天然气水平井完井方法

摘要

本发明涉及一种天然气水平井完井方法。其技术方案是：包括采用大尺寸钻头一次性钻至目的井深形成大井眼，再利用水平井技术在天然气水合物储层中钻出多个水平分支井眼，最大程度地增加储层与井眼的接触表面积。有益效果是：避免或减少开采过程中的井下复杂情况，并可大幅度提高井眼的数量；井眼最大限度的增加天然气水合物藏的裸露面积和深度，大幅度提高采收率，并减少布井数量，减少开发投资；采用的窗口密封剂，也就是水泥浆体系稳定，强度发展快，稠化时间可调，可有效防止水合物层密封浅层水‑气窜，具有良好的施工性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种非常规天然气工程领域，特别涉及一种天然气水平井完井方法。

背景技术

天然气水合物主要分布于深海浅层沉积物中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。其资源量相当于全球煤、石油和天然气等化石燃料资源量总和的2倍。天然气水合物被公认为是具有良好前景的重要后续能源，它具有分布广、资源量大、能量密度高和无污染等优点。20 世纪 80 年代以来，许多国家都在天然气水合物的研究方面给与了高度重视，并从能源战略角度考虑，纷纷制定了长远发展规划。

天然气水合物的基本性质以及赋存方式决定了它无法采用常规油气开采方法开采。当前天然气水合物开采的基本思路是在水合物藏钻成单一井眼（直井或水平井），然后通过热激发、降压、注化学抑制剂和气体置换等方法使天然气水合物分解成自由气体，并渗流到井筒进行开采。由于水合物分解过程缓慢，导致水合物井单井产量有限。如何提高单井产量，是决定水合物能否有效开发的关键。

由于水合物藏所处物理环境为深水、浅层，可能具有地层成岩性差、地层强度、渗透率差（水合物凝固所致）等新特性，使传统水力压裂增产技术无法满足水合物开发的需要。

经过对国内外现有的技术专利文献的检索发现，目前还没有天然气水合物完井技术相关的专利。本申请提出了一种新的提高单井产量的完井方法。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种天然气水平井完井方法，该方法采用大尺寸钻头一次性钻至目的井深形成主井眼，再利用径向水平井技术在储层中钻出多个水平分支井眼，最大程度地增加储层与井眼的接触表面积。该完井方法适用于各种天然气水合物激发分解方式（注热、注化、降压和置换），能够大幅度提高水合物井的产量和采收率。

其技术方案是：包括采用大尺寸钻头一次性钻至目的井深形成大主井眼（5），再利用径向水平井技术在天然气水合物储层中钻出多个水平分支井眼（6），具体步骤如下：

（一）大主井眼（5）作业完成后，下入井下斜向器（21），将整套装置固定在井底套管上；

（二）下入造斜导向器（9），插入第一个水平分支井眼（6）的导向槽（23）的定位孔（22）中，同时把高压柔性喷管下入导向跟进筛管（10）内，导向跟进筛管（10）前端安装有高压喷射钻头（12），借助自身重力和高压喷射钻头（12）的前进力向前钻进；

（三）钻进到预定深度时，下入带电缆的电化学切割器到高压柔性喷管与高压喷射钻头（12）连接处，然后泵入KCl水溶液，使用直流电供电对高压柔性喷管进行电化学切割，撤出上部管线，将高压喷射钻头（12）以及导向跟进筛管（10）留在井中，实现一条径向水平井完井作业；

（四）在径向分支井眼筛管就位、软管回收后，下入井下分隔装置（19），坐封径向井顶部管外封隔器，关闭井下分隔装置（19），暂关分支井眼；

（五）将钻具下至窗口附近，先用大排量循环洗井，然后由固井泵用清水试挤，了解地层吸收情况；

（六）将地面罐车中混配好的窗口密封剂用固井泵泵入井内，在水泥浆出钻具后，即关闭井口，用小排量循环钻井液顶替水泥浆向地层挤入，在泵压上升至接近地层破裂压力时即停止，打开井口，将钻具提离窗口后将多余水泥浆循环出井口，然后关闭并憋压候凝，压力大小与停泵时压力相同；

（七）完成一个径向井眼完井管柱下入后，调整导向器方位，进行下一径向井眼的作业；

（八）重复2~7步依次完成余下的水平井眼施工。

上述的步骤（六）中的窗口密封剂，由以下重量份的组份组成：G级油井水泥100份、增强剂20~30份、空心微珠5~70份、早强剂3份、分散剂1份、缓凝剂0.4~3份、消泡剂1份、降失水剂3.5~4份、水57~100份；其中增强剂为超细矿渣或粉煤灰，早强剂为CaNO₃或者KAl(SO₄)₂；分散剂为磺化甲醛-丙酮缩聚物或者氨基酸磺化甲醛-丙酮缩聚物；缓凝剂为酒石酸或柠檬酸；消泡剂为聚二甲基硅氧烷、磷酸三丁酯和聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚中的一种；降失水剂为羟乙基纤维素或者羧甲基羟乙基纤维素中的一种。

上述的井下斜向器（21）包括定位孔（22）、导向槽（23）、固定器（24）、支撑臂（25）、固定基座（26）、中心平台（27），中心平台（27）为圆盘形结构，在中心平台（27）的四周设有多组导向槽（23），导向槽（23）上设有定位孔（22）；所述的中心平台（27）的底部连接固定基座（26），固定基座（26）的四周设有多个支撑臂（25），所述的支撑臂（25）的外端设有固定器（24）。

上述的中心平台（27）外壁设有弧形缺口（13）。

上述的超细矿渣的物理性质为：细度≤10%，比表面积≥350m²/Kg，三氧化硫≤4.0%；所述的粉煤灰的物理性质为：细度≤20%，三氧化硫≤3.0%。

相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

（1）大井眼为多种现代钻完井技术在井下的实施提供了有利的条件，避免或减少开采过程中的井下复杂情况，并可大幅度提高分支井眼的数量；

（2）多分支径向水平井眼最大限度的增加天然气水合物藏的裸露面积和深度，大幅度提高采收率，并减少布井数量，减少开发投资；

（3）径向水平井采用高压水射流代替机械钻头破岩钻出水平井眼，钻进时不需要钻柱和钻头的旋转，减少了井下复杂事故的发生；靠液体静压推进，不需要通过钻杆给钻头施加用以破岩的“钻压”，从而彻底解决了常规水平井钻井技术所遇到的钻压施加困难；采用特别设计的井下斜向器，定位准确，一次性定向，避免了常规各种曲率的水平井钻井技术所需要的频繁造斜、定向和复杂的井眼轨迹控制等工艺过程，并能保证水平井段准确地进入目的层；

（4）采用的窗口密封剂，也就是水泥浆体系稳定，强度发展快，稠化时间可调，可有效防止水合物层密封浅层水-气窜，具有良好的施工性能。

附图说明

附图1是本发明的整体示意图；

附图2是主井眼与水平分支井眼的俯视图；

附图3是钻柱组合的示意图；

附图4是井下工具组合的示意图；

附图5是分支径向水平井眼完井示意图；

附图6是井下斜向器的剖面图；

附图7是井下斜向器的俯视图；

图中：海水1、上围岩2、天然气水合物储层3、下围岩4、大主井眼5、径向水平井6、井下固定装置7、套管8、造斜导向器9、导向跟进筛管10、水平井井壁11、高压喷射钻头12、弧形缺口13、水泥环14、封隔器15；

分隔器19、垂直井眼20、井下斜向器21、定位孔22、导向槽23、固定器24、支撑臂25、固定基座26、中心平台27、弧形缺口28。

具体实施方式

实施例1：结合附图1-7，对本发明作进一步的描述：

本发明包括采用大尺寸钻头一次性钻至目的井深形成大主井眼5，再利用径向水平井技术在天然气水合物储层中钻出多个水平分支井眼6，具体步骤如下：

一大主井眼5作业完成后，下入井下斜向器21，将整套装置固定在井底的套管8上；

二下入造斜导向器9，插入第一个水平分支井眼6的导向槽23的定位孔22中，同时把高压柔性喷管下入导向跟进筛管10内，导向跟进筛管10前端安装有高压喷射钻头12，借助自身重力和高压喷射钻头12的前进力向前钻进；

三钻进到预定深度时，下入带电缆的电化学切割器到高压柔性喷管与高压喷射钻头12连接处，然后泵入KCl水溶液，使用直流电供电对高压柔性喷管进行电化学切割，撤出上部管线，将高压喷射钻头12以及导向跟进筛管10留在井中，实现一条径向水平井完井作业；上述电化学切割器为现有的已知装置，不再详述；

四在径向分支井眼筛管就位、软管回收后，下入井下分隔装置19，坐封径向井顶部管外封隔器，关闭井下分隔装置19，暂关分支井眼；

五将钻具下至窗口附近，先用大排量循环洗井，然后由固井泵用清水试挤，了解地层吸收情况；

六将地面罐车中混配好的窗口密封剂用固井泵泵入井内，在水泥浆出钻具后，即关闭井口，用小排量循环钻井液顶替水泥浆向地层挤入，在泵压上升至接近地层破裂压力时即停止，打开井口，将钻具提离窗口150m后将多余水泥浆循环出井口，然后关闭并憋压候凝，压力大小与停泵时压力相同；

七完成一个径向井眼完井管柱下入后，调整导向器方位，进行下一径向井眼的作业；

八重复2~7步依次完成余下的水平井眼施工。

上述的步骤六中的窗口密封剂，针对天然气水合物地层的特殊条件，要求密封剂满足下列要求：①密封剂密度低；②低温条件下过渡时间短和抗压强度高；③失水量低；④密封剂完整性好；⑤密封剂与套管和地层的封隔和胶结时间长；

该窗口密封剂由以下重量份的组份组成：G级油井水泥100份、增强剂20份、空心微珠5份、早强剂3份、分散剂1份、缓凝剂0.4份、消泡剂1份、降失水剂3.5份、水57份，密度1.2~1.7g/cm^-3；其中增强剂为超细矿渣，上述的超细矿渣的物理性质为：细度≤10%，比表面积≥350m²/Kg，三氧化硫≤4.0%；早强剂为CaNO₃；分散剂为磺化甲醛-丙酮缩聚物，相对分子质量为8000~60000；缓凝剂为酒石酸；消泡剂为聚二甲基硅氧烷；降失水剂为羟乙基纤维素，25℃时2%水溶液的粘度为7000~12000mPa·s；该窗口密封剂，也就是水泥水泥浆体系稳定，既能满足天然气水合物地层的特殊情况，也能有效防止水合物层密封浅层水-气窜，具有良好的施工性能。

上述的井下斜向器21包括定位孔22、导向槽23、固定器24、支撑臂25、固定基座26、中心平台27，中心平台27为圆盘形结构，在中心平台27的四周设有多组导向槽23，导向槽23上设有定位孔22；所述的中心平台27的底部连接固定基座26，固定基座26的四周设有多个支撑臂25，所述的支撑臂25的外端设有固定器24；上述的中心平台27外壁设有弧形缺口13。本发明提到的井下斜向器定位准确，一次性定向，避免了常规各种曲率的水平井钻井技术所需要的频繁造斜、定向和复杂的井眼轨迹控制等工艺过程，并能保证水平井段准确地进入目的层。

实施例2，与实施例1不同之处是采用的窗口密封剂，由以下重量份的组份组成：G级油井水泥100份、增强剂30份、空心微珠70份、早强剂3份、分散剂1份、缓凝剂3份、消泡剂1份、降失水剂4份、水100份，密度1.2~1.7g/cm^-3；其中增强剂为粉煤灰的物理性质为：细度≤20%，三氧化硫≤3.0%；早强剂为KAl(SO₄)₂；分散剂为氨基酸磺化甲醛-丙酮缩聚物，相对分子质量为8000~60000；缓凝剂为柠檬酸；消泡剂为磷酸三丁酯；降失水剂为羧甲基羟乙基纤维素中的一种，25℃时2%水溶液的粘度为7000~12000mPa·s。该窗口密封剂，也就是水泥水泥浆体系稳定，既能满足天然气水合物地层的特殊情况，也能有效防止水合物层密封浅层水-气窜，具有良好的施工性能。

实施例3，与实施例1不同之处是采用的窗口密封剂，由以下重量份的组份组成：G级油井水泥100份、增强剂25份、空心微珠40份、早强剂3份、分散剂1份、缓凝剂2份、消泡剂1份、降失水剂3.7份、水80份；其中增强剂为超细矿渣，早强剂为KAl(SO₄)₂；分散剂为氨基酸磺化甲醛-丙酮缩聚物；缓凝剂为柠檬酸；消泡剂为聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚；降失水剂为羟乙基纤维素，25℃时2%水溶液的粘度为7000~12000mPa·s。

该窗口密封剂，也就是水泥水泥浆体系稳定，既能满足天然气水合物地层的特殊情况，也能有效防止水合物层密封浅层水-气窜，具有良好的施工性能。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。