WO2018090890A1 - 海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法 - Google Patents

海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法 Download PDF

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李彦龙
胡高伟
刘昌岭
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    • E21B43/04—Gravelling of wells

Definitions

  • the invention belongs to the technical field of marine natural gas hydrate resource development engineering, and particularly relates to a limited sand control limited mining method for natural gas hydrate of marine silty reservoir.
  • Natural gas hydrate resources are a potential energy source with wide distribution and high energy density. Research on hydrate resource exploitation has become an international hot issue. However, the current global hydrate resource development is still in the trial mining stage in some regions, and there is still a long way to go from industrial mining.
  • the pressure reduction method is the most effective mining method for conventional sandy reservoirs.
  • the depressurization will inevitably involve the diffusion process from the bottom hole pressure to the hydrate reservoir. Only when the bottom hole low pressure propagates to the hydrate decomposition front position can the hydrate further decompose in this area.
  • the reservoir sediments in the target area are mainly composed of clayey silt and silty clay.
  • the total grain size of the reservoir sand is less than 20 ⁇ m, which is a typical pore-filling hydration. Reservoir.
  • the object of the present invention is to provide a multi-branched hole limited sand mining method for natural gas hydrate of marine silty reservoir, which realizes natural gas hydrate reservoir through the combination of multi-branch holes around the main wellbore and limited sand control and sand control technology. Effective depressurization and mining provide new ideas for the exploitation of natural gas hydrates in the South China Sea.
  • a limited sand control limited mining method for natural gas hydrate of marine silty reservoir comprising the following steps:
  • the main wellbore drilling method is consistent with the conventional drilling method, specifically, cementing the upper stratum of the hydrate reservoir, and drilling with a large drill bit when opening the hydrate reservoir; the main wellbore passes through the reservoir Layer, artificial bottom is below the bottom boundary of the reservoir, leaving a certain amount of sand pockets.
  • the completion method of the main wellbore is specifically completed by a casing, and the casing has a certain reserved hole according to the optimization result, and each reserved hole is an opening of the multi-branch hole, and the casing below the bottom boundary of the reservoir
  • the cement is cemented between the strata, and the reservoir section is not cemented.
  • the bottom of the main wellbore casing is configured as a blind hole.
  • the multi-branch hole is drilled by a flexible pipe technique or other small borehole radial well technology. After the multi-branch hole is drilled, the extra-pipe gravel filling is performed by using a large displacement.
  • the gravel layer is quartz sand or artificial ceramsite, walnut shell, etc.
  • the design of sand retaining precision is designed according to the basic idea of limited sand control and anti-discharge combination.
  • the size of the gravel layer filled by the multi-branch hole limited sand control is thicker than the conventional gravel size design method (such as Saucier method, Smith method, Deprister method, etc.), and the result is as high as 1 to 2 when the filling pressure is less than the fracture pressure of the formation. Fill the compactness.
  • the evaluation indexes of the external borehole filling of the main wellbore include filling thickness, filling compaction degree and grit ratio; and the evaluation indexes of the multi-branch hole limited sand control filling layer are filling density, grit ratio and filling strength.
  • the optimal branch hole geometric parameter combination suitable for a specific hydrate reservoir can be determined by numerical simulation.
  • the branch hole geometry parameters include branch hole phase angle, branch hole inclination angle, branch hole density, branch hole aperture and branch hole horizontal displacement. .
  • the branch hole phase angle is analogous to the perforation phase angle in a conventional oil and gas well perforation completion, and specifically refers to an angle between projection lines of adjacent two branch hole axes on a plane.
  • the inclination angle of the branch hole refers to the angle between the axis of the multi-branch hole and the axis of the main wellbore.
  • the branch hole density refers to the number of branch holes on the main wellbore per unit length, which can be measured by the number of branch holes and the distance between the branch holes. The larger the branch hole density, the more favorable the yield increase.
  • the branch hole diameter can be measured by the ratio of the branch hole diameter to the main wellbore diameter, which is less than one.
  • the horizontal displacement of the branch hole refers to the length of the projection line of a branch hole axis on the plane.
  • the larger the horizontal displacement of the branch hole the more favorable the hydrate interface interface is exposed, the more favorable it is to increase production, but the filling difficulty may be corresponding. Increase.
  • the main wellbore and the multi-branch hole jointly form a "dual channel" for rapid transmission of pressure waves, which increases the range of pressure waves in a short period of time and improves the decomposition efficiency of hydrates;
  • the two-channel decomposition mode formed by the main wellbore and multi-branch holes greatly improves the exposed area between the formation hydrate and the borehole wall, effectively increasing the effective decomposition surface of the bottom hydrate;
  • Multi-branched holes convert the radial flow near the wellbore into a bilinear flow during the traditional effluent mining process, which reduces the throttling effect of the wellbore, which is beneficial to reduce the skin effect of the wellbore and increase the production capacity;
  • the multi-channel hydrate decomposition mode formed by multi-branch holes and main wellbore can help to relieve the pressure drop range, ease the sand production of the formation and reduce the well. Wall collapse risk;
  • the multi-branch holes are evenly distributed around the main wellbore.
  • the main wellbore is completed by the reserved branch hole casing.
  • the casing has a certain supporting effect on the main wellbore stratum, which is beneficial to maintain the integrity of the branch hole. Can effectively prolong the hydrate depressurization time;
  • the inside of the multi-branch hole is densely filled with the gravel layer according to the design principle of the gravel packing size outside the pipe, which has a certain supporting effect on the wall of the branch hole, effectively dispersing the stress on the inner casing of the main wellbore, thereby further promoting the pressure reduction.
  • the integrity of the wellbore during the mining process effectively extends the time of depressurization.
  • the present invention can achieve the following functions:
  • the invention can ensure sufficient supply of capacity in the depressurization process of the silty reservoir under the condition of low pressure drop;
  • the invention can effectively dredge the near-well formation, improve the pore permeability parameter, and promote the decomposition efficiency of the hydrate;
  • the invention can maintain the long-term integrity of the wellbore and effectively prolong the depressurization mining cycle.
  • the hydrated reservoir is shallow and has poor consolidation, and is not suitable for fracturing and transformation of silty reservoirs;
  • the multi-branch hole effectively increases the hydrate decomposition surface, and the multi-branch hole forms a high-speed dual channel with pressure transmission in the main wellbore.
  • the densely packed gravel layer plays a role of limited sand control, and also has a certain supporting effect on the reservoir, and forms a rapid pressure transmission channel to dredge the near-well formation, reduce the skin coefficient of the near well and the wellbore, and promote the pressure wave in the formation.
  • Spread effectively maintain the integrity of the wellbore, thus achieving long-term, high-efficiency anti-pressure mining of marine gas hydrates.
  • the method overcomes the “congenital” weakness of the shallow hydrate reservoir which is not suitable for fracturing transformation, and effectively solves the problem that the permeability of natural gas hydrate reservoir in the South China Sea is extremely low, the comprehensive intensity of the formation is low, and the sanding tendency is serious.
  • the contradiction has important reference significance for increasing the duration of hydrate test mining and promotes the development of commercial hydrate mining technology.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a limited sand control mining method for a multi-branched hole in a silty reservoir
  • a method for limited sand control of multi-branched hole of natural gas hydrate of marine silty reservoir comprises the following steps:
  • the artificial bottom is about 100 m below the bottom boundary of the hydrate reservoir 1;

Abstract

公开了一种海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法，属于海洋天然气水合物资源开发工程技术领域。该方法包括以下步骤：(1)主井眼钻开并采用预留分支孔套管完井；(2)钻开多分支孔，其均匀分布在主井眼周围，与主井眼呈一定夹角并定向排列；(3)在主井眼套管外围和多分支孔中充填砾石层，进行有限防砂；(4)反洗井，投产，进入分步降压阶段。该方法克服了浅层水合物储层不适宜进行压裂改造的"先天性"弱点，有效解决了我国南海海域天然气水合物储层渗透率极低与地层综合强度低、出砂趋势严重之间的矛盾，对于增加水合物试开采持续时间具有重要的参考意义，促进水合物商业化开采技术的发展。

Description

海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法 技术领域
本发明属于海洋天然气水合物资源开发工程技术领域，具体涉及一种海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法。
背景技术
天然气水合物资源是一种潜在的能源，具有分布广、能源密度高等特点，水合物资源开采研究已成为国际热点问题。然而目前全球水合物资源开发仍处于部分区域的试开采阶段，距离工业化开采还有很长的路要走。
我国目前已经加快研究步伐，加快对海洋天然气水合物资源的勘探开发工作。根据前期国际试开采经验，对常规砂质储层而言，降压法是最行之有效的开采方法。但降压开采势必涉及井底压力向水合物储层的扩散过程，只有当井底低压传播到水合物分解前缘位置，才能促进该区域的水合物进一步分解。因此从工程的角度分析，井底压力降低幅度越大，越有利于天然气水合物的分解产出；从地质条件的角度分析，地层砂粒越粗，沉积物堆积形成的孔隙尺寸越大，越有利于压力波的传导，越有利于水合物的分解产出。但是，过大的生产压降势必造成井筒的坍塌、地层大量出砂等工程问题，特别是加拿大Mallik2007～2008项目和日本Nankai Trough 2013项目经历均表明，出砂现象是制约天然气水合物资源长效开采的关键因素。因此，要实现水合物资源的高效开采，必须攻克地层中压力波的高效传递问题和出砂问题带来的困扰。
特别地，目前我国海洋天然气水合物试采初步优选靶区储层沉积物构成以粘土质粉砂和粉砂质粘土为主，储层砂粒径总体低于20μm，是典型的孔隙充填型水合物储层。原位测试渗透率和水流导压系数极低，因此只有当井底压力降低幅度较大时，才有可能加快水合物分解区的扩展，提高产气速率；但由于储层综合强度较低，盲目加大生产压差不仅无法提高产能，而且可能导致井壁整体垮塌或地层破坏性大量出砂，造成井筒砂埋。对Nankai Trough 2013项目所面临的中粗砂水合物储层尚且如此，对于我国南海试开采所面临的粉砂质储层，地层出砂与产能提高之间的矛盾会更加突出。
因此，为满足我国粉砂质储层天然气水合物资源的开发，必须从地质角度和工程角度两方面对现有降压开采方法做完善或改造，建立新的粉砂质储层水合物开采模式。
发明内容
本发明的目的是提供一种海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法，通过主井眼周围多分支孔和有限防砂、控砂技术的结合，实现天然气水合物储层的有效降压开采，为我国南海天然气水合物开采提供新思路。
本发明采用的技术方案如下：
一种海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法，包括以下步骤：
(1)主井眼钻开并采用预留分支孔套管完井；
(2)钻开多分支孔，其均匀分布在主井眼周围，与主井眼呈一定夹角并定向排列；
(3)在主井眼套管外围和多分支孔中充填砾石层，进行有限防砂；
(4)反洗井，投产，进入分步降压阶段。
所述主井眼钻开方式与常规钻井方式一致，具体为钻开水合物储层上部地层后固井，在打开含水合物储层时用大尺寸钻头钻进；所述主井眼穿越储层，人工井底在储层底界以下，留足一定的沉砂口袋。
所述主井眼完井方式具体为套管完成，所述套管上根据优化结果有一定的预留孔，每一个预留孔即为多分支孔的开口，储层底界以下套管与地层之间用水泥固井，储层段不注水泥。
为防止底水或下部地层流体进入井筒，以及降压开采过程中可能导致的下部异常压力进入井筒，所述主井眼套管底部设置为盲孔。
所述多分支孔利用柔性管技术或其他小井眼径向井技术钻开，钻开多分支孔后，利用大排量进行管外砾石充填。
所述砾石层为石英砂或人工陶粒、核桃壳等，挡砂精度设计按照有限防砂、防排结合的基本思想进行设计。
多分支孔有限防砂所充填的砾石层尺寸比常规砾石尺寸设计方法设计(如Saucier法、Smith法、Deprister法等)结果粗1～2级，在保证充填压力小于地层破裂压力条件下，尽量提高充填密实程度。所述主井眼管外充填的评价指标有充填厚度、充填密实程度、砂砾比；多分支孔有限防砂充填层的评价指标有充填密实程度、砂砾比、充填强度等。
可通过数值模拟方法确定适合于特定水合物储层的最佳分支孔几何参数组合，其中分支孔几何参数包括分支孔相位角、分支孔倾角、分支孔密度、分支孔孔径和分支孔水平位移等。
所述分支孔相位角类比于常规油气井射孔完井中的射孔相位角，具体是指相邻两个分支孔轴线在平面上的投影线之间的夹角。
所述分支孔倾角是指多分支孔轴线与主井眼轴线之间的夹角，储层越薄，对分支孔倾角的限制越大，要求分支孔倾角也越大，分支孔倾角理论上介于0～90°之间。
所述分支孔密度是指单位长度主井眼上的分支孔数量，可以用分支孔数量与分支孔间距来衡量，分支孔密度越大，越有利于增产。
所述分支孔孔径可以用分支孔孔径与主井眼井径的比值来衡量，该比值小于1。
所述分支孔水平位移是指某一个分支孔轴线在平面上的投影线的长度，分支孔水平位移越大，越有利于水合物分界面的裸露，越有利于增产，但充填难度可能相应的增大。
本发明的工作原理如下：
(1)主井眼与多分支孔联合形成压力波快速传递的“双通道”，增大了短期内压力波的波及范围，提高了水合物分解效率；
(2)主井眼和多分支孔形成的双通道分解模式大大提高了地层水合物和井壁间的裸露面积，有效增大了井底水合物有效分解阵面；
(3)多分支孔将传统降压法开采水合物过程中井筒附近的径向流转变为双线性流，减少了井筒节流效应，有利于降低井筒表皮效应，提高产能；
(4)有限防砂条件下地层多分支孔及主井眼周围地层孔隙度和渗透率均得到一定的改善，进一步促进压力波在地层中的传播，扩大水合物有效分解阵面；
(5)主井眼、多分支孔、近分支孔地层有限出砂带共同形成压力传导的“三通道”高速带，有利于提高降压效果；
(6)在一定产能要求条件下，多分支孔和主井眼形成的多通道水合物分解模式与单井眼常规开采方法相比，有助于缓解压降幅度，缓解地层出砂，降低井壁坍塌风险；
(7)多分支孔均匀分布在主井眼周围，主井眼采用预留分支孔套管完井，套管对主井眼地层有一定的支撑作用，从而有利于保持分支孔的完整性，能有效延长水合物降压开采时间；
(8)多分支孔内部按照管外砾石充填尺寸设计原理密实充填砾石层，对分支孔孔壁有一定的支撑作用，有效分散了主井眼内部套管所承受的应力，从而进一步促进降压开采过程中的井壁完整性，有效延长降压开采时间。
通过上述实验方法，本发明能够实现以下功能：
(1)本发明能在较低的压降条件下，保证粉砂质储层降压法开采过程中充足的产能供应；
(2)本发明能有效疏通近井地层，提高孔渗参数，促进水合物的分解效率；
(3)本发明能维持井筒的较长期完整性，有效延长降压开采周期。
本发明适合于具有以下地层特征的含水合物储层降压法开采：
(1)含水合物储层埋深浅、固结差，不适合压裂改造的粉砂质储层；
(2)由于细质含量高，不适合进行完全防砂工艺设计的储层(即粉砂质储层)；
(3)不适合进行常规水平井钻井的水合物储层；
(4)含水合物储层渗透率极低，单井压力传递效率低的储层；
(5)含水合物储层较厚的储层；
(6)离边、底水层位较远或无边、底水的水合物储层。
本发明的有益效果是：
多分支孔有效增大水合物分解面，多分支孔与主井眼形成压力传递的高速双通道，在一定产能要求条件下减小井底压降幅度，减缓地层出砂程度；多分支孔内密实充填砾石层，起有限度防砂的作用外，还对储层有一定的支撑作用，并形成压力快速传递通道，疏通近井地层，降低近井和井筒表皮系数，促进压力波在地层中的传播，有效维持井筒完整性，从而实现海洋天然气水合物的长效、高效降压开采。
该方法克服了浅层水合物储层不适宜进行压裂改造的“先天性”弱点，有效解决了我国南海海域天然气水合物储层渗透率极低与地层综合强度低、出砂趋势严重之间的矛盾，对于增加水合物试开采持续时间具有重要的参考意义，促进水合物商业化开采技术的发展。
附图说明
图1为粉砂质储层水合物多分支孔有限防砂开采方法原理图；
图中，1——含水合物储层；2——水合物储层上部地层；3——水合物储层下部地层；4——沉砂口袋；5——多分支孔；6——套管外充填层；7——带预留孔的套管；8-1、8-2——固井水泥环；9——多分支孔水平位移；10——多分支孔间距；11——表层套管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法，包括以下步骤：
(1)利用12”导管喷射水合物储层上部地层2，并用表层套管11(隔水管)封固上部地层；
(2)二开钻穿含水合物储层1，人工井底在含水合物储层1底界以下约100m；
(3)在生产套管上按照既定需求开孔，作为多分支孔5入井口，下入带预留孔的套管7，水合物储层1底界与人工井底之间形成沉砂口袋4；
(4)打桥塞分别在水合物储层上部地层2、水合物储层下部地层3位注水泥固井，形成固井水泥环8-1、8-2；
(5)在主井眼中下入连续油管或柔性管、支撑抬肩等井下工具，在套管开口处按照多分支孔水平位移9、分支孔间距10及其他几何参数的要求钻开多分支孔5；
(6)按照有限防砂的基本要求设计砾石尺寸，在主井眼水合物层段套管外充填层6和多分支孔5中充填砾石层，进行有限防砂；
(7)反洗井，投产，进入分步降压阶段。
当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。

Claims (8)

  1. 一种海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法，其特征在于，包括以下步骤：
    (1)主井眼钻开并采用预留分支孔套管完井；
    (2)钻开多分支孔，其均匀分布在主井眼周围，与主井眼呈一定夹角并定向排列；
    (3)在主井眼套管外围和多分支孔中充填砾石层，进行有限防砂；
    (4)反洗井，投产，进入分步降压阶段。
  2. 根据权利要求1所述的一种海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法，其特征在于，所述主井眼钻开方式为钻开水合物储层上部地层后固井，在打开含水合物储层时用大尺寸钻头钻进；所述主井眼穿越储层，人工井底在储层底界以下，留足一定的沉砂口袋。
  3. 根据权利要求1或2所述的一种海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法，其特征在于，所述主井眼完井方式具体为套管完成，所述套管上有一定的预留孔，每一个预留孔即为多分支孔的开口，储层底界以下套管与地层之间用水泥固井，储层段不注水泥。
  4. 根据权利要求3所述的一种海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法，其特征在于，所述主井眼套管底部设置为盲孔。
  5. 根据权利要求1所述的一种海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法，其特征在于，所述多分支孔利用柔性管技术或其他小井眼径向井技术钻开。
  6. 根据权利要求1所述的一种海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法，其特征在于，所述砾石层为石英砂或人工陶粒、核桃壳。
  7. 根据权利要求6所述的一种海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法，其特征在于，多分支孔有限防砂所充填的砾石层尺寸比常规砾石尺寸设计方法设计结果粗1～2级。
  8. 根据权利要求1所述的一种海洋粉砂质储层天然气水合物多分支孔有限防砂开采方法，其特征在于，通过数值模拟方法确定适合于特定水合物储层的最佳分支孔几何参数组合，其中分支孔几何参数包括分支孔相位角、分支孔倾角、分支孔密度、分支孔孔径和分支孔水平位移。
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