一种海洋天然气水合物开采钻进方法和装置.pdf

本发明提供了一种新型的海洋天然气水合物钻进装置和方法。该方法使用包括三层流体循环通道钻进装置进行水合物层开采。其中，第一层为钻杆中空，用于产生高速射流；第二层为钻杆和套管间环空，用于导入海水；第三层为套管和地层井眼井壁间环空，用于将水合物、泥砂与水的混合物导出。该钻进装置和方法设备简单，操作方便，可以实现水合物的高效开采，解决了现有技术中没有合适的天然气水合物钻井设备和方法的问题。

1、  一种天然气水合物开采钻进装置，其特征在于，整个钻进装置包括三层流体循环通道。其中，第一层为钻杆中空，用于产生高速射流；第二层为钻杆和套管间环空，用于导入海水；第三层为套管和地层井眼井壁间环空，用于将水合物、泥砂与水的混合物导出。

2、  如权利要求1所述的天然气水合物开采钻进装置，其特征在于：所述钻进装置上设有可产生高速射流的喷嘴。

3、  如权利要求1或2所述的天然气水合物开采钻进装置，其特征在于：在所述三层流体循环通道之间有扶正器用于定位。

4、  一种天然气水合物开采钻进方法，其特征在于：采用包括三层流体循环通道的钻进装置进行开采；所述三层流体循环通道中，第一层为钻杆中空，用于产生高速射流；第二层为钻杆和套管间环空，用于导入海水；第三层为套管和地层井眼井壁间环空，用于将水合物、泥砂与水的混合物导出。

5、  如权利要求4所述的天然气水合物开采钻进方法，其特征在于：所述高速射流由安装于钻进装置上的喷嘴产生，通过射流的高速冲击以及整个钻进装置的旋转运动实现对水合物层的破碎，水合物碎块与第二层流体通道的海水混合，之后进入最外层流体通道，并被输送到处理装置。

6、  如权利要求4或5所述的天然气水合物开采钻进方法，其特征在于：在所述三层流体循环通道之间有扶正器用于定位。

一种海洋天然气水合物开采钻进方法和装置
技术领域
本发明涉及一种海洋天然气水合物开采钻进方法和装置。
背景技术
天然气水合物是一种未来的优质、洁净能源，其蕴藏量与现有地球化石燃料(石油、天然气和煤)总碳量相当，将成为人类21世纪最重要的能源。综合各国科学家提出的天然气水合物开采技术，无论是地下分解开采还是地上分解开采，都需要在地层中破岩钻进，所以天然气水合物开采钻井技术是需要研究的一个重要课题。
与一年钻进6万多口的传统石油/天然气井的钻井实践相比，天然气水合物层的钻井实践几乎等于零。传统海洋石油/天然气井与天然气水合物井的不同主要集中在以下三点：
(1)天然气水合物井的水深大；
(2)天然气水合物井在海底下的钻进深度浅；
(3)天然气水合物井的井内温度控制非常重要。
因此，在进行天然气水合物的钻井时，传统钻井技术的钻进设备、工程设计、施工工艺等都需要改进。科学家预想今后天然气水合物层钻井的发展进程包括以下三个阶段：
第1阶段：以获取天然气水合物层岩心为目的的时期；
第2阶段：以天然气水合物层的生产试验为目的的时期；
第3阶段：从天然气水合物层生产气的时期。
对于钻井装置，目前海洋钻井装置没有以水合物层为目的的实例，海洋钻井装置的技术性能能否直接适用于水合物勘探尚有疑问。根据水合物开采钻井的要求，一般认为坐底式钻井装置不适用，所以限定为钻探船或半潜式钻井平台等浮式钻井装置。但钻井平台的工作水深一般比较小，如1996年在用的工作水探900m以上的钻井装置有35座，而能够在水探超过2000m的条件下工作的钻井装置只有3座。而用于科学研究的钻探船，虽然能在水深超过2000m的海域工作，但是因为没有隔水管、防喷器，安全上存在问题，不能使用泥浆。由于目前国外海洋钻井装置主要用于油气勘查，如果用以进行天然气水合物钻探，必须根据钻进天然气水合物的需要，进行相应改造，特别是要设有泥浆冷却装置及气体处理装置。日本学者经过分析，认为漂浮式生产系统经过改进，可能成为开发海底天然气水合物的生产装置，包括伸缩腿平台、油船型及半潜型、单柱型。另外，一些研究者提出了着底式钻具，将钻机固定在深海海底实现相关工程作业，以避免调查船和钻井平台的高投入，但只适用于深海浅表层天然气水合物的钻探、取心。
对于天然气水合物钻井方法，目前主要有分解抑制法和分解溶许法。在钻进过程中，由于产层内温度、压力的改变，使天然气水合物处于不稳定状态。水合物分解后产生大量气体，给钻进的正常进行带来许多困难。分解抑制法的实质是通过泥浆的冷却，防止天然气水合物层温度上升，将相平衡状态维持在水合物分解抑制状态。在钻进永久冻土层时，基本上都采用这种方法。分解溶许法的实质是使用低密度未冷却的泥浆，诱发水合物分解，但分解是被控制的。分解的气体通过钻机上的回流器和大容量低压气体分离器安全地处理。钻头进尺受气体处理器的制约。在起下钻、电测井、下套管固井作业时，为使天然气水合物停止溶解，需事先向井内注入重泥浆。这种方法与传统的压井方法相矛盾。如出现井涌、井喷会造成井壁失稳。分解的甲烷气也难与上部浅层气及水合物下层自由气相区别。目前一般认为，使用分解抑制法比较妥当，有可能避免因天然气水合物分解带来的一系列麻烦。
考虑到天然气水合物的气体生产性低，引进能够钻进多孔底水平井的技术是必不可少的。另外，从降低钻井成本的观点考虑，使用一种钻井设备能够同时并列进行两种作业的双操作技术也是有效的。还有，因为需要在海底下浅部位钻进水平井，或许需要预倾斜井口装置。为了降低开采成本和风险，还有研究者提出了从陆地向海底钻大位移水平井的钻井设想。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的海洋天然气水合物钻进装置和方法，从而实现水合物的高效开采。
本发明的天然气水合物开采钻进装置包括三层流体循环通道。其中，第一层为钻杆中空，用于产生高速射流；第二层为钻杆和套管间环空，用于导入海水；第三层为套管和地层井眼井壁间环空，用于将水合物、泥砂与水的混合物导出。在三层流体循环通道之间有扶正器用于定位。
上述射流由安装于钻进装置上的喷嘴产生，射流的液体可以是海水与石英砂的混合物，也可以是其他液体。通过射流的高速冲击以及整个钻进装置的旋转运动实现对水合物层的冲击破碎。破碎后的水合物碎块与第二层流体通道导入的海水混合，之后进入最外层流体通道，并被输送到处理装置。
本发明的钻进装置和方法可用于水平钻进和垂直钻进。
本发明的钻进装置和方法可用于在地层中产生水合物、泥沙以及分解气体地混合物并上排到海底分离设备进行泥沙分离，再将与泥沙分离后的天然水合物、分解气体和水的混合物传送到位于海平面的分解装置进行分解。
本发明的钻进装置和方法设备简单，操作方便，可以实现水合物的高效开采，解决了现有技术中没有合适的天然气水合物钻井设备和方法的问题。
附图说明
图1是本发明的钻进装置结构示意图；
图2是本发明的钻进装置的工作原理图(水平钻进)；
图3是本发明的钻进装置的工作原理图(垂直钻进)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的内容作进一步说明：
如图1所示，本发明的钻进装置包括钻头1，连接钻头之后包括三层流体循环通道。其中，第一层为钻杆2中空，用于产生高速射流6；第二层为钻杆2和套管3间环空，用于导入海水7；第三层为套管3和地层井眼井壁4间环空，用于将水合物、泥砂与水的混合物8导出。在三层流体循环通道之间有扶正器5用于定位。
本发明钻进装置在工作时，由安装于钻进装置上的喷嘴产生射流6，射流的液体可以是海水与石英砂的混合物，也可以是其他液体。通过射流的高速冲击以及整个钻进装置的旋转运动实现对水合物层的冲击破碎。破碎后的水合物碎块与第二层流体通道导入的海水7混合，之后进入最外层流体通道，并被输送到处理装置。
本发明钻进装置可以采取水平钻进和垂直钻进两种方式，其工作方式分别如图2和图3所示。