CN115874930A - 用于海域天然气水合物储层的钻井装置及钻井方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于海域天然气水合物储层的钻井装置，包括地面控制系统、连续管钻机和连续油管。在连续油管的末端连接有井下测量工具、井下蠕动推进器和井下钻具组合。井下蠕动推进器包括中空的圆柱形本体，其中安装有蠕动机构、前抓紧机构和后抓紧机构，以及与地面控制系统连接并用于控制机构的第一控制器。前抓紧机构和后抓紧机构构造成能够在第一控制器的控制下交替地与井壁接合和不接合。蠕动机构构造能够在后抓紧机构与井壁接合而前抓紧机构不与井壁接合时伸出，在前抓紧机构与井壁接合而后抓紧机构不与井壁接合时收回，从而实现井下蠕动推进器的蠕动式移动。还提出了一种相应的钻井方法。

Description

用于海域天然气水合物储层的钻井装置及钻井方法

技术领域

本发明涉及石油钻井领域，具体地涉及一种用于海域天然气水合物储层的钻井装置，以及相应的钻井方法。本发明的钻井装置及钻井方法尤其可用于浅层软地层的连续管水平井钻井工艺中。

背景技术

天然气水合物的储量巨大。据不完全统计，天然气水合物的储量是传统油气资源储量的两倍以上，有可能成为未来主要的可替代能源。

世界上超过90％的天然气水合物资源都分布于大陆架海底。海域水合物储层埋藏较浅，一般存于海底以下0～1500m的沉积层中，且多数赋存于自表层以下 500～800m的沉积层中。根据天然气水合物稳定条件，假定地温梯度为4℃/100m，那么水深1000m时的天然气水合物埋藏下限为280m，水深4000m时的天然气水合物埋藏下限为570m。传统的深水钻井船和钻井平台能在3000m水深内进行钻井作业，钻探深度达10000m以上。而海域天然气水合物储层埋藏较浅，单井产能较低，采用该套装备成本昂贵，难以实现天然气水合物的经济有效开发。

连续管钻井技术由于其设备轻便，可以安装的小型修井船上，可实现低推力、低扭矩钻井，在海域天然气水合物水平井钻井中具有较好的应用前景。但由于海域天然气水合物埋藏较浅，地层较软，水平井钻井过程中难以实现有效造斜，同时由于水平井钻井需要的狗腿度较大，导致管柱摩擦阻力大，水平井延伸位移有限。因此，现有的连续管钻井技术还不能满足海域天然气水合物水平井钻井的需要。

专利CN109882134A公开了一种海域非成岩天然气水合物钻采方法，其采用连续管软管径向水平井开采水合物。然而，该方法形成的水平井段长度有限，一般不超过100m，同时井眼轨迹无法控制。

专利CN110029968A公开了一种用于钻取水合物微小井眼并快速完井的装置及工作方法。该方法虽然实现了钻井和防砂完井的一体化，同样存在水平井段长度有限、井眼轨迹无法控制的问题。

发明内容

针对如上所述的技术问题，本发明旨在提供一种用于海域天然气水合物储层的钻井装置。通过使用该装置，能够克服传统连续管钻井技术在软地层中造斜难、水平井延伸位移有限的缺陷。同时，本发明还旨在提供一种用于海域天然气水合物储层的钻井方法。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于海域天然气水合物储层的钻井装置，包括地面控制系统、连续管钻机，以及与所述连续管钻机相连的伸入井筒内的连续油管，在所述连续油管的末端依次连接有井下测量工具、井下蠕动推进器和井下钻具组合。其中，所述井下蠕动推进器包括中空的圆柱形本体，在所述本体中安装有蠕动机构、前抓紧机构和后抓紧机构，以及与所述地面控制系统连接并用于控制上述机构的第一控制器。前抓紧机构和后抓紧机构构造成能够在所述第一控制器的控制下交替地与井壁接合和不接合。所述蠕动机构构造能够在所述后抓紧机构与井壁接合而所述前抓紧机构不与井壁接合时伸出，在所述前抓紧机构与井壁接合而所述后抓紧机构不与井壁接合时收回，从而实现所述井下蠕动推进器的蠕动式移动。

在一个实施例中，所述蠕动机构包括第一电机、第一可伸缩结构，以及与所述第一可伸缩结构和所述前抓紧机构均固定连接的第一连接板，其中，所述第一电机构造成能够接收所述第一控制器发出的指令而转动，从而驱动所述第一可伸缩结构伸出，进而带动所述第一连接板在所述本体内运动。所述蠕动机构还包括第二电机、第二可伸缩结构，以及与所述第二可伸缩结构和所述后抓紧机构均固定连接的第二连接板，其中，所述第二电机构造成能够接收所述第一控制器发出的指令而转动，从而驱动所述第二可伸缩结构伸出，进而带动所述第二连接板在所述本体内运动。

在一个实施例中，钻井装置还包括通过扶正块安装在所述本体内的内筒，所述第一控制器、第一电机、第一可伸缩结构和第二电机、第二可伸缩结构都安装在所述内筒中。所述本体和内筒间隔开布置，并且所述第一连接板和第二连接板均设有通孔，用于形成供井下流体流动的通道。

在一个实施例中，所述前抓紧机构包括前驱动单元和前动作单元，所述后抓紧机构包括后驱动单元和后动作单元。其中，所述前驱动单元和后驱动单元均能够在所述第一控制器的控制下输出转动，所述前动作单元和后动作单元能够分别响应于所述前驱动单元和后驱动单元的转动而径向地伸缩，从而与井壁形成接合或释放接合。

在一个实施例中，所述前驱动单元包括第二控制器、第三电机和第一旋转轮，所述第二控制器构造成从所述第一控制器中接收信号以驱动所述第三电机转动，最终驱动所述第一旋转轮旋转。所述后驱动单元包括第三控制器、第四电机和第二旋转轮，所述第三控制器构造成从所述第一控制器中接收信号以驱动所述第四电机转动，最终驱动所述第二旋转轮旋转。

在一个实施例中，所述前动作单元包括前齿轮组件和前径向伸缩组件，所述前齿轮组件与所述第一旋转轮连接，并将所述第一旋转轮的旋转转化为所述前径向伸缩组件的径向伸缩运动，所述前径向伸缩组件包括前锚爪，用于在所述前径向伸缩组件径向伸出时卡住井壁。所述后动作单元包括后齿轮组件和后径向伸缩组件，所述后齿轮组件与所述第二旋转轮连接，并将所述第二旋转轮的旋转转化为所述后径向伸缩组件的径向伸缩运动，所述后径向伸缩组件包括后锚爪，用于在所述后径向伸缩组件径向伸出时卡住井壁。

在一个实施例中，所述前、后齿轮组件均包括中心锥形齿轮，以及与所述中心锥形齿轮啮合的从动锥形齿轮。所述前、后径向伸缩组件均包括丝杠、螺母、沿径向布置的滑轨和顶杆，其中，所述丝杠能够在所述从动锥形齿轮的作用下旋转，从而使所述螺母沿滑轨滑动，进而带动顶杆和安装在所述顶杆末端处的前锚爪或后锚爪径向运动。

在一个实施例中，所述第一控制器构造成：促动所述后抓紧机构动作，从而使后动作单元中的后锚爪与井壁接合；促动所述蠕动机构动作，从而使第一可伸缩结构和第二可伸缩结构同时伸出；促动所述前抓紧机构动作，从而使前动作单元中的前锚爪与井壁接合；促动所述后抓紧机构动作，从而释放后锚爪与井壁的接合；促动所述蠕动机构动作，从而使第一可伸缩结构和第二可伸缩结构同时收缩；促动所述前抓紧机构动作，从而释放前锚爪与井壁的接合。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于海域天然气水合物储层的钻井方法，其使用如上所述的用于海域天然气水合物储层的钻井装置来进行，所述方法包括：步骤A，地面准备；步骤B，直井段钻进，其中下入所述钻井装置，钻达预定深度后进行固井；步骤C，定向段钻进，其中，设定所述钻井装置的井下钻具组合中的定向工具的偏转角度并调整工具面角，通过地面控制系统控制井下蠕动推进器进行作业，使所述钻井装置的井下钻具组合蠕动式推进，直到定向造斜完成，之后关闭所述井下蠕动推进器，进行连续管正常钻进，钻达预定深度后进行固井；步骤D，水平段钻进，当水平段延伸位移达到连续管钻井极限时，将定向工具的偏转角度调整为0度以进行水平井钻井，钻达预定深度后起出井下钻具组合；步骤E，完井生产。

在一个实施例中，在步骤C中，通过所述井下蠕动推进器的后锚爪和前锚爪的交替伸出以卡住井壁，从而为定向工具提供井壁力学支撑，同时通过所述井下蠕动推进器的蠕动机构实现轴向伸出，为所述钻井装置的钻头提供推力。

在一个实施例中，在步骤D中，通过所述井下蠕动推进器来为所述钻井装置的钻头提供推力，以进行小井眼大位移的水平井钻井。

根据本发明，用于海域天然气水合物储层的钻井装置包括连续油管、变径接头、随钻测量工具、井下蠕动推进器、定向工具、井下马达和钻头等。在定向段和水平段的钻井过程中，井下蠕动推进器能够稳定井下钻具组合，为定向造斜工具提供有力的力学支撑，提高浅层软地层钻井造斜能力。同时，井下蠕动推进器还能为钻头加压，提高连续管水平井钻井延伸能力，实现在软地层水平井高效钻井和单井产量，实现海域天然气水合物的安全、经济有效开发。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。在图中：

图1示意性显示了根据本发明的用于海域天然气水合物储层的钻井装置的整体结构；

图2以剖视图的形式示意性显示了根据本发明的钻井装置中的井下蠕动推进器的整体结构。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。在所有图中，相同的附图标记用于表示相同的零部件或结构。

具体实施方式

以下通过附图来对本发明进行介绍。为方便理解，在本申请中，将靠近井口的方向定义为前端、前方或相似用语，而将远离井口的方向定义为后端、后方或相似用语；同时，将沿着的井下蠕动推进器长度方向称为纵向方向、轴向方向或类似用语，而与之垂直的方向称为横向方向、径向方向或类似用语。

图1示意性显示了根据本发明的用于海域天然气水合物储层的钻井装置500 的整体结构。如图1所示，钻井装置500包括设于地面上的钻井平台130。在钻井平台130上设有地面高压泵110、地面控制系统120、电力系统130、钻井液处理系统140，以及连续管钻机150。地面高压泵110用于将来自钻井液处理系统 140的钻井液泵送到井下，例如与连续管钻机150相连的伸入井筒内的连续油管 160。电力系统130用于为整个钻井装置500提供动力，而地面控制系统120用于向钻井装置500的各部件发出指令，以控制它们的动作。这些部件的结构和功能都是本领域的技术人员所熟知的，在此不再赘述。

另外，在井下部分中，钻井装置500包括依次连接在连续油管160的下端处的连续管接头170、井下测量工具180、井下蠕动推进器100、定向工具185、井下动力钻具190和钻头195。连续油管160内部的管壁上包有电缆，为井下蠕动推进器100提供电力和信号传输。定向工具185、井下动力钻具190和钻头195 合称为井下钻具组合。

根据本发明的一个实施例，井下测量工具180可以采用现有商业应用的随钻测量工具MWD和随钻测井工具LWD。在钻进过程中，井下测量工具180实时测量井斜角、井斜方位角，以及地层的地质参数。井下测量工具180所测量的信息输送给地面控制系统120，以指导钻井作业。

根据本发明的一个实施例，定向工具185构造成能够在通过其轴线的某一平面内偏转0～5度，并且能够在周向上旋转360度。当需要定向或调整井眼轨迹时，地面控制系统120发出指令，以调整井下钻具组合的工具面角，从而实现定向。在定向完成后，调整该工具面角，以实现正常钻进。

根据本发明的一个实施例，井下动力钻具190构造成液动钻具。在钻井时，井下动力钻具190旋转，从而带动钻头195也旋转，以实现破岩。井下动力钻具 190可以选择单弯钻具，或使用直钻具。根据本发明的一个具体的实施例，钻头 195可以是带有高压喷嘴的PDC钻头。

图2显示了根据本发明的钻井装置500中的井下蠕动推进器100的整体结构。如图2所示，井下蠕动推进器100包括圆柱形的中空本体1，以及安装在本体1 中的中空内筒6。内筒6和本体1之间形成有间隙，供井下流体(例如钻井液) 从中流过。内筒6通过扶正块7固定在本体1内，从而在本体1内保持其对中的状态。在图示实施例中，扶正块7可通过螺栓52固定在本体1的内壁上。

在内筒6中安装有第一控制器2。在如图2所示的优选的实施例中，第一控制器2安装在内筒6的中心区域，其用于接收地面控制系统120发出的信号，并发出控制指令来控制井下蠕动推进器100中的各机构。第一控制器2是井下蠕动推进器100中的核心控制单元，具体功能将在下文中进行介绍

根据本发明，在本体1中安装有蠕动机构、前抓紧机构和后抓紧机构(见图 2)。其中，蠕动机构包括以第一控制器2为中心轴向对称地布置的两组零部件。具体地说，一方面，如图2所示，蠕动机构包括位于第一控制器2前方的第一电池3、第一电机4、第一可伸缩结构5和第一连接板11。第一电机4由第一电池 3提供动力，并且与第一控制器2和第一可伸缩结构5均连接。因此，在第一控制器2发出的指令的控制下，第一电机4沿第一方向旋转，从而带动第一可伸缩结构5伸出。第一连接板11可滑动地安装在本体1内，并且与第一可伸缩结构5固定连接。这样，当第一可伸缩结构5伸出时，第一连接板11也随之运动。

类似地，另一方面，蠕动机构包括位于第一控制器2后方的第二电池8、第二电机9、第二可伸缩结构10和第二连接板11。第二电机9由第二电池8提供动力，并且与第一控制器2和第二可伸缩结构10均连接。因此，在第一控制器2 发出的指令的控制下，第二电机9沿第二方向旋转，从而带动第二可伸缩结构10 伸出。第二连接板11可滑动地安装在本体1内，并且与第二可伸缩结构10固定连接。这样，当第二可伸缩结构10伸出时，第二连接板11也随之运动。

也就是说，如上所述，蠕动机构能够在第一控制器2的控制下整体地向前方或后方移动，移动距离等于第一可伸缩结构5和第二可伸缩结构10各自伸出的距离之和。

根据本发明的一个具体的实施例，第一可伸缩结构5和第二可伸缩结构10 可以由滚珠丝杠结构或活塞连杆机构形成。

另外，连接板11上沿周向设置若干个均匀布置的通孔51，供井下流体(例如钻井液)从中流过。

如图2所示，前抓紧机构包括前驱动单元和前动作单元。前驱动单元包括第二控制器12、第三电池13、第三电机14以及第一旋转轮15。第二控制器12用于从第一控制器2中接受控制指令，从而控制第三电机14的旋转。第三电机14 由第三电池13提供动力，并且能驱动第一旋转轮15进行旋转。整个前驱动单元安装在滑筒17内，并且与第一连接板11固定连接，因此可随第一连接板11的向前或向后移动而向前或向后移动。

前动作单元与前驱动单元连接，并包括与旋转轮15连接的前齿轮组件，以及与前齿轮组件连接的前径向伸缩组件。具体地说，前齿轮组件包括与第一旋转轮15连接的第一连接杆16，安装在第一连接杆16上的第一主动锥形齿轮18，以及与第一主动锥形齿轮18啮合的两个第一从动锥形齿轮19a和19b。前径向伸缩组件包括两套径向上相对布置的零件，它们分别与第一从动锥形齿轮19a和19b 连接。具体地说，每套均包括丝杠20、螺母21、顶杆22、滑轨23以及前锚爪 24。以图2中上方那套为例，丝杠20与第一从动锥形齿轮19a相连，从而能够在第一从动锥形齿轮19a转动时也进行旋转，以便推动螺母21沿滑轨23运动，进而带动顶杆22运动。这样，固定在顶杆22的末端处的前锚爪24能够沿径向伸出于本体1之外，或者收回到本体1的内部。

如图2所示，后抓紧机构包括后驱动单元和后动作单元。后驱动单元包括第三控制器25、第四电池26、第四电机27以及第二旋转轮28。第三控制器25用于从第一控制器2中接受控制指令，从而控制第四电机27的旋转。第四电机27 由第四电池26提供动力，并且能驱动第二旋转轮28进行旋转。整个后驱动单元安装在滑筒17内，并且与第二连接板11固定连接，因此可随第二连接板11的向后或向后移动而向后或向后移动。

后动作单元与后驱动单元连接，并包括与旋转轮28连接的后齿轮组件，以及与后齿轮组件连接的后径向伸缩组件。具体地说，后齿轮组件包括与第二旋转轮28连接的第二连接杆29，安装在第二连接杆29上的第二主动锥形齿轮30，以及与第二主动锥形齿轮30啮合的两个第二从动锥形齿轮31a和31b。后径向伸缩组件包括两套径向上相对布置的零件，它们分别与第二从动锥形齿轮31a和31b 连接。具体地说，每套均包括丝杠32、螺母33、顶杆34、滑轨35以及后锚爪 36。以图2中上方那套为例，丝杠32与第二从动锥形齿轮31a相连，从而能够在第二从动锥形齿轮31a转动时也进行旋转，以便推动螺母32沿滑轨35运动，进而带动顶杆34运动。这样，固定在顶杆34的末端处的后锚爪36能够沿径向伸出于本体1之外，或者收回到本体1的内部。

下面来简要说明根据本发明的井下蠕动推进器100的一个工作周期内的各个动作过程。

在井下蠕动推进器100处于初始状态时，蠕动机构处于原位。此时，前锚爪 24和后锚爪36均处于初始状态，即收回在本体1的径向之内的状态。

当第一控制器2接收到地面控制系统120发来的推进信号时，向后抓紧机构的第三控制器25发出指令。此时，第三控制器25控制第四电机27转动，从而通过第二旋转轮28和第二连接杆29而带动后动作单元的第二主动锥形齿轮30 旋转。在齿轮啮合传动作用下，第二从动锥形齿轮也旋转，从而带动丝杠32旋转。这样，螺母32沿滑轨35向外滑动，进而带动顶杆34径向向外地运动。此时，后锚爪36径向地向外伸出，从而卡住井壁。

之后，第一控制器2控制蠕动机构伸出。具体地说，第一控制器2控制第一电机4和第二电机9沿相反的方向转动，从而带动第一可伸缩结构5和第二可伸缩结构9同时伸出。由于此时后锚爪36卡住了井壁，因此推进装置100的前部 (即前抓紧机构所处的部分)会向前移动一段距离，其等于第一可伸缩结构5和第二可伸缩结构10伸出的距离之和。

然后，第一控制器2向前抓紧机构的第二控制器12发出指令。此时，第二控制器12控制第三电机14转动，从而通过第一旋转轮15和第一连接杆16带动前动作单元的第一主动锥形齿轮18旋转。在齿轮啮合传动作用下，第一从动锥形齿轮也旋转，从而带动丝杠20旋转。这样，螺母21沿滑轨23向外滑动，进而带动顶杆22径向向外地运动。此时，前锚爪24径向地向外伸出，从而卡住井壁。

之后，第一控制器2向后抓紧机构的第三控制器25发出指令，执行相反的一系列动作。此时，后锚爪36向内收回至本体1之内，从而不再卡住井壁。

然后，第一控制器2控制蠕动机构收缩，具体地说，第一控制器2控制第一电机4和第二电机9各自沿着相反的方向转动，从而带动第一可伸缩结构5和第二可伸缩结构9同时收缩。由于此时前锚爪24卡住了井壁而后锚爪36不再卡住井壁，因此推进装置100的后部(即后抓紧机构所处的部分)也会向前移动一段与推进装置100的前部所移动的相同的距离。

最后，第一控制器2向前抓紧机构的第二控制器12发出指令，执行相反的一系列动作。此时，前锚爪24向内收回至本体1之内，从而不再卡住井壁。

由上可知，推进装置100整体上向前移动了一段等于第一可伸缩结构5和第二可伸缩结构10各自伸出距离之和的距离。由此，根据本发明的井下蠕动推进器100完成了一个周期的“蠕动式”前进运动。在一个实施例中，井下蠕动推进器100的一个步进距离可以设置为2m。

从上可知，当前锚爪26和/或后锚爪36卡住井壁时，钻井液仍然能够经由内筒6和本体1之间的环空以及第一和第二连接板11上的通孔51正常流动，其功能不受影响。

容易理解，如果井下蠕动推进器100需要向后方蠕动，则以相反顺序再执行上述一系列动作即可。

需要说明的是，图2中所示的各个电机、电池等部件的位置均是示意性的，它们可以根据具体情况的需要而设置在合适的位置。

根据本发明的另一方面，还提供了一种用于海域天然气水合物储层的钻井方法，其包括如下步骤。

步骤A，地面准备，其中在地面将井下钻具组合安装在连续油管160上。具体地说，在连续油管160的末端依次连接连续管接头170、井下测量工具180、井下蠕动推进器100、定向工具185、井下动力钻具190和钻头195。

步骤B，直井段钻进。将组装完成的井下钻具下入水下井口，由地面高压泵 110向连续油管160中注入来自钻井液处理系统140的高压钻井液流体。钻井液流体的地面压力可为35-70MPa。这样，钻井液通过井下动力钻具190带动井下钻具组合旋转，利用钻头195的旋转和高压喷射复合破碎地层岩石。待钻达预定深度后，下套管固井。

步骤C，定向段钻进。将定向工具185的偏转角度调整为3度，并通过定向工具185的轴向旋转来调整工具面角。此时，地面控制系统120控制井下蠕动推进器100进行作业。具体地说，井下蠕动推进器100的后锚爪36伸出，卡住井壁，从而为定向工具185提供井壁力学支撑。同时，井下蠕动推进器100在蠕动机构的作用下轴向伸出，为钻头195提供推力，采用定向工具185实现浅层软地层的精准定向控制。之后，井下蠕动推进器100的前锚爪24伸出以卡住井壁，而后锚爪36收回。井下蠕动推进器100在蠕动机构的作用下轴向缩回，为钻头195提供推力。然后，前锚爪24收回。此时，井下蠕动推进器100轴向伸出2m，完成一个步进长度。以此反复该操作，直到定向造斜完成，关闭井下蠕动推进器100，实现连续管正常钻进。钻达预定深度后，下套管固井。

步骤D，水平段钻进。当水平段延伸位移达到连续管钻井极限时，将定向工具偏转角度调整为0度，如步骤C所述地通过井下蠕动推进器100为钻头提供推力，进行小井眼大位移的水平井钻井。钻达预定深度后，起出井下钻具组合。

步骤E，完井生产。将裸眼防砂筛管(未示出)与井下蠕动推进器100连接，利用连续油管160下入已钻水平井。防砂筛管下入到预定深度后，断开连续油管 160，安装井口装置，采用降压法进行生产。

根据本发明的用于海域天然气水合物储层的钻井装置及钻井方法具有以下优点。

首先，该系统克服了传统连续管钻井技术在软地层中造斜难、水平井延伸位移有限的缺陷。一方面，通过钻井装置中的新颖的井下蠕动推进器来稳定井下钻具组合，以便为定向造斜工具提供有力的力学支撑，从而能够提高浅层软地层钻井造斜能力。另一方面，利用该井下蠕动推进器为钻头加压，提高连续管水平井钻井延伸能力，从而实现了在软地层水平井高效钻井和单井产量。由此，根据本发明的用于海域天然气水合物储层的钻井装置及钻井方法能够实现海域天然气水合物的安全、经济有效开发。

第二，与传统钻井平台钻井相比，该钻井装置及钻井方法的作业成本低。目前，海域天然气水合物试采均采用钻井船或海洋钻井平台来进行，其钻探深度能够达10000m以上，作业费用高昂。而海域天然气水合物储层埋藏较浅，采用连续油管钻井设备降低了对钻井船体积和承载能力的要求，采用修井船等小型设备即可满足作业要求，大幅度地降低了作业成本。

第三，与传统定向钻井技术相比，该钻井装置及钻井方法的作业效率高。海域天然气水合物赋存在沉积层中，地层属于粉砂型储层，未固结成岩。如果采用传统的水平井钻井工具，其在未固结地层很难完成水平井造斜钻进工作，而如果定向钻进不能进行，则整个工作都得停止。通过使用本发明的装置和方法，可以实现浅层软地层大位移水平井钻井井眼轨迹的精准控制，同时连续管钻井可以实现连续控压钻进，减少了接单根时间和井下复杂事故，缩短了钻井周期，提高了钻井效率。

第四，传统钻杆水平井钻井相比，该钻井装置及钻井方法的井筒延伸位移长，储层接触面积大。传统的钻井方法在浅层水平井钻井过程中，由于管柱摩擦阻力过大，导致水平井延伸由于受限。通过使用本发明的装置和方法，可以在不同深度处完成长水平井水平段的钻进，增大井筒与储层的接触面积，提高单井产量。

第五，该钻井装置及钻井方法所形成的井眼尺寸小，大规模海底坍塌的风险小。海域天然气水合物赋存于未固结储层中，钻井作业会破坏地层中的力学平衡，很容易引起海底地层坍塌，发生滑坡等地质灾害。这也是海域天然气水合物钻井面临的最大挑战。通过使用本发明的装置和方法，井眼尺寸可达88.9mm，与传统水平井钻井相比井眼尺寸要小的多。因此，对地层的力学平衡的破坏也要小的多，降低了因水平井钻进而引发的大规模海底坍塌、滑坡的风险。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.用于海域天然气水合物储层的钻井装置(500)，包括地面控制系统(120)、连续管钻机(150)，以及与所述连续管钻机(150)相连的伸入井筒内的连续油管(160)，在所述连续油管(160)的末端依次连接有井下测量工具(180)、井下蠕动推进器(100)和井下钻具组合，

其中，所述井下蠕动推进器(100)包括中空的圆柱形本体(1)，在所述本体(1)中安装有蠕动机构、前抓紧机构和后抓紧机构，以及与所述地面控制系统(120)连接并用于控制上述机构的第一控制器(2)，

前抓紧机构和后抓紧机构构造成能够在所述第一控制器(2)的控制下交替地与井壁接合和不接合，

所述蠕动机构构造能够在所述后抓紧机构与井壁接合而所述前抓紧机构不与井壁接合时伸出，在所述前抓紧机构与井壁接合而所述后抓紧机构不与井壁接合时收回，从而实现所述井下蠕动推进器(100)的蠕动式移动。

2.根据权利要求1所述的钻井装置(500)，其特征在于，所述蠕动机构包括第一电机(4)、第一可伸缩结构(5)，以及与所述第一可伸缩结构(5)和所述前抓紧机构均固定连接的第一连接板(11)，其中，所述第一电机(4)构造成能够接收所述第一控制器(2)发出的指令而转动，从而驱动所述第一可伸缩结构(5)伸出，进而带动所述第一连接板(11)在所述本体(1)内运动；

所述蠕动机构还包括第二电机(9)、第二可伸缩结构(10)，以及与所述第二可伸缩结构(10)和所述后抓紧机构均固定连接的第二连接板(11)，其中，所述第二电机(9)构造成能够接收所述第一控制器(2)发出的指令而转动，从而驱动所述第二可伸缩结构(10)伸出，进而带动所述第二连接板(11)在所述本体(1)内运动。

3.根据权利要求2所述的钻井装置(500)，其特征在于，还包括通过扶正块(7)安装在所述本体(1)内的内筒(6)，所述第一控制器(2)、第一电机(4)、第一可伸缩结构(5)和第二电机(9)、第二可伸缩结构(10)都安装在所述内筒(6)中，

所述本体(1)和内筒(6)间隔开布置，并且所述第一连接板和第二连接板均设有通孔(11)，用于形成供井下流体流动的通道。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的钻井装置(500)，其特征在于，所述前抓紧机构包括前驱动单元和前动作单元，所述后抓紧机构包括后驱动单元和后动作单元，

其中，所述前驱动单元和后驱动单元均能够在所述第一控制器(2)的控制下输出转动，所述前动作单元和后动作单元能够分别响应于所述前驱动单元和后驱动单元的转动而径向地伸缩，从而与井壁形成接合或释放接合。

5.根据权利要求4所述的钻井装置(500)，其特征在于，所述前驱动单元包括第二控制器(12)、第三电机(14)和第一旋转轮(15)，所述第二控制器(12)构造成从所述第一控制器(2)中接收信号以驱动所述第三电机(14)转动，最终驱动所述第一旋转轮(15)旋转，

所述后驱动单元包括第三控制器(25)、第四电机(27)和第二旋转轮(28)，所述第三控制器(25)构造成从所述第一控制器(2)中接收信号以驱动所述第四电机(27)转动，最终驱动所述第二旋转轮(28)旋转。

6.根据权利要求5所述的钻井装置(500)，其特征在于，所述前动作单元包括前齿轮组件和前径向伸缩组件，所述前齿轮组件与所述第一旋转轮(15)连接，并将所述第一旋转轮(15)的旋转转化为所述前径向伸缩组件的径向伸缩运动，所述前径向伸缩组件包括前锚爪(24)，用于在所述前径向伸缩组件径向伸出时卡住井壁，

所述后动作单元包括后齿轮组件和后径向伸缩组件，所述后齿轮组件与所述第二旋转轮(28)连接，并将所述第二旋转轮(28)的旋转转化为所述后径向伸缩组件的径向伸缩运动，所述后径向伸缩组件包括后锚爪(24)，用于在所述后径向伸缩组件径向伸出时卡住井壁。

7.根据权利要求6所述的钻井装置(500)，其特征在于，所述前、后齿轮组件均包括中心锥形齿轮，以及与所述中心锥形齿轮啮合的从动锥形齿轮，

所述前、后径向伸缩组件均包括丝杠、螺母、沿径向布置的滑轨和顶杆，其中，所述丝杠能够在所述从动锥形齿轮的作用下旋转，从而使所述螺母沿滑轨滑动，进而带动顶杆和安装在所述顶杆末端处的前锚爪或后锚爪径向运动。

8.根据权利要求6所述的钻井装置(500)，其特征在于，所述第一控制器(2)构造成：

促动所述后抓紧机构动作，从而使后动作单元中的后锚爪与井壁接合；

促动所述蠕动机构动作，从而使第一可伸缩结构和第二可伸缩结构同时伸出；

促动所述前抓紧机构动作，从而使前动作单元中的前锚爪与井壁接合；

促动所述后抓紧机构动作，从而释放后锚爪与井壁的接合；

促动所述蠕动机构动作，从而使第一可伸缩结构和第二可伸缩结构同时收缩；

促动所述前抓紧机构动作，从而释放前锚爪与井壁的接合。

9.用于海域天然气水合物储层的钻井方法，其使用根据权利要求1到8中任一项所述的用于海域天然气水合物储层的钻井装置(500)来进行，所述方法包括：

步骤A，地面准备；

步骤B，直井段钻进，其中下入所述钻井装置(500)，钻达预定深度后进行固井；

步骤C，定向段钻进，其中，设定所述钻井装置(500)的井下钻具组合中的定向工具(185)的偏转角度并调整工具面角，通过地面控制系统(120)控制井下蠕动推进器(100)进行作业，使所述钻井装置(500)的井下钻具组合蠕动式推进，直到定向造斜完成，之后关闭所述井下蠕动推进器(100)，进行连续管正常钻进，钻达预定深度后进行固井；

步骤D，水平段钻进，当水平段延伸位移达到连续管钻井极限时，将定向工具(185)的偏转角度调整为0度以进行水平井钻井，钻达预定深度后起出井下钻具组合；

步骤E，完井生产。

10.根据权利要求9所述的钻井方法，其特征在于，在步骤C中，通过所述井下蠕动推进器(100)的后锚爪(36)和前锚爪(24)的交替伸出以卡住井壁，从而为定向工具(185)提供井壁力学支撑，同时通过所述井下蠕动推进器(100)的蠕动机构实现轴向伸出，为所述钻井装置(500)的钻头(195)提供推力。

11.根据权利要求10所述的钻井方法，其特征在于，在步骤D中，通过所述井下蠕动推进器(100)来为所述钻井装置(500)的钻头(195)提供推力，以进行小井眼大位移的水平井钻井。

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