欠平衡反循环条件下水合物固态流化开采方法及系统与流程

本发明涉及非常规油气资源开发技术领域，特别是基于欠平衡反循环条件下天然气水合物固态流化开采方法及系统。

背景技术

天然气水合物是由水和天然气在高压、低温环境下生成的非化学计量性笼状晶体，是一种高密度、高热值的非常规能源，天然气水合物（以下简称水合物）作为一种新型的清洁能源一直备受关注，全球海洋水合物储量保守估计总量达2.83×10¹⁵m³，约是陆地资源量的100倍，它被认为是21世纪最有潜力的接替能源。国土资源部等部门勘探我国远景资源量约为680×10⁸t。

针对海洋水合物的开采，常规方法采用降压、注热、注剂、置换等方式使水合物在井底释放出天然气并采出，此类方法的基本原理为：通过降压、注热、注剂、置换等技术手段使水合物分解成天然气，然后再以开采常规天然气的方式开采水合物分解的天然气。采用降压、注热、注剂、置换等方法开采水合物过程中，水合物分解产生的砂粒被天然气携带进入井筒，进而造成井底出砂的井筒安全问题。储层水合物分解后，储层原有的骨架结构发生溃散，地层应力场发生改变，从而造成井筒及储层坍塌、开采设备被埋等生产控制风险。水合物分解出大量的天然气，天然气沿地层孔隙通道透过地层，逸出海面进入大气层，造成各种环境风险。水合物常规开采方法而所面临的井筒安全、生产控制、环境风险等问题极为严重，迫切需要一种开采方法能够解决海洋天然气在开采过程中所面临的这类问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种绿色环保、高效、安全、经济的欠平衡反循环条件下天然气水合物固态流化开采方法及开采系统。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

欠平衡反循环条件下水合物固态流化开采方法，主要包括以下步骤：

s1、前期施工过程：采用常规钻井方式一开钻井，并形成一开井筒，下入导管，一开井筒与导管环空内注水泥后形成水泥环，在导管上安装封隔器；

s2、钻领眼井施工过程：当导管和封隔器安装好后，下入油管，采用欠平衡钻井方式，根据轨迹设计要求完成钻领眼井，完钻后取出钻头；

s3、反循环射流碎化过程：再次向井眼内下入油管并注入海水，对水合物储层进行高压射流碎化，碎化形成的水合物颗粒及泥沙存储在射流形成的腔体内；

s4、欠平衡反循环回收碎化物过程：向领眼井内注入海水与天然气混合流体，并在井底形成欠压，s2中形成的碎化物经过初步分离后，水合物颗粒和部分泥沙随着混合流体被采出，另一部分泥沙则回填至井底，且被采出的含水合物颗粒和泥沙的混合流经过分离得到天然气、海水和泥沙；

s5、当s3过程进行一段时间后，再执行s2过程，这样重复进行反循环射流碎化过程和欠平衡反循环回收碎化物过程，直至设计井深；

s6、泥沙回填过程：向领眼井注入被采出的泥沙和海水，在井底形成一定的超压，实现泥沙在开采层的回填，同时向上缓慢拖动油管，最终完成整个井筒的泥沙回填。

为了实施上述的方法，本发明还提供了欠平衡反循环条件下水合物固态流化开采方法的开采系统，该系统主要由地面设备系统和水下系统两部分组成：

地面系统主要包括所述地面设备系统包括钻机、地面分离系统、液化系统、天然气液化气罐、海洋平台、加砂罐、注气罐、增压泵、海水注入管线和海水泵，所述钻机安装在海洋平台上，所述天然气液化气罐、天然气连接管、液化系统和地面分离系统依次连接，所述地面分离系统连接到水下系统，所述增压泵连接注气罐，所述海水泵、注气罐、加砂罐分别接入海水注入管线，海水注入管线上安装有阀门g，所述海水注入管线连入水下系统；所述水下系统包括连续油管外管、连续油管内管、钻头、水下分离器、射流短接、领眼、旋转导向系统和领眼钻头，所述连续油管内管设置于连续油管外管内，所述连续油管内管下端在所述钻领眼井施工过程中连接有旋转导向系统，所述旋转导向系统下端连接有领眼钻头，所述连续油管内管、连续油管外管在反循环射流碎化过程、欠平衡反循环回收碎化物过程和泥沙回填过程中分别连接与射流短接内外管连接，所述射流短接下端与水下分离器连接，所述水下分离器下端与钻头连接。

本方案进一步优选的方案中，所述天然气液化气罐通过液化系统与天然气液化气罐连接管与所述液化系统连接，阀门c安装在所述液化系统与天然气液化气罐连接管上，液化系统与地面分离系统通过分离系统与液化系统连接管相连接，阀门b安装在分离系统与液化系统连接管上。

本方案进一步优选的方案中，在所述的反循环射流碎化过程、欠平衡反循环回收碎化物过程和泥沙回填过程中，所述地面分离系统通过海水回收管线与连续油管内管的入口相连接，所述海水回收管线上安装有阀门a，所述海水泵出口端连接海水注入管线，海水注入管线另一端与连续油管外管出口连接。

本方案进一步优选的方案中，在所述的钻领眼井施工过程中，地面分离系统通过海水回收管线与连续油管外管出口相连接，所述海水泵出口端连接海水注入管线，所述海水注入管线另一端与连接油管内管的入口连接。

本方案进一步优选的方案中，所述海水泵入口端连接海水吸入管，所述海水吸入管中间通过加砂管线与加砂罐连接，所述加砂管线中间安装有阀门d。

本方案进一步优选的方案中，所述增压泵和所述注气罐之间通过增压泵与注气罐连接管连接，且所述增压泵与注气罐连接管上设置有阀门f，所述注气管的出口端与注气管线连接，所述注气管线上设置有阀门e且接入海水注入管线。

本方案进一步优选的方案中，所述水下系统还包括封隔器、导管、水泥环和一开井筒，所述封隔器安装在所述导管上，所述导管与所述一开井筒通过水泥环固结，所述连续油管外管和连续油管内管穿过封隔器和导管进入水合物储层。

本发明具有以下优点：本发明欠平衡反循环固态流化开采方法，利用固态流化开采、地面分离储存和泥沙回填的方式，有效地解决了降压、注热、注剂、置换等天然气水合物常规开采方法等容易造成井筒及储层坍塌、开采设备被埋等生产风险，也解决了控制住水合物分解出的天然气逸出污染环境问题，使用本发明方法，能够实现海底弱胶结非成岩天然气水合物绿色环保、高效、安全、经济的开采。

附图说明

图1为基于欠平衡反循环条件下射流碎化、回收碎化及泥沙回填过程及系统示意图；

图2为钻领眼井施工过程示意图；

图中：1-钻机，2-注入接头，3-海水回收管线，4-阀门a，5-地面分离系统，6-分离系统与液化系统连接管，7-阀门b，8-液化系统，9-液化系统与天然气液化气罐连接管，10-阀门c，11-天然气液化气罐，12-海洋平台，13-海面，14-封隔器，15-导管，16-水泥环，17-一开井筒，18-地层，19-水合物储层，20-连续油管外管，21-连续油管内管，22-钻头，23-水下分离器，24-射流短接，25-腔体，26-注气管线，27-海水泵，28-海水吸入管，29-阀门d，30-加砂管线，31-加砂罐，32-阀门e，33-注气管，34-阀门f，35-海水注入管线，36-增压泵，37-阀门g，38-增压泵与注气罐连接管，39-连续油管内管入口，40-连续油管外管出口，41-领眼，42-旋转导向系统，43-领眼钻头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1~2所示，欠平衡反循环条件下水合物固态流化开采方法的开采系统，该开采系统主要由地面设备及水下系统组成：

地面设备系统包括：钻机1、注入接头2、海水回收管线3、地面分离系统5、液化系统8、天然气液化气罐11、海洋平台12、加砂罐31、注气罐33和增压泵36；

水下设备系统包括：连续油管外管20、连续油管内管21、钻头22、水下分离器23、射流短接24、领眼41、旋转导向系统42和领眼钻头43，且水下设备系统还包括封隔器14、导管15、水泥环16、一开井筒17。

钻机1安装在海洋平台12上，海洋平台12浮在海面13上，天然气液化气罐通过液化系统与天然气液化气罐连接管9与液化系统8连接，阀门c10安装在液化系统与天然气液化气罐连接管9的中间。液化系统8与地面分离系统5通过分离系统与液化系统连接管6相连接，阀门b7安装在分离系统与液化系统连接管6的中间。

反循环射流碎化、欠平衡反循环回收碎化及泥沙回填过程中，地面分离系统5通过海水回收管线3与连续油管内管21入口相连接，海水回收管线3中间安装有阀门a4，钻领眼井施工过程中，地面分离系统5通过海水回收管线3与连续油管外管20出口相连接。反循环射流碎化、欠平衡反循环回收碎化及泥沙回填过程中，海水泵27出口端连接海水注入管线35，海水注入管线35另一端与连续油管外管20出口连接，同时注入管线26中间安装阀门g37，连续油管外管20出口安装在注入接头2上，注入接头2安装在连续油管外管20上，钻领眼41井施工过程中，海水泵27出口端连接海水注入管线35，海水管线另一端与连续油管内管21入口连接。海水泵27入口端连接海水吸入管28，海水注入管线35另一端与连续油管内管21入口连接。海水泵27入口端连接海水吸入管28，海水吸入管28下端位于海面13以下，海水吸入管28中间通过加砂管线30和加砂罐31连接，加砂管线30中间安装阀门d29。增压泵36和注气罐33之间通过增压泵与注气罐连接管38连接，并在增压泵与注气罐连接管38中间安装阀门f34，注气罐33出口端与注气管线26连接，注气管线26中间安装阀门e32。

封隔器14安装在导管15上，导管15与一开井筒17通过水泥环16固结，在地层18内经一开钻进形成一开井筒17。连续油管外管20和连续油管内管21穿过封隔器14和导管15进入水合物储层19，连续油管内管21位于连续油管外管20内。

反循环射流碎化、欠平衡反循环回收碎化及泥沙回填过程中，连续油管内管21、连续油管外管20分别与射流短接24内外管连接，射流短接24下端与水下分离器23连接，水下分离器23下端与钻头22连接。

钻领眼井施工过程中，连续油管内管21下端连接旋转导向系统42，旋转导向系统42的下端连接领眼钻头43。

本发明中的欠平衡反循环条件下水合物固态流化开采方法，包括以下步骤：

s1、前期施工过程：采用常规钻井方式一开钻井，并形成一开井筒，下入导管，一开井筒与导管环空内注水泥后形成水泥环，在导管上安装封隔器；

s2、钻领眼井施工过程：当导管和封隔器安装好后，下入油管，采用欠平衡钻井方式，根据轨迹设计要求完成钻领眼井，完钻后取出钻头；

s3、反循环射流碎化过程：再次向井眼内下入油管并注入海水，对水合物储层进行高压射流碎化，碎化形成的水合物颗粒及泥沙存储在射流形成的腔体内；

s4、欠平衡反循环回收碎化物过程：向领眼井内注入海水与天然气混合流体，并在井底形成欠压，s2中形成的碎化物经过初步分离后，水合物颗粒和部分泥沙随着混合流体被采出，另一部分泥沙则回填至井底，且被采出的含水合物颗粒和泥沙的混合流经过分离得到天然气、海水和泥沙；

s5、当s3过程进行一段时间后，再执行s2过程，这样重复进行反循环射流碎化过程和欠平衡反循环回收碎化物过程，直至设计井深；

s6、泥沙回填过程：向领眼井注入被采出的泥沙和海水，在井底形成一定的超压，实现泥沙在开采层的回填，同时向上缓慢拖动油管，最终完成整个井筒的泥沙回填。

其具体实施过程如下：

前期施工过程：采用常规钻井方法进行一开钻井形成一开井筒17，然后下入导管15，一开井筒17与导管15环空内注水泥后形成水泥环16，在导管15上安装封隔器14。

钻领眼41施工过程：如图2所示，导管15及封隔器14安装完成后，下入连续油管外管20和连续油管内管21，连续油管内管21下端依次安装有旋转导向系统42、领眼钻头43，当领眼钻头43下至水合物储层19顶部时，停止下钻。由于导管15上安装有封隔器14，因此导管15和连续油管外管20之间的流道不再允许流体通过。然后，分别开启阀门a4、阀门b7、阀门c10、阀门e32、阀门f34及阀门g37，启动海水泵27、增压泵36、地面分离系统5及液化系统8，根据井底所需欠压，将注气罐33内的天然气经注气管线26进入海水注入管线35内，如图2中的黑色箭头所示，海水通过海水吸入管28进入海水泵27内，海水及天然气形成的混合流体依次经海水注入管线35、连续油管内管21入口及连续油管内管21后流至旋转导向系统42处，高压流体驱动旋转导向系统42旋转，旋转导向系统42带动领眼钻头43转动破碎水合物储层19，由于连续油管内管21内海水与天然气形成的混合流体在井底处的流压小于地层18压力，因此地层18不会发生井漏。从领眼钻头43内孔流出的混合流体沿连续油管内管21与连续油管外管20之间的环空上返至连续油管内管入口39，在上返连续油管内管39入口的过程中，碎化的水合物颗粒随温度的升高及压力的降低分解成天然气，混合流体经海水回收管线3进入地面分离系统5，通过地面分离系统5把海水、天然气、泥砂分离开来，分离出的天然气经分离系统与液化系统连接管6进入液化系统8，液化系统8液化后的液化天然气经液化系统与天然气液化气罐连接管9注入至天然气液化气罐11内，分离出的泥砂被填注至加砂罐31内，分离出的海水直接排放入海。混合流体沿连续油管内管21与连续油管外管20之间的环空上返的过程中，还有一部分沿连续油管外管20与领眼41之间的环空向上运移，由于封隔器14把上部流道关闭，流体运移至封隔器14下端时，被迫停止运移，因此流体仅能通过续油管内管与连续油管外管20之间的环空向上运移。在钻进领眼41的过程中，采用正循环欠平衡钻井方式并结合旋转导向技术进行，根据轨迹设计要求完成钻领眼工序，领眼41完钻后起钻。

反循环射流碎化过程:如图1所示，领眼井完钻后，下入连续油管外管20和连续油管内管21，连续油管内管21、连续油管外管20下端依次安装有射流短接24、水下分离器23及钻头22，当钻头22下至领眼41水平段入口处时，停止下钻，分别开启阀门a4、阀门b7、阀门c10及阀门f34，启动海水泵27，海水经海水吸入管28吸入至海水泵27内，如图1中的黑色箭头所示，依次经海水泵27出口、海水注入管线35及连续油管内管21与连续油管外管20之间的环空后流至射流短接24处，射流短接24对水合物储层19进行高压射流碎化，在射流碎化过程中缓慢向下运移射流短接24，形成腔体25。由于水合物储层19内地层压力小于射流短接24处的流压，导致井底漏失，碎化后的水合物颗粒、泥砂及海水混合物不返或小部分经钻头22内孔进入连续油管内管21后返至地面，碎化形成的水合物颗粒及泥砂存储在射流形成的腔体25内。

欠平衡反循环回收碎化物过程：如图1所示，射流短接24对水合物储层19进行高压射流碎化一段井深后，打开阀门e32及阀门f34，启动增压泵36，根据井底所需欠压，注气罐33内的天然气进入海水注入管线35内，如图1中的黑色箭头所示，随海水一同进入连续油管内管21与连续油管外管20之间的环空，海水与天然气混合流体流至井底后，在井底形成一定欠压，由于地层压力大于混合流体流动形成的井底流压，因此地层18不会发生井漏，混合流体通过射流短接24后，把腔体25形成的碎化物经钻头22的内孔携至水下分离器23，水下分离器23把混合物中的泥砂分理后回填至井底，经水下分离器23分离后的流体沿连续油管内管21上返至连续油管内管21入口，在上返连续油管内管21入口的过程中，碎化的水合物颗粒随温度的升高及压力的降低分解成天然气，混合流体经海水回收管线3进入地面分离系统5，通过地面分离系统5把海水、天然气、泥砂分离开来，分离出的天然气经分离系统与液化系统连接管6进入液化系统8，液化系统8液化后的液化天然气经液化系统与天然气液化气罐连接管9注入至天然气液化气罐11内，分离出的泥砂被填注至加砂罐31内，分离出的海水直接排放入海。腔体25内的碎化物通过欠平衡反循环回收完成后，再次进行反循环射流碎化过程，反循环射流碎化一段井深后进行欠平衡反循环回收碎化物过程，重复进行反循环射流碎化过程与反循环射流碎化过程，直至设计井深。

泥砂回填过程：如图1所示，在欠平衡反循环回收碎化物过程中，水下分离器23分离出的一部分泥砂直接回填海底，剩余部分泥砂经地面分离系统5分离出来，地面分离系统5分离的泥砂填注至加砂罐31内。当反循环射流碎化及欠平衡反循环回收碎化物至设计井深时，关闭阀门e32后停止运行增压泵36，打开阀门d29，在虹吸效应及重力作用下，加砂罐31内泥砂经加砂管线30进入海水吸入管28内，进入海水吸入管28内的泥砂随海水依次经海水泵27、海水注入管线35、连续油管内管21与连续油管外管20之间的环空及射流短接24流入腔体25内，由于海水中混有泥砂，连续油管内管21与连续油管外管20环空内的井底流压远大于水合物储层19的井底压力，因此会发生井漏，流体不会返至地面，从而实现泥砂在腔体25内的成功回填，在向腔体25回填泥砂的过程中，同时向上缓慢拖动连续油管内管21及连续油管外管20，最终实现整个井筒的回填。

本发明欠平衡反循环固态流化开采方法，利用固态流化开采、地面分离储存和泥沙回填的方式，有效地解决了降压、注热、注剂、置换等天然气水合物常规开采方法等容易造成井筒及储层坍塌、开采设备被埋等生产风险，也解决了控制住水合物分解出的天然气逸出污染环境问题，使用本发明方法，能够实现海底弱胶结非成岩天然气水合物绿色环保、高效、安全、经济的开采。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不同脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。