CN113137209A - 一种钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具及方法，属于海洋钻井技术领域，储层改造器具包括扶正器、快插接头、混合器、混合短节、垫块、喷嘴、滑阀、弹簧、衬套、喷射注浆短节、单向阀、单向阀支撑座及连接接头；该器具可以在不提钻的情况下通过控制液体压力改变流道，从而实现不同工况下的作业。适用于三种工况：正常钻井工况、高压注浆工况和清孔工况。通过本发明中的钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具及方法，可开展海洋天然气水合物非成岩地层“钻注一体化”操作，将储层改造剂精准注入到目标层中。该方法减少了提下钻次数，提高了钻井和储层改造效率。

Description

一种钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具及方法

技术领域

本发明涉及海洋钻井技术领域，特别是涉及一种钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具及方法。

背景技术

天然气水合物作为一种清洁高效能源，资源储量巨大，广泛分布于我国南海和高寒冻土区，且90％以上分布于海洋水深1000-1500m的海底非成岩地层中。研究表明，世界大洋中天然气水合物的总量换算成甲烷气体高达2×10¹⁶立方米，其含碳量要比迄今为止世界上所有已知石油、天然气、煤炭矿产总和的2倍。经过多年的勘探，在我国南海发现了储量巨大的天然气水合物资源，并进行了两次试开采，取得了巨大的成功。

由于海洋天然气水合物赋存于非成岩地层中，随着降压开采的进行，水合物分解产生的气体和水不断地被排出，原来水合物占据的空间在高压海水作用下被挤压，造成海底地层沉降、渗透率降低等问题，这些都会降低水合物的开采效率。为此，提出了一种“钻注一体化”的海洋天然气水合物储层改造器具及使用方法，通过控制压力来实现流道的改变，从而能够在大流量钻井和高压注浆之间切换。在钻达目的层后，即可在不提钻更换井下工具的情况下，开展储层的高压注浆，反应固化后起到提高储层渗透率和强度的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够在不提钻的情况，通过压力控制改变流道实现钻井液循环和高压注浆的自由切换。以水力喷射的方式将高压改造剂注入到储层中，反应固化后形成立体网状结构，不仅能够提高非成岩地层的渗透性，同时能够起到增强储层强度的目的，防止储层的沉降、坍塌，支撑水合物的持续、安全开采。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具，包括扶正器、快插接头、混合器、混合短节、喷嘴、滑阀、弹簧、衬套、喷射注浆短节、单向阀、单向阀支撑座和连接接头；其中所述扶正器、混合短节、喷射注浆短节和连接接头由首端到尾端依次连接；所述混合器嵌套于混合短节的内腔中，所述快插接头连接于混合器的尾端，所述快插接头用于连接连续油管；所述衬套嵌套于所述喷射注浆短节内，所述衬套的尾端嵌套所述滑阀，所述滑阀包括尾端的封堵端和首端的导向端，所述导向端伸入所述衬套内，所述导向端与所述衬套的环状间隙中安装所述弹簧，喷嘴安装于喷射注浆短节上并与所述滑阀的封端端相对；所述单向阀安装于所述衬套的尾端，所述单向阀的首端由所述单向阀支撑座支撑；

其中所述扶正器、所述混合器、所述混合短节、所述滑阀的轴向通孔互通，所述滑阀的首端管壁上设置有第一侧孔，钻井工况时所述第一侧孔与所述衬套尾端设置的第二侧孔互通，所述衬套和所述喷射注浆短节之间设置有环向空间，所述第二侧孔与所述环形空间相通，所述衬套尾端还设置有与所述环向空间相通的第三侧孔，所述第三侧孔与所述衬套首端的单向阀孔相通，所述单向阀孔内安装所述单向阀，所述单向阀孔、所述单向阀支撑座的轴向通孔和所述连接接头的通孔依次相通。

优选地，所述扶正器、混合短节、喷射注浆短节和连接接头依次通过螺纹连接。

优选地，所述快插接头通过螺纹连接于混合器的尾端。

优选地，还包括设置于调节混合短节和滑阀之间的垫块，所述垫块用于调节所述混合短节和滑阀之间的距离。

优选地，所述垫块焊接在混合短节的右端。

优选地，所述单向阀支撑座的首端与所述连接接头尾端的台肩相抵。

优选地，所述喷嘴在所述喷射注浆短节上周向均布。

优选地，所述连续油管与快插母接头通过剪切销连接，在高压注浆之前需要将连续油管和快插母接头从钻杆中心孔下放到所述快插接头处对接、插入，并通过所述快插接头首端的锁紧钢圈进行锁紧。

优选地，所述扶正器、所述混合器、所述混合短节、所述滑阀、所述单向阀孔和所述单向阀支撑座的轴向通孔为中心通孔。

本发明还提供了一种基于上述钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具进行的海洋天然气水合物储层的改造方法，包括以下工况：

A.钻井工况：改造器具作为井下工具的一部分，用于流通钻井液；此时钻井液依次流经扶正器、混合器、混合短节的中心通孔，经滑阀的中心孔、所述滑阀的第一侧孔、衬套的第二侧孔流向所述衬套和喷射注浆短节之间的环向空间，之后经过所述衬套的第二侧孔流向单向阀和连接接头；

B.高压注浆工况：在完成钻井后，为了提高水合物储层渗透性，扩大开采区域，需要向储层中注入改造剂，储层改造剂由化学试剂A和试剂B在混合器中混合后，通过喷射注浆短节上的喷嘴以水力喷射的方式注入储层，然后发生反应、固化形成立体网状结构，实现增强储层强度和渗透性的目的；此时将泥浆泵更换成高压注浆泵，并将连续油管和快插母接头通过钻杆中心孔送入井底与快插接头对接、锁紧，实现化学试剂A和试剂B的分开输送；滑阀在注浆高压作用下压缩弹簧，并向下滑动，造成滑阀的第一侧孔下移，封堵衬套的第二侧孔，打开喷嘴，将改造剂喷射入地层；此时所述滑阀下移到所述衬套的尾端被限位；滑阀的第一侧孔的首尾端的所述滑阀外壁上安装有密封圈，确保滑阀的两端有足够的压差，防止弹簧回弹导致所述喷嘴关闭，储层改造剂的流道为：化学试剂A流经连续油管的内孔，化学试剂B流经连续油管与扶正器之间的环形空间注入到混合器内腔，混合后经过混合短节内孔、垫块中心孔到喷嘴，由喷嘴喷向储层；

C.清孔工况：在完成高压注浆后，需要大流量的钻井液对井筒进行清洗，防止井内异物影响后续水合物开采，首先降低高压注浆时注入器具内腔的压力，并强力回收连续油管，拉断连续油管与快插母接头之间的剪切销，快插母接头留在井内，实现连续油管的回收；接着，随着注入器具内腔压力的降低，滑阀在弹簧的推动作用下回复到原位，喷嘴被关闭，第一侧孔再次与第二侧孔连通，实现大流量钻井液冲洗井筒的目的。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明提供的钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具及方法，不仅能够在非成岩水合物储层中实现钻井功能，还能够在不提钻、不更换井下钻具的情况下，通过控制井下工具内部的压力来改变钻井液的流道，完成钻井和高压注浆之间的切换。在整个过程中，实现了钻井和高压注浆的一体化操作，减少了提下钻次数，提高了工作效率。并且注入地层的改造剂，在反应固化后能够形成立体网状结构，提高了储层的渗透性和强度，确保水合物分解产生的水、气有较好的运移通道，助力海洋水合物的安全、持续开采。

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为本发明中钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具的结构示意图；

图2为本发明中钻井工况下的钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具的流道示意图；

图3为本发明中高压注浆工况下的钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具的流道示意图；

图4为本发明中快插接头的局部放大示意图；

图中：1-扶正器、2-快插接头、3-混合器、4-混合短节、5-垫块、6-喷嘴、7-滑阀、8-弹簧、9-衬套、10-喷射注浆短节、11-单向阀、12-单向阀支撑座、13-连接接头、14-第一侧孔、15-第二侧孔、16-第三侧孔、17-环形空间、2-1连续油管、2-2-快插母接头、2-3-剪切销、2-4-锁紧钢圈。

具体实施方式

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。

本发明的目的是提供一种钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具及方法，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例中的钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具，如图1所示，包括扶正器1、快插接头2、混合器3、混合短节4、喷嘴6、滑阀7、弹簧8、衬套9、喷射注浆短节10、单向阀11、单向阀支撑座12和连接接头13；其中扶正器1、混合短节4、喷射注浆短节10和连接接头13由首端到尾端依次通过螺纹连接；混合器3嵌套于混合短节4的内腔中，快插接头2通过螺纹连接于混合器3的尾端，快插接头2用于连接连续油管2-1；衬套9嵌套于喷射注浆短节10内，衬套9的尾端嵌套滑阀7，滑阀7包括尾端的封堵端和首端的导向端，导向端伸入衬套9内，导向端与衬套9的环状间隙中安装弹簧8，喷嘴6安装于喷射注浆短节10上并与滑阀7的封端端相对，喷嘴6在喷射注浆短节10上周向均布；单向阀11安装于衬套9的尾端，单向阀11的首端由单向阀支撑座12支撑，单向阀支撑座12的首端与连接接头13尾端的台肩相抵；调节混合短节4和滑阀7之间设置垫块5，垫块5用于调节混合短节4和滑阀7之间的距离，垫块5焊接在混合短节4的右端。

其中扶正器1、混合器3、混合短节、滑阀7的中心通孔互通，滑阀7的首端管壁上设置有第一侧孔14，钻井工况时第一侧孔14与衬套9尾端设置的第二侧孔15互通，衬套9和喷射注浆短节10之间设置有环向空间，第二侧孔15与环形空间17相通，衬套9尾端还设置有与环向空间相通的第三侧孔16，第三侧孔16与衬套9首端的单向阀11孔相通，单向阀11孔内安装单向阀11，单向阀11孔、单向阀支撑座12的中心通孔和连接接头13的通孔依次相通。

如图4所示，连续油管2-1与快插母接头2-2通过剪切销2-3连接，在高压注浆之前需要将连续油管2-1和快插母接头2-2从钻杆中心孔下放到快插接头2处对接、插入，并通过快插接头2首端的锁紧钢圈2-4进行锁紧。

基于上述钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具，本实施例还提供一种钻注一体化的海洋天然气水合物储层的改造方法，包括以下工况：

A.钻井工况：如图2所示，改造器具作为井下工具的一部分，用于流通钻井液；此时钻井液依次流经扶正器1、混合器3、混合短节4的中心通孔，经滑阀7的中心孔、滑阀7的第一侧孔14、衬套9的第二侧孔15流向衬套9和喷射注浆短节10之间的环形空间17，之后经过衬套9的第二侧孔15流向单向阀11和连接接头13；

B.高压注浆工况：如图3所示，在完成钻井后，为了提高水合物储层渗透性，扩大开采区域，需要向储层中注入改造剂，储层改造剂由化学试剂A和试剂B(此处的化学试剂A为聚氨酯类高分子化合物和试剂B为催化剂)在混合器3中混合后，通过喷射注浆短节10上的喷嘴6以水力喷射的方式注入储层，然后发生反应、固化形成立体网状结构，实现增强储层强度和渗透性的目的；此时将泥浆泵更换成高压注浆泵，并将连续油管2-1和快插母接头2-2通过钻杆中心孔送入井底与快插接头2对接、锁紧，实现化学试剂A和试剂B的分开输送；滑阀7在注浆高压作用下压缩弹簧8，并向下滑动，造成滑阀7的第一侧孔14下移，封堵衬套9的第二侧孔15，打开喷嘴6，将改造剂喷射入地层；此时滑阀7下移到衬套9的尾端被限位；滑阀7的第一侧孔14的首尾端的滑阀7外壁上安装有密封圈，确保滑阀7的两端有足够的压差，防止弹簧8回弹导致喷嘴6关闭，储层改造剂的流道为：化学试剂A流经连续油管2-1的内孔，化学试剂B流经连续油管2-1与扶正器1之间的环形空间注入到混合器3内腔，混合后经过混合短节4内孔、垫块5中心孔到喷嘴6，由喷嘴6喷向储层；

C.清孔工况：在完成高压注浆后，需要大流量的钻井液对井筒进行清洗，防止井内异物影响后续水合物开采，首先降低高压注浆时注入器具内腔的压力，并强力回收连续油管2-1，拉断连续油管2-1与快插母接头2-2之间的剪切销2-3，快插母接头2-2留在井内，实现连续油管2-1的回收；接着，随着注入器具内腔压力的降低，滑阀7在弹簧8的推动作用下回复到原位，喷嘴6被关闭，第一侧孔14再次与第二侧孔15连通，实现大流量钻井液冲洗井筒的目的。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具，其特征在于：包括扶正器、快插接头、混合器、混合短节、喷嘴、滑阀、弹簧、衬套、喷射注浆短节、单向阀、单向阀支撑座和连接接头；其中所述扶正器、混合短节、喷射注浆短节和连接接头由首端到尾端依次连接；所述混合器嵌套于混合短节的内腔中，所述快插接头连接于混合器的尾端，所述快插接头用于连接连续油管；所述衬套嵌套于所述喷射注浆短节内，所述衬套的尾端嵌套所述滑阀，所述滑阀包括尾端的封堵端和首端的导向端，所述导向端伸入所述衬套内，所述导向端与所述衬套的环状间隙中安装所述弹簧，喷嘴安装于喷射注浆短节上并与所述滑阀的封端端相对；所述单向阀安装于所述衬套的尾端，所述单向阀的首端由所述单向阀支撑座支撑；

其中所述扶正器、所述混合器、所述混合短节、所述滑阀的轴向通孔互通，所述滑阀的首端管壁上设置有第一侧孔，钻井工况时所述第一侧孔与所述衬套尾端设置的第二侧孔互通，所述衬套和所述喷射注浆短节之间设置有环向空间，所述第二侧孔与所述环形空间相通，所述衬套尾端还设置有与所述环向空间相通的第三侧孔，所述第三侧孔与所述衬套首端的单向阀孔相通，所述单向阀孔内安装所述单向阀，所述单向阀孔、所述单向阀支撑座的轴向通孔和所述连接接头的通孔依次相通。

2.根据权利要求1所述的钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具，其特征在于：所述扶正器、混合短节、喷射注浆短节和连接接头依次通过螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具，其特征在于：所述快插接头通过螺纹连接于混合器的尾端。

4.根据权利要求1所述的钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具，其特征在于：还包括设置于调节混合短节和滑阀之间的垫块，所述垫块用于调节所述混合短节和滑阀之间的距离。

5.根据权利要求4所述的钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具及，其特征在于：所述垫块焊接在混合短节的右端。

6.根据权利要求1所述的钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具，其特征在于：所述单向阀支撑座的首端与所述连接接头尾端的台肩相抵。

7.根据权利要求1所述的钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具，其特征在于：所述喷嘴在所述喷射注浆短节上周向均布。

8.根据权利要求1所述的钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具，其特征在于：所述连续油管与快插母接头通过剪切销连接，在高压注浆之前需要将连续油管和快插母接头从钻杆中心孔下放到所述快插接头处对接、插入，并通过所述快插接头首端的锁紧钢圈进行锁紧。

9.根据权利要求1所述的钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具，其特征在于：所述扶正器、所述混合器、所述混合短节、所述滑阀、所述单向阀孔和所述单向阀支撑座的轴向通孔为中心通孔。

10.一种应用权利要求1-9任一项所述的钻注一体化的海洋天然气水合物储层改造器具进行的海洋天然气水合物储层的改造方法，其特征在于，包括以下工况：

A.钻井工况：改造器具作为井下工具的一部分，用于流通钻井液；此时钻井液依次流经扶正器、混合器、混合短节的中心通孔，经滑阀的中心孔、所述滑阀的第一侧孔、衬套的第二侧孔流向所述衬套和喷射注浆短节之间的环向空间，之后经过所述衬套的第二侧孔流向单向阀和连接接头；

B.高压注浆工况：在完成钻井后，为了提高水合物储层渗透性，扩大开采区域，需要向储层中注入改造剂，储层改造剂由化学试剂A和试剂B在混合器中混合后，通过喷射注浆短节上的喷嘴以水力喷射的方式注入储层，然后发生反应、固化形成立体网状结构，实现增强储层强度和渗透性的目的；此时将泥浆泵更换成高压注浆泵，并将连续油管和快插母接头通过钻杆中心孔送入井底与快插接头对接、锁紧，实现化学试剂A和试剂B的分开输送；滑阀在注浆高压作用下压缩弹簧，并向下滑动，造成滑阀的第一侧孔下移，封堵衬套的第二侧孔，打开喷嘴，将改造剂喷射入地层；此时所述滑阀下移到所述衬套的尾端被限位；滑阀的第一侧孔的首尾端的所述滑阀外壁上安装有密封圈，确保滑阀的两端有足够的压差，防止弹簧回弹导致所述喷嘴关闭，储层改造剂的流道为：化学试剂A流经连续油管的内孔，化学试剂B流经连续油管与扶正器之间的环形空间注入到混合器内腔，混合后经过混合短节内孔、垫块中心孔到喷嘴，由喷嘴喷向储层；

C.清孔工况：在完成高压注浆后，需要大流量的钻井液对井筒进行清洗，防止井内异物影响后续水合物开采，首先降低高压注浆时注入器具内腔的压力，并强力回收连续油管，拉断连续油管与快插母接头之间的剪切销，快插母接头留在井内，实现连续油管的回收；接着，随着注入器具内腔压力的降低，滑阀在弹簧的推动作用下回复到原位，喷嘴被关闭，第一侧孔再次与第二侧孔连通，实现大流量钻井液冲洗井筒的目的。

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