锁紧连接，所述密封盖(42)上开设有与所述第一通孔位置对应的第二通孔，所述密封盖(42)内设置有第三通道和第四通道，所述第三通道的一端与所述第一通道连通，所述第三通道的另一端能够与所述内层管柱(221)连通，所述第四通道的一端与所述第二通道连通，所述第四通道的另一端能够与所述内层管柱(221)连通；
内防喷器组件(43)，位于所述密封罩(31)内且与所述座体(41)连接，包括法兰底座(431)、多个莲瓣形爪瓣(432)和多个蹼型爪瓣(433)，所述法兰底座(431)与所述座体(41)同轴布置，多个所述莲瓣形爪瓣(432)和多个所述蹼型爪瓣(433)沿着所述法兰底座(431)的周向设置且所述莲瓣形爪瓣(432)和所述蹼型爪瓣(433)间隔排布，多个所述莲瓣形爪瓣(432)和多个所述蹼型爪瓣(433)的一端与所述法兰底座(431)通过弹性铰链连接，多个所述莲瓣形爪瓣(432)和多个所述蹼型爪瓣(433)远离所述法兰底座(431)的一端为自由端，所述蹼型爪瓣(433)的自由端能够沿所述法兰底座(431)的周向方向发生伸缩，带动与所述蹼型爪瓣(433)连接的所述莲瓣形爪瓣(432)的自由端沿着垂直于所述法兰底座(431)的轴线方向运动，多个所述莲瓣形爪瓣(432)的自由端和多个所述蹼型爪瓣(433)的自由端能够在所述弹性铰链的回复力和所述密封罩(31)内气体压力的作用下与所述外层管柱(222)的外壁贴合。
6.根据权利要求5所述的适用于天然气水合物地层的钻井设备，其特征在于，所述密封罩(31)为棱柱形密封罩，所述合成橡胶底座(32)沿着棱柱形密封罩的开放端设置，所述合成橡胶底座(32)的数量与所述棱柱形密封罩的棱边的数量相等。
7.根据权利要求6所述的适用于天然气水合物地层的钻井设备，其特征在于，所述密封罩(31)的个数为多个，每个所述密封罩(31)的开放端均设置所述合成橡胶底座(32)，相邻两个所述密封罩(31)的合成橡胶底座(32)密封连接。
8.根据权利要求6所述的适用于天然气水合物地层的钻井设备，其特征在于，所述钻井平台(1)与所述导向基座(3)通过脐带缆(5)连接，所述脐带缆(5)包括所述第一管路(52)、所述第二管路(53)、用于将所述导向基座(3)内的气体输送至所述钻井平台(1)的输气管路(51)、用于对所述输气管路(51)加热的伴热电缆(54)、用于传输所述钻井平台(1)对所述导向基座(3)的控制信号的控制电缆(55)和用于对所述导向基座(3)的执行机构供电的动力电缆(56)。
9.一种适用于天然气水合物地层的钻井方法，其特征在于，所述适用于天然气水合物地层的钻井方法使用权利要求1-8中任意一项所述的适用于天然气水合物地层的钻井设备进行钻井，包括步骤：
1)通过作业船将导向基座(3)下至天然气水合物地层上；
2)连通脐带缆(5)与所述钻井平台(1)；
3)通过钻井平台(1)的柔杆钻机的柔性钻杆使钻井管柱(2)的柔性管柱(22)和钻具(21)通过防喷器(4)贯穿进入所述导向基座(3)内；
所述柔性钻杆(23)向所述柔性管柱(22)供入高压流体，所述高压流体通过所述钻具(21)的井底动力钻具(212)带动所述钻具(21)的旋转喷射钻头在天然气水合物地层内钻进，至预设深度；
4)通过投球丢手实现柔性钻杆(23)与内层管柱(221)分离，使所述柔性管柱(22)和所述钻具(21)留置在所述天然气水合物地层内，所述柔性管柱(22)产出以及天然气水合物地层分解产生的气体均聚集在所述导向基座(3)内；
5)重复步骤3)-4)多次，实现多个所述柔性管柱(22)和所述钻具(21)在所述天然气水合物地层内的钻进和留置。
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