一种浅层天然气水合物钻井装置、开采系统及方法
阅读说明：本技术 一种浅层天然气水合物钻井装置、开采系统及方法 (Shallow natural gas hydrate drilling device, mining system and method ) 是由 思娜 王敏生 叶海超 耿黎东 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种浅层天然气水合物钻井装置、开采系统及方法。所述装置包括：管柱、工具组合及喷射钻头；所述管柱为扁形管柱,管柱内部空间从上至下分隔成三层,上层为生产层、中层为海水注入层、下层为冷冻层；上层设置有抽水排砂泵,上层对应的管柱侧壁设置有单向排砂孔,管柱顶面外部设置有精细防砂层；工具组合为动力工具、测量工具、推进器、导向工具、近钻头信息传输及储存中的一种或组合；工具组合设置在管柱外壁靠近喷射钻头的位置；喷射钻头与管柱的海水注入层固定连接,喷射钻头上设置有喷嘴。本发明通过创新的钻井及开采形式进行浅层天然气水合物资源开采。避免常规油气钻井的常规作业流程,降低作业成本、提高作业效率。(The invention discloses a shallow natural gas hydrate drilling device, a shallow natural gas hydrate mining system and a shallow natural gas hydrate drilling method. The device comprises: a tubular string, a tool assembly and a jet drill bit; the pipe column is a flat pipe column, the internal space of the pipe column is divided into three layers from top to bottom, the upper layer is a production layer, the middle layer is a seawater injection layer, and the lower layer is a freezing layer; the upper layer is provided with a water pumping sand discharging pump, the side wall of the pipe column corresponding to the upper layer is provided with a one-way sand discharging hole, and the outer part of the top surface of the pipe column is provided with a fine sand prevention layer; the tool combination is one or combination of a power tool, a measuring tool, a propeller, a guiding tool and near-bit information transmission and storage; the tool combination is arranged on the outer wall of the pipe column close to the jet drill bit; the jet drill bit is fixedly connected with the seawater injection layer of the pipe column, and a nozzle is arranged on the jet drill bit. The invention carries out shallow layer natural gas hydrate resource exploitation through innovative drilling and exploitation modes. The conventional operation flow of conventional oil and gas drilling is avoided, the operation cost is reduced, and the operation efficiency is improved.)
技术领域
本发明涉及天然气水合物开发技术领域，进一步地说，是涉及一种浅层天然气水合物钻井装置、开采系统及方法。
背景技术
当前，石油天然气资源量不断减少，天然气水合物资源作为一种资源量巨大的战略储备资源，其开发利用成为各国、各大能源公司追逐的热点。
目前的天然气水合物资源开发工程技术主要依赖于不断发展进步的油气资源开发工程技术。针对海洋天然气水合物资源开发，当前试采均利用深水作业平台，常规钻井技术钻达储层。然后利用天然气水合物资源特性，利用降低储层压力、增加储层温度和注入水合物抑制剂等方式，使得水合物资源分解从而达到开采的目的。
开采方法方面，国外提出降压法、热激发法、抑制剂法。我国周守为院士提出了固态流化法。在这些方法的基础上，我国2017年连续在中国南海进行了两次天然气水合物试采，分别采用了降压法和固态流化法，取得了天然气水合物资源开发利用的巨大进步，跨出了结实的一步。
周守为院士的固态流化法针对海洋浅层水合物资源利用常规油气钻井在海底将水合物资源造浆后分解采气。但是由于海底浅层压实程度不足，对钻井工程技术包括固井、钻进、定向等过程均造成了巨大挑战，还需要进一步完善整套水合物资源开发利用工程技术及装备，提高对水合物资源的适应性。
中国专利CN109751017A，公开了一种天然气水合物多井合采开发系统,包括浮式平台、海底多相泵泵站、井口多相泵、控制管汇、第一管路、第二管路和多口天然气井,所述浮式平台连接所述海底多相泵泵站,所述海底多相泵泵站通过所述第一管路连接有多个控制管汇,所述控制管汇通过所述第二管路连接有多口天然气井,所述天然气井的井口设置有井口多相泵。
中国专利CN109736769A公开了一种冻土层天然气水合物水平分支井网开采系统与方法,包括主钻井、生产区域、生产井、区域多分支井、生产区域边界、充填体、分解增强区域、主钻井水平段、主钻井垂直段、分支井、分解圆和拱结构。本发明的有益效果是：多分支井网可以提高地层流体压力敏感性,也为天然气水合物提供更多的分解自由面；开采结束后进行注浆作业充填开采后形成的空洞和贯通裂隙,加强岩层拱结构,减少潜在的环境破坏风险,并拟定了长期生产过程中生产区域的划分和生产区域间的接替次序。
中国专利CN109695441A一种平行水平井微波加热开采天然气水合物的方法,属于天然气水合物的开采技术领域。所述方法包括：结合地质资料,对目标储藏布置平行水平井网及配套完井作业,完井后通过水平井实施降压开采直至无经济效益,随后在供热井布置地面供给系统及井下微波加热系统,通过微波加热器对天然气水合物层进行加热,并从生产井对天然气及采出水进行收集；本发明通过向目标储藏布置平行分布的水平井提高可动用天然气水合物储量,使用连续油管及微波加热器实现可移动式加热储藏,通过改变加热位置、热量输出功率及排水采气的速度,可实现天然气水合物储藏最优化开采,可提高采气效率,增加经济效益。
文献《天然气水合物开采技术研发进展及思考》(中国石油勘探2016.09)该文章调研分析了当前主要的天然气水合物开采方法，包括降压法、热激发法、抑制剂法等常规天然气水合物开采方法。
文献《海洋天然气水合物试采关键技术》(中国石油勘探201609)该文章分析研究了当前试采过程中采用的依赖于油气钻采的常规试采方法。
以上专利及文献提出的方法，目前均处于理论和试验阶段，虽然固态流化法和降压法均进行了试采，但是还存在很多的不适应性，还需要进一步探索更加高效可行系统的开采方法。
目前，还没有应用于浅层水合物资源开发利用的配套工程技术及开采系统。
发明内容
为了克服浅层水合物资源沉积层特殊性造成的挑战，有效开采海洋浅层水合物资源，本发明提供了一种浅层天然气水合物钻井装置、开采系统及方法。避免常规油气钻井的常规作业流程，降低作业成本、提高作业效率。
本发明的目的之一是提供一种浅层天然气水合物钻井装置。
所述装置包括：
管柱、工具组合及喷射钻头；
所述管柱为扁形管柱，管柱内部空间从上至下分隔成三层，上层为生产层、中层为海水注入层、下层为冷冻层；上层设置有抽水排砂泵，上层对应的管柱侧壁设置有单向排砂孔，管柱顶面外部设置有精细防砂层；
精细防砂层是在常规防砂筛管外部添加可隔离泥沙的膜层或者材料，可采用现有技术的常规的膜层或材料，起到隔离泥沙的作用即可，其粒径范围，技术人员根据实际情况确定，目的是隔离泥沙。
下管柱的时候是封闭的，开始生产时，利用机械或者控制管线等方式打开，如卡瓦或液压开关等打开管柱上顶面，露出精细防砂层，打通产气通道。
所述工具组合为动力工具、测量工具、推进器、导向工具、近钻头信息传输及储存中的一种或组合；所述工具组合设置在管柱外壁靠近钻头的位置；
所述喷射钻头与管柱的海水注入层固定连接，喷射钻头上设置有喷嘴。
本发明的一种优选的实施方式中，
所述抽水排砂泵对称的设置于生产层两侧靠近管柱侧壁的位置；
所述精细防砂层设置在抽水排砂泵中间。
本发明的一种优选的实施方式中，
喷射钻头上的喷嘴形状为长方形或圆形。
本发明的一种优选的实施方式中，
长方形喷嘴设置在喷射钻头中间，圆形喷嘴对称的设置于长方形喷嘴上下两侧。
本发明的一种优选的实施方式中，
所述喷嘴数量为6-12个。
本发明的目的之二是提供一种所述的钻井装置的浅层天然气水合物开采系统。
所述系统包括：
水面装置、钻井装置及远程控制设备。
本发明的一种优选的实施方式中，
所述水面装置包括：钻井平台、抽水泵、注入管线、高压注入泵及防喷设备；
钻井装置中的管柱与钻井平台的井口连接；
远程控制设备通过电缆传输接受钻井装置的数据信息。
本发明的目的之三是提供一种采用所述系统的天然气水合物开采方法。
所述方法包括：
(1)抽取海水，注入管柱的中间层，通过喷射钻进并带动管柱下入；
(2)利用工具组合和远程控制设备辅助管柱下入，实时调整钻井方案，保证智能化钻进；完钻后，沉砂，确保管柱牢固固定；
本发明的一种优选的实施方式中，
步骤(2)中，沉砂时间为0.5-1天。
(3)打开管柱上顶面，露出精细防砂层，开始生产，根据水合物分解最优速度及泥沙最小进入量优化设计抽水排沙泵的抽水速率；同时，利用抽水排沙泵将进入的泥沙通过单向排沙孔从井筒排出至海底，最小化海底污染；
(4)生产的同时，管柱下层中注入降温流体或者采用冷却管柱进行降温，确保管柱下部水合物不分解。
低于水合物分解温度即可，如：500m水柱下5℃以下即可，具体温度取决于水合物藏压力及温度，符合其生成的温压曲线即可，技术人员根据具体情况确定。
(5)开采的水合物从生产层分解产出，输送至井口。
本发明摒弃传统的油气旋转钻井及开采系统，根据浅层天然气水合物分布形态是散布于浅层未胶结地层中，地层压力低，不需要昂贵的PDC钻头及复杂的钻井液系统。同时考虑天然气水合物资源产出的天然气当前价格较低，为后续商业化开采降低成本，本发明的系统采用扁平管柱，利用水射流喷射下入扁平生产管柱，浅层泥沙沉淀后，让管柱压紧，不会像圆管柱一样发生移动、旋转等情况，因此不需要固井，进一步降低作业成本。并且，采用扁平管柱可以结合浅层水合物资源分布特征，增大水合物接触面积，提高分解效率。本发明采用的扁平管柱，可以根据实际情况调整形状，如波浪形、凹槽形、管柱棱角处进行倒角圆滑处理等，其形状可随意变化，宗旨是为了让管柱尽可能大的接触水合物藏。管柱下入利用喷射钻头，采取边钻边下入管柱的形式，一次性安置好管柱，进行钻采排一体作业。该系统主要由作业平台、海水抽取泵、高压注入泵、防喷器及井下管柱等组成。
本发明开采方法基本原理主要基于浅层天然气水合物储层胶结、压实程度低，钻进过程不需要采用油气钻头，仅利用流体射流冲砂，然后带套管直接钻进，类似于油气钻井中的套管钻井，提高成井效率，降低作业成本。
本发明同时采用从平台直接抽取海水，利用高压泵将海水通过扁形管柱高速通过特殊钻头进行喷射钻进，避免采用钻井液污染海底，同时降低成本。
本发明的钻井管柱分三层，中间层用于注入海水，喷射钻进，下入管柱；上层用于天然气水合物开采，在储层段安装电潜泵或者特殊设计泵组，抽水排沙。抽水可以降压，实现水合物降压开采，但是同时将开采过程中流入管柱的泥沙通过泵直接在海底排出。可以在层中安装生产监测设备，实时传输至远程控制平台；下层可下入冷却管线或注入液氮，用于冷冻下层地层，避免管柱下部少量水合物分解造成地层沉降，破坏管柱，可安装海底监测设备，实时传输信息数据至远程控制平台。
本发明的喷射钻头主要利用海水高压射流进行喷射钻进。钻头前可根据需求设计安装配套定向、测量、爬行、动力等井下钻具。钻头在完成最终钻进作业后可留至井底以投球或其他设计进行封堵。
发明的效果
本发明通过创新的钻井装置及开采系统进行浅层天然气水合物资源开采。避免常规油气钻井的常规作业流程，降低作业成本、提高作业效率。
附图说明
图1本发明的的浅层天然气水合物开采系统示意图；
图2喷射钻头示意图；
图3管柱结构示意图；
图4管柱的横截面示意图；
图5管柱的侧面示意图；
附图标记说明：
1-钻井平台 2-抽水泵 3-注水管线 4-高压注入泵 5-防喷器
6-井口 7-海面 8-泥线 9-浅层疏松地层不含水合物 10-水合物层 11-管柱
12-海水注入管 13-动力工具 14-测量工具 15-推进器 16-导向工具 17-近钻头信息设备 18-喷射钻头 19-远程控制平台
20-喷射钻头 21-圆形喷嘴 22-长方形喷嘴
24-海水注入层 25-生产层 26-冷冻层 27-抽水排沙泵 28-上部生产管柱侧面29-中、下部管体侧面 30-单向排沙孔 31-精细防砂层。
具体实施方式
下面结合具体附图及实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。
实施例1
一种浅层天然气水合物钻井装置。
装置包括：管柱11、工具组合及喷射钻头20；
所述管柱11为扁形管柱，管柱11内部空间从上至下分隔成三层，上层为生产层25、中层为海水注入层24、下层为冷冻层26；上层设置有抽水排砂泵27，上层对应的管柱侧壁设置有单向排砂孔，管柱顶面外部设置有精细防砂层31，精细防砂层31是在常规防砂筛管外部添加可隔离更加细粒的泥沙的膜层或者材料，下管柱的时候是封闭的，开始生产时，利用机械或者控制管线等方式打开，如卡瓦或液压开关等打开管柱上顶面，露出精细防砂层，打通产气通道。
所述工具组合为动力工具13、测量工具14、推进器15、导向工具16、近钻头信息传输及储存17；所述工具组合设置在管柱外壁靠近钻头的位置；
所述喷射钻头20与管柱的海水注入层24固定连接，喷射钻头20上设置有喷嘴。
所述抽水排砂泵27对称的设置于生产层两侧靠近管柱侧壁的位置；
所述精细防砂层31设置在抽水排砂泵27中间。
喷射钻头上的喷嘴形状为长方形或圆形。
长方形喷嘴22数量为1个，设置在喷射钻头20中间，圆形喷嘴21数量为10个，对称的设置于长方形喷嘴22上下两侧。
实施例2
一种所述的钻井装置的浅层天然气水合物开采系统。
所述系统包括：水面装置、钻井装置及远程控制设备。
所述水面装置包括：钻井平台1、抽水泵2、注入管线3、高压注入泵4及防喷设备5；
钻井装置中的管柱与钻井平台的井口连接；
远程控制设备通过电缆传输接受钻井装置的数据信息。
所述装置包括：管柱11、工具组合及喷射钻头20；
所述管柱11为扁形管柱，管柱11内部空间从上至下分隔成三层，上层为生产层25、中层为海水注入层24、下层为冷冻层26；上层设置有抽水排砂泵27，上层对应的管柱侧壁设置有单向排砂孔，管柱顶面外部设置有精细防砂层31，精细防砂层31是在常规防砂筛管外部添加可隔离更加细粒的泥沙的膜层或者材料，下管柱的时候是封闭的，开始生产时，利用机械或者控制管线等方式打开，如卡瓦或液压开关等打开管柱上顶面，露出精细防砂层，打通产气通道。
所述工具组合为动力工具13、测量工具14、推进器15、导向工具16、近钻头信息传输及储存17；所述工具组合设置在管柱外壁靠近钻头的位置；
所述喷射钻头20与管柱的海水注入层24固定连接，喷射钻头20上设置有喷嘴。
所述抽水排砂泵27对称的设置于生产层两侧靠近管柱侧壁的位置；
所述精细防砂层31设置在抽水排砂泵27中间。
喷射钻头上的喷嘴形状为长方形或圆形。
长方形喷嘴22数量为1个，设置在喷射钻头20中间，圆形喷嘴21数量为10个，对称的设置于长方形喷嘴22上下两侧。
实施例3
一种创新性浅层天然气水合物开采系统及方法，由水面、水下和远程控制三部分组成。
水面设备主要为平台设备，包括抽水泵、注入管线、高压注入泵及防喷设备。主要利用抽水泵2将海水抽入注入管线3，然后经过高压注入泵4注入井下管柱。防喷设备主要用于处理浅层高压等问题，可及时调节或关闭井筒，确保安全作业。
水下设备主要为井下管柱及工具组合。在外管体11的保护下，利用中间层12高速注入海水，根据钻进需求可设置安装配套动力工具13、测量工具14、爬行器/推进器15、导向工具16、近钻头信息传输及储存17、喷射钻头18等井下设备。该特殊形状钻、采、排一体管柱利用中间层24注入高压海水，通过23喷射钻头喷射钻进，同时下入管柱。利用上层管柱25进行开采，由于浅层水合物储层含水量高，采用抽水排沙泵27通过打开上层生产管柱的精细防砂层31，根据合适的抽水排沙泵27的抽水速率，优化抽水排沙泵27的抽水速率，最大化降压开采效率。抽水排沙泵27将进入上层管柱25的泥沙通过单向排沙孔向海底排除泥沙。利用下部冷冻层26，设置冷却管线或者注入冷却液，用于冷却下部地层中的水合物分，阻止其分解，从而保证管柱下方地层稳定，确保管柱安全。
远程控制设备19主要用于平台信息化管理及控制。
水合物开采方法为：
安装海洋平台1，安装抽水泵2、注入管线3、高压注入泵4、防喷设备5及井口6。
用抽水泵2抽取海洋水，通过注入管线3，利用高压注入泵4注入管柱11的中间层12，通过带喷射钻头18的管柱喷射钻进并带动管柱下入。钻进过程中利用动力工具13提供井下动力、利用测量工具14进行井下信息收集，在长水平井钻进过程中利用爬行器/推进器15辅助管柱下入，通过导向工具16准确定位钻井管柱，利用近喷射钻头18前的钻头信息设备17传输和接受平台命令，实时调整钻井方案，保证智能化钻进。钻达目的层后，利用机械或者控制管线关闭钻头，或回收钻头后封闭中间层。此过程中不需要任何常规油气钻井过程中应用的昂贵的钻井液及固井作业。在完钻后，沉沙一段时间，确保钻井管柱牢固固定。
进入开采阶段，利用机械或者控制管线等方式打开特殊管柱上部生产层25的精细防砂层31开始生产，生产主要根据水合物分解最优速度及泥沙最小进入量优化设计抽水排沙泵27的抽水速率。同时，利用抽水排沙泵27将进入的泥沙通过单向排沙孔30从井筒排出至海底，最小化海底污染。
开采过程中，为避免处于水合物层的管柱在生产过程中沉降，因此，在特殊管柱下部冷冻层26中，采用降低地层温度的原理，在下部管柱中注入液氮等降温流体或者采用冷却管柱进行降温，确保管柱下部水合物不分解，保证管柱稳定性。
钻井及排采过程以及海底监测信息可通过远程控制平台19实时监控，确保安全、高效钻采及生产。
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