一种含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备及方法与流程

本发明涉及海洋油气开采技术领域，特别涉及一种含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备及方法。

背景技术：

随着海洋油气及水合物勘探开领域和施工范围的不断扩大，含浅层气和天然气水合物区域的开发力度越来越大，勘探开发施工过程中遇到的风险也越来越大。

浅层气或天然气水合物资源占油气总资源的45％，覆盖区域广泛，在我国沿海的油气资源地区都会遇到浅层气或天然气水合物，增加了油气勘探开发的难度和风险，对相关区域的油气勘探开发构成了较大的威胁。

这种严峻的形势迫使必须加快研发适合我国含浅层气和天然气水合物区域的钻井装备及技术，以满足我国海洋油气地层勘探开发的需求。

因此，如何实现在含浅层气或天然气水合物区域的地层钻井，以加快含浅层气或天然气水合物区域的地层油气勘探开发，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备，以实现在含浅层气或天然气水合物区域的地层钻井，加快含浅层气或天然气水合物区域的地层勘探开发。本发明还提供了一种含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备，包括钻井平台、带喷射钻具的表层套管和舱体型导向基座，

所述表层套管为刚性表层套管，所述表层套管的下端设置所述喷射钻具，所述表层套管在重力作用下利用喷射下套管技术下入在含浅层气或天然气水合物区域地层内钻设的直井筒；

所述舱体型导向基座包括：

舱体型防喷罩，所述舱体型防喷罩的上端为封闭端，所述舱体型防喷罩的封闭端设置有多个用于安装表层套管的安装孔，所述表层套管与所述安装孔密封连接，所述舱体型防喷罩的下端为开放端，所述舱体型防喷罩通过所述开放端罩设在所述含浅层气或天然气水合物区域的地层上，所述舱体型防喷罩通过输气管路与所述钻井平台连接；

胶囊型底座，所述胶囊型底座与所述舱体型防喷罩的开放端连接且沿所述舱体型防喷罩的开放端设置，所述胶囊型底座内能够充入海水、气体或水泥浆，所述胶囊型底座能够与所述含浅层气或天然气水合物区域的地层接触用于密封所述舱体型防喷罩的开放端与所述天然气水合物地层之间的缝隙同时使所述舱体型防喷罩沉在所述含浅层气或天然气水合物区域的地层上。

优选的，在上述含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备中，所述舱体型防喷罩内设置有蹼型防喷器，所述蹼型防喷器位于所述舱体型防喷罩内且与所述舱体型防喷罩连接，

所述蹼型防喷器包括法兰底座、多个莲瓣形防喷瓣和多个蹼型防喷瓣，所述法兰底座与所述舱体型防喷罩的内壁连接，多个所述莲瓣形防喷瓣和多个所述蹼型防喷瓣沿着所述法兰底座的周向设置且所述莲瓣形防喷瓣和所述蹼型防喷瓣间隔排布，多个所述莲瓣形防喷瓣和多个所述蹼型防喷瓣的一端与所述法兰底座通过弹性铰链连接，多个所述莲瓣形防喷瓣和多个所述蹼型防喷瓣远离所述法兰底座的一端为自由端，所述蹼型防喷瓣的自由端能够沿所述法兰底座的周向方向发生收缩，带动与所述蹼型防喷瓣连接的所述莲瓣形防喷瓣的自由端沿着垂直于所述法兰底座的轴线方向运动，多个所述莲瓣形防喷瓣和多个所述蹼型防喷瓣能够在所述弹性铰链的回复力所述舱体型防喷罩内气体压力的作用下与表层套管的外壁贴合。

优选的，在上述含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备中，所述莲瓣形防喷瓣的个数至少为四个，所述蹼型防喷瓣的个数至少为四个，所述蹼型防喷瓣的数量至少与所述莲瓣形防喷瓣的数量相等，或者，所述蹼型防喷瓣的数量是所述莲瓣形防喷瓣的数量的两倍，相邻两个所述莲瓣形防喷瓣之间设置两个所述蹼型防喷瓣。

优选的，在上述含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备中，所述莲瓣形防喷瓣为金属防喷瓣，所述蹼型防喷瓣为橡胶防喷瓣。

优选的，在上述含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备中，所述固定座与所述防喷罩之间设置有密封圈。

优选的，在上述含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备中，所述密封圈的个数至少为两个。

优选的，在上述含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备中，所述舱体型防喷罩为棱柱形舱体型防喷罩，所述胶囊型底座沿所述舱体型防喷罩的开放端设置，所述胶囊型底座的数量与所述舱体型防喷罩的棱边的数量相等。

一种含浅层气或天然气水合物区域的地层钻井方法，采用上述任意一个方案中记载的所述的含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备对含浅层气或天然气水合物区域的地层内钻井，包括步骤：

1)将舱体型导向基座安置在规定井位，并建立浮标；

2)将钻井平台漂浮置于舱体型导向基座的上方就位，通过牵引链条连接所述钻井平台与所述舱体型导向基座，使所述钻井平台维持一定的吃水深度；

3)连接所述舱体型导向基座(2)与所述钻井平台(1)之间的输气管线及电缆；

4)向所述舱体型导向基座的胶囊型底座内注入海水或者气体，调整所述舱体型导向基座与含浅层气或天然气水合物区域的地层之间的密封；

5)将带喷射钻具的表层套管通过蹼型防喷器送入舱体型导向基座内，带喷射钻具的所述表层套管在含浅层气或天然气水合物区域内钻设直井筒地层；

6)将带喷射钻具的表层套管钻设至预设深度后，停止喷射钻具钻进，可通过注水泥的方式，封固所述表层套管与所述井筒之间的环空；

7)完成布置在所述舱体型导向基座上所有井筒的钻井施工后，可向所述胶囊型底座内注入可凝固的水泥浆，提高舱体型导向基座的稳固性及其对井筒的和水下生产设施的支撑能力。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备，包括钻井平台、带喷射钻具的表层套管和舱体型导向基座。其中，表层套管为刚性表层套管，能够抵抗井筒附近地层施加的压力，不会发生变形；带喷射钻具的表层套管通过蹼型防喷器进入舱体型导向基座，采用喷射下表层套管技术同时利用表层套管自身的重力进入含浅层气或天然气水合物区域的地层井筒内，实现在井筒钻进的同时下入表层套管，解决了含浅层气或天然气水合物区域的地层的成井和表层套管下入困难的问题；同时喷射下表层套管作业结合舱体型导向基座，舱体型导向基座在含浅层气或天然气水合物区域的地层上形成一个独立的空间，减小因钻井引起的地层滑坡，保证钻井作业的顺利进行。本方案公开的含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备能够保证钻井作业在含浅层气或天然气水合物区域的地层内顺利钻进，同时舱体型导向基座内聚集作业过程中产出的气体，减小舱体型导向基座罩设范围内浅层气或天然气水合物向海水中的溢出及分解释放，有益于降低井壁坍塌，保证深海区域油气勘探开发的顺利进行。

本方案还公开了一种含浅层气或天然气水合物区域的地层的钻井方法，利用上述任意一个方案中记载的含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备进行开采。由于含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备具有上述技术效果，采用该含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备的含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井方法也具有同样的技术效果，在此不再赘述。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例提供的含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备的结构示意图；·

图2为本发明实施例提供的舱体型导向基座的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的旋转防喷器和蹼型防喷器与舱体型防喷罩连接的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的防喷器的仰视图。

1、钻井平台，2、舱体型导向基座，21、舱体型防喷罩，22、胶囊型底座，3、蹼型防喷器，31、法兰底座，32、莲瓣形防喷瓣，33、蹼型防喷瓣，4、表层套管，5、旋转防喷器。

具体实施方式

本发明公开了一种含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备，以实现深海区域的油气勘探开发。本发明还提供了一种含浅层气或天然气水合物区域的地层的钻井方法。

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。

请参阅图1-4。

本发明公开了一种含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备，适用于含浅层气或天然气水合物区域的地层的钻井。

本方案公开的含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备包括钻井平台1、带喷射钻具的表层套管4和舱体型导向基座2。

由于滑坡形成的快速沉积或者浊流沉积，加上陆坡上沉积物形成了厚、松软、高含水和未胶结的地层，导致含浅层气或天然气水合物区域的地层钻井受到不稳定的海床的影响较大，为含浅层气或天然气水合物区域的地层的钻井带来了很大的难度。本方案通过喷射下套管与舱体型导向基座配合，有效封闭隔离浅层气的不受控释放，实现含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备在含浅层气或天然气水合物区域的地层的顺利钻进。

钻井平台1能够漂浮在海面上，带喷射钻具的表层套管4位于钻井平台1上，同时钻井平台1还为工作人员提供工作平台和生活平台。

钻井平台1上还设置有天然气储存装置，天然气储存装置用于处理、压缩和贮存开采过程中产生的气体。

本方案中表层套管4为刚性管，能够抵抗含浅层气或天然气水合物区域的地层施加的压力，且不易发生变形。表层套管4的下部设置有喷射钻具。

表层套管4插入舱体型导向基座的安装孔内，表层套管4通过喷射钻具在舱体型导向基座覆盖的含浅层气或天然气水合物区域的地层内钻设直井筒。

钻井时，先将舱体型导向基座2安置在规定井位，将钻井平台1漂浮置于舱体型导向基座2的上方，连接钻井平台1与舱体型导向基座2之间的气体通道、动力电缆、控制电缆，然后向舱体型导向基座2的胶囊型底座22内注入海水，使舱体型导向基座2能够在含浅层气或天然气水合物区域的海底泥面上以设计的稳定姿态就位，同时实现舱体型导向基座2与海底泥面之间的密封，将表层套管4通过安装孔插入舱体型导向基座2内，带喷射钻具的表层套管4对舱体型导向基座2覆盖的含浅层气或天然气水合物区域的地层内钻设直井筒，表层套管4在水射流和自身重力的作用下钻设直井筒，在钻至预设深度后，停止表层套管4的钻进和下入，并可利用常规的固定方式封固表层套管4和井筒间的环形空间，完成表层套管在含浅层气或天然气水合物区域的地层的钻进施工。

此处还需要说明的是，表层套管4与所形成的井筒是被舱体型导向基座2密闭包裹的，浅层井筒形成过程中产生的浅层气被限制密封在舱体型导向基座2内，只能通过设定的气体通道输送到水面的钻井平台1进行处理，不能自由从海底向海面溢出，实现了该专利在用于浅层钻井时的安全功能。

舱体型导向基座2用于保证表层套管4在含浅层气或天然气水合物区域的地层内进行顺利钻井，减少因钻井引起井壁坍塌和地层滑坡。

在本方案的一个具体实施例中，舱体型导向基座2包括舱体型防喷罩21和胶囊型底座22。

舱体型防喷罩用于在含浅层气或天然气水合物区域的地层上形成一个封闭空间，胶囊型底座用于增大舱体型导向基座的整体质量和舱体与泥面的密封，舱体型防喷罩沉放在所述含浅层气或天然气水合物区域的海底泥面上。

舱体型防喷罩21为罩体结构，能够罩设在待钻井的含浅层气或天然气水合物区域的海底泥面上，罩体结构的上端为封闭端，罩体结构的下端为开放端。舱体型防喷罩21的封闭端能够防止内部的天然气溢出舱体型防喷罩21，舱体型防喷罩21的开放端能够实现舱体型防喷罩21的腔体与海底地层的连通。

舱体型防喷罩为具有一定强度和抗压能力的舱体型防喷罩，保证能够在含浅层气或天然气水合物区域的地层上形成一个具有一定面积的封闭空间。

自含浅层气或天然气水合物区域的地层产出和/或溢出的气体会聚集在舱体型防喷罩内，减小舱体型导向基座2罩设范围内深水天然气水合物地层上方的压力变化，有益于降低井壁坍塌；同时如果在钻采过程中发生井壁坍塌，造成浅层气和/或天然气水合物发生大范围溢出和/或分解，溢出和/或分解出的气体也会聚集在舱体型导向基座的舱体型防喷罩内，避免气体向海水中的自由溢出扩散。

聚集在舱体型导向基座内的气体再通过管路输送至钻井平台1。

胶囊型底座22设置在舱体型防喷罩21的开放端，胶囊型底座22能够与海底泥面紧密贴合，用于实现舱体型防喷罩21与海底泥面之间的密封。胶囊型底座22为中空结构，其内部能够充入海水或者气体或者能够在短时间内凝固的液体，通过向胶囊型底座22内注入上述物质来调节胶囊型底座22的重量，保证舱体型防喷罩21能够位于地层上且保证舱体型防喷罩21与海底泥面之间的密封效果。优选的，舱体型导向基座2的重量一般不小于2000吨。

舱体型导向基座2坐落在地层上，油井钻井施工完成后，可在胶囊型底座22内注入水泥浆，以提高舱体型导向基座2对井口的支撑作用，同时能够稳定舱体型导向基座2覆盖范围内的地层，防止水下井口因长期生产造成下陷。

本方案公开的含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备，包括钻井平台1带喷射钻具的表层套管4和舱体型导向基座2。本方案中带喷射钻具的表层套管4通过安装孔插入舱体型导向基座2内，对舱体型导向基座2覆盖范围内的地层利用喷射下表层套管4技术钻井，表层套管4通过水射流和表层套管4的重力随喷射钻具下入井筒内，舱体型导向基座2对罩设范围内的地层进行隔离和支撑作用，实现钻井和下表层套管4的同时进行，完成在地层内的钻井操作，实现在含浅层气或天然气水合物区域的地层的钻井，提高含浅层气或天然气水合物区域的地层的钻井安全。

为了进一步优化上述技术方案，本方案公开的含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备还包括蹼型防喷器3，用于实现表层套管4与安装孔之间的密封，有效控制舱体型防喷罩21内的气体溢出至海水中，蹼型防喷器3位于舱体型防喷罩21内，表层套管4穿过蹼型防喷器3插入舱体型防喷罩21内。

在本方案的一个具体实施例中，蹼型防喷器3包括法兰底座31、多个莲瓣形防喷瓣32和多个蹼型防喷瓣33。

具体的，法兰底座31与舱体型防喷罩21的内部连接，法兰底座31与旋转防喷器5同轴布置。优选的，为了保证法兰底座31与舱体型防喷罩21之间的密封连接，法兰底座31与舱体型防喷罩21之间设置有密封垫。

多个莲瓣形防喷瓣32和多个蹼型防喷瓣33沿着法兰底座31的周向设置，且莲瓣形防喷瓣32和蹼型防喷瓣33间隔排布，即法兰底座31的周向上依次设置莲瓣形防喷瓣32、蹼型防喷瓣33、莲瓣形防喷瓣32、蹼型防喷瓣33、……、莲瓣形防喷瓣32和蹼型防喷瓣33。

莲瓣形防喷瓣32的尺寸较大的一端与法兰底座31通过弹性铰链连接，莲瓣形防喷瓣32的尺寸较小的一端为自由端，能够与表层套管4的外壁贴合，莲瓣形防喷瓣32不能发生沿法兰底座31的周向方向的伸缩，仅能发生沿垂直于法兰底座31的轴线方向的运动；蹼型防喷瓣33的一端与法兰底座31通过铰链连接，蹼型防喷瓣33的另一端为自由端，蹼型防喷瓣33的自由端或者蹼型防喷瓣33整体能够发生沿法兰底座31的周向方向的伸缩，且蹼型防喷瓣33的自由端能够与表层套管4的外壁贴合，蹼型防喷瓣33不仅能够发生沿法兰底座31的周向方向的伸缩，而且能够沿垂直于法兰底座31的轴线方向的运动。

蹼型防喷瓣33能够沿着法兰底座31的周向方向伸展或者收缩，对莲瓣形防喷瓣32施加一个向着表层套管4的轴线方向运动的力，保证莲瓣形防喷瓣32能够与表层套管4的外壁贴合。

蹼型防喷瓣33的自由端和莲瓣形防喷瓣32的自由端之间形成用于供表层套管4穿过的孔，表层套管4通过蹼型防喷瓣33的自由端和莲瓣形防喷瓣32的自由端形成的孔，将蹼型防喷瓣33撑开，向莲瓣形防喷瓣32施加一个向着远离表层套管4的轴线方向运动的力，使蹼型防喷瓣33的自由端和莲瓣形防喷瓣32的自由端之间形成的孔的孔径变大，同时弹性铰链向莲瓣形防喷瓣32和蹼型防喷瓣33施加一个向着靠近表层套管4的轴线方向运动的力，莲瓣形防喷瓣32与表层套管4的外壁贴合，同时蹼型防喷瓣33的自由端也与表层套管4的外壁贴合。

本方案公开的蹼型防喷器3为低压差蹼型防喷器，能够在舱体型导向基座2内低压力气体的作用下实现对表层套管4的外壁的密封。

本方案中蹼型防喷器3上设置有多个莲瓣形防喷瓣32和多个蹼型防喷瓣33。

在本方案的一个具体实施例中，莲瓣形防喷瓣32的个数至少为四个，蹼型防喷瓣33的个数至少为四个，莲瓣形防喷瓣32和蹼型防喷瓣33的数量相等，莲瓣形防喷瓣32与蹼型防喷瓣33间隔排布；

在本方案的另一个具体实施例中，蹼型防喷瓣33的数量是莲瓣形防喷瓣32的数量的两倍或者其他整数倍，相邻两个莲瓣形防喷瓣32之间设置两个或者其他整数个蹼型防喷瓣33，相邻的两个蹼型防喷瓣33相互连接。

在本方案的一个具体实施例中，莲瓣形防喷瓣32为金属防喷瓣，蹼型防喷瓣33为橡胶防喷瓣。金属防喷瓣与橡胶防喷瓣配合，既保证了蹼型防喷器3的密封性，也保证了蹼型防喷器3的强度。

为了提高固定座31与防喷罩32之间的密封性，本方案在固定座31与防喷罩32之间设置有密封圈。优选的，密封圈为橡胶密封圈。

在本方案的一个具体实施例中，密封圈的个数至少为两个，且相邻两个密封圈沿固定座31的轴线方向设置。

在本方案的一个具体实施例中，舱体型防喷罩21为棱柱形舱体型防喷罩，相应的，胶囊型底座22沿着棱柱形舱体型防喷罩的端面设置，胶囊型底座22的数量与棱柱形舱体型防喷罩的棱边的数量相等。

胶囊型底座22沿着舱体型防喷罩21的开放端的形状进行设置，胶囊型底座22整体组成环形结构，胶囊型底座22个数为多个，但是同一舱体型防喷罩21相邻的胶囊型底座22之间做密封处理，即相邻胶囊型底座22之间不连通，通过向不同位置的胶囊型底座22内注入不同体积的海水，以调节舱体型导向基座2的姿态，从而调节舱体型导向基座2不同位置与地层之间的密封效果。

在本方案的一个具体实施例中，如图2所示，舱体型防喷罩21为六棱柱形舱体型防喷罩，相应的，胶囊型底座22的个数为六个，相邻胶囊型底座22之间密封连接，使用时可以根据需要向对应的胶囊型底座22内注入液体或者气体，调整舱体型导向基座2与天然气水合物地层之间的密封度以及舱体型导向基座2的姿态。完井后通过向胶囊型底座22内注入可快速凝固的介质，增加舱体型导向基座2的支撑力，有益于降低舱体型导向基座2受生产和浅层流体的影响，避免井筒下沉及井口失稳。

本方案还公开了一种含浅层气或天然气水合物区域的地层的钻井方法，利用上述任意一个方案中记载的含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备进行钻井。由于含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备具有上述技术效果，采用该含浅层气或天然气水合物区域地层的钻井设备的含浅层气或天然气水合物区域的地层的钻井方法也具有同样的技术效果，在此不再赘述。

含浅层气或天然气水合物区域的地层的钻井方法包括步骤：

1)将舱体型导向基座2安置在规定井位，并建立浮标；

2)将钻井平台1漂浮置于舱体型导向基座2的上方就位，通过牵引链条连接钻井平台1与舱体型导向基座2，使钻井平台1维持一定的吃水深度；

3)连接钻井平台1与舱体型导向基座2之间的输气管线及电缆；

4)向舱体型导向基座2的胶囊型底座22内注入海水或者气体，调整舱体型导向基座2与含浅层气或天然气水合物区域的地层之间的密封；

5)将带喷射钻具的表层套管通过蹼型防喷器3送入舱体型导向基座2内，带喷射钻具的表层套管在含浅层气或天然气水合物区域地层内钻设直井筒；

6)将带喷射钻具的表层套管4钻设至预设深度后，停止喷射钻具钻进，可通过注水泥的方式，封固表层套管4与井筒之间的环空；

7)完成布置在所述舱体型导向基座上所有井筒的钻井施工后，可向胶囊型底座22内注入可凝固的水泥浆，提高舱体型导向基座2的稳固性及其对井筒的和水下生产设施的支撑能力。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。