一种海域天然气水合物水平井分段回采系统及工艺方法

本发明涉及资源开采系统，具体为一种海域天然气水合物水平井分段回采系统及工艺方法。

背景技术：

1、海域水合物井生产系统，是将水合物储层分解产出的气、水、砂等从井底举升到中心平台的必要系统。现有海域天然气水合物试采工艺技术以气水分采系统为出发点，分别针对排水、控压、防水合物、携砂等工艺环节单独设计解决方案，试采系统结构复杂，相应的工艺方法繁琐，甚至相互冲突，主要技术难点如下：

2、(1)安全方面，水合物储层出砂导致水合物井生产系统的生产管柱面临埋砂风险，水合物井生产时间越长，储层出砂及物质亏空越严重，埋砂风险越高，甚至造成储层坍塌，破坏生产套管；水平井导致整个水平段内的生产井筒出砂量大，水平井段越长，水合物储层非均质性的影响越大，任一位置埋砂均将影响整个生产系统；水平井同时导致井筒内携砂能力变差，易造成砂在井内沉降堆积从而形成堵塞。水合物二次生成，堵塞水合物井生产系统的生产管柱，气水分采系统中，井下气液无法实现完全分离，导致采气管柱、采水管柱内均为气液两相体系，但由于含气率不同导致体系中水合物二次生成风险不同；水平井使得生产管柱走向变化，影响生产管柱内气液两相流动体系的输运特征，使得生产系统水合物二次生产风险防控难度增大。

3、(2)效率方面，水平井增加了井筒与水合物储层接触面积，提高了生产效率；水平段越长，接触面积越大，但同时面临的水合物储层非均质性、水平井生产极限长度等问题越突出。现有气水分采系统对生产井筒内生产压差的控制手段取决为井下电潜泵，控制效果受到井下气液分离器分离效率的显著影响，水平井增加井下气液难度，从而影响电潜泵对生产压差的控制。此外，生产管柱内砂粒等固相杂质造成电潜泵磨损，缩短检修周期，降低开采效率；控砂介质的泥沙堵塞程度随时间而加剧，增加入流阻力，降低水合物井产气速率。

4、(3)经济方面，水合物储层产气速率随时间的变化包括上升阶段、快速下降阶段和缓慢下降阶段，储层稳定生产时间短；现有水合物储层生产系统结构及工艺复杂，导致资本性支出及运营成本高，并随水平井井眼长度的延伸而累计增加。

5、(4)低碳方面，现有水合物井气水分采系统的人工举升的核心设备为电潜泵，能耗大，气液两相入口条件、水平井眼长度增加导致的扬程增加等，进一步增加电潜泵能耗。水合物二次生成的防治，热力学抑制剂损耗量大，再生系统能耗大，不符合低碳要求。

6、综上所述，目前海域天然气水合物井生产系统及工艺技术在安全、效率、经济、低碳等方面的不足约束了其产业化向商业开采阶段的迈进，水平井使得上述不足的约束更加突出。因此，亟需一种专用于海域天然气水合物水平井的安全、高效、经济、低碳生产系统及方法。

技术实现思路

1、针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种海域天然气水合物水平井分段回采系统及工艺方法，消除压力波动性，提高控压精度，减少检修频率，提高开采效率，结构简单且可回收，降低资本性支出，实现低碳排水。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种海域天然气水合物水平井分段回采系统，包括分段回采子系统、泡沫举升子系统和平台处理子系统；所述分段回采子系统的顶端分别与泡沫举升子系统、平台处理子系统连接；分段回采子系统用于移动开采系统，按照回采顺序从水平段趾端到根端依次在空间位置上对应各个阶段；泡沫举升子系统用于向生产井筒内注入高压气体以及起泡剂，实现生产井筒内流动体系向泡沫流动体系的转变；平台处理子系统用于生产井筒产出物的处理，消除泡沫实现气、液、固的分离。

4、优选地，所述分段回采子系统包括生产管路、割缝套管、头部可重复坐封封隔器、双层连续油管伸缩连接器、防砂筛管、内置油管、内置油管扶正器、单流阀、井下压力温度计、连接短节、底部可重复坐封封隔器、导向扶正器、双层连续油管井口装置、双层连续油管、双层连续油管滚筒、双通道滚筒轴旋转头；

5、双层连续油管处于双层连续油管井口装置上游的部分缠绕在双层连续油管滚筒上，处于双层连续油管井口装置下游的部分位于生产管路、割缝套管内部；双层连续油管顶部连接双通道滚筒轴旋转头；双层连续油管底端依次连接双层连续油管伸缩连接器、防砂筛管、连接短节、底部可重复坐封封隔器、导向扶正器；头部可重复坐封封隔器安装在双层连续油管与割缝套管的环空处，位于双层连续油管伸缩连接器上游；内置油管位于防砂筛管内部；内置油管与防砂筛管上游端对齐；内置油管扶正器位于内置油管与防砂筛管的环空处；内置油管底端从上游到下游依次安装单流阀、井下压力温度计。

6、优选地，所述双层连续油管包括外层连续油管和内层连续油管；外层连续油管与内层连续油管之间构成环空；双通道滚筒轴旋转头提供了双通道，一个通道对应内层连续油管内部流动通道，另一个通道对应外层连续油管、内层连续油管形成的环空；内置油管长度比防砂筛管短0.5m。

7、优选地，所述泡沫举升子系统包括常规气藏输气管线、第一压力计、第一储气罐、第一阀门、第二压力计、第一气体流量计、注气管线、双层连续油管内层管阀门、第一药剂储罐、第一注入泵、第一液体流量计、第一电控阀、第一药剂管线；

8、所述第一储气罐上游连接常规气藏输气管线，下游连接注气管线；所述常规气藏输气管线上安装第一压力计；所述注气管线上从上游到下游依次安装第一阀门、第二压力计、第一气体流量计、双层连续油管内层管阀门；注气管线通过双通道滚筒轴旋转头与内层连续油管连接；所述第一药剂储罐下游连接第一注入泵；第一注入泵通过第一加药管线与注气管线连接；所述第一药剂管线上从上游到下游依次安装第一液体流量计、第一电控阀。

9、优选地，所述平台处理子系统包括双层连续油管环空通道阀门、井口产出管线、第二药剂储罐、第二注入泵、第二液体流量计、第二电控阀、第二药剂管线、第二阀门、第三压力计、三相分离器、第二气体流量计、第二储气罐、第四压力计、第三阀门、输气管线；

10、所述井口产出管线上游通过双通道滚筒轴旋转头与外层连续油管、内层连续油管构成的环空连接；所述第二药剂储罐下游连接第二注入泵；所述第二注入泵通过第二药剂管线与井口产出管线连接；所述第二药剂管线上从上游到下游依次安装第二液体流量计、第二电控阀；第二液体流量计用于监测消泡剂溶液的注入流量；第二电控阀用于精确调控消泡剂溶液流量；所述井口产出管线下游与三相分离器连接；所述井口产出管线上从上游到下游依次安装第二阀门、第三压力计；所述三相分离器下游依次连接第二气体流量计、第二储气罐；所述第二储气罐下游连接输气管线；所述输气管线上从上游到下游依次安装第四压力计、第三阀门。

11、一种海域天然气水合物水平井分段回采工艺方法，包括以下步骤：

12、s1、海域天然气水合物水平井水平段的阶段划分：

13、根据拟开采海域水合物储层的非均质性分布，借助水平井筒内泡沫流动方程与水合物储层水平井产能方程，按照回采顺序从水平段趾端到根端依次分析各个阶段内泡沫体系流动压降对该阶段产能的影响，将水平井生产井眼极限长度合理划分为各阶段长度；

14、s2、开采阶段的产能、风险监测及分析：

15、借助海域天然气水合物水平井平台处理子系统，实时监测开采阶段的产气速率、产液速率、产砂速率，借助分段回采子系统，实时检测井底流动压力、井口压力参数，确定该阶段的产能、时间曲线、该阶段对应储层风险、时间曲线；分析两类曲线变化特征，确定该阶段分段回采子系统药剂注入流量、泡沫举升子系统注气压力、该开采阶段停产时间；

16、s3、开采系统清砂及回移至相邻上游阶段的开采：

17、借助海域天然气水合物水平井泡沫举升子系统，升高注入气体压力实现泡沫体系从开采系统内部向其环空的流动，实现防砂筛管的清砂，直至井底压力恢复至水合物储层原始压力；借助分段回采子系统上提双层连续油管，使得防砂筛管移动至相邻上游阶段内；借助泡沫举升子系统降低注入气体压力，降低井底流动压力至设计压力，开始本阶段的开采；

18、s4、开采系统的完整回收及评估优化：

19、按照回采顺序从水平段趾端到根端依次完成各个阶段的开采，借助分段回采子系统完全上提双层连续油管，实现开采系统的完整回收；评估开采系统的结构、功能完整性，根据本区块水合物藏开发方案的总体部署和设计，优化开采系统以应用于下一口水合物开采水平井。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

21、(1)本发明提供的海域天然气水合物水平井分段回采系统结构简单且可回收，降低资本性支出。有效利用临近常规气藏、天然气藏、高压气藏作为气举气源，取代高耗能电潜泵，实现低碳排水；通过起泡剂配合气举，将生产井筒内水力不稳定的气液两相流体系转变为水力稳定的泡沫流动体系，实现了井底流动压力控制方式由电潜泵控制液柱静液压力向泡沫控制沿程摩擦阻力的转变，不仅消除了压力波动性，而且提高了控压精度；泡沫体系通过改变生产井筒内的压力、温度条件减小水合物的热力学风险区域，配合水合物抑制剂，实现了生产通道内水合物的水力、热力耦合防治；防砂筛管长度由水平段长度减小至阶段长度，更顺利通过造斜段和水平段下入到储层设计位置；防砂筛管具备自清洁功能，可恢复防砂筛管的渗透率，实现了防砂筛管在各个阶段的重复使用；减少检修频率；防砂筛管清洗时直接利用泡沫体系，无需替换成专用冲砂液，已开采完成阶段为砂粒提供了空间，无需将砂粒冲洗至平台，降低了冲砂流体排量，避免井漏问题；泡沫体系携带固体颗粒能力强，有效解决砂粒、水合物颗粒等在水平段的沉降堵塞问题；以上技术优势有效降低了海域水合物开采系统的运营成本。

22、(2)本发明提供的海域天然气水合物水平井分段回采工艺方法，将开采对象由整个水平段划分为阶段，不仅在空间上实现了水合物储层非均质性的精细处理，而且在时间上实现了产能、风险的协调处理，显著提高水合物开采的效率，避免了水合物储层物质亏空造成的风险，降本增效显著；使得水合物水平井井身结构设计摆脱了水平井生产井眼极限长度的约束，只需要考虑水合物储层水平井钻井井眼延伸长度；创新了水合物水平井工作制度的设计，不仅包括合理生产压差的确定，还包括阶段的划分及回采方案的制定。