1.本发明属于天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种用于开采天然气水合物的逆向三水平井井网结构及方法。
背景技术：
2.天然气水合物(natural gashydrate)是指天然气与水在特定温度和压力(低温高压)下生成的一种笼型晶体物质，似冰雪状，因其可以点燃，故俗称为“可燃冰”。天然气水合物主要以固态的形式储存在于冻土和深海中。全球天然气水合物估算储量有10
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～10
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stm3，超过了全部探明的传统油气的储量。因此，天然气水合物被认为是最有前景的可替代能源，它能满足世界能源和未来气候变化的要求。在过去的数十年里，天然气水合物已经是一项热点研究，并且大多数研究都致力于从天然气水合物中开采出天然气。
3.水合物藏开采天然气是一个复杂过程，它涉及多相(气、液、冰和水合物)流动、热传递以及吸热反应。目前，天然气水合物的开采主要有注热法降压法、化学剂法和二氧化碳置换法等方法。注热法是将带有一定温度的热流体注入到天然气水合物储层里，或者采用火驱等井下加热方法，提升储层内的体系温度，促使天然气水合物分解；降压法是通过降低储层体系压力，在一定程度上改变水合物的相平衡，促使天然气水合物分解；化学剂法是通过注入甲醇类的化学试剂，促使天然气水合物分解；二氧化碳置换法是通过向储层中注入一定压力、温度的二氧化碳，置换出天然气水合物中的甲烷，促使天然气水合物分解。虽然上述方法均能够实现天然气水合物的开采，但水合物储层较低的传热效率和导流能力至今仍是开采天然气水合物的两大难题。
4.公布号为cn108915643a的发明专利，公开了一种用于开采海洋水合物的双连通井结构，通过在水合物层设置上下间隔排布的两个连通井，能够在两个连通井之间形成压差，在压差的作用下，水合物层内会形成相应的流动通道，以利于注入流体和水合物层中流体的流动，增大注入流体与水合物层的接触面积，而且流体的流动还能够带动热量的交换，从而提高水合物层的传热效率和导流能力，提升天然气水合物的开采效率。但是，该发明同时采用了注热法和置换法，提供了两个注入通道却只有一个采出通道，天然气水合物分解后的气体、液体和砂粒若不能及时排出，将会导致储层压力升高，砂粒堵塞采出通道，影响开采效果。
技术实现要素：
5.本发明要解决的技术问题是提供一种以注入井为中心，以丛式井方式向四周射线状布设的用于开采天然气水合物的逆向三水平井井网结构及方法，这种结构可有效排出砂粒和水，避免井筒堵塞，还能防止储层垮塌。
6.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
7.用于开采天然气水合物的逆向三水平井井网结构，包括多个三水平井井组，各三水平井井组沿注入井呈放射状均匀布置；每个三水平井井组均由生产井、注热分支井和排
砂井构成，其中生产井包括生产竖直段和生产水平段，注热分支井包括注热造斜段和注热分支水平段，排砂井包括排砂竖直段和排砂水平段，所述生产水平段、注热分支水平段和排砂水平段均位于天然气水合物储层中，所述生产水平段靠近上覆岩层，排砂水平段靠近下覆岩层，注热分支水平段位于生产水平段和排砂水平段之间；所述三水平井井组中的注热分支井均与注入井连通；
8.在每个三水平井井组中，所述生产水平段、注热分支水平段以及排砂水平段的井壁上沿长度方向均匀间隔的设置有若干隔热管组，各个隔热管组由一根设置于生产水平段上的隔热管、一根设置于注热分支水平段上的隔热管以及一根设置于排砂水平段上的隔热管组成，同一隔热管组中的隔热管上下对齐；在生产水平段、注热分支水平段以及排砂水平段的井壁上未设置隔热管的部分设置有开孔。
9.进一步的，在每个三水平井井组结构中，优选生产水平段的延伸方向和排砂水平段的延伸方向相同，注热分支水平段的延伸方向与之反向，这样更有利于三水平井井组的布设。
10.进一步的，在每个三水平井井组结构中，所述开孔在生产水平段、注热水平段或排砂水平段的井壁上沿井壁长度方向上间隔分布，同时沿井壁周向均匀分布。更进一步的，所述开孔的口径优选为天然气水合物储层中最大砂粒半径的2倍以上。
11.本发明还包括利用上述逆向三水平井井网结构开采天然气水合物的方法，包括以下步骤：
12.1)分别向各三水平井井组中的生产井、注热分支井和排砂井注入热流体，在相应三水平井井组中的生产井、注热分支井和排砂井内部进行热循环，热流体经生产井、注热分支井和排砂井上的开孔向外扩散，通过持续热循环，在包括生产水平段、注热分支水平段和排砂水平段上开孔位置相应的同一竖直区域内形成上下联通的热腔体；
13.2)在形成上下联通的热腔体后，停止向生产井和排砂井注入热流体，继续向注热分支井注入热流体以溶解天然气水合物，溶解后的天然气经生产井产出，而天然气水合物溶解后产生的水和砂粒由排砂井排出；通过控制注热分支井中注入热流体的温度及压力来控制生产井中产出物的流量；
14.3)当天然气水合物开采至预期或开采完后，先向各三水平井井组中的生产井、注热分支井和排砂井注入水，注满后再向生产井、注热分支井和排砂井注入水泥或支撑剂，完成井网的封堵。
15.上述方法中，如根据需要对封堵的井网重新启用以进一步开采天然气水合物时，上述方法进一步还包括下述步骤4)：
16.4)将封堵后的井网重新打通，在各三水平井井组的生产水平段、注热分支水平段以及排砂水平段上设置隔热管组的相应位置处进行射孔，完成后继续步骤1)至步骤3)，直至将天然气水合物开采完毕。
17.与现有技术相比，本发明的特点在于：
18.1.采用以注入井为中心，以丛式井方式向四周射线状布设的逆向三水平井井网结构实现各三水平井井组的统一注热，实现热量定向传递，提高了热量的利用效率；省略多个注热通道的钻进，节约了开发成本。
19.2.采用特别结构的三水平井井组设计可有效排出砂粒和水，避免井筒堵塞，还能
防止储层垮塌，具体体现在：在靠近下覆岩层处增设排砂井，结合隔热管组及开孔的设置，通过热循环，在三口井水平段上开孔位置相应的同一竖直区域内形成上下联通的热腔体，实现为天然气水合物分解提供所需热量的同时，通过排砂井排出天然气水合物溶解产生的水及砂粒，有效避免井筒的堵塞，同时预留隔热管组上下的天然气水合物作为支撑体，防止储层垮塌造成天然气泄露。
附图说明
20.图1为本发明所述用于开采天然气水合物的逆向三水平井井网结构的一种实施方式。
21.图2为图1所述实施方式中注入井和注热分支井的剖面示意图。
22.图3为图1所述实施方式中一个三水平井井组的剖面示意图。
23.图中标号为：
24.1排砂井；101排砂竖直段；102排砂水平段；2注热分支井；201注热造斜段；202注热分支水平段；3生产井；301生产竖直段；302生产水平段；4上覆岩层；5天然气水合物储层；6下覆岩层；7隔热管；8热腔体；9开孔；10注入井。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
26.参见图1至图3，本发明所述用于开采天然气水合物的逆向三水平井井网结构，包括多个三水平井井组，各三水平井井组沿注入井10呈放射状均匀布置，所述的注入井10为由地面或海面延伸至天然气水合物储层5的钻井。每个三水平井井组均由从地面或海面延伸至天然气水合物储层5的生产井3、位于天然气水合物储层5中的注热分支井2以及从地面或海面延伸至天然气水合物储层5的排砂井1构成，其中生产井3包括从井口往下的生产竖直段301和位于天然气水合物储层5的生产水平段302，注热分支井2包括注热造斜段201和注热分支水平段202，排砂井1包括从井口往下的排砂竖直段101和位于天然气水合物储层5的排砂水平段102；所述生产水平段302靠近上覆岩层4，排砂水平段102靠近下覆岩层6，注热分支水平段202的下入深度位于生产水平段302和排砂水平段102之间。每个三水平井井组中的注热分支井2均与注入井10连通，具体是由注热分支井2的注热造斜段201与注入井10连通，即从注入井10井口往下依次连接的是注热造斜段201和注热分支水平段202，由注入井10和注热分支井2共同完成对整个井网结构的供热，实现向井网中注热。对于三水平井井组的具体数量，可根据目标储藏的储层厚度、储存特征等相关参数进行确定，通常情况下，一口注入井10周围布设的三水平井井组的数量通常为2～6个。在图1的实施方式中，一口注入井10周围以丛井式布设的三水平井井组的数量为6个。
27.在同一三水平井井组中，所述生产水平段302、注热分支水平段202和排砂水平段102的延伸方向可以是同向也可以反向，优选设计生产水平段302的延伸方向和排砂水平段102的延伸方向相同，注热分支水平段202的延伸方向与生产水平段302和排砂水平段102两者的延伸方向反向，这样更有利于三水平井井组的布设。
28.在每个三水平井井组中，所述生产水平段302、注热分支水平段202以及排砂水平段102的井壁上沿长度方向均匀间隔的设置有若干隔热管组，各个隔热管组由一根设置于
生产水平段302上的隔热管7、一根设置于注热分支水平段202上的隔热管7以及一根设置于排砂水平段102上的隔热管组成，同一隔热管组中的隔热管7上下对齐；在生产水平段302、注热分支水平段202以及排砂水平段102的井壁上未设置隔热管7的部分设置有开孔9。
29.在同一三水平井井组中，相邻两个隔热管组之间的距离根据需要进行确定，优选设定为10～30米。优选各隔热管7的长度相等。进一步优选在隔热管7包裹绝热材料，隔绝各井井筒与天然气水合物储层5之间热交换，实现隔热管7上下对应部分的天然气水合物不开采，以用于支撑天然气水合物储层5，从而维护天然气水合物储层5的稳定性。所述同一隔热管组中的隔热管7上下对齐是指，同一隔热管组中的生产水平段302上的隔热管7、注热分支水平段202上的隔热管7以及排砂水平段102上的隔热管7三者的起始端对齐或者是三者的起始端所在竖直平面的最大距离的绝对值小于或等于2米。
30.在同一三水平井井组中，所述开孔9在生产水平段302、注热分支水平段202或排砂水平段102的井壁上沿井壁长度方向上间隔分布，同时沿井壁周向均匀分布。对于开孔9的形状，可以是圆形、椭圆形、矩形或正方形等规则的形状，也可以是不规则的异形。在图1的实施方式中，这些开孔9呈矩形。进一步的，所述开孔9的口径优选为天然气水合物储层5中最大砂粒半径的2倍以上。更进一步的，为了更有利于在各井水平段上开孔9位置相应的同一竖直区域内形成上下联通的热腔体8，处于同一块竖直区域内的生产水平段302上的首个开孔9、注热分支水平段202上的首个开孔9以及排砂水平段102上的首个开孔9三者的起始端对齐或者是三者的起始端所在竖直平面的最大距离的绝对值小于或等于2米。
31.本发明还包括利用上述逆向三水平井井网结构开采天然气水合物的方法，包括以下步骤：
32.1)在完成井组结构的布置及完井作业后，分别向各三水平井井组中的生产井3、注热分支井2和排砂井1注入蒸汽或热流体，在相应三水平井井组中的生产井3、注热分支井2和排砂井1内部进行热循环，蒸汽或热流体经生产井3、注热分支井2和排砂井1上的开孔9向外扩散，通过持续热循环，在包括生产水平段302、注热分支水平段202和排砂水平段102上开孔9位置相应的同一竖直区域内形成上下联通的热腔体8。
33.在开始步骤1)之前，首先结合地质资料，选择储层厚度、储存特征等相关参数均符合要求的天然气水合物储层5作为目标储藏；然后在目标储藏上采用现有常规技术完成井网结构的布置及完井作业。
34.该步骤中，同时在同一三水平井井组中的生产井3、注热分支井2和排砂井1中进行热循环，当三口井同时发生压力联动(其中一口井发生压力变化，另外两口井随之变化即为发生压力联动)时，即认为形成上下联通的热腔体8。所述的热流体可以是热水、热盐水等现有技术中通常使用的热流体。
35.在包括生产水平段302、注热分支水平段202和排砂水平段102上开孔9位置相应的同一竖直区域内，是指，在生产水平段302上开孔9位置的正下方和正下方、注热分支水平段202上开孔9位置的正下方和正下方，以及排砂水平段102上开孔9位置的正下方和正下方连接在一起形成的具有一定横向距离和一定纵向距离的空间。
36.2)在形成上下联通的热腔体8后，停止向生产井3和排砂井1注入热流体，继续向注热分支井2注入蒸汽或热流体以溶解天然气水合物，溶解后的天然气经生产井3产出，而天然气水合物溶解后产生的水和砂粒由排砂井1排出；通过控制注热分支井2中注入蒸汽或热
流体的温度及压力来控制生产井3中产出物的流量。
37.在形成上下联通的热腔体8后，控制排砂井1与注热分支井2的流量比大于或等于1，防止排砂井1出气(在形成上下联通的热腔体8后，生产井3和排砂井1停止注入热流体，注热井继续注入热流体，为防止热流体在储层内聚集吸收热量，避免能量浪费，应通过排砂井1将放热冷却后的热流体排出)。
38.在形成上下联通的热腔体8后，通过控制向注热分支井2中注入热流体的温度及压力，还可以控制天然气水合物开采后热腔体8的体积及形状。
39.在形成上下联通的热腔体8后，排砂井1的产出物(包括冷凝水、天然气水合物溶解水、储层中砂粒等)的温度优选是不超过40℃且不低于0℃，通过控制向注热井中注入的热流体的温度及压力来调节。
40.上述方法中，当排砂井1中产出天然气或者蒸汽时，通过停止向注热分支井2中注入热流体，或者是降低向注热分支井2中注入热流体的温度及压力，保持注入热流体与产出液体的温度差控制在要求的范围之内，预防排砂井1产出天然气或者蒸汽。
41.3)当天然气水合物开采至预期或开采完后，先向各三水平井井组中的生产井3、注热分支井2和排砂井1注入水，注满后再向生产井3、注热分支井2和排砂井1注入水泥或支撑剂，完成井网的封堵。
42.该步骤中，实现封堵的操作与现有技术相同，支撑剂通常可能是石英砂、陶粒等；注入的水泥或支撑剂的量稍大于从天然气水合物储层5的累计采出体积。
43.当步骤3)中是开采至一定程度而非开采完毕对井网进行封堵，根据具体情况还需要对封堵的井网重新启用以进一步开采天然气水合物，此时本发明所述方法进一步还包括下述步骤4)：
44.4)采用现有常规技术将封堵后的井网重新打通，在各三水平井井组的生产水平段302、注热分支水平段202以及排砂水平段102上设置隔热管组的相应位置处进行射孔(即开孔9)，完成后继续步骤1)至步骤3)，直至将天然气水合物开采完毕。