一种垂直井井底高强度腔室的建造方法与流程

本发明涉及海洋天然气水合物技术领域，尤其涉及一种海域天然气水合物垂直井井底高强度腔室的建造方法。

背景技术：

2016年南海神狐海域天然气水合物试采尽管已经取得了巨大成功，但受直井可控储层面积的限制，日产气量和持续稳产时间还远远不够，距离水合物的产业化开采还有相当长的距离，将水平井钻井技术和多井组连通汇聚开采技术运用到先导试验区水合物试采是必然的趋势。当前全球海域天然气水合物试采方案采用的均是直井降压法试采技术，即将直井钻进至水合物储层，采用降压法进行水合物试采。实践证明：有的试采6天产气12万立方米，影响储层范围只有10米左右。而有的直井试采连续生产60天，产气30万立方米。随着时间的推移，垂直开采水合物产气量在短期内快速减少，暴露出垂直井控矿面积小而无法实现稳产的弊端。

天然气水合物开采应实现产业化开采，这样亟需开发高效关键技术来支撑产业化的进展。多井连通汇聚开采技术通过钻多口定向水平井与一口垂直井连通形成四通八达的“井工厂”采气模式，实现大幅增产，为海域水合物的产业化开采提供了重要增产稳产方法。高强度大直径垂直井井底腔室是实现多井组联通的关键环节，垂直井井底腔室的建造质量直接影响到整个连通汇聚开采的成败，其主要体现在垂直井井底腔室的形状是否规则、固井充填是否完整、直径与高度是否满足连通汇聚开采的要求等多面。

若想在软弱地层内建设形状规则、结构稳定的腔室，需要预先对地层进行加固，形成一个直径大于预构建腔室的高强度桩体。目前常用的建腔方式为孔底扩腔的方式，通过扩腔钻具在孔底扩出一个直径较大的腔体，然后通过向内部灌注固化充填体的方式建造高强度桩体。对于在海域中进行的钻采，由于海底地层松软，若想得到形状规格、强度高且稳定的腔体，必须预先建造一个强度由中心向周边逐渐递减的桩体，强度的逐渐递减对于桩体的稳定性起至关重要的作用，若直接采用扩孔灌注桩的形式，则扩腔内的强度高，突然过渡到海底松软的地层，不利于腔室的稳定；且采用一次扩腔，腔体的形状不规则。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种垂直井井底高强度腔室的建造方法，采用扩孔灌注桩技术，通过两次扩腔，两次灌注成桩的方式，初桩直径较大，终桩在初桩的基础上进行扩腔灌注，终桩强度高、形状规则，垂直井井底腔室在终桩上建造，腔室周围的地层强度高，可以满足多井组水平井向垂直井汇聚采气的要求。

本发明所述的技术问题是以如下技术方案解决的：

一种垂直井井底高强度腔室的建造方法，用于开采海域天然气水合物，包括如下建造步骤：

a、水合物上覆地层钻进：下入钻具，自海底向下钻进，钻进至水合物上覆地层与水合物底板以下地层上部的交界处，下入表层固井套管，所述表层固井套管下入到位后，向井内灌注混凝土进行固井；

b、水合物底板以下地层钻进：表层固井套管固井完毕后，自表层固井套管内下入钻具进行钻孔，直至钻进到水合物底板以下地层要求的深度；

c、水合物底板以下地层扩腔：向已在水合物底板以下地层钻进的孔内下入大直径的喷射扩腔钻头，所述喷射扩腔钻头下放到水合物底板以下地层预计的扩腔位置后，向所述喷射扩腔钻头内部泵送较粘稠的泥浆，泥浆通过喷射扩腔钻头翼板上的喷射孔喷出，配合布置在翼板上的切削齿，同时作用在水合物底板以下地层上，形成大直径腔室；

d、不提钻灌注高压水泥浆形成高强度水泥初桩：扩腔修整完毕后，将所述喷射扩腔钻头下放到腔室底部，向钻头内泵送高强度水泥浆，高强度水泥浆通过喷射扩腔钻头上的喷射孔喷射到腔室内，喷射扩腔钻头边回转向腔室内灌注高强度水泥，边通过搅拌使高强度的水泥浆从下而上将扩腔时护壁的泥浆向孔外替换；待整个腔室灌注满高强度水泥浆后，停止泵送，钻头翼板闭拢，将钻头提出孔外，高强度水泥凝固后形成高强度水泥初桩；

e、高强度水泥初桩钻进：向高强度水泥初桩中下入硬岩钻进的钻头进行钻孔，钻至距离所述高强度水泥初桩桩底一定距离后停止钻进；

f、二次扩腔：在高强度水泥初桩上的钻孔内下入硬岩扩腔钻头，自上而下进行二次扩腔，二次扩腔的直径小于高强水泥初桩的直径，扩腔深度与钻孔深度相同；

g、腔室清渣：二次扩腔采用的钻井液为清洁的海水，扩腔过程中部分钻渣随海水逐渐排出孔外，腔体内剩余的钻渣通过反循环的方式进行清渣；

h、扩腔检测：扩腔完毕后下入腔体检测仪器，检测腔体直径和高度是否满足要求，如满足要求则进行后续固井，如不满足要求则需下入扩腔钻具重新扩腔，直至检测合格

i、固井充填：腔体检测合格后，向二次扩腔内填充固化材料进行固井，形成高强度终桩；

j、完成垂直井井底腔室建设：二次扩腔固化完毕后，在已固化的高强度终桩上钻孔，钻至设计深度后，下入垂直井生产套管，将所述垂直井生产套管下放到钻孔底端，向套管内灌注水泥固井。

上述垂直井井底高强度腔室的建造方法，所述步骤c中，所形成的大直径腔室的直径≥喷射扩腔钻头的直径，喷射扩腔钻头在腔室内上下往复n（n≥2）次修整腔室，使腔室的内壁尽可能形状规则。

上述垂直井井底高强度腔室的建造方法，所述步骤j中，所述垂直井生产套管包括常规套管、封隔器及无磁套管，所述封隔器设置于所述常规套管与无磁套管之间，所述无磁套管选用较软易钻通的金属套管，下入所述垂直井生产套管之后，灌注水泥固井，在水泥初凝之前将所述封隔器座封，密封所述生产套管与桩孔之间的环形间隙。

上述垂直井井底高强度腔室的建造方法，所述无磁套管选用铝制或者铜制套管。

本发明采用两次扩腔，两次灌注成桩的方式，初桩直径较大，终桩在初桩的基础上进行扩腔灌注，高强度水泥初桩的硬度高，扩出的腔体形状规则，不易塌孔；首次扩腔利用喷射扩腔钻头，采用高压喷射扩腔的方式进行扩腔，扩腔完毕后不提钻，直接通过向喷射扩腔钻头内泵送高强度水泥浆的方式进行灌注成桩，减少了起下钻的次数；在扩孔灌注桩上进行垂直井井底腔室的建造，腔室周围的地层强度高，可以满足多井组水平井向垂直井汇聚采气的要求。

附图说明

图1为本发明垂直井井底腔室建造过程结构示意图；

图2为生产套管结构示意图。

图中各标号清单为：a、水合物底板以下地层扩腔；b、反复修腔；c、灌注高强度水泥浆；d、形成高强度水泥初桩；e、高强度水泥初桩内钻孔；f、二次扩腔；g、清腔检测；h、灌注高强度终桩；i、高强度终桩内钻孔；j、下入生产套管固井；m1、水合物上覆地层；m2、水合物地层；m3、水合物底板以下地层；ⅰ、高强度水泥初桩；ⅱ、高强度终桩；1、表层固井套管；2、喷射扩腔钻头；3、硬岩扩腔钻头；4、垂直井生产套管；4-1、常规套管；4-2、封隔器；4-3、无磁套管。

具体实施方式

本发明海域天然气水合物垂直井井底高强度腔室的建造方法是采用扩孔灌注桩技术进行的一种工艺方法，通过两次扩腔，分别建造出直径不同的两个腔体，第一次扩腔是在水合物底板以下地层上进行，地层松软，可通过向喷射扩腔钻头内泵送高压泥浆的方式进行喷射扩腔，高压泥浆配合切削齿扩腔后，不提钻，继续向喷射扩腔钻头内泵送高强度水泥浆，进行初桩灌注。由于不提钻进行灌注，所以腔室的形状和尺寸无法测量，无法满足腔室规则这一要求。基于以上原因，需要在高强度水泥初桩的基础上进行二次扩腔，灌注一个直径比初桩小、形状规则、强度更高的桩体。二次扩腔采用硬岩扩腔钻头，由于是在高强度水泥初桩的基础上进行的扩腔，高强度水泥初桩的硬度高，扩出的腔体形状规则，不易塌孔，因此二次扩腔钻井液采用的是海水，扩腔过程采用反循环方式进行，边扩腔边进行排渣，扩腔完成后，反循环继续排渣，沉渣排除干净后进行腔体的测量，腔体形状和尺寸满足设计要求后进行固化填充，此时充填的桩体（高强度终桩）强度高、形状规则，可以满足多井组对接的要求。高强度水泥初桩的强度高于水合物底板以下地层的强度，小于高强度终桩的强度，再次下入反循环钻具钻进垂直井，钻进至指定深度后，提钻，下入垂直井生产套管，完成垂直井井底腔室的建设。

以下结合实施例对本发明作进一步说明。

a、水合物上覆地层钻进：下入钻具，自海底向下钻进，钻进至水合物上覆地层m1与水合物地层m2上部的交界处，下入表层固井套管1，所述表层固井套管1下入到位后，向井内灌注混凝土进行固井；

b、水合物底板以下地层钻进：表层固井套管固井完毕后，自表层固井套管内下入钻具进行钻孔进，直至钻进到水合物底板以下地层m3要求的深度；

c、水合物底板以下地层扩腔：向已在水合物底板以下地层钻进的孔内下入大直径的喷射扩腔钻头2，所述喷射扩腔钻头2下放到水合物层底板以下地层预计的扩腔位置后，向所述喷射扩腔钻头2内部泵送较粘稠的泥浆，泥浆通过喷射扩腔钻头翼板上的喷射孔喷出，配合布置在翼板上的切削齿，同时作用在水合物底板以下地层m3上，形成大直径腔室，所形成的大直径腔室的直径≥喷射扩腔钻头2的直径，喷射扩腔钻头2在腔室内上下往复n（n≥2）次修整腔室，使腔室的内壁尽可能形状规则；

d、不提钻灌注高压水泥浆形成高强度水泥初桩：扩腔修整完毕后，将所述喷射扩腔钻头2下放到腔室底部，向钻头内泵送高强度水泥浆，高强度水泥浆通过喷射扩腔钻头上的喷射孔喷射到腔室内，喷射扩腔钻头边回转向腔室内灌注高强度水泥，边通过搅拌使高强度的水泥浆从下而上将扩腔时护壁的泥浆向孔外替换；待整个腔室灌注满高强度水泥浆后，停止泵送，钻头翼板闭拢，将钻头提出孔外，高强度水泥凝固后形成高强度水泥初桩ⅰ；

e、高强度水泥初桩钻进：向高强度水泥初桩ⅰ中下入硬岩钻进的钻头进行钻孔，钻至距离所述高强度水泥初桩ⅰ桩底的一定距离时，停止钻进；

f、二次扩腔：在高强度水泥初桩上的钻孔内下入硬岩扩腔钻头3，自上而下进行二次扩腔，二次扩腔的直径小于高强水泥初桩的直径，扩腔深度与钻孔深度相同；

g、腔室清渣：二次扩腔采用的钻井液为清洁的海水，扩腔过程中部分钻渣随海水逐渐排出孔外，腔体内剩余的钻渣通过反循环的方式进行清渣；

h、扩腔检测：扩腔完毕后下入腔体检测仪器，检测腔体直径和高度是否满足要求，要求腔体上下直径要统一，腔体内壁光滑，腔体密实，无气孔凹陷；如满足要求则进行后续固井，如不满足要求则需下入扩腔钻具重新扩腔，直至检测合格

i、固井充填：腔体检测合格后，向二次扩腔内填充固化材料进行固井，形成高强度终桩ⅱ；

j、完成垂直井井底腔室建设：二次扩腔固化完毕后，在已固化的高强度终桩ⅱ上钻孔，钻孔至设计深度后，下入垂直井生产套管4，将所述垂直井生产套管4下放到钻孔底端，所述垂直井生产套管4包括上端的常规套管4-1、中间的封隔器4-2及下端的无磁套管4-3，所述封隔器4-2设置于所述常规套管4-1与无磁套管4-3之间，所述无磁套管4-3选用较软易钻通的金属套管；下入所述垂直井生产套管4之后，灌注水泥固井，在水泥初凝之前将所述封隔器4-2座封，密封所述生产套管4与桩孔之间的环形间隙。所述无磁套管4-3选用铝制或者铜制套管，位于垂直井井底高强度腔室内，对腔室起到加固作用，由于所述无磁套管4-3采用的材质较软，不影响后续水平井汇聚开采时的钻孔。

各深度计算均从泥面以下起算，以水合物层位于泥面以下190-220m，层厚30m为例，相应给出各参数，来对本发明作进一步说明。

a、水合物上覆地层钻进：下入钻具，自海底向下钻进，钻进至水合物上覆地层m1与水合物原始地层m2上部的交界处，下入表层固井套管1，所述表层固井套管1下入到位后，向井内灌注混凝土进行固井；

b、水合物底板以下地层钻进：表层固井套管固井完毕后，自表层固井套管内下入钻具进行钻孔进，直至钻进到水合物底板以下地层m3要求的深度；

钻进深度与垂直井高强度腔室的设计高度、水合物地层的深度有关。以水合物层位于泥面以下190-220m，层厚30m为例，垂直井高强度腔室的高度为18m，建造深度为220-240m，钻进深度为255m，腔室底部以下留有15m的钻孔，目的是为了在泥浆携带钻渣不完全的情况下，沉渣可以落入钻孔内，保证扩腔内的清洁。

c、水合物底板以下地层扩腔：向已在水合物底板以下地层钻进的孔内下入大直径的喷射扩腔钻头2，所述喷射扩腔钻头2下放到水合物层底板以下2m的位置，向所述喷射扩腔钻头2内部泵送较粘稠的泥浆，泥浆通过喷射扩腔钻头翼板上的喷射孔喷出，喷射压力为20-50mpa，配合布置在翼板上的切削齿，同时作用在水合物底板以下地层m3上，形成大直径腔室，所形成的大直径腔室的直径≥喷射扩腔钻头2的直径，喷射扩腔钻头2在腔室内上下往复n（n≥2）次修整腔室，使腔室的内壁尽可能形状规则；

d、不提钻灌注高压水泥浆形成高强度水泥初桩：扩腔修整完毕后，将所述喷射扩腔钻头2下放到腔室底部，向钻头内泵送高强度水泥浆，高强度水泥浆通过喷射扩腔钻头上的喷射孔喷射到腔室内，喷射扩腔钻头边回转向腔室内灌注高强度水泥，边通过搅拌使高强度的水泥浆从下而上将扩腔时护壁的泥浆向孔外替换；待整个腔室灌注满高强度水泥浆后，停止泵送，钻头翼板闭拢，将钻头提出孔外，高强度水泥凝固后形成高强度水泥初桩ⅰ，高强度水泥初桩ⅰ的直径为φ3000-4000mm，深度为220-240m，高度为20m；

e、高强度水泥初桩钻进：向高强度水泥初桩ⅰ中下入硬岩钻进的钻头进行钻孔，钻进深度为235m，钻至距离所述高强度水泥初桩ⅰ桩底5m时，停止钻进；

f、二次扩腔：在高强度水泥初桩上的钻孔内下入硬岩扩腔钻头3，自上而下进行二次扩腔，二次扩腔的直径小于高强水泥初桩的直径，扩腔深度与钻孔深度相同；扩腔深度为222m-235m，腔体高度为13m。

g、腔室清渣：二次扩腔采用的钻井液为清洁的海水，扩腔过程中部分钻渣随海水逐渐排出孔外，腔体内剩余的钻渣通过反循环的方式进行清渣；

h、扩腔检测：扩腔完毕后下入腔体检测仪器，检测腔体直径和高度是否满足要求，要求腔体上下直径要统一，腔体内壁光滑，腔体密实，无气孔凹陷；如满足要求则进行后续固井，如不满足要求则需下入扩腔钻具重新扩腔，直至检测合格；

i、固井充填：腔体检测合格后，向二次扩腔内填充固化材料进行固井，形成高强度终桩ⅱ，高强度终桩的直径为φ1000-1500mm，高度为13m；

j、完成垂直井井底腔室建设：二次扩腔固化完毕后，在已固化的高强度终桩ⅱ上钻孔，钻孔的直径为φ460mm，钻孔深度为232m，下入垂直井生产套管4，其直径为φ339.7mm，将所述垂直井生产套管4下放到钻孔底端，所述垂直井生产套管4包括上端的常规套管4-1、中间的封隔器4-2及下端的无磁套管4-3，所述封隔器4-2设置于所述常规套管4-1与无磁套管4-3之间，所述无磁套管4-3选用较软易钻通的金属套管；下入所述垂直井生产套管4之后，灌注水泥固井，在水泥初凝之前将所述封隔器4-2座封，密封所述生产套管4与桩孔之间的环形间隙。所述无磁套管4-3选用铝制或者铜制套管，位于垂直井井底高强度腔室内，对腔室起到加固作用，由于所述无磁套管4-3采用的材质较软，不影响后续水平井汇聚开采时的钻孔。