CN110043229B - 一种海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法 - Google Patents
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Abstract
一种海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法，包括如下步骤：垂直井钻进；垂直井井底集气腔室的建造；水平井钻进：包括直径段、第一造斜段、稳斜段、第二造斜段和水平段；在水平井内下入第二生产套管，所述第二生产套管的端部与人工建造的所述集气腔室的侧壁进行密封连接；后期完井储层改造和防砂筛管下入；多口水平井钻进及与垂直井对接连通密封；降压抽采。本发明利用一口垂直井与多口水平井对接连通，提高井组与天然气水合物层矿体的接触面积，提高产气量；多井汇聚集中抽采大大减少了完井后期降压抽采井的数量，起到显著降低运营管理成本的作用。
Description
技术领域
本发明涉及海洋天然气水合物能源开发应用领域，尤其涉及一种海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法。
背景技术
截至2017年底，我国已发现矿产173种，其中天然气水合物为当年新立矿种，初步预测我国海域天然气水合物资源量约800亿吨油当量，储量丰富。
将水平井钻井技术和多井组连通汇聚开采技术运用到先导试验区水合物试采是必然的趋势。当前全球海域天然气水合物试采方案采用的均是直井降压法试采技术，即将直井钻进至水合物储层，采用降压法进行水合物试采。实践证明：有的试采6天产气12万立方米，影响储层范围只有10米左右。而有的采用直井试采连续生产60天，产气30万m³。随着时间的推移，通过垂直井进行水合物开采，水合物产气量在短期内快速减少，暴露出垂直井控矿面积小而无法实现稳产的弊端。
天然气水合物开采应实现产业化开采，这样亟需开发高效关键技术来支撑产业化的进展。多井连通汇聚开采技术通过钻多口定向水平井同时与一口垂直井连通形成四通八达的“井工厂”采气模式，减化生产程序，降低开采成本，实现大幅增产，为海域水合物的产业化开采提供一项重要增产稳产方法。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法，利用一个垂直井与多个水平井对接连通，提高井组与天然气水合物层矿体的接触面积，提高产气量；多井汇聚集中抽采大大减少了完井后期降压抽采井的数量，起到显著降低运营管理成本的作用。
本发明所述的技术问题是以如下技术方案解决的：
一种海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法，包括如下开采步骤：
a、垂直井钻进：垂直井由海底泥面钻达天然气水合物层顶板，不进入水合物层，在垂直井中下入第一表层套管进行固井，之后将垂直井钻至水合物层底板以下；
b、垂直井井底集气腔室的建造：在垂直井处的水合物层底板下部进行大直径扩腔，形成人造腔体，在人造腔体内注入水泥浆充填固井，侯凝，形成人造固化体，所述人造固化体达到强度要求后下钻透孔，并钻进至所述人造固化体内，在所述第一表层套管内下入第一生产套管，固井，候凝，固井水泥达到固化强度后下钻扫掉第一生产套管内多余的水泥，位于人造固化体内部的第一生产套管内腔作为整个井组的集气腔室；
c、水平井的钻进：水平井施工直井段和第一造斜段，钻至所述天然气水合物层顶板上方，下入第二表层套管进行固井；在钻头处加入磁信号发生装置后，下钻，进行水平井稳斜段、第二造斜段和水平段的钻进，所述水平段钻进到距离所述集气腔室靶点一定距离时，通过垂直井内测井电缆下入的磁定位测量探头接收水平井钻头处的磁信号发生装置发出的磁信号，精确引导水平井钻头钻入垂直井下方的所述集气腔室的靶区内；
d、在水平井内下入第二生产套管，所述第二生产套管的端部穿过人造固化体与所述集气腔室的侧壁密封连接，并进行连通井组内密封压力测试；
e、水平井进行后期完井储层改造和防砂筛管下入；
f、根据步骤c—d进行多口水平井的钻进，多口水平井均与同一口垂直井下方的集气腔室连通密封；
g、在垂直井内下入采气管柱，进行降压抽采。
上述海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法，所述步骤c中，所述水平段的井斜角为45—88°，所述水平段的井长度为100—2000m。
上述海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法，所述步骤b中，所述人造固化体的直径r≥2m，在所述人造固化体内下钻透孔，人造固化体底部不钻穿，底部保留的固化体厚度≥2m。
上述海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法，所述步骤a中，将垂直井钻至水合物层底板以下20-50m。
上述海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法，所述步骤b中，所述第一生产套管内多余水泥钻扫时，其最底部保留一段水泥柱，其高度≥2m。
上述海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法，所述步骤f中，依据海水的深度和抽采降压的幅值确定连通井组内的密封压力≥10MPa。
上述海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法，所述步骤f中，上下相邻的两口水平井与所述集气腔室密封连接处的垂直方向的距离≥1m。
上述海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法，所述步骤c中，水平井的井口与垂直井井口水平距离为200-2000m，根据井组要达到的产能和天然气水合物层层厚确定，所述水平段钻进到距离所述集气腔室靶点100m时，引导水平井钻头钻入垂直井井底的人造固化体内的集气腔室中。
本发明采用多井汇聚模式，一口垂直井与多口水平井对接连通，垂直井作为中心采气井，底部建造人工固化体，设置集气腔室，在垂直井四周相隔一定距离布置水平井，分别钻入垂直井井底集气腔室内，并与集气腔室对接连通，形成一条条完整的“U”形通道，大大减少了完井采气***的数量，并实现了产量的大幅提升，降低了后期运营管理成本；水平井的水平段钻进与垂直方向保持45—88°倾斜角，钻井轨迹由上而下穿透水合物矿层，在后期降压抽采过程中，地层中产出的水和少量砂可以依靠重力和水流作用自动汇集在中心垂直井井底，集中统一排出；垂直井中和水平井中分别下入的第一表层套管和第二表层套管，既用于封隔水合物上覆地层，同时还用于支撑泥面以上井口装置的重量。
附图说明
图1为本发明多井汇聚模式结构示意图；
图2为垂直井井底人造固化体密封腔室结构示意图；
图3为单口水平井与垂直井对接连通结构示意图。
图中各标号分别表示为：A、水平段；B、第二造斜段；C、稳斜段；D、第一造斜段；E、直井段；R1、第一造斜段平均狗腿度；R2、第二造斜段平均狗腿度；L、水平井与垂直井井口距离；H、天然气水合物层层厚；H1、水合物层顶板深度；h、人造腔体的高度；r、人造腔体的直径；1、泥面；2、天然气水合物层顶板；3、第一表层套管；4、集气腔室；5、第一生产套管；6、第二表层套管；7、第二生产套管；8、采气管柱；9、垂直井；10、水平井；11、水合物层底板；12、人造固化体。
具体实施方式
本发明以一口垂直井为中心作为目标靶井钻至水合物层底板以下20-50m，该垂直井完井直径的大小和深度依据当前成熟的完井管柱和电潜泵等的规格型号而定，并同时满足日采产气量和后期水平井对接连通密封的基本要求，通常垂直井的完井生产套管规格不少于φ339.7mm。水平井井位根据水合物矿层的分布特征布置于垂直井四周，分别以一定的水平段倾角由上而下穿透水合物层，水平段井斜角通常在45～88°，精确钻进至垂直井井底人工建造固化体中的集气腔室内，并与之精准对接连通。每一口水平井套管端部都必须与垂直井形成可靠密封。最终实现所有水平井通道与垂直井在一个密封体系内，达到一口垂直井抽采即可完成对所有水平井的水合物降压分解，达到一井降压、井组产气的目的。
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
a、垂直井钻进：垂直井9由海底泥面1钻达天然气水合物层顶板2，但不进入水合物层内，在垂直井中下入第一表层套管3，下至天然气水合物层顶板2，进行固井，所述第一表层套管3用于隔离水合物层和上覆地层及海水，同时避免因固井放热导致水合物分解影响固井质量；第一表层套管3通常选用不少于20"套管，然后将垂直井钻至水合物层底板11以下20-50m。
b、垂直井井底集气腔室的建造：在垂直井的水合物层底板11下部（游离气层或非水合物层内）进行大直径扩腔，形成人造腔体，在人造腔体内注入水泥浆充填固井，侯凝，形成人造固化体12，人造固化体12的直径r≥2m，人造固化体12达到强度要求后下钻透孔，并钻至人造固化体12内，不钻穿，人造固化体12底部保留的固化体厚度≥2m，在所述第一表层套管3内下入第一生产套管5，固井，候凝，固井水泥达到固化强度后下钻扫掉第一生产套管5内多余的水泥，且第一生产套管5最底部保留一段高度≥2m的水泥柱，用于承受管内密封压力；位于人造固化体12内部的第一生产套管5内腔作为整个井组的集气腔室4；人造固化体12建造在游离气层或者非水合物层内，避免在人工建腔过程中因固化材料凝固放热造成水合物分解，影响充填固井质量；人造固化体的高度h和直径r根据降压密封的要求来确定，理论上r值越大越安全，按照当前所能达到的最大旋喷加固半径和最大扩腔能力而定；h值的大小根据需要连通的水平井的数量来确定，连通的水平井越多，h值就越大。
c、水平井的钻进：根据井组要达到的产能和天然气水合物层层厚H确定水平井与垂直井井口的距离L为200-2000m；水平井施工直井段E和第一造斜段D，钻至天然气水合物层顶板2上方，下入第二表层套管6进行固井；在钻头处加入磁信号发生装置后，下钻，进行水平井稳斜段C、第二造斜段B和水平段A的钻进，所述稳斜段C作为调整井段，其钻进长度依据第一造斜段平均狗腿度R1、第二造斜段平均狗腿度R2和水平段A的穿矿轨迹来定，水平段A钻进到距离垂直井底部的集气腔室4靶点100m时，通过垂直井内测井电缆下入的磁定位测量探头接收水平井钻头处的磁信号发生装置发出的磁信号，精确引导水平井钻头钻入垂直井井底人造固化体12内的集气腔室4的靶区内；水平段A钻进井斜角为45—88°，其倾角可保证降压抽采时产生的水和砂能依靠重力和水流作用自动汇集到垂直井内，防止水平井泥砂堵塞，并可利用垂直井的开采举升***集中处理和排出，所述水平段A的井长度为100—2000m。
d、在水平井内下入第二生产套管7，所述第二生产套管7的端部穿过人造固化体12与所述集气腔室4的侧壁进行密封连接，并进行连通井组内密封压力测试，依据海水的深度和抽采降压的幅值确定水平井内的密封压力≥10MPa。
e、水平井进行后期完井储层改造和防砂筛管下入。
参看图1和图2，根据步骤c-d进行多口水平井的钻进，多口水平井均与同一口垂直井底部的集气腔室4密封连通；所述上下相邻的两口水平井与所述集气腔室4密封连接处的垂直方向上的距离≥1m，充分保证对接连通的可靠性和腔体的稳定性，并同时方便后续完井及修井工具的顺利下入；在垂直井内下入采气管柱8，进行降压抽采。
参看图3，通常海洋天然气水合物的埋藏深度都比较浅，水合物层顶板深度H1越小，第一造斜段平均狗腿度R1相应就越大，加上水合物系地层很软，造斜施工难度越大；天然气水合物层层厚H越厚（≥30m），在保证相同的穿矿长度条件下，水平段A的井斜角可减小，更有利于后期降压抽采时水和砂的排出，同时也可降低第一造斜段D的平均狗腿度，降低第一造斜段的施工难度，反之，如果天然气水合物层层厚H较薄（≤20m），水平段A井斜角则要适当加大，以保证水平井的穿矿长度；井距L的选取根据井组要达到的产能和天然气水合物层层厚H等因素确定，可选范围比较宽，通常在200-2000m左右；人造固化体的高度h和半径r根据降压密封要求确定，理论上r值越大越安全，按照当前所能达到的最大旋喷加固半径和最大扩腔能力而定，h值的大小根据需要连通水平井的数量来确定，连通的水平井越多，h值就越大。
水平井钻进过程中，稳斜段C作为调整段，其钻进长度根据第一造斜段平均狗腿度R1、第二造斜段平均狗腿度R2和水平段A的穿矿轨迹来定，如果第一造斜段D的实际造斜平均狗腿度小于理论设计值，则稳斜段C的长度可适当缩短，第二造斜段B提前进行造斜以抬高垂直深度，防止轨迹下沉，反之，如果第一造斜段D的实际造斜平均狗腿度大于理论设计值，则稳斜段C的长度加长，推迟第二造斜段B的钻进，降低第一造斜段D因平均狗腿度增加造成的钻孔轨迹上抬，保持实际钻进轨迹与理论设计轨迹基本一致。
以下结合一个具体的实际案例作进一步的说明：
以下孔深均从泥面开始计算，水平井井口距离垂直井井口的水平距离L为600m。
技术要求：
（1）明确要开采的天然气水合物层位于泥面以下190～220m深处，即H1为190~220m，天然气水合物层层厚H为30m ，水平井水平段钻进井斜86°，水平段钻进长度400m，水平井第一造斜段D平均狗腿度R1为15°/30m，钻进至井斜70°，稳斜段C钻进50m，第二造斜段B平均狗腿度R2为6°/30m，钻进至井斜86°进入水平段，水平段A保持井斜86°钻进400m，与垂直井靶点对接连通。
（2）水平井中，直井段E中下入20″第二表层套管60m，第一造斜段D下入13 3/8″表层套管，下至距离水合物顶板2垂直厚度10m处固井。垂直井中，20″第一表层套管下入深度为180m，距水合物层顶板10m并固井，垂直井在222～240 m的深度位置进行腔体建造。具体建造步骤如下：
a、垂直井钻进：钻进至孔深182m，稠浆循环清孔，下入20″第一表层套管3至180m处固井，第一表层套管头距水合物层顶板10m。
b、垂直井井底集气腔室的建造：①候凝扫塞：钻穿水合物层，至孔深260m，稠浆循环清孔后起钻，钻孔深度比人造腔体的深度深20m，其目的是：扩孔时，用于存放部分不能上返的沉渣，降低大直径扩孔排渣清孔的难度；②分别下旋喷钻具或扩孔钻具，在孔深222～240m的位置进行人工建腔和固井充填；③候凝扫孔：重新钻进至孔深235m，循环清除孔内沉渣，下入13 3/8″第一生产套管固井。其中进入集气腔室内的生产套管采用铜、铝或钛合金可钻性较好的无磁材料代替钢套管，为后期水平井对接连通提供一个无磁环境，提高对接连通时PDC钻头的穿过性。
c、第一口水平井钻进：①、直井段E钻进：直井段E钻深62m，下20″表层套管60m；②、水平井中第一造斜段D钻进：平均狗腿度R1为15°/30m，钻进至井斜70°后，稳斜段C钻进35m，钻进孔深235m。由于实际施工过程中，井眼轨迹不可能完全按照设计执行，此时，稳斜段在这里可起到调整的作用，最终以距离水合物顶板垂深10m为宜，如果第一造斜率段D的平均狗腿度≥15°/30m，稳斜段可加长，反之，稳斜段要缩短，用于弥补第一段造斜力不足造成的井斜不足和钻孔轨迹垂深下移。到位后循环清孔，起钻，下入13 3/8″表层套管固井；③、候凝扫塞：下入带强磁接头的造斜钻具组合（PDC钻头+强磁接头+造斜螺杆钻具+无磁钻杆测井仪器），扫完水泥塞后继续稳斜钻进15m，稳斜段的钻进长度也可同样根据第一造斜段的实际平均狗腿度进行调整，如果第一造斜段实际钻进平均狗腿度低于设计值，稳斜段的长度可以缩短或取消，直接开始第二造斜段B钻进，稳斜段只是作为一个调整井段来使用；④、在第二造斜段B井斜达到86°后、井深约330m，钻孔进入水平段A，水平钻进至距垂直井目标靶点100m处（理论计算值），通过垂直井内下入的磁定位测量仪器接收水平井发出的磁信号，判断钻头与靶点的相对位置，精确引导水平井钻头钻入垂直井井底人造固化体12内的集气腔室内，实现水平井与垂直井的连通，水平井完钻孔深约730m。
d、连通完成后稠浆洗井，提钻，下入9 5/8″第二生产套管，套管端部穿过人造固化体与集气腔室进行密封，完成一口水平井与垂直井的对接连通密封施工任务。
e、依此类推，可同时完成多口水平井与垂直井的对接连通密封，形成多条在同一密封体系内的产气通道。每口水平井选在人造固化体的不同深度位置连通，相互让出1—5m的空间距离。多口水平井在平面上的位置分布不一定要按圆周进行均布，参考垂直井周边的水合物地质分布情况，尽量将水平井的钻孔轨迹布置在水合物储层较稳定和品位高的方位上。
Claims (5)
1.一种海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法，其特征在于：所述开采方法采用多井汇聚模式，一口垂直井与多口水平井对接连通，垂直井作为中心采气井，底部建造人工固化体，设置集气腔室，在垂直井四周相隔一定距离布置水平井，分别钻入垂直井井底集气腔室内，并与集气腔室对接连通，形成一条条完整的“U”形通道，大大减少了完井采气***的数量，并实现了产量的大幅提升，包括如下步骤：
a、垂直井钻进：垂直井（9）由海底泥面（1）钻达天然气水合物层顶板（2），不进入水合物层，在垂直井中下入第一表层套管（3）进行固井，将垂直井钻至水合物层底板（11）以下；
b、垂直井井底集气腔室的建造：在垂直井处的水合物层底板（11）下部进行大直径扩腔，形成人造腔体，在人造腔体内注入水泥浆充填固井，侯凝，形成人造固化体（12），所述人造固化体（12）达到强度要求后下钻透孔，并钻进至所述人造固化体（12）内，在所述第一表层套管（3）内下入第一生产套管（5），固井，候凝，固井水泥达到固化强度后下钻扫掉第一生产套管（5）内多余的水泥，位于人造固化体（12）内部的第一生产套管（5）内腔作为整个井组的集气腔室（4）；
c、水平井的钻进：水平井（10）施工直井段（E）和第一造斜段（D），钻至所述天然气水合物层顶板（2）上方，下入第二表层套管（6）进行固井；在钻头处加入磁信号发生装置后，下钻，进行水平井稳斜段（C）、第二造斜段（B）和水平段（A）的钻进，所述水平段（A）钻进到距离所述集气腔室（4）靶点一定距离时，通过垂直井内测井电缆下入的磁定位测量探头接收水平井钻头处的磁信号发生装置发出的磁信号，精确引导水平井钻头钻入垂直井下方的所述集气腔室（4）的靶区内；
d、在水平井内下入第二生产套管（7），所述第二生产套管（7）的端部穿过人造固化体（12）与所述集气腔室（4）的侧壁密封连接，并进行连通井组内密封压力测试；
e、水平井进行后期完井储层改造和防砂筛管下入；
f、根据步骤c-d进行多口水平井的钻进，多口水平井均与同一口垂直井下方的集气腔室（4）连通密封；
g、在垂直井内下入采气管柱（8），进行降压抽采；
所述步骤c中，所述水平段（A）的井斜角为45-88°，所述水平段（A）的井长度为100-2000m；所述稳斜段（C）作为调整井段，其钻进长度依据第一造斜段平均狗腿度（R1）、第二造斜段平均狗腿度（R2）和水平段（A）的穿矿轨迹来定；水合物层顶板深度（H1）越小，第一造斜段平均狗腿度（R1）相应就越大，加上水合物系地层很软，造斜施工难度越大；天然气水合物层层厚（H）越厚，在保证相同的穿矿长度条件下，水平段（A）的井斜角减小，更有利于后期降压抽采时水和砂的排出，同时也降低第一造斜段（D）的平均狗腿度，降低第一造斜段的施工难度，反之，如果天然气水合物层层厚（H）较薄，水平段（A）井斜角则要适当加大，以保证水平井的穿矿长度；
所述步骤b中，所述人造固化体（12）的直径r≥2m，在所述人造固化体（12）内下钻透孔，人造固化体（12）底部不钻穿，底部保留的固化体厚度≥2m；
所述步骤b中，所述第一生产套管（5）内多余水泥钻扫时，其最底部保留一段水泥柱，其高度≥2m。
2.根据权利要求1所述的海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法，其特征在于：所述步骤a中，将垂直井钻至水合物层底板（11）以下20-50m。
3.根据权利要求2所述的海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法，其特征在于：所述步骤f中，依据海水的深度和抽采降压的幅值确定连通井组内的密封压力≥10MPa。
4.根据权利要求3所述的海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法，其特征在于：所述步骤f中，上下相邻的两口水平井与所述集气腔室（4）密封连接处的垂直方向的距离≥1m。
5.根据权利要求4所述的海域天然气水合物多井组连通汇聚开采方法，其特征在于：所述步骤c中，水平井的井口与垂直井井口距离（L）为200-2000m，根据井组要达到的产能和天然气水合物层层厚（H）确定；所述水平段（A）钻进到距离所述集气腔室（4）靶点100m时，引导水平井钻头钻入垂直井井底的人造固化体内的集气腔室中。
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