一种天然气水合物的水平井开发方法与流程

1.本发明属于油气藏开发领域，具体地，涉及一种天然气水合物的水平井开发方法。


背景技术：

2.天然气水合物是一种新型非常规资源，由甲烷等烃类气体与水在高压低温条件下形成的白色结晶状化合物，又名“可燃冰”。通常一单位体积的天然气水合物分解可产生164-180单位体积的甲烷气体。天然气水合物资源主要分布在北极冻土带、印度洋、太平洋、北冰洋、大西洋等沿海大陆架300米-3000米水深的深水区，初步估计其资源量为常规油气的近百倍，其中约95％储存在深海区域。
3.在非成岩性储层或岩体框架强度不足的储层中，先开采再回填的方式无法有效降低储层坍塌的风险、不具备可行性，而无论在海洋或冻土环境下，地层坍塌引发的滑坡等地质现象都将造成严重的后果。因此，需要一种针对储层的预处理技术，在开发之前降低储层的坍塌风险，实现储层的有效动用。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种预防地层坍塌的天然气水合物的水平井开发方法。
5.为了解决上述技术问题，本技术的实施例首先提供了一种天然气水合物的水平井开发方法，该方法包括：在天然气水合物储层的上部钻取水平井，所述水平井的水平段的轨迹与所述储层的距离使彼此接近，但不引起所述储层的扰动；在所述水平井的水平段两侧开窗，钻取预设数量的侧向径向井，并对这些侧向径向井灌注混凝土，待混凝土固结后形成承载于储层下部隔层的人工骨架；在所述水平井的下部开窗，钻取垂向的径向井，以钻通整个储层；待对开采区的天然气水合物开发完成后，对所述开采区进行回填。
6.在一个实施例中，使用水力射流技术钻取侧向的径向井，所述射流初始位置为侧向水平方向向下设定角度，以保证水力喷射钻头保持斜下方向钻进。
7.在一个实施例中，在钻取所述侧向径向井的过程中，假设储层厚度为h，则当水力喷射钻头进尺达到acos-1α
×
h时完成侧向径向井的钻进，其中a为冗余倍数，α为射流初始位置的设定角度。
8.在一个实施例中，所述射流初始位置的设定角度α为45
°
，冗余倍数为1.5倍。
9.在一个实施例中，在水平段钻取侧向径向井的井间距根据所述储层的稳定程度来决定。
10.在一个实施例中，若储层岩层骨架强度高、稳定程度高，则增大径向井的井间距；若储层岩层骨架强度低或完全没有岩层骨架、稳定程度差，则减小径向井的井间距。
11.在一个实施例中，在储层岩层骨架强度高、稳定程度高时，所述径向井的井间距范围在50m～100m。
12.在一个实施例中，在储层岩层骨架强度低或完全没有岩层骨架、稳定程度差时，所
述径向井的井间距范围在10m～20m。
13.在一个实施例中，当采用井组开发时，对井组进行井排式布局或九点式布局，使各单井的侧向径向井所形成的人工骨架存在交叉。
14.在一个实施例中，所述水平井的水平轨迹与所述储层的距离范围为10m～20m。
15.与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
16.基于当前技术的不足，本发明实施例提供一种集储层预处理、开采、采后回填于一体的系统化方法，通过在储层内形成人工骨架增大储层岩体框架强度，同时，形成人工骨架的过程对储层的扰动小、风险低。当采用井组大规模开发时，人工骨架将形成系统的人工支撑系统，实现对储层的有效开发，有效降低了储层的坍塌风险。
17.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。
附图说明
18.附图用来提供对本技术的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本技术实施例的附图与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，但并不构成对本技术技术方案的限制。
19.图1为本技术实施例的在储层上部钻取水平井的示意图。
20.图2为本技术实施例的在水平井的水平段两侧钻取径向井的示意图，其中图2(a)为主视图，图2(b)为侧视图。
21.图3为本技术实施例的在水平井的底部钻取径向井的示意图，其中图3(a)为正视图，图3(b)为俯视图。
22.图4为本技术实施例的进行水平井井组开发时的侧向径向井交叉的示意图。(侧视图)
23.图5为本技术实施例的井排式井组布局的水平井井组的示意图。
24.图6为本技术实施例的九点式井组布局的水平井井组的示意图。
25.图7为本技术实施例的用于天然气水合物的水平井开发方法的流程图。
26.图中的标号表示如下：
①
表层(海洋或浮土层)；
②
储层上部的盖层；
③
天然气水合物储层；
④
储层下部的隔层；
⑤
水平井；
⑥
侧向径向井；
⑦
垂向径向井；
⑧
可安全开发的区域；
⑨
井平台。
27.主视图：从竖直井筒轴向截面方向看去的图示。
28.俯视图：从井口方向看去的图示。
29.侧视图：从竖直井筒与水平井筒共同的轴向截面方向看去。
具体实施方式
30.以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本技术实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案
均在本发明的保护范围之内。
31.本技术的发明人通过对现有技术进行研究发现：目前，针对天然气水合物的各类开发方法或装置等技术方案主要聚集于具体的开发方式上，仍为降压式、升温式、置换式、固体破碎式等主流思路的具体工艺形式，而其中针对开采造成的地层亏空仅有“回填”一种方式，且其可操作性仍有待论证。例如，在现有的技术方案一中，通过在井周形成泡沫砂浆旋喷桩提高近井带储层的稳定性，其功效集中于针对单井的井壁稳定；在现有的技术方案二中，通过注采井组依次引入三种流体，实现对储层内天然气的置换，同时实时回填了开采天然气形成的亏空；在现有的技术方案三中，以直井为核心，在储层的上下部分别钻取径向井，并通过油管、套管两套回路实现同直井内储层上下部分径向井的驱替、置换循环开采，同时依靠混凝土固井工艺实现井壁的稳定性；在现有的技术方案四中，通过井组协同生产的方式，按预定的工序依次进行开采、回填，实现对储层的动用，同时保证储层的稳定性；在现有的技术方案五中，通过在储层内钻取水平井后沿侧向喷射发泡水泥形成蜂窝状结构为水平井及地层提供支撑，实现井壁稳定；在现有的技术方案六中，通过在直井侧向钻取小井眼获得更大的储层接触面积，同时携带滤砂网进入小井眼实现防砂，有效提高开发效果。然而，在非成岩性储层或岩体框架强度不足的储层中，先开采再回填的方式无法有效降低储层坍塌的风险、不具备可行性，而无论在海洋或冻土环境下，地层坍塌引发的滑坡等地质现象都将造成严重的后果。
32.图7为根据本发明实施例的天然气水合物的水平井开发方法的流程图。下面参考图7来说明本技术实施例的各个步骤。
33.如图7所示，在步骤s110中，在天然气水合物储层的上部钻取水平井，其中，水平井的水平段的轨迹与储层的距离使彼此接近，但不引起储层的扰动。
34.图1为本技术实施例的在储层上部钻取水平井的示意图。如图1所示，在天然气水合物储层
③
的上部钻取水平井
⑤
，该水平井
⑤
穿过表层
①
(海洋或浮土层)进入储层上部的盖层
②
，该水平井的水平段轨迹尽量靠近储层
③
，但不应引起储层
③
的扰动，优选地，水平井的水平轨迹与储层的距离范围为10m～20m。
35.在步骤s120中，在水平井的水平段两侧开窗，钻取预设数量的侧向径向井，并对这些侧向径向井灌注混凝土，待混凝土固结后形成承载于储层下部隔层的人工骨架。在一个实施例中，使用水力射流技术钻取侧向的径向井，射流初始位置为侧向水平方向向下设定角度，以保证水力喷射钻头保持斜下方向钻进。
36.需要说明的是，在钻取侧向径向井的过程中，假设储层厚度为h，则当水力喷射钻头进尺达到acos-1
α
×
h时完成侧向径向井的钻进，其中a为冗余倍数，α为射流初始位置的设定角度。例如，在上面例子中，在侧向水平方向向下钻进的设定角度α为45
°
时，则当水力喷射钻头进尺达到cos-1
45
°×
h时认为钻头抵达底部隔层，考虑1.5倍的冗余，认为当钻头进尺达到1.5
×
cos-1
45
°×
h即l＝2.12
×
h时完成径向井的钻进。
37.由于钻头钻进的过程中存在循环压力，天然气水合物不会发生相态变化，因此可对钻取的径向井眼形成有效支撑。当径向井钻进结束后，收回水力喷射钻头的同时能够通过喷射钻头注入混凝土，那么至水力喷射钻头回收成功后，其钻取的径向井充满混凝土。在水平井内封堵该层，上提作业工具来钻取上一层径向井，依次循环直至水平井全井段完成侧向径向井的钻取和灌装混凝土，等待混凝土完全固结即可。在对某一层进行径向井施工
后需要对该层进行封堵的原因在于：水平井水平段由趾端向跟端分为多个层段，单次只能针对单一层段进行施工、并按照由趾端向跟端的施工顺序依次施工，作业工具逐步上提。上提后，已施工的层段因为已经存在径向井需要进行封堵隔离，否则上一层段施工容易泄压导致不能顺利进展，通常通过连续油管携带底部封隔器实现对已施工层段的封堵隔离。
38.需要说明的是，在水平段钻取侧向径向井的井间距由储层的稳定程度决定。若储层岩层骨架强度较高、稳定程度较高，可适当增大径向井的井间距，如设定井间距范围为50m～100m；若储层岩层骨架强度较低或完全没有岩层骨架、稳定程度差，则适当减小径向井的井距，如设定井间距范围为10m～20m。容易理解，侧向径向井的井间距可以根据实际情况进行设计，不限定于上述这两个例子。
39.图2为本技术实施例的在水平井的水平段两侧钻取径向井的示意图，其中左侧图片图2(a)为主视图，右侧图片图2(b)为侧视图。如图2(a)所示，在水平段的两侧钻取了多个侧向径向井
⑥
，这些径向井沿水平方向间隔一定间距设置，这些侧向径向井
⑥
穿过天然气水合物储层
③
，进入储层下部的隔层
④
。从图2(b)的侧视图来看，当混凝土完全固结后，在储层内形成了由侧向径向井
⑥
构成的人工骨架(支撑结构体)，可对上部的储层形成有效支撑，在人工骨架下部形成了安全的开采区
⑧
。
40.在步骤s130中，在水平井的下部开窗，钻取垂向的径向井，以钻通整个储层。
41.如图3(a)所示，在水平井下部(如水平段的下部)开窗，钻取垂向径向井
⑦
，该垂向径向井
⑦
钻通整个储层
③
，进入储层下部的隔层
④
。此时水平井
⑤
通过垂向径向井
⑦
与开采区
⑧
沟通，可进行天然气水合物的开采。在水平井的底部钻取径向井的最终结果，也可参考图3(b)所示的俯视图。
42.在步骤s140中，待对开采区的天然气水合物开发完成后，对所述开采区进行回填。
43.具体地，在开采区开发完毕后，对开采区进行回填，避免后期人工骨架失效造成坍塌。
44.需要说明的是，上述步骤s110～s140是针对单井的开发，在其他实施例中，在单井的开发基础上可进行井组布局。
45.如图4所示，该图中显示了多个单井构成的井组的侧视图，每个单井的水平段都钻取了多个侧向径向井，且这些侧向径向井构成的人工骨架存在交叉。根据研究发现，当这些侧向径向井所构成的人工骨架存在交叉时，利于提高整体对储层的支撑效果，进一步地降低地层坍塌的风险。在一个优选的例子中，在进行井组布局时，可以选择俯视上如图5显示的井排式布局，此种井排式布局方法一方面可以提高对储层的动用程度，即提高采收率，另一方面通过井排的交叉式布局可以对储层整体形成良好的支撑。此外，也可以设置为俯视上如图6所示的九点式布局，如图6所示，九点法以任一单井为中心井时，其四周均匀分布另外的八口井。九点法比井排式布井更为紧凑。通过该布局可实现对储层的整体交叉式支撑，同时可以保证采收率或开采效果。
46.综上所述，本发明实施例能够带来如下技术效果方面：(1)传统的钻井停止于储层上部的盖层，同时在井底采用水射流技术向斜下方钻进，钻穿整个储层，相比传统钻井钻穿储层，该方法对储层的扰动小，造成储层不稳定的概率小，整体施工风险低；(2)钻穿储层的径向井在回收水力喷射钻头的同时注入混凝土，待其固结后形成了承载于储层下部隔层的框架式结构，即人工骨架，一方面提高了储层的整体强度，降低了储层的坍塌风险，另一方
面于人工骨架包覆的下部形成了安全的开采区，下部开采区形成的亏空由人工骨架支撑，同时将支撑的载荷转移到了下部隔层，为采后回填创造了时间；(3)当以井组开发时，各单井所形成的人工骨架互相交错，利于进一步提高储层的整体稳定性，同时利于增大安全开采区的范围，提高采出程度和经济效益。
47.应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
48.说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
49.虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。