CN113374413B - 海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构及建井方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构及建井方法，其中，该分支机构包括主井套筒、固设于主井套筒内的中心筒、固设于主井套筒内并由主井套筒第二端伸出的至少两根分支井套筒、套设于中心筒内的短节筒、与短节筒第二端连接的长节筒、以及连接于长节筒第二端的扶正器，主井套筒第一端内固设有用于固定中心筒和至少两根分支井套筒的上固定板，主井套筒第二端内固设有用于固定中心筒和至少两根分支井套筒的下固定板，短节筒与中心筒之间通过第一剪切销钉连接，短节筒与长节筒之间通过第二剪切销钉连接，扶正器上与分支井套筒相对应位置处设有为分支井套筒弯曲进行导向的导向槽，扶正器上位于导向槽两侧设有导向翼板。

Description

海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构及建井方法

技术领域

本发明涉及海域天然气水合物钻采领域，更具体地说，涉及一种海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构及建井方法。

背景技术

我国海域天然气水合物分布广泛，资源量大，是常规、非常规石油天然气等化石燃料最有可能的接替能源。目前，我国已开展了两次海域天然气水合物的试采，2017年第一次试采采用直井井型，2019年中国地质调查局率先在南海采用水平井井型进行水合物试采，创造了“产气总量、日均产气量”的世界纪录，但是由于储层暴露面积有限，单井产能还不能满足商业开发条件。在借鉴陆地致密油气、稠油及煤层气开发经验基础上，采用多分支井井型开采海域天然气水合物，在一个主井眼中再钻1个或以上分支井眼将数倍增大储层暴露面积，数倍提高单井产能，同时降低开发成本，是提高天然气水合物单井产能的有效途径。另一方面，海域天然气水合物一般分布在水深800m以深，泥线以下300m以浅区域内，储层及上覆地层一般没有胶结成岩，地层承压能力低、开采过程中地层强度不断降低，常规侧钻分支井眼可能会在侧钻点处发生井壁坍塌失稳，从而导致钻井事故。因此需要设计针对海域天然气水合物多分支井高效开发的多分支机构，在提高多分支井单井产能的基础上提高分支井眼处的机械强度，保障生产井筒的力学完整性、水力密封性及后续完井修井工具的可重入能力。

多分支井是从一口主井眼中钻出两口或多口进入油气藏的分支井眼，甚至再从二级井眼中钻出三级子井眼。主井眼可以是直井、定向井，也可以是水平井，分支井眼也可以是定向井或水平井，多分支井又称为多底井。与普通直井、定向井和水平井相比，多分支井具有增大油气藏暴露面积，提高泄油效率，改善油气流动剖面，降低流动阻力；减少直井段的建井费用和风险，减少钻机搬迁次数，充分利用海上平台井口槽，降低建井成本，增加经济效益。多分支井的关键核心技术是实现分支井眼与主井眼在分支井口处的力学完整性、水力密封性及分支井眼的可重入性。

目前，大部分分支井是先完成主井眼和分支井眼钻进后，再下多分支完井机构处理侧钻点处主井眼与分支井眼的力学完整和水力密封。多分支井分支井口处一般采用的预开孔套管、套管回接及套管开窗侧钻等，分支井眼处连接方式为多管的搭接方式，这种搭接技术具有一定的力学强度，但是不能保证分支井眼处的水力密封性。因此目前的多分支井成井以后分支井眼处也是整个分支井中最弱的部分。

考虑到海域天然气水合物储层埋藏浅，现有的三开井身结构且生产套管不固井对生产井筒的井筒完整性要求高，必须要满足水力密封性才能确保降压开采的顺利开展；海域天然气水合物降压开采过程中未固结地层强度不断减弱，在地应力及上覆地层压力作用下井壁变形加剧，现有分支井多分支机构的力学强度难以满足力学完整性要求。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构及建井方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构，该分支机构包括主井套筒、固设于该主井套筒内的中心筒、固设于该主井套筒内并由该主井套筒第二端伸出的至少两根分支井套筒、套设于该中心筒内的短节筒、与该短节筒第二端连接的长节筒、以及连接于该长节筒第二端的扶正器，该主井套筒第一端内固设有用于固定中心筒和至少两根分支井套筒的上固定板，该主井套筒第二端内固设有用于固定中心筒和至少两根分支井套筒的下固定板，该短节筒与该中心筒之间通过第一剪切销钉固定连接，该短节筒与该长节筒之间通过第二剪切销钉固定连接，该扶正器上与该分支井套筒相对应位置处设有为该分支井套筒弯曲进行导向的导向槽，该扶正器上位于该导向槽两侧设有限制该分支井套筒弯曲方向的导向翼板。

在本发明所述的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构中，该短节筒和该长节筒的主井套筒内位于该上固定板和下固定板之间填设有水泥塞，该水泥塞用于固定该中心筒和至少两根分支井套筒。

在本发明所述的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构中，该上固定板上设有可供该短节筒伸出的第一通孔、以及与该至少两根分支井套筒连通的第二通孔，该下固定板上设有可供该短节筒伸出的第三通孔、以及可供该至少两根分支井套筒伸出的第四通孔。

在本发明所述的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构中，该短节筒与该中心筒之间套设有至少两个第一密封圈，该短节筒与该长节筒之间套设有至少两个第二密封圈。

在本发明所述的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构中，该短节筒第一端设有用于与钻杆连接的第一连接扣，该长节筒第二端设有用于与钻杆连接的第二连接扣，该长节筒第一端内侧壁设有用于与斜向器螺接的内螺纹。

在本发明所述的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构中，该短节筒的外径和长节筒的外径均小于该中心筒内孔的直径。

在本发明所述的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构中，该扶正器包括用于与长节筒第二端连接的上楔形锥筒，该导向槽设置于该上楔形锥筒外壁面，该导向槽的长度方向与该分支井套筒的长度方向相同，该导向槽的中部深度及宽带大于该导向槽两端的深度及宽度。

在本发明所述的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构中，该导向翼板凸出于该上楔形锥筒外壁面并位于该导向槽的两侧。

在本发明所述的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构中，该扶正器还包括固设于该上楔形锥筒第二端的下楔形锥筒，该上楔形锥筒和下楔形锥筒连接处的外壁面设有螺旋导流槽，该下楔形锥筒第二端设有连接螺纹。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种海域天然气水合物钻采多分支井建井方法，基于如上述的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构，该建井方法包括：

在直井段钻进完成后，下入该分支机构，调整分支机构方位，将主井套筒与井口设备锁紧；

上提钻杆带动短节筒上移，第一剪切销钉受力切断，短节筒带动长节筒及扶正器向上移动，扶正器在上移过程中通过导向槽和导向翼板推动分支井套筒向外弯曲，形成与直井段呈夹角的分支井；

注入水泥浆对长节筒、扶正器、分支井套筒进行固定定位；

上提钻杆带动短节筒上移，第二剪切销钉受力切断，短节筒和长节筒脱离，取出钻杆和短节筒。

实施本发明的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构及建井方法，具有以下有益效果：使用本发明的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构时，在直井段钻进完成后，将分支机构与钻杆连接之后下入该分支机构，调整分支机构方位，将主井套筒与井口设备锁紧，实现对分支机构的固定。在固定分支机构之后，上提钻杆带动短节筒、长节筒和扶正器上移，第一剪切销钉受力切断，扶正器在上移过程中通过导向槽和导向翼板推动分支井套筒向外弯曲，形成与直井段呈夹角的分支井。在分支井套筒弯曲完成之后，通过钻杆向短节筒、长节筒及扶正器注入水泥浆，水泥浆由扶正器顶端流出并回流对长节筒、扶正器、分支井套筒进行固定定位。待水泥固化完成后，继续上提钻杆带动短节筒上移，位于短节筒和长节筒之间的第二剪切销钉受力切断，短节筒和长节筒脱离，即可取出钻杆和短节筒，进行下一步钻井操作。

本申请中，通过使用扶正器，可快速分离形成分支井，利用扶正器向上移动将分支井套管分离并向设计方位偏移，形成工艺简单、可靠，且利于后期钻具顺利进入分支井套管，缩短后期分支井钻塞时间。同时大大提高了分支井井眼处的力学稳定性，提高了多分支井眼的井筒完整性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构的结构示意图；

图2是本发明海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构中主井套筒和分支井套筒的结构示意图；

图3是本发明海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构中主井套筒和分支井套筒的剖面结构示意图；

图4是本发明海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构中主井套筒和分支井套筒的俯视结构示意图；

图5是本发明海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构中扶正器的结构示意图；

图6是本发明海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构中扶正器的俯视结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1-6所示，在本发明的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构第一实施例中，该分支机构1包括主井套筒2、固设于该主井套筒2内的中心筒3、固设于该主井套筒2内并由该主井套筒2第二端伸出的至少两根分支井套筒4、套设于该中心筒3内的短节筒5、与该短节筒5第二端连接的长节筒6、以及连接于该长节筒6第二端的扶正器7，该主井套筒2第一端内固设有用于固定中心筒3和至少两根分支井套筒4的上固定板8，该主井套筒2第二端内固设有用于固定中心筒3和至少两根分支井套筒4的下固定板9，该短节筒5与该中心筒3之间通过第一剪切销钉10固定连接，该短节筒5与该长节筒6之间通过第二剪切销钉11固定连接，该扶正器7上与该分支井套筒4相对应位置处设有为该分支井套筒4弯曲进行导向的导向槽12，该扶正器7上位于该导向槽12两侧设有限制该分支井套筒4弯曲方向的导向翼板13。

使用本发明的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构1时，在直井段钻进完成后，将分支机构1与钻杆连接之后下入该分支机构1，调整分支机构1方位，将主井套筒2与井口设备锁紧，实现对分支机构1的固定。在固定分支机构1之后，上提钻杆带动短节筒5、长节筒6和扶正器7上移，第一剪切销钉10受力切断，扶正器7在上移过程中通过导向槽12和导向翼板13推动分支井套筒4向外弯曲，形成与直井段呈夹角的分支井。在分支井套筒4弯曲完成之后，通过钻杆向短节筒5、长节筒6及扶正器7注入水泥浆，水泥浆由扶正器7顶端流出并回流对长节筒6、扶正器7、分支井套筒4进行固定定位。待水泥固化完成后，继续上提钻杆带动短节筒5上移，位于短节筒5和长节筒6之间的第二剪切销钉11受力切断，短节筒5和长节筒6脱离，即可取出钻杆和短节筒5，进行下一步钻井操作。

本申请中，通过使用扶正器7，可快速分离形成分支井，利用扶正器7向上移动将分支井套管分离并向设计方位偏移，形成工艺简单、可靠，且利于后期钻具顺利进入分支井套管，缩短后期分支井钻塞时间。同时大大提高了分支井井眼处的力学稳定性，提高了多分支井眼的井筒完整性。

可以理解的，在本申请中，第一剪切销钉10的剪切强度(最大剪应力)小于第二剪切销钉11的剪切强度(最大剪应力)。

进一步的，该短节筒5和该长节筒6的主井套筒2内位于该上固定板8和下固定板9之间填设有水泥塞14，该水泥塞14用于固定该中心筒3和至少两根分支井套筒4。

通过使用水泥塞14固定中心筒3和至少两根分支井套筒4，增强了分支井眼处分支井套管与主井套管连接的力学强度和密封性。

在本实施方式中，该上固定板8上设有可供该短节筒5伸出的第一通孔15、以及与该至少两根分支井套筒4连通的第二通孔16，该下固定板9上设有可供该短节筒5伸出的第三通孔、以及可供该至少两根分支井套筒4伸出的第四通孔。

为防止水泥浆等回流，该短节筒5与该中心筒3之间套设有至少两个第一密封圈17，该短节筒5与该长节筒6之间套设有至少两个第二密封圈18。

优选的，该短节筒5与中心筒3之间套设有三个第一密封圈17，该短节筒5与长节筒6之间套设有三个第二密封圈18。为防止第一密封圈17和第二密封圈18滑脱，该短节筒5外壁面上设有可供第一密封圈17部分嵌入连接的第一环形槽，该长节筒6外壁面上设有可供第二密封圈18部分嵌入连接的第二环形槽。

为便于钻井设备与分支机构1连接，该短节筒5第一端设有用于与钻杆连接的第一连接扣20，该长节筒6第二端设有用于与钻杆连接的第二连接扣21，该长节筒6第一端内侧壁设有用于与斜向器螺接的内螺纹22。

优选的，第一连接扣20为公扣，第二连接扣21为母扣。在其他实施方式中，该第一连接扣20和第二连接孔也可以是螺纹。

进一步的，该短节筒5的外径和长节筒6的外径均小于该中心筒3内孔的直径。优选的，为起到更好的密封效果，短节筒5外径和长节筒6外径相同。

如图5、6所示，该扶正器7包括用于与长节筒6第二端连接的上楔形锥筒23，该导向槽12设置于该上楔形锥筒23外壁面，该导向槽12的长度方向与该分支井套筒4的长度方向相同，该导向槽12的中部深度及宽带大于该导向槽12两端的深度及宽度。

优选的，该分支机构1的分支井套筒4为三个或四个，该上楔形锥筒23外壁面上设置有与分支井套筒4数量相同的导向槽12、以及与分支井套筒4数量相同的导向翼板13，每相邻两个导向翼板13之间夹设有一个导向槽12。可以理解的，该扶正器7内沿扶正器7的长度方向上设有贯穿扶正器7的贯穿孔。

在扶正器7上提的过程中，由于扶正器7第一端为楔形锥筒状，在上提过程中，扶正器7逐渐向外抵推分支井套筒4，形成向外分离。在分支井套筒4移动至导向槽12内时，由导向槽12继续向外抵推分支井套筒4，使得分支井套筒4向设计方位偏移，形成分支井。

具体的，该导向翼板13凸出于该上楔形锥筒23外壁面并位于该导向槽12的两侧。通过设置导向翼板13，防止分支井套筒4向导向槽12两侧出现偏移。

进一步的，该扶正器7还包括固设于该上楔形锥筒23第二端的下楔形锥筒24，该上楔形锥筒23和下楔形锥筒24连接处的外壁面设有螺旋导流槽25，该下楔形锥筒24第二端设有连接螺纹26。

扶正器7的棒球状设计，上端的楔形锥面，下端的具有引导作用的斜面，中间扶正器7部分外的螺旋导流槽25，保证了多功能钻具上提时上楔形锥面扶正器7的强度，有利于分支井套管分离成形、多功能钻具下钻时顺利进入井眼及后期固井改变水泥流态，并且为水泥凝固后多分支井钻柱倒扣上提时提供反扭矩支撑。扶正器7的上楔形锥面与分支井套管底部高导向引鞋或浮鞋下端引导帽截面曲线曲率半径相同，使分支机构1在形成过程中分支井套管和上楔形锥面扶正器7接触面积最大，接触面受力均匀，防止应力集中导致形成失败或结构损坏。

在本发明的海域天然气水合物钻采多分支井建井方法第一实施例中，基于如上述的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构1，该建井方法包括：

步骤S101，在直井段钻进完成后，下入该分支机构1，调整分支机构1方位，将主井套筒2与井口设备锁紧；

步骤S102，上提钻杆带动短节筒5上移，第一剪切销钉10受力切断，短节筒5带动长节筒6及扶正器7向上移动，扶正器7在上移过程中通过导向槽12和导向翼板13推动分支井套筒4向外弯曲，形成与直井段呈夹角的分支井；

步骤S103，注入水泥浆对长节筒6、扶正器7、分支井套筒4进行固定定位；

步骤S104，上提钻杆带动短节筒5上移，第二剪切销钉11受力切断，短节筒5和长节筒6脱离，取出钻杆和短节筒5。

实施本发明的海域天然气水合物钻采多分支井建井方法时，在直井段钻进完成后，将分支机构1与钻杆连接之后下入该分支机构1，调整分支机构1方位，将主井套筒2与井口设备锁紧，实现对分支机构1的固定。在固定分支机构1之后，上提钻杆带动短节筒5、长节筒6和扶正器7上移，第一剪切销钉10受力切断，扶正器7在上移过程中通过导向槽12和导向翼板13推动分支井套筒4向外弯曲，形成与直井段呈夹角的分支井。在分支井套筒4弯曲完成之后，通过钻杆向短节筒5、长节筒6及扶正器7注入水泥浆，水泥浆由扶正器7顶端流出并回流对长节筒6、扶正器7、分支井套筒4进行固定定位。待水泥固化完成后，继续上提钻杆带动短节筒5上移，位于短节筒5和长节筒6之间的第二剪切销钉11受力切断，短节筒5和长节筒6脱离，即可取出钻杆和短节筒5。

在取出钻杆和短节筒5之后，下入斜向器，斜向器下部螺纹公扣与短节筒5上的内螺纹22连接，再下钻具进入分支井套管进行下一步作业。

此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“层叠”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构，其特征在于，所述分支机构(1)包括主井套筒(2)、固设于所述主井套筒(2)内的中心筒(3)、固设于所述主井套筒(2)内并由所述主井套筒(2)第二端伸出的至少两根分支井套筒(4)、套设于所述中心筒(3)内的短节筒(5)、与所述短节筒(5)第二端连接的长节筒(6)、以及连接于所述长节筒(6)第二端的扶正器(7)，所述主井套筒(2)第一端内固设有用于固定中心筒(3)和至少两根分支井套筒(4)的上固定板(8)，所述主井套筒(2)第二端内固设有用于固定中心筒(3)和至少两根分支井套筒(4)的下固定板(9)，所述短节筒(5)与所述中心筒(3)之间通过第一剪切销钉(10)固定连接，所述短节筒(5)与所述长节筒(6)之间通过第二剪切销钉(11)固定连接，所述扶正器(7)上与所述分支井套筒(4)相对应位置处设有为所述分支井套筒(4)弯曲进行导向的导向槽(12)，所述扶正器(7)上位于所述导向槽(12)两侧设有限制所述分支井套筒(4)弯曲方向的导向翼板(13)；

所述第一剪切销钉(10)的剪切强度小于所述第二剪切销钉(11)的剪切强度；

所述短节筒(5)的外径和长节筒(6)的外径均小于所述中心筒(3)内孔的直径；

所述扶正器(7)包括用于与长节筒(6)第二端连接的上楔形锥筒(23)，所述导向槽(12)设置于所述上楔形锥筒(23)外壁面，所述导向槽(12)的长度方向与所述分支井套筒(4)的长度方向相同，所述导向槽(12)的中部深度及宽带大于所述导向槽(12)两端的深度及宽度；

所述导向翼板(13)凸出于所述上楔形锥筒(23)外壁面并位于所述导向槽(12)的两侧；

所述扶正器(7)还包括固设于所述上楔形锥筒(23)第二端的下楔形锥筒(24)，所述上楔形锥筒(23)和下楔形锥筒(24)连接处的外壁面设有螺旋导流槽(25)，所述下楔形锥筒(24)第二端设有连接螺纹(26)。

2.根据权利要求1所述的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构，其特征在于，所述短节筒(5)和所述长节筒(6)的主井套筒(2)内位于所述上固定板(8)和下固定板(9)之间填设有水泥塞(14)，所述水泥塞(14)用于固定所述中心筒(3)和至少两根分支井套筒(4)。

3.根据权利要求1所述的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构，其特征在于，所述上固定板(8)上设有可供所述短节筒(5)伸出的第一通孔(15)、以及与所述至少两根分支井套筒(4)连通的第二通孔(16)，所述下固定板(9)上设有可供所述短节筒(5)伸出的第三通孔、以及可供所述至少两根分支井套筒(4)伸出的第四通孔。

4.根据权利要求1所述的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构，其特征在于，所述短节筒(5)与所述中心筒(3)之间套设有至少两个第一密封圈(17)，所述短节筒(5)与所述长节筒(6)之间套设有至少两个第二密封圈(18)。

5.根据权利要求1所述的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构，其特征在于，所述短节筒(5)第一端设有用于与钻杆连接的第一连接扣(20)，所述长节筒(6)第二端设有用于与钻杆连接的第二连接扣(21)，所述长节筒(6)第一端内侧壁设有用于与斜向器螺接的内螺纹(22)。

6.一种海域天然气水合物钻采多分支井建井方法，其特征在于，基于如权利要求1-5中任一项所述的海域天然气水合物钻采用多分支井分支机构，所述建井方法包括：

在直井段钻进完成后，下入所述分支机构(1)，调整分支机构(1)方位，将主井套筒(2)与井口设备锁紧；

上提钻杆带动短节筒(5)上移，第一剪切销钉(10)受力切断，短节筒(5)带动长节筒(6)及扶正器(7)向上移动，扶正器(7)在上移过程中通过导向槽(12)和导向翼板(13)推动分支井套筒(4)向外弯曲，形成与直井段呈夹角的分支井；

注入水泥浆对长节筒(6)、扶正器(7)、分支井套筒(4)进行固定定位；

上提钻杆带动短节筒(5)上移，第二剪切销钉(11)受力切断，短节筒(5)和长节筒(6)脱离，取出钻杆和短节筒(5)。