способ разработки газогидратных залежей бурением

Формула изобретения

1. Способ разработки газогидратных залежей, включающий добычу полезного ископаемого посредством механического бурения и вынос выбуренного шлама и продуктов разложения породы через скважину, отличающийся тем, что добычу газа производят посредством горизонтального бурения с промывкой и обратным расширением, с одновременной очисткой и разделением сырой добытой смеси и накоплением газа, причем доставку расширителя сверхбольшого рабочего диаметра к месту расширения осуществляют через скважину, подлежащую обратному расширению, при этом давление, температуру и состав промывочной жидкости регулируют таким образом, чтобы свободный природный газ, освободившийся при механическом бурении, растворялся в буровом растворе и выделялся из него, только когда он пройдет в сепаратор через вращающийся превентор.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют расширитель в виде коромысла с шарошками, расширяющий диаметр скважины до 10 м и более.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к газодобывающей промышленности, в частности к способам разработки газогидратных залежей бурением. Примечание: при этом газогидратную залежь (ГГЗ) разрушают механическим способом (бурением), а полученный газогидратный шлам поступает в скважину и транспортируется на поверхность током промывочной жидкости. Причем разложение газогидратного шлама на газ и воду может происходить как в самой скважине, так и на поверхности, в специальных сепараторах.

Известны случаи добычи газового гидрата из ГГЗ посредством вращательного вертикального бурения, при котором газовый гидрат извлекался на поверхность в виде колонок керна или в виде шлама [1]. Но способы добычи газа, основанные на этом принципе, в промышленности не применяются из-за существенных недостатков: при вертикальном бурении объем добытого газа ограничивается диаметром скважины и толщиной ГГЗ. Поэтому объемы добытого газа не окупают затрат. Правда, объем ствола скважины в ГГЗ можно увеличить за счет бурения ее горизонтального участка до нескольких километров. Но при этом по мере увеличения длины скважины ее стенки периодически крепят обсадными трубами. В результате этого в процессе бурения диаметр ствола скважины периодически уменьшается, что соответственно уменьшает объем добытого газа и делает увеличение длины скважины нерентабельным. Да и стоимость обсадных колонн может превышать стоимость добытого газа из закрепленного объема скважины.

Добычу газа таким горизонтальным бурением можно сильно увеличить, ограничив длину горизонтального участка ствола скважины и применив его расширение до возможно больших размеров. Но такое расширение в нефтегазовой промышленности не применяется по традиционным причинам.

В месте с тем, в горной промышленности известны эффективные технологии расширения горизонтальных скважин путем обратного расширения. Здесь нагрузка на расширитель создается за счет вытягивающей силы бурового станка, например, [2], что для нефтегазовой промышленности нетрадиционно. А в предлагаемом изобретении этот принцип переделан для условий нефтегазовой промышленности, что решает проблему рентабельной разработки ГГЗ бурением.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ подводной добычи газогидрата [3]. Способ подводной добычи газогидрата включает бурение и подъем по колонне труб продукции на поверхность и отличается тем, что с целью повышения эффективности и безопасности добычи и транспортировки газогидрата после измельчения газогидрата осуществляют подводный трехступенчатый его нагрев с получением конечных продуктов разложения: газа и воды, при этом первичный нагрев осуществляют при одновременном перекрытии заколонного пространства куполообразным элементом, раскрывающимся под воздействием давления газа, полученного в результате первичного разложения газогидрата. Способ предусматривает вертикальное бурение шнековой головкой и раскрытие куполообразного элемента внутри скважины для перекрывания выхода из скважины и для направления выбуренного газогидрата “под внутренним давлением” в технологическую цепь. Внутри куполообразного элемента находятся нагревательные элементы, которые своим теплом разрушают не только выбуренный шнеком газогидрат, но и несколько разрушают газогидрат, находящийся на стенках скважины. Этот куполообразный элемент можно рассматривать как расширитель теплового действия. Причем, судя по схеме прототипа, диаметр раскрывшегося куполообразного элемента раз в пять больше, чем диаметр шнека. То есть прототип предусматривает добычу газогидрата механическим способом из скважины и расширение скважины, а это есть признаки, сходные с таковыми в заявляемом способе.

Однако прототип имеет следующие недостатки:

- объем добытого газа ограничивается диаметром скважины, расширяемой до пяти раз и толщиной ГГЗ,

- разрушение газогидрата производится механическим способом только по толщине скважины, а остальной объем разрушается тепловым воздействием,

- отсутствует циркуляция промывочной жидкости, что ставит под сомнение возможность добычи “под внутренним давлением”, так как если твердые частицы нагнетаются во входные окна трубы с помощью шнека, то они их забьют с первыми попавшимися глыбами и спрессуются,

- если спрессованные массы газогидрата сверху будут разогреваться и измельчаться электронагревательными элементами куполообразного элемента, то произойдет поверхностное выделение газа до ста восьмидесяти объемов и наверх в трубу пойдет газоводяная смесь, а более плотный “измельченный лед” под действием силы тяжести останется внизу и, по всей видимости, спрессованным, что приведет к циклическому забиванию входных окон трубы по мере выхода наверх газоводяной смеси,

- способ не предусматривает возможности горизонтального бурения для увеличения объемов добычи,

- не предусмотрено противовыбросовое оборудование,

- не предусмотрено обратное расширение, причем прямое расширение тепловым способом однозначно приведет к разгерметизации скважины и грифону,

- не предусмотрено расширение до сверхбольшого диаметра для увеличения объемов добычи.

Задачей изобретения является получение рентабельной промышленной добычи газа за счет извлечения полезного ископаемого из газогидратной залежи посредством бурения горизонтальных участков скважин с обратным расширением.

Поставленная задача решается посредством применения горизонтального бурения с промывкой и обратным расширением, с одновременной очисткой и разделением сырой добытой смеси и накоплением газа, причем доставку расширителя сверхбольшого рабочего диаметра к месту расширения осуществляют через скважину, подлежащую обратному расширению, при этом давление, температуру и состав промывочной жидкости регулируют таким способом, чтобы свободный природный газ, освободившийся при механическом бурении, растворялся в буровом растворе и выделялся из него, только когда он пройдет в сепаратор через вращающийся превентор. Причем используют расширитель в виде коромысла с шарошками, расширяющий диаметр скважины до десяти метров и более. Коромысло этого расширителя за свою середину шарнирно соединяют с концом бурильной колонны, образуя несбалансированную качель. Если при этом низ бурильной колонны подвесить вертикально, то более тяжелая сторона данной качели опустится вниз, а другая поднимется вверх и прижмется к прижимной стороне утяжеленной бурильной колонны. В таком положении расширитель проникает в скважину и доставляется к месту расширения. После этого начинают наибыстрейшее вращение инструмента с возможно большей осевой нагрузкой в сторону забоя. При этом коромысло расширителя, под действием отклоняющих сил, по большей части своими концами начнет врезаться в стенки скважины и, разрушая окружающие стенки, постепенно займет рабочее положение, перпендикулярное оси низа бурильной колонны. После этого производят добычу полезного ископаемого посредством обратного расширения с одновременной очисткой и разделением сырой добытой смеси и накоплением газа. При этом плотность промывочной жидкости подбирают таким образом, чтобы шлам газогидратов стремился собираться к оси расширенного участка и заходить в нерасширенный канал скважины с током промывки. А песок и шлам обломочных горных пород частично бы оседали на нижнюю стенку скважины под действием центробежных сил (при перемешивании коромыслом) и под действием силы тяжести. При этом давление, температуру и состав промывочной жидкости регулируют таким образом, чтобы свободный природный газ, освободившийся при механическом бурении, растворялся в буровом растворе и выделялся из него, только когда он пройдет в сепаратор через вращающийся превентор.

После разработки предыдущего горизонтального участка производят бурение и разработку последующего горизонтального участка многозабойной скважины или куста горизонтальных скважин или ряда горизонтальных скважин.

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:

1. Добыча газа из газогидратной залежи посредством горизонтального бурения с промывкой и обратным расширением, с одновременной очисткой и разделением сырой добытой смеси и накоплением газа.

2. Доставку расширителя сверхбольшого рабочего диаметра к месту расширения осуществляют через скважину, подлежащую обратному расширению.

3. Давление, температуру и состав промывочной жидкости регулируют таким способом, чтобы свободный природный газ, освободившийся при механическом бурении, растворялся в буровом растворе и выделялся из него, только когда он пройдет в сепаратор через вращающийся превентор.

4. Использование расширителя в виде коромысла с шарошками, расширяющего диаметр скважины до десяти метров и более.

Отличительные признаки нам не были известны из патентной и научно-технической информации. В связи с этим мы считаем, что заявленное нами решение является новым.

Заявленная совокупность существенных отличительных признаков является неизвестной, что позволяет нам сделать вывод, что техническое решение имеет изобретательский уровень.

Заявленный способ может быть осуществлен специализированным предприятием или организацией, что соответствует критерию промышленной применимости.

Пример:

1. Производят подготовительные и строительно-монтажные работы для бурения кустов или рядов горизонтальных скважин.

2. Бурят каждую скважину в кусте или ряде в следующем порядке технологических операций.

3. Производят вертикальную проходку верхних многолетнемерзлых пород и устанавливают направление (с активной или пассивной защитой от растаивания многолетнемерзлых пород).

4. Производят дальнейшее уже наклонно-направленное бурение в толщу ГГЗ с переводом оси ствола скважины до горизонтали, после чего небольшое расстояние (несколько метров) в толще ГГЗ бурят горизонтально.

5. Закрепляют скважину съемным кондуктором, цепляющимся за стенки скважины раздвижными распорками. Причем его затрубное пространство герметизируется тиксотропными композициями.

6. Устье кондуктора оснащается вращающимся превентором.

7. Дальнейшее бурение производят при циркуляции бурового раствора через добывающее, перерабатывающее и очистное оборудование, где шлам газогидратов и продукты его распада отделяются от шлама обломочных пород и бурового раствора, а также где происходит окончательное таяние шлама газогидрата и отделение от жидкости природного газа с последующим его сбором.

8. Производят бурение горизонтального открытого ствола скважины в ГГЗ длиной, например, 300 м или 3 км.

9. Доводят расширитель до забоя скважины и начинают наибыстрейшее вращение инструмента с возможно большей осевой нагрузкой в сторону забоя. При этом коромысло расширителя, под действием отклоняющих сил, по большей части своими концами начнет врезаться в стенки скважины и, разрушая окружающие стенки, постепенно займет рабочее положение, перпендикулярное оси низа бурильной колонны. Здесь, из-за малых глубин, веса обычного бурильного инструмента может не хватить для поддержания наиболее эффективного механического разрушения горной породы. Поэтому для ускорения данного процесса можно применять как сверхутяжеленный бурильный инструмент (для создания осевой нагрузки), так и теплую промывку, заставляющую газогидратный цемент в ГГЗ таять.

10. Производят добычу полезного ископаемого посредством обратного расширения с одновременной очисткой и разделением сырой добытой смеси и накоплением газа. Здесь расширение производят, например, при рабочем диаметре расширителя в 10 м и при тяговом осевом усилии 2000 кН. При этом плотность промывочной жидкости подбирается таким образом, чтобы шлам газогидратов стремился собираться к оси расширенного участка и заходить в нерасширенный канал скважины с током промывки. А песок и шлам обломочных горных пород частично бы оседали на нижнюю стенку скважины под действием центробежных сил (при перемешивании коромыслом) и под действием силы тяжести. При этом давление, температуру и состав промывочной жидкости регулируют таким образом, чтобы свободный природный газ, освободившийся при механическом бурении, растворялся в буровом растворе и выделялся из него, только когда он пройдет в сепаратор через вращающийся превентор.

11. Добычу природного газа производят до тех пор, как расширитель достигнет кондуктора.

12. Производят мероприятия по извлечению расширителя и кондуктора. Например, расширитель отводят вглубь выбуренного ствола и поворачивают его прижимной стороной вниз, в результате чего он принимает в скважине продольное транспортное положение за счет разницы в весе сторон коромысла.

13. Производят перемещение бурового станка на месте бурения следующей скважины.

14. Приступают к новому циклу добычи газа, буря следующую скважину в кусте, начиная с пункта 3.

15. По завершении разработки предыдущего кустового участка или ряда приступают к разработке последующего.

Заявляемый способ разработки надежен, так как основан на современных буровых технологиях, использующихся при разработке нефтяных и газовых месторождений.

При использовании буровых установок с вертикальными буровыми вышками заявляемый способ имеет ограничения по наименьшей глубине разработки ГГЗ, соизмеримой с радиусом искривленного участка скважины, соединяющего вертикальный и горизонтальный участки.

Заявляемый способ применим на соответствующих малых глубинах при наличии специальных буровых установок, позволяющих устанавливать наклонно-направленное направление и создающих нагрузку на долото за счет силовой машины.

Заявляемый способ эффективен при разработке донных морских ГГЗ большой толщины.

Литература

1. Методы разработки газогидратных залежей: В.А.Ненахов, З.А.Аметова, В.П.Царев. - М.: ВНИИЭгазпром, 1988. - 36 с. (Обз. информ. Сер. Информационное обеспечение общесоюзных научно-технических программ, вып.3). Библиогр. - 26 названий.

2. А.с. №883306, кл. 3 Е 21 В 7/28, опубликованное в 1981 г.

3. Патент СССР 1792482 A3, опубликован 30.01.93. Бюл. №4.