CN108678679B - 一种海底天然气水合物层复合式钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底天然气水合物层复合式钻头，其主要分为三层，第一层为用于领孔钻进的领孔钻头体，并设置有清洁井底、辅助排屑的钻井液喷射孔；第二层为进一步扩大井眼的扩孔钻头体，并设置有利于岩屑排出的螺旋槽；第三层为用于水合物泥沙大径颗粒细化的二次破碎机构。同时，在本钻头体内部设置有增大钻井液流速的渐缩形流道和激发喷射压力的扩压腔。本发明适用于海底浅层天然气水合物流化开采工艺，且更符合水合物层物性特征，从而有效地提高了水合物岩层的破碎效率，实现了水合物泥沙大直径颗粒的细化，解决了长距离水平钻进时岩屑沉积、形成泥包及卡钻的问题。

Description

一种海底天然气水合物层复合式钻头

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采技术领域，特别涉及一种海底天然气水合物层复合式钻头。

背景技术

天然气水合物又称“可燃冰”，是以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”，是一种白色的固体物质，其密度接近并稍低于冰的密度，已发现的天然气水合物主要存在于北极地区的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中，其存储层主要有砂岩型、砂岩裂隙型、细粒裂隙型和分散型，并且其通常存在于水深300～3000m的海底。天然气水合物在世界范围内广泛存在，据相关科学家的评价结果表明，仅在海底区域，天然气水合物的分布面积就达4000万平方公里，占地球海洋总面积的1/4。2011年，世界上已发现的天然气水合物分布区多达116处，其矿层之厚、规模之大，是常规天然气田无法相比的。

目前，各国都在探索如何开采天然气水合物。基于我国海域天然气水合物钻探取样储层具有埋深浅、无致密盖层、非成岩、弱胶结、易于碎化等特点，提出了针对深水浅层非成岩天然气水合物固态流化试采方案，其核心思想是将深水浅层非成岩天然气水合物矿体通过机械破碎流化转移到密闭的气、液、固多相举升管道内，利用举升过程中海水温度升高、静水压力降低的自然规律使水合物逐步气化，变非成岩天然气水合物分解过程的不可控为可控，实现深水浅层天然气水合物安全开采。

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。目前，结合常规油气钻井技术，对于海底浅层水合物固态流化开采，现已提出了较为成熟的工艺技术，其主要由海面支持系统、管道输送系统和海底钻采系统组成。其中，海底钻采系统是实现海底浅层水合物商业化开采的关键，而对于海底钻采系统来说，钻头是保障水合物层井眼高效钻进的最关键组成。然而，当前对于水合物层的钻进常选配现有钻头，而现有钻头并未考虑海底浅层天然气水合物物性，也未结合海底浅层水合物固态流化开采工艺。同时，对于海底浅层天然气水合物开采，主要采用水平井模式。因此，钻进过程涉及水合物层长距离水平段钻进，而在水平段钻进过程中水合物泥沙容易沉积在水平井底部。此外，采用现有的钻头破碎水合物岩层会产生大直径水合物泥沙胶结颗粒，不易吸入水合物回收通道，降低水合物泥沙浆体排出速度，甚至会形成泥包，导致卡钻等严重后果。因此，为了保证海底浅层天然气水合物高效、安全开采和为商业化开采提供技术与装备保障，亟需发明一种针对海底浅层天然气水合物物性，且满足固态流化开采工艺的复合钻头，实现水合物层长距离水平井眼的快速、高效钻进。

发明内容

针对上述技术问题,本发明提供了一种海底天然气水合物层复合式钻头,以实现海底浅层天然气水合物的高效破碎和对于水合物泥沙大径颗粒的二次破碎，解决大块岩屑沉积问题，提高水合物泥沙浆体的排出效率。

本发明技术方案如下：

一种海底天然气水合物层复合式钻头，其分为三层，第一层为领孔钻头体，第一层与第二层之间通过一根连接杆相连接。领孔钻头体钻身为圆柱形，其切削部分包括与领孔钻头钻身一体的刮削刃和钻头底部镶嵌的圆柱形的钻齿。在钻头的内部有钻井液流道、扩压腔和钻井液喷射孔一、喷射孔二，钻井液流道从顶部开始一直延伸到扩压腔，扩压腔位于领孔钻头体钻身内部，钻井液喷射孔一位于扩压腔的底部，钻井液喷射孔二位于扩压腔侧面，扩压腔底部的钻井液喷射孔一流道垂直于扩压腔底部，位于侧面的钻井液喷射孔二流道螺旋分布于扩压腔的侧面。第二层为扩孔钻头体，其钻身呈圆台形，在钻身的侧面螺旋分布着形状为L形的刀翼，刀翼与圆台形钻身为一体结构，在L形刀翼上镶嵌着与L形刀翼垂直的圆柱形钻齿；在圆台形钻身的侧面，两相邻的刀翼之间形成弧形的螺旋槽。第三层为锥形连接螺纹、水合物二次破碎机构、连接水合物二次破碎机构的矩形键槽、矩形键以及阻挡水合物二次破碎机构向下移动的轴肩，所述的水合物二次破碎机构的叶片螺旋分布在其轮毂上，细化齿与叶片为一体结构。

所述的水合物二次破碎机构进一步包括六个周向均布的叶片，在叶片底端有用于二次破碎水合物的细化齿，在水合物二次破碎机构的外边缘有一个外端挡圈。

所述的扩孔钻头体的六组刀片在圆台形钻身上螺旋排布，每组之间角度为六十度。刀片包括刀翼与钻齿，钻齿镶嵌在刀翼上，钻齿形状为圆柱形。

所述的钻头中部的六个螺旋槽呈圆弧形均布在扩孔钻头体钻身上，相邻螺旋槽之间的角度为六十度，每个螺旋槽都位于两相邻刀片之间，槽截面为渐变形的，上端截面大下端截面小，在圆弧形螺旋槽的表面上还分布着若干直径为3mm的圆形凹坑。

所述的钻头下部的领孔钻头体钻身呈圆柱形，在其内部有一扩压腔，扩压腔的整体形状为圆柱形，领孔钻头体的刮削刃整体呈棱锥形，在刮削刃下端镶嵌有圆柱形钻齿。

所述的钻井液的输送流道呈渐缩状，上端大下端小，在扩压腔侧壁分布有六个螺旋分布的钻井液喷射孔二，其喷射方向对着上部的螺旋槽。在扩压腔下部分布着四个垂直于扩压腔底部的钻井液喷射孔一。

本发明由于采用上述技术方案，其达到的技术效果为：

1、由于本发明有三层，第一层为领孔钻头体，第二层为扩孔钻头体，在钻进过程中，先由领孔钻头钻一个小井眼，然后再由扩孔钻头逐步扩大井眼，并且扩孔钻头与领孔钻头的钻身径向尺寸都是从下到上依次增大的过程，所以在钻进过程中，井眼是逐步扩大的过程，所以其对于天然气水合物藏的破碎也是一个循序渐进的过程，这将大大提高钻头的破岩效率。

2、由于钻身的螺旋槽的螺旋方向与扩孔钻头体L形刀翼的方向一致，这有利于碎屑更好的排出，在螺旋槽面上分布有许多凹坑，这些凹坑可吸附钻井液，使钻身与外界间形成疏水层，防止岩屑附着在钻头表面从而降低钻头排屑效率，此外在低温钻进时可以防止钻头表面结冰发生卡钻现象。

3、由于钻头体顶部设有二次破碎机构，其可以进一步破碎下部排出的水合物泥沙大径颗粒，解决了水平钻进时水合物泥沙大径颗粒沉积在水平井底部和大直径水合物泥沙胶结颗粒形成泥包等问题，并且在随钻头体旋转的同时，本二次破碎机构上下部分会产生一个压力差，这更加有利于钻进过程所产生水合物泥沙浆体的排出。

4、由于钻头内部的钻井液流道呈渐缩形，在钻头内输送过程中，钻井液压力会逐渐增大，当钻井液到达下部的扩压腔内时其压力会进一步增大，这将加速钻井液喷射孔所喷出钻井液的速度。由于喷射孔二的喷射方向对着螺旋槽，这将大大增加水合物泥沙浆体的轴向速度，这也更有利于水合物泥沙浆体的排出。

5、由于本钻头结构基本都是对称结构，其减小了钻柱的震荡。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的仰视示意图；

图3是本发明的半剖视示意图；

图4是本发明的水合物二次破碎机构示意图；

图5是本发明水合物二次破碎机构与钻身连接示意图；

图6是领孔钻头体整体示意图；

图7是本发明水合物二次破碎机构工作原理图；

图8是本发明领孔钻头体钻身剖视图；

图9是本发明的领孔钻头体钻身透视图；

图10是本发明的圆弧形螺旋槽表面凹坑工作原理图；

图中：1.连接螺纹；2.水合物二次破碎机构；3.圆台形钻身；4.刀翼；5.扩孔钻头体钻齿；6.弧形螺旋槽；7.凹坑；8.连接杆；9.钻井液喷射孔二；10.领孔钻头体钻身；11.领孔钻头体钻齿；12.钻井液喷射孔一；13.钻井液渐缩形流道；14.扩压腔；15.轮毂键槽；16.二次破碎机构叶片；17.轮毂；18.细化齿；19.外端挡圈；20.矩形键；21.轴肩；22.刮削刃；23.水合物泥沙大径颗粒；24.水合物泥浆体；25.钻井液；

具体实施方式

如图1～3所示，本发明涉及一种海底天然气水合物层复合式钻头，其主体结构分为三层，第一层为领孔钻头体，第一层与第二层之间通过一根连接杆8相连接，领孔钻头体钻身10为圆柱形，其切削部分包括与钻身一体的棱锥形的刮削刃22和该结构底部镶嵌的圆柱形钻齿11。在钻头的内部有渐缩形流道13、扩压腔14和钻井液喷射孔一12、钻井液喷射孔二9，渐缩形流道13从顶部开始一直延伸到扩压腔14顶部，扩压腔14呈圆柱形位于领孔钻头体钻身10内部，钻井液喷射孔一12、喷射孔二9分别位于扩压腔14的底部与侧面。第二层为扩孔钻头体，其钻身3呈圆台形，在钻身的侧面螺旋分布着形状为L形的刀翼4，刀翼4与圆台形钻身3为一体结构，在L形刀翼4上镶嵌着与刀翼4垂直的圆柱形钻齿5；在圆台形钻身3的侧面，每相邻的两刀翼4之间还分布着弧形螺旋槽6，螺旋槽6截面为渐变形的，上端截面大，下端截面小，在圆弧形螺旋槽6的表面上还分布着若干直径为3mm的圆形凹坑7。第三层为锥形连接螺纹1、水合物二次破碎机构2、连接水合物二次破碎机构的矩形键槽15、矩形键20以及阻挡水合物二次破碎机构向下移动的轴肩21。

所述的水合物二次破碎机构如图4所示，其包括叶片16、外端挡圈19、细化齿18、轮毂17和键槽15。该装置通过键槽15与钻身上的键20配合连接，叶片16螺旋分布在轮毂17的外缘。外端挡圈19则位于该装置径向最外端，细化齿18位于叶片16的最下端。

所述的水合物二次破碎机构2的连接机构如图5所示，水合物二次破碎机构与钻身之间通过矩形键20连接，矩形键20的一半位于钻身上的键槽内，另一半位于水合物二次破碎机构轮毂17上的键槽15内。在键槽下部有一轴肩21，其作用是阻止水合物二次破碎机构向下移动，保持扩孔钻头钻身3上表面与二次破碎机构2间的距离，以提高该二次破碎机构2的二次破碎效率。

所述的领孔钻头体的切削部分如图6所示，其包括镶嵌在其底部的圆柱形钻齿11和棱锥刮削刃22。

所述的钻井液喷射孔如图8、9所示，扩压腔14底部的钻井液喷射孔一12流道垂直于扩压腔14底部，侧面喷射孔二9流道螺旋分布于扩压腔14的侧面。

下面详细说明本发明的使用方法：

使用本钻头对海底浅层天然气水合物进行固态流化开采时，本钻头主要做旋转切削运动与向前进给运动，首先由底部领孔钻头的圆柱形钻齿11、锥形刮削刃22在钻井液喷射孔一12的辅助作用下钻出一个小的锥形井眼实现钻进过程中水合物岩层的初步破碎，然后再在上部的扩孔钻头的圆柱形钻齿5的刮削作用和钻井液喷射孔二9的辅助作用下进一步扩大井眼，以实现对水合物矿层进一步破碎。在钻进过程中岩屑会与钻井液形成水合物泥沙浆体24，水合物泥沙浆体24的排出依赖于钻井液循环通路的建立。

对于钻井液循环通路是由如下方式建立的：在钻进过程中，钻井液经高压泵组将其经钻柱内部的流道泵送至钻头内部的钻井液流道13，因钻身内部的钻井液流道13为渐缩形，所以在流经此流道13时，钻井液的压力会逐渐增加，当钻井液进入扩压腔14时，其压力会进一步上升然后从钻井液喷孔一12和钻井液喷孔二9高速喷出，喷出的钻井液与在钻进过程中产生的碎屑形成水合物泥沙浆体24，由于钻井液喷射孔二9的喷出方向对着弧形螺旋槽6，所以这将增加水合物泥沙浆体24的轴向速度，促使水合物泥沙浆体高效地从扩孔钻头钻身3上的螺旋槽6沿轴向排入水合物浆体分离器进行分离，分离后的水合物排入水合物储罐，分离产生的泥沙则通过回填通道，填入已开采区从而降低了采空区域坍塌危险。在水合物排出过程中会流经水合物二次破碎机构2，在水合物二次破碎机构叶片16前端有细化齿18，当水合物泥沙大径颗粒流经该水合物二次破碎机构2时，会对其进一步破碎，因水合物二次破碎机构2随钻头同步高速转动，且该水合物二次破碎机构的叶片16螺旋分布，所以在转动的同时该水合物二次破碎机构2的上下两端会形成一个压力差，这一压力差也将更加有利于水合物泥沙浆体的排出。

本发明还可用于冻土层天然气水合物的开采和极地冰层的钻进。

本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种海底天然气水合物层复合式钻头，其主体结构分为三层，第一层为领孔钻头体，第一层与第二层之间通过一根连接杆(8)相连接，领孔钻头体钻身(10)为圆柱形，其切削部分包括与钻身一体的刮削刃(22)和钻头底部镶嵌的圆柱形的钻齿(11)； 在钻头的内部有钻井液流道(13)、扩压腔(14)、钻井液喷射孔一(12)和喷射孔二(9)，钻井液流道(13)从顶部开始一直延伸到扩压腔(14)，扩压腔(14)位于领孔钻头体钻身(10)内部，钻井液喷射孔一(12)位于扩压腔的底部，钻井液喷射孔二(9)位于扩压腔的侧面，扩压腔(14)底部的钻井液喷射孔一(12)垂直于扩压腔(14)底部，位于侧面钻井液喷射孔二(9)螺旋分布于扩压腔(14)的侧面； 第二层为扩孔钻头体，其钻身(3)呈圆台形，在钻身(3)的侧面螺旋分布着形状为L形的刀翼(4)，刀翼(4)与圆台形钻身(3)为一体结构，在L形刀翼(4)上镶嵌着与L形刀翼(4)垂直的钻齿(5)；在圆台形钻身(3)的侧面，两相邻的两刀翼之间形成弧形的螺旋槽(6)； 第三层为锥形连接螺纹(1)、水合物二次破碎机构(2)、连接水合物二次破碎机构(2)的矩形键槽(15)、矩形键(20)以及阻挡水合物二次破碎机构(2)向下移动的轴肩(21)，所述的水合物二次破碎机构(2)的叶片(16)螺旋分布在其轮毂(17)上，细化齿(18)与叶片(16)为一体结构。

2.根据权利要求1所述的一种海底天然气水合物层复合式钻头，其特征在于：所述的水合物二次破碎机构(2)进一步包括六个周向均布叶片(16)，在叶片(16)底端有用于二次破碎水合物的细化齿(18)，在水合物二次破碎机构(2)的外边缘有一个外端挡圈(19)。

3.根据权利要求1所述的一种海底天然气水合物层复合式钻头，其特征在于：所述的扩孔钻头体的六组刀片在圆台形钻身(3)上螺旋排布，每组之间角度为六十度； 刀片包括刀翼(4)与钻齿(5)，钻齿(5)镶嵌在刀翼(4)上，钻齿(5)形状为圆柱形。

4.根据权利要求1所述的一种海底天然气水合物层复合式钻头，其特征在于：所述的钻头中部的六个螺旋槽(6)呈圆弧形均布在圆台形钻身(3)上，相邻螺旋槽(6)之间的角度为六十度，每个螺旋槽(6)都位于两相邻刀片之间，螺旋槽截面为渐变形，上端截面大，下端截面小，在圆弧形螺旋槽(6)的表面上还分布着若干直径为3mm的圆形凹坑(7)。

5.根据权利要求1所述的一种海底天然气水合物层复合式钻头，其特征在于：所述的钻头下部的领孔钻头体钻身(10)呈圆柱形，在其内部有一扩压腔(14)，扩压腔(14)的整体形状为圆柱形，领孔钻头体的刮削刃(22)整体呈棱锥形，在刮削刃(22)下端镶嵌有圆柱形钻齿(11)。

6.根据权利要求1所述的一种海底天然气水合物层复合式钻头，其特征在于：所述的钻井液的输送流道(13)呈渐缩状，上端大下端小，在扩压腔(14)侧壁分布有六个螺旋分布的钻井液喷射孔二(9)，其喷射方向对着上部的螺旋槽(6)； 在扩压腔(14)下部分布着四个垂直于扩压腔底部的钻井液喷射孔一(12)。