CN110005379A - 一种天然气水合物层射流破碎压控滑套式喷头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气水合物层射流破碎压控滑套式喷头，其中包括封堵块、外筒体、密封圈、滑套、弹簧、喷头、过流连接器等。本发明主要原理是利用钻井液在通过滑套内部流道时产生压力降，所产生的压力降大小将作用在滑套上，使其产生轴向推力，通入滑套的钻井液流量越大，所产生的轴向推力相应的也越大，从而可通过控制钻井液流量大小来控制喷头的开闭；通过以上方案可有效解决了现有天然气水合物层射流破碎喷头不可控，且不可重复使用的问题，实现了钻头机械破碎钻进作业与射流破碎扩径作业，可自动切换连续运作，不用反复起下钻柱，单趟即可完成，从而有效提高了天然气水合物层钻采效率，减小了起下钻柱作业风险，并降低了整体作业成本。
Description
技术领域
本发明涉及到天然气水合物开采技术领域，尤其涉及到一种海底浅层非成岩天然气水合物流化开采的射流破碎工具。
技术背景
天然气水合物又称“可燃冰"，是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"。天然气水合物特别是海洋水合物是目前尚未开发的储量最大的一种新能源，其储量相当于全世界己知煤炭、石油和天然气等能源储量的两倍，但要实现水合物有效可控的商业开采是目前全世界面临的难题。
目前世界上传统水合物开采方法中的降压法、注热法、化学抑制剂法和C02置换开采法等使用的开采工具也只是对极地砂岩和海域砂岩储层天然气水合物进行了短期试采。而我国海域的天然气水合物主要以非成岩天然气水合物为主。深水非成岩天然气水合物具有储量大、弱胶结、稳定性差的特点，一旦所在区域的温度、压力条件发生变化，就可能导致海底非成岩天然气水合物的大量分解、气化和自由释放，存在潜在的风险。因此，目前对于天然气水合物的开采一般都是先利用常规的钻头钻进形成领眼，然后再通过射流喷头对形成的领眼进一步破碎从而扩大井眼直径。
对于目前现有的用于天然水合物钻进时所用的扩眼喷头大多都采用常规的射流喷头，其主要存在如下问题：射流喷头在射流作业时不可控，且不可重复使用；不能实现钻头机械破碎钻进作业与射流破碎扩径作业的自动切换从而保证整个过程连续运作；使用现有的射流喷头需要反复起下钻柱，大大降低了天然气水合物层钻采效率，增加了作业风险以及作业成本。因此，需要发明一种新型的天然气水合物射流破碎工具，以实现射流喷头在钻井作业中可根据具体工艺需求开启与关闭，保证机械破碎钻进作业与射流破碎扩径作业自动切换连续运作，降低起下钻柱次数与钻井作业，从而达到提高天然气水和钻采效率这一目的。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有水合物破碎工具所存在的问题，提供一种通过钻井液流量控制的天然气水合物流化开采的喷头滑套装置，以实现钻头机械破碎钻进作业与射流破碎扩径作业的自动切换与连续运作，降低起下钻柱次数，提高天然气水合物层钻采效率，减小了起下钻柱作业风险，降低了整体作业成本。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种天然气水合物层射流破碎压控滑套式喷头，其特征在于：主要包括外筒体、过流连接器；在外筒体内部设有滑套、弹簧、垫圈，在外筒体周向均布有射流喷头，在滑套外部设有密封圈Ⅰ、密封圈Ⅱ、密封圈Ⅲ，压力平衡孔以及压力平衡槽，在过流连接器内部设有封堵块；其中过流连接器与外筒体通过螺纹连接，射流喷头与封堵块也是通过螺纹连接的方式与外筒体以及过流连接器进行连接。
采用上述结构，正常钻进时，钻井液保持正常钻进的流量大小，由于弹簧有一定的预紧高度，因此钻井液在流过滑套内部时，产生的压力降不足以推动滑套压缩弹簧，钻井液正常流过滑套并经过流连接器流向钻头，为钻头正常钻进提供钻井液。
当完成水平井的钻进，需要进一步扩大破碎空间时，可增大泵入的钻井液流量，钻井液通过滑套时，产生的压力降将作用在滑套上推动滑套滑动，直到滑套与封堵块紧密接触，从而完全封堵通入钻头的钻井液。此时滑套上的射流破碎钻井液流道与环形流道对接，钻井液会经射流破碎钻井液流道排向环形流道，然后再从环形流道区域所对应的外筒体表面的喷头喷出，进行回拖破碎。
完成射流破碎后，减小泵入的钻井液流量，弹簧复位、射流破碎钻井液流道与环形流道分离，喷头关闭，此时本装置可回收以待下次利用或继续钻进，从而达到循环使用的目的。
所述外筒体上有喷头孔，分为三层，每层周向均布有六个，每层之间错角为二十度，喷头与喷头孔之间采用螺纹连接；环形流道位于外筒体内表面上，与喷头孔区域相对应。
所述锥形流道位于滑套内部；射流破碎钻井液流道位于锥形流道右侧，周向均布有四个；密封圈Ⅰ位于射流破碎钻井液流道左侧；密封圈Ⅱ位于射流破碎钻井液流道右侧，同时密封圈Ⅱ位于所述外筒体环形流道的左侧；密封圈Ⅲ位于所述外筒体环形流道右侧；凸台位于密封圈Ⅲ右侧，凸台周向均布有六个用于压力平衡的压力平衡槽，以及在滑套中部外表面均布有六个用于压力平衡的压力平衡孔；密封圈Ⅳ位于滑套右端。
所述过流连接器包括与外筒体通过螺纹连接，过流连接器内部有一螺纹孔用于安装封堵块；弧形过流孔在螺纹孔外侧，过流连接器右端有连接钻头的母扣Ⅱ。
所述封堵块与过流连接器通过螺纹连接，其上有一用于工装的内六角孔。
采用以上技术方案达到的有益效果为：
1、本发明提供的一种天然气水合物层射流破碎压控滑套式喷头，是通过改变通入的钻井液流量来控制外筒体表面喷头的开闭，该过程为一可控过程。
2、本发明提供的一种天然气水合物层射流破碎压控滑套式喷头，将钻头、喷头集成在一起可实现机械破碎钻进作业与射流破碎扩径作业自动切换连续运作避免了多次起下钻柱，降低了钻采作业成本与风险。
3、本发明提供的一种天然气水合物层射流破碎压控滑套式喷头，是利用钻井液在变径面上产生的压降来推动滑套，不受地层压力影响。
4、本发明提供的一种天然气水合物层射流破碎压控滑套式喷头，是利用压缩弹簧控制滑套，故运行平稳无撞击，能降低故障率，延长使用寿命。
5、本发明提供的一种天然气水合物层射流破碎压控滑套式喷头，是利用压缩弹簧控制滑套，当射流破碎完毕时可以降低钻井液流量，此时滑套会重新复位钻头可继续向前钻进，从而达到重复使用的目的。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1为本发明的半剖三维模型图；
图2为本发明的全剖视图；
图3为本发明的外筒体结构示意视图；
图4为本发明的滑套整体结构示意图；
图5为本发明的过流连接器的结构示意图；
图中：1.外筒体；2.滑套；3.过流连接器；4.封堵块；5.密封圈Ⅰ；6.密封圈Ⅱ；7.密封圈Ⅲ；8.密封圈Ⅳ；9.弹簧；10.垫圈；11.射流喷头；101.母扣Ⅰ；102.环形流道；103.台阶面；104.射流喷头安装孔；201.锥形流道；202.射流破碎钻井液流道；203.压力平衡槽；204.压力平衡孔；301.弧形过流孔；302.母扣Ⅱ。
具体的实施方式
下面结合附图对本发明进一步的描述：如图所示的一种天然气水合物层射流破碎压控滑套式喷头，其主要包含外筒体(1)和过流连接器(3)。在外筒体(1)的周向均布有三层射流喷头(11)，每层有六个相互夹角为六十度的射流喷头(11)，层与层之间错角为二十度。在外筒体内部设有滑套(2)，弹簧(9)，垫圈(10)，压力平衡孔(204)，压力平衡槽(203)，以及台阶面(103)；在滑套(2)上射流破碎钻井液流道(202)两侧分别有密封圈Ⅰ(5)，密封圈Ⅱ(6)，环形流道(102)的右侧有一个密封圈Ⅲ(7)；在过流连接器(3)内部设有封堵块(4)。其中外筒体(1)通过螺纹与过流连接器(3)连接。射流喷头(11)和封堵块(4)也是通过螺纹分别与外筒体(1)和过流连接器(3)连接。在滑套(2)左端设有锥形流道(201)。在外筒体(1)的左端与母扣Ⅰ(101)相连，过流连接器(3)右端与母扣Ⅱ(302)相连。
实施例一：在钻井过程中，当钻头未到达指定的位置，可通入正常钻井时所需钻井液流量，通入喷头滑套的钻井液会直接从滑套(2)内流过并流向过流连接器(3)，最终流向钻头，为其正常钻井提供钻井液。由于弹簧(9)具有一定的预紧高度，钻井液在变径面上产生的压降不足以推动滑套(2)压缩弹簧(9)，所以钻井液通过过流连接器(3)流过钻头为钻头提供钻井液。所以本工具只有过流的作用。
实施例二：在钻井过程中，当钻头到达指定的位置，需要射流破碎，可以增大钻井液流量，当钻井液通过滑套(2)，使得钻井液在通过滑套时产生的压力降增加，从而推动滑套(2)向横向移动，直到滑套(2)与封堵块(4)紧密接触，因压力降而产生的滑套横向向力的大小与弹簧弹力的大小达到平衡，滑套(2)达到稳定。此时保持钻井液的流量。这个时候滑套(2)上的射流破碎钻井液流道(202)与环形流道(102)对接，使得钻井液只能通过滑套(2)上的射流破碎钻井液流道(202)流入环形流道(102)，从而在外筒体(1)上的射流喷头(104)向外射流破碎水合物。
实施例三：在钻井过程中，当完成射流破碎时，减少钻井液的流量，此时静压力差逐渐减少，直到其小于弹簧弹力，弹簧(9)逐渐恢复，使得滑套(2)恢复初始状态，滑套上的射流破碎钻井液流道(202)与环形流道(102)分离，从而外筒体(1)上的射流喷头(11)射流喷射停止。从而实现滑套(2)的多次利用。
Claims (5)
1.一种天然气水合物层射流破碎压控滑套式喷头，其特征在于：其主要包括外筒体(1)、过流连接器(3)；在外筒体(1)内部设有滑套(2)、弹簧(9)、垫圈(10)，在外筒体(1)周向均布有射流喷头(11)，在滑套(2)外部设有密封圈Ⅰ(5)、密封圈Ⅱ(6)、密封圈Ⅲ(7)，压力平衡孔(204)以及压力平衡槽(203)，在过流连接器(3)内部设有封堵块(4)；其中过流连接器(3)与外筒体(1)通过螺纹连接，射流喷头(11)与封堵块(4)也是通过螺纹连接的方式与外筒体(1)以及过流连接器(3)进行连接。
2.如权利要求1所述的一种天然气水合物层射流破碎压控滑套式喷头，其特征在于：所述滑套(2)内部设计有产生压降的锥形流道(201)，在滑套(2)中部设有射流破碎钻井液流道(202)，在滑套(2)中部的台阶周向有压力平衡槽(203)，在台阶右侧设有压力平衡孔(204)。
3.如权利要求1所述的一种天然气水合物层射流破碎压控滑套式喷头，其特征在于：所述的过流连接器(3)内部有两个弧形过流孔(301)，在两弧形过流孔(301)中部设有封堵滑套内部钻井液的封堵块(4)。
4.如权利要求1所述的一种天然气水合物层射流破碎压控滑套式喷头，其特征在于：所述的外筒体内部设有用于过流的环形流道(102)，在外筒体的中部环形流道(102)所对应的区域设有射流喷头安装孔(104)。
5.如权利要求1所述的一种天然气水合物层射流破碎压控滑套式喷头，其特征在于：在钻水平井过程中，通入正常流量的钻井液时，由于弹簧(9)会有初始预紧力，射流喷头(11)此时处于关闭状态，钻井液流经滑套(2)再通过弧形过流孔(301)进入钻头，为钻头钻进提供钻井液；当完成钻进，需要回拖进一步扩大破碎空间，射流破碎水合物时，可增大钻井液流量，钻井液在流过锥形流道(201)时将产生压降，从而推动滑套(2)向右滑动压缩弹簧(9)，从而打开射流喷头(11)，封堵通入右部钻头的钻井液，使钻井液只从射流喷头(11)射出，以扩大破碎直径。当不需要射流破碎时，减少钻井液流量，滑套(2)在弹簧(9)的弹力作用下恢复原位，关闭射流喷头(11)。
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