CN108678671A - 一种海底天然气水合物采掘滑套式喷射回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底天然气水合物采掘滑套式喷射回收装置，包括上接头、管柱连接筒、外壳体、内壳体、滑套、压环、扶正块、喷嘴，其中滑套由剪切螺钉固定在管柱连接筒上，所述外壳体与内壳体之间环空设为回填通道，内壳体与管柱连接筒之间环空设为回流通道，所述内壳体和外壳体由扶正块支撑，所述扶正块焊接在壳体上，滑套上设有第二层射流孔。外壳体、内壳体下端设有回流孔，在管柱连接筒下端设有钻井液过流孔。本发明采用内腔液体压力控制滑套动作，实现了钻进破碎和喷射破碎作业钻井液流道的改变，并为水合物浆体回收及泥沙回填提供了通道，实现了水平井段水合物破碎回收一体化作业，为海底非层岩浅层水合物经济、高效采掘提供了装备保障。
Description
技术领域
本发明涉及到天然气水合物流化开采技术领域，尤其涉及一种海底天然气水合物采掘滑套式喷射回收装置。
背景技术
天然气水合物又称“可燃冰”，由甲烷为主的烃类气体和水在一定的温度压力条件下形成的“笼型化合物”，呈白色晶状结构。天然气水合物特别是海洋水合物，是目前全球范围内尚未实现商业化开发的储量最大的一种新能源，其在中国海域也储量巨大，是探明常规油气总和的3倍之多。近年来，日本和中国相继开展了海洋天然气水合物试采研究，我国周守为院士等人根据世界海域水合物取样和我国海域水合物取样情况，首次提出了深水非成岩天然气水合物固态流化开采技术，于2017年已在中国南海神户海域实现了首次试采。
针对不同埋深的水合物资源，固态流化开采方法可分为表层固态流化和浅层固态流化两种。当前浅层水合物固态流化开采的主要思路是借助传统油气水平钻井技术，并在此基础上利用水喷射等技术手段破碎天然气水合物、扩大井眼，实现水合物的流化。然而，在浅层天然气水合物固态流化开采中，其水合物喷射采掘过程是有别于常规水平钻井作业，其大致分为两个阶段，一是正常水平钻井阶段（打井眼阶段），二是回拖喷射阶段。因此，为了实现浅层水合物固态流化开采，在水合物喷射采掘过程中，需要有一种与之配套装置，以实现如下功能和要求：在正常水平钻井阶段时，该装置上的射流孔处于关闭状态，钻井液可以从下端钻头水眼喷出，以实现常规钻井中钻井液的循环，同时，该装置可以传递扭矩，以实现钻头破碎水合物进行钻进；在回拖喷射阶段时，通过地面高压泵组增大压力，可以控制该装置，关闭下端钻头水眼，并打开射流孔，实现对水合物的喷射破碎；同时，该装置可提供喷射破碎后流化水合物混合浆体的回收通道，以及分离后的混合浆体泥沙回填通道。
发明内容
基于上述的需要，本发明提供一种海底天然气水合物采掘滑套式喷射回收装置，该装置在钻进时保持射流孔关闭和钻井液打开状态，在回拖之前利用装置内部的液体压力打开射流孔，关闭钻井液过流孔，实现了钻进破碎和喷射破碎作业钻井液流道的改变，实现了两种工作状态的可靠转换；为水合物混合浆体回收及泥沙回填提供了通道，满足喷射破碎天然气水合物的工艺需求。
本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：，主要包括上接头、管柱连接筒、外壳体、内壳体、滑套、压环、扶正块、喷嘴，其中上接头与管柱连接筒通过螺纹连接，在管柱连接筒内部设有滑套，所述滑套通过剪切螺钉固定在管柱连接筒上部，滑套上端设有止口下端设有锥台，滑套上下两端均设有两道密封槽；在管柱连接筒中部设有锥形限位凸台，在锥形限位台下方设有两道密封槽，在管柱连接筒下端面设有钻井液过流孔，在管柱连接筒中部设有锥孔，锥孔下端面设有密封圈，所述锥孔角度与滑套锥台角度相同；在管柱连接筒的外部设有内壳体，所述内壳体上端焊有内壳体上扶正块，上下两端均设有螺钉固定孔，在内壳体外部设有外壳体，所述外壳体上下两端均焊有扶正块，扶正块上设有两个螺纹孔；外壳体与内壳体间的环空设为回填通道，内壳体与管柱连接筒间的环空设为回流通道；管柱连接筒、外壳体、内壳体的中间位置设有可连通的射流孔，所述射流孔由喷嘴连通，喷嘴通过螺纹与管柱连接筒连接；外壳体和内壳体的下端设有可连通回流孔，所述回流孔由套管连通。
优选地，所述的滑套上端面面积大于下端面面积，由剪切螺钉固定于管柱连接筒上部，中间位置设有第二层射流孔，在最下方设有密封锥台。
进一步设置为，在管柱连接筒中间位置设有与喷嘴连接的螺纹孔，在下端圆台上设有过流孔，在圆台下方设为与滑套角度相同的锥孔，在锥孔的最下端设有密封槽，在最下端设有与钻头相连的螺纹。
进一步设置为，外壳体上下分别焊有外壳体上扶正块和外壳体下扶正块，所述扶正块上都设有两个螺纹孔，由螺钉连接扶正块和内壳体；内壳体上端焊有内壳体上扶正块，所述扶正块插入连接头的槽内由压环压制固定，内壳体下端由螺钉直接固定在管柱连接筒上。
优选地，外壳体与内壳体之间的环空设为回填通道，内壳体与管柱连接筒之间的环空设为回流通道。
进一步设置为，当滑套处于上极限位置时，第一层射流孔与第二层射流孔处于错开位置，射流孔处于关闭状态，钻井液过流孔处于打开状态；当滑套处于下极限第一层射流孔与第二层射流孔连通，射流孔打开；下端钻井液过流孔处于关闭状态。
优选地，喷嘴的上端外部设为六方形，喷嘴的下端设有螺纹。
本发明的有益效果是：本发明利用内腔液体压力控制滑套动作，实现了钻进破碎和喷射破碎作业钻井液流道的改变，实现了装置由正常钻进阶段到回拖阶段工作状态的改变，并为水合物浆体回收及泥沙回填提供了通道，保证了采掘过程的连续进行，从而实现对浅层水合物矿体经济、高效采掘的目的。
附图说明
附图1为本发明最佳实施例一中滑套处于上极限位置的主视剖面结构示意图。
附图2为本发明最佳实施例一中滑套处于下极限位置的主视剖面结构示意图。
附图3为附图2的A-A向示意图。
附图4为附图2的B-B向示意图。
附图5为附图2的C-C向示意图。
附图6为附图2的Ⅰ处局部放大图。
附图7为本发明最佳实施例一中滑套处于上极限位置的三维结构示意图。
附图8为本发明最佳实施例一中滑套处于下极限位置的三维结构示意图。
附图9为本发明的内壳体与外壳体装配结构示意图。
附图10为本发明的外壳体三维结构示意图。
附图11为本发明的内壳体三维结构示意图。
附图12为本发明的管柱连接筒三维结构示意图。
附图13为本发明的滑套三维结构示意图。
附图14为本发明的喷嘴主视剖面结构示意图。
附图15为本发明的喷嘴三维结构示意图。
附图16为本发明的连接头三维结构示意图。
附图17为本发明的立体结构示意图一。
附图18为本发明的立体结构示意图二。
附图标记说明：
1.上接头，2.外壳体，3.喷嘴，4.滑套，5.套管，6.内壳体，7.管柱连接筒，8.螺钉，9.密封圈，10.剪切螺钉，11.压环，12回流孔，13回流通道，14回填通道，101.锥螺纹，102.压环螺纹，103.内扶正块槽，104.管柱连接筒螺纹，201.外壳体端面密封槽，202.外壳体上端扶正块，203.外壳体回流孔，204.外壳体喷嘴孔，205.外壳体下扶正块，301.六方台，302.第一射流孔，303.喷嘴螺纹，401.滑套止口，402.第二层射流孔，403.滑套限位台，404.下端面，405.滑套密封槽，406.内锥承压面，407.锥台，601.内壳体上扶正块，602.内壳体端面密封槽，603.限位台，604.内壳体喷嘴孔，605.内壳体紧固螺钉孔，606.外扶正块上固定孔，607.内壳体回流孔，608.外扶正块下固定孔，701.锥形限位凸台，702.钻井液过流孔，703锥孔，704.喷嘴固定螺纹孔，705.下密封槽，706.锥孔密封槽，707.外壳体连接密封槽，708.限位台,709.钻头锥螺纹。
具体实施
下面结合各个附图对本发明实施例、技术方案的主要实现原理、具体实施方式及其对应能够达到的有益效果进行详细的阐述。
如图1、2所示，该海底非成岩水合物开采滑套式喷射采掘装置，主要包括上接头1、管柱连接筒7、外壳体2、内壳体6、滑套4、压环11、外壳体上扶正块202、外壳体下扶正块205、内壳体上扶正块601、喷嘴3等组成，在上接头1上方设有压环11，所述压环11通过螺纹与上接头1连接，并且压制插入上接头1槽内的六个内壳体上扶正块601，在上接头1下方设有管柱连接筒7，上接头1与管柱连接筒7通过螺纹连接，在管柱连接筒7的内部设有滑套4，所述滑套4可在管柱连接筒7内部上下滑动，管柱连接筒7外部设有内壳体6，所述内壳体6上端焊有内壳体上扶正块601，通过压环11压制六个内壳体扶正块601保持上端固定，下端通过螺钉与管柱连接筒7连接，外壳体2通过外壳体上扶正块202和外壳体下扶正块205支撑，由螺钉与内壳体6相连。
外壳体2上端面设有端面密封槽201，当与上方管柱连接时实现连接处的密封，外壳体上下两端分别焊有外壳体上扶正块202和外壳体下扶正块205，通过螺钉与内壳体6连接；内壳体6上端面设有内壳体端面密封槽602，当与上方管柱连接时实现连接处的密封，在内壳体6上方设有六个内壳体上扶正块601，所述内壳体上扶正块601焊在外壳体内部，内壳体上扶正块601插入到上连接头1的槽103中，上端压环11压制内壳体上扶正块601，内壳体6下端与管柱连接筒7用螺钉连接。
内壳体6与管柱连接筒7之间设有一定的环空，所述环空设为回流通道13，回流通道13上端与上部管柱连通，下端通过回流孔12与外界相连。所述内壳体6与外壳体2之间设有一定的环空，所述环空设为回填通道14，回填通道14上端与上部管柱连通，下端与外界连通。在装置中间位置设有射流孔，由喷嘴3连通外壳体2、内壳体6、管柱接筒7上的孔，共同构成第一层射流孔32。
所述滑套4设于管柱连接筒7内部，在管柱连接筒7内腔可上下滑动,在滑套4的上部靠近端面的位置，设有两道密封槽，在密封槽的下方设为流孔402，当滑套4运动到下极限位置时，第二层射流孔402的每个孔与第一层射流孔302相应孔相连通，构成射流孔。所述的射流孔，根据喷射流量的要求设计射流孔的数量，本发明设计的数量为32个孔，共4层每层周向均匀布置8个，在装置的下部设有回流孔，由套管5连通内壳体6和外壳体2上的孔构成，所述回流孔设为键槽形状。在第二层射流孔402的下方设有两道密封槽，在密封槽的下方设有滑套限位台403，保证滑套4下行时的可靠定位。
所述滑套4受向下压强的作用面积大于受向上压强的作用面积，在装置内腔有一定压力的流体时，上端面受力大于下端面受力，滑块4有向下运动的趋势，当力达到一定的值时，滑套4能够剪掉剪切螺钉10，实现滑套4向下运动，所述剪切螺钉10应根据装置启动压力设置，本发明设计了4颗剪切螺钉，布置在滑套4上部的四个方向上；在滑套4最底部设有一定角度的锥台407，当滑套处于下极限位置时锥台407与管柱连接筒锥孔703相配合，下端密封圈处于压缩状态，由上述实现对钻井液过流孔702的关闭。
需要说明的是：在管柱连接筒7的锥形限位凸台701下方设有下密封槽705，下密封槽705密封了下方钻井液，滑套4的滑套限位台403下方没有钻井液，滑套限位台403不承受向上的液体压强，所以滑套4受向下压强的作用面积大于受向上压强的作用面积。
需要说明的是：要使剪切螺钉10剪断的内腔流体压力远远大于正常压力，只有在要求滑套4向下运动时，才会增加到如此高的内腔压力值，剪切螺钉10剪断后滑套4向下运动到达下极限位置。
所述管柱连接筒7上端与上接头1通过螺纹连接，在管柱连接筒7上部设有与滑套4配作的剪切螺钉孔，当滑套4处于上极限位置时，通过剪切螺钉10与管柱连接筒7相连接，在管柱连接筒7上设有与滑套4相同角度的锥形限位凸台701，在锥形限位凸台701的下方设有密封槽，在管柱连接筒7最下端设有四个钻井液过流孔702，所述钻井液过流孔702均匀布置圆台上，在圆台中部设有与滑套相同角度的锥孔703，在锥孔703的最下端设有一圈密封槽，当滑套4在下极限位置时由锥面和密封圈共同实现密封，关闭钻井液过流孔，在管柱连接筒7的最下端设有与钻头相连接的锥螺纹。
本发明最佳实施例一钻进和回拖过程：正常水平钻井阶段，滑套4由剪切螺钉10固定于上极限位置，此时射流孔处于关闭状态，钻井液过流702处于打开状态，由钻头对天然气水合物进行破碎；回拖喷射阶段，上端高压泵增加管柱连接筒7内腔中的钻井液压力，由于滑套4受向下压强的作用面积大于受向上压强的作用面积，所以滑套4受向下的力大于向上的力，滑套4整体受向下的作用力，当力达到一定值时，滑套4切断剪切螺钉10滑套4向下运动，滑套4运动到下极限位位置，滑套4的前端锥台407和管柱连接筒7的锥孔703相互贴合，钻井液过流孔702被关闭，滑套4上的第二层射流孔402与第一层射流孔302相连通。此时装置内部的高压液体，从射流孔喷射出去，实现对天然气水合物喷射破碎。
本发明最佳实施例二混合浆体循环过程：外部被破碎的固液混合物通过回流孔进入到回流通道，最后流到管柱上端进行分离，分离后的废弃混合浆体通过回填通道回填到外部，所述废弃混合浆体为泥沙、水和少量天然气水合物，以上所述实现整个喷射破碎天然气水合物循环采集。
需要说明的是：回流的水合物浆体，包括天然气水合物颗粒、泥沙、水，通过回流通道送入上端分离装置，分离器分离后，把天然气水合物送入上端管柱，水和泥沙等通过回填通道回填到外部。
以上所述仅是本发明的最佳实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，上诉假设的这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种海底天然气水合物采掘滑套式喷射回收装置，其特征在于，主要包括上接头、管柱连接筒、外壳体、内壳体、滑套、压环、外壳体上扶正块、外壳体下扶正块、内壳体上扶正块、喷嘴，其中上接头与管柱连接筒通过螺纹连接，在管柱连接筒内部设有滑套，所述滑套通过剪切螺钉固定在管柱连接筒上部，滑套上端设有止口下端设有锥台，滑套上下两端均设有两道密封槽；在管柱连接筒中部设有锥形限位凸台，在锥形限位台下方设有两道密封槽，在管柱连接筒下端面设有钻井液过流孔，在管柱连接筒中部设有锥孔，锥孔下端面设有密封圈，所述锥孔角度与滑套锥台角度相同；在管柱连接筒的外部设有内壳体，所述内壳体上端焊有内壳体上扶正块，上下两端均设有螺钉固定孔，在内壳体外部设有外壳体，所述外壳体上下两端均焊有扶正块，扶正块上设有两个螺纹孔；外壳体与内壳体间的环空设为回填通道，内壳体与管柱连接筒间的环空设为回流通道；管柱连接筒、外壳体、内壳体的中间位置设有可连通的射流孔，所述射流孔由喷嘴连通，喷嘴通过螺纹与管柱连接筒连接；外壳体和内壳体的下端设有可连通回流孔，所述回流孔由套管连通。
2.如权利要求1所述一种海底天然气水合物采掘滑套式喷射回收装置，其特征在于，所述滑套承受向下压强的作用面积大于承受向上压强的作用面积，由剪切螺钉固定于管柱连接筒上部，中间位置设有第二层射流孔，在最下方设有密封锥台。
3.如权利要求1所述一种海底天然气水合物采掘滑套式喷射回收装置，其特征在于，所述管柱连接筒中间位置设有与喷嘴连接的螺纹孔，在下端圆台上设有钻井液过流孔，在圆台下方设为与滑套角度相同的锥孔，在锥孔的最下端设有密封槽，在管柱连接筒最下端设有可与钻头相连的锥螺纹。
4.如权利要求1所述一种海底天然气水合物采掘滑套式喷射回收装置，其特征在于，所述外壳体上下分别焊有外壳体上扶正块和外壳体下扶正块，所述扶正块上都设有两个螺纹孔，由螺钉连接扶正块和内壳体；内壳体上端焊有内壳体上扶正块，所述扶正块插入连接头的槽内由压环压制固定，内壳体下端由螺钉直接固定在管柱连接筒上。
5.如权利要求1所述一种海底天然气水合物采掘滑套式喷射回收装置，其特征在于，所述外壳体与内壳体之间的环空设为回填通道。
6.如权利要求1所述一种海底天然气水合物采掘滑套式喷射回收装置，其特征在于，所述内壳体与管柱连接筒之间的环空设为回流通道。
7.如权利要求1所述一种海底天然气水合物采掘滑套式喷射回收装置，其特征在于，所述滑套处于上极限位置时，第一层射流孔与第二层射流孔处于错开位置，射流孔处于关闭状态，钻井液过流孔处于打开状态；当滑套处于下极限第一层射流孔与第二层射流孔连通，射流孔打开；下端钻井液过流孔处于关闭状态。
8.如权利要求1所述一种海底天然气水合物采掘滑套式喷射回收装置，其特征在于，所述喷嘴的上端外部设为六方形，喷嘴的下端设有螺纹。
9.如权利要求1所述一种海底天然气水合物采掘滑套式喷射回收装置，其特征在于，所述回流孔周向均布六个，所述回流孔设为键槽形状。
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