CN110080726A - 一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器，包括外壳体、压差滑套、填料箱、喷头和空心传动轴等，其中外壳体设有钻井液的喷射孔以及天然气水合物的入口，外壳体的内部设有空心传动轴，两者之间安装有轴承，空心传动轴内部设有压差滑套，滑套上开有钻井液外流的通道口，外壳体中部的喷射口安装有喷头，通过调节压力来控制滑套开启，经过喷头喷出从而破碎水合物。本发明满足了天然气水合物开采双层管作业需求，实现了内外管可相对转动，内管传递动力为末端钻头提供动力，且采用压差滑套原理实现了喷头开关自动可控，可直接从轴向钻进作业转换到周向喷射扩眼作业，简化了起下管柱作业工序，提高了开采效率，降低了开采成本和风险。

Description

一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器

技术领域

本发明涉及天然气水合物的开采过程中射流破碎的技术领域，特别涉及一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器。

技术背景

天然气水合物，即可燃冰，是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，其是当前世界上最为关注的能源之一，作为新型能源，在全球的储量巨大，且清洁高效，在未来能源战略中起到至关重要的作用。但是其开采方式尚未成熟，现有开采方法均耗资巨大，产量可持续差，没有安全保证，无法真正用于商业化开采，在海洋方面则挑战更为巨大，严重缺乏配套的工具及装备作支撑。

在深水海底浅层天然气水合物开采作业中，为了满足既有向下泵输钻井液的通道，又有向上输送采掘出天然气水合物的通道，则采用新型双层管结构（双层连续管或同心钻杆）来得以实现，以达到降低作业成本，提高开采效率的目的。同时，为了增大水合物暴露面积，增加采掘量和持续产能，常采用常规钻头破碎轴向钻进，形成领眼，然后采用喷射破碎周向破碎，扩大井眼。而在轴向钻进时，需要将动力钻具输出的动力和流过动力钻具的钻井液传输到末端的钻头，因此，动力钻具和钻头需要一个传动轴和一个钻井液过流通道；同时在径向扩径时，需要自动开启周向的直射流喷嘴，让高压钻井液喷射破岩。

当前，天然气水合物开采中所采用的射流破碎喷射工具结构简单，无法满足双层管结构的作业需求，主要存在如下问题：（1）其为单层管结构，不能在钻头机械钻进和喷头射流扩径时同时提供钻井液流入和天然气水合物浆体回收通道；（2）单层管结构在钻井过程中，喷头是随其单层管一起转动，形成旋流喷射，而无法实现喷嘴直流喷射破碎，从而降低了喷射破岩的深度。（3）需在完成钻井后取出钻头时，才能换接射流破碎喷头工具重新下井，即增加了起下管柱作业工序，从而增加深水作业日费，也增加天然气水合物开采风险性。

为了解决现有深水海底浅层天然气水合物射流破碎工具所存在的问题，提高天然气水合物的开采效率，促进商业化开采进程，则需要发明一种适用于双层管结构的天然气水合物开采转轴压控式直流喷射器，从而其可实现在轴向钻进破岩过程中将动力钻具的输出动力传递给钻头，并提供钻进过程中钻头端所需钻井液的过流通道；同时，在径向喷射破碎时，能自动开启喷头，实现喷头直流径向喷射破岩进行扩眼。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有深水海底浅层天然气水合物射流破碎工具所存在的问题及需求，提供一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器，解决了从钻进阶段进入开采阶段中需反复起下管柱增大作业成本和风险的问题，其中空心传动轴配合封堵块解决了钻头旋转钻进的动力传输问题以及钻井液的传输问题；压差滑套解决了控制钻井液的流向问题，即从钻进阶段进入开采阶段；空心传动轴与外壳体之间的轴承可以使空心传动轴与其它结构产生相对转动；同时填料箱与车氏动密封可以在与传动轴相对转动的条件下保证钻井液的正常输送；填料箱上安装喷头，且钻进和喷射过程中均不转动，解决了喷头直射破碎的问题。

本发明采用如下技术方案：

一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器，其特征在于：主要包括外壳体、压差滑套、填料箱、喷头和空心传动轴等，其中外壳体设有钻井液的喷射孔以及采集天然气水合物的入口，外壳体上端为母扣，外壳体的内部设有空心传动轴，两者之间安装有轴承，传动轴上开有钻井液外流的通道口，空心传动轴内部设有压差滑套，由剪切销钉固定，滑套上依然有供钻井液外流的通道口，在空心传动轴的通道口外设有填料箱，填料箱与外壳体之间安装有喷头，在填料箱与空心传动轴的通道口连接处两端设有动密封结构。所述的空心传动轴两端以及外壳体的上端均有连接其它工具结构的母扣。

采用上述结构，当空心传动轴上端与钻柱相连，空心传动轴下端连接钻头时，由于所述的空心传动轴近钻头端装有轴承，中部与填料箱也为间隙配合，采用动密封结构，所以空心传动轴随钻头旋转的同时，外壳体、填料箱以及两者之间的喷头不会随空心传动轴一起转动。装置轴向钻进作业阶段由剪切销钉固定住压差滑套，空心传动轴带动压差滑套随钻头一起旋转，钻井液直接经过压差滑套从空心传动轴的连接钻头端内部的钻井液流道流入钻头；当完成水平井的钻进，需要回拖进一步扩大破碎空间时，进入周向喷射扩眼作业阶段，此时增大钻井液压力，由于压差滑套上端面的面积大于下端面，压差滑套上端面受到的轴向力大于下端面所受的反向轴向力，压力越大，此承受力之间的差越大，当两端的受力差增大到一定程度后可剪断剪切销钉，将压差滑套向下推进，直到压差滑套下端滑入封堵口结构使得钻井液流道被封堵，此时其周向通道口完全打开，钻井液进入填料箱，充满中部腔室后，再通过喷头射出实现射流破碎，而破碎后的天然气水合物混合物则从外壳体的天然气水合物的收集通道口进入喷头滑套并向上输送。

所述的外壳体表面设有钻井液喷射孔和天然气水合物的收集通道口，喷射孔两端开有用于连接填料箱的螺栓孔，周向各均匀分布3个，上端设有母扣用来连接涡轮马达所在双层结构管的外管，下端设有限位台阶以及内螺纹，通过上轴承端盖连接空心传动轴以及下轴承端盖连接外壳体来固定轴承。

所述的填料箱中部为喷头的安装孔和对接空心传动轴上钻井液通道口的腔室，两边设有隔板，填料箱与外壳体采用螺栓连接，分布在上下两端，周向分布各三个供螺栓连接的台阶，两端设为动密封结构，其中动密封为车式动密封结构，两端由填料箱盖通过螺纹连接固定。

所述的压差滑套两端的截面面积不同，其中上端面的面积大，下端面的面积小，且两端各开有两个密封槽，在压差滑套的上部插有剪切销钉，周向均匀分布3个，压差滑套上还设有供钻井液流出的三个通道口周向均匀分布，通道口的上部外表面设有一个槽口用来放置卡簧，中部设有变径限位台阶。

所述的空心传动轴中部设有周向均匀分布的钻井液通道口，下端为连接钻头端，其中母扣上端为压差滑套的封堵口结构，内部开有三条钻井液流道，封堵口在空心传动轴的连接钻头端内部通过普通螺纹连接，空心传动轴内部设有周向的定位槽配合压差滑套的凸起块以防止压差滑套与空心传动轴间产生相对转动，中部设有滑套的限位台阶，下部通过螺纹连接上轴承端盖来固定轴承，上端设有母扣用来连接涡轮马达所在的双层结构管的内管，传动轴表面中部位置设有两个台阶，在此段处用来安装填料箱，其中下端台阶则为填料箱盖的限位台阶。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、本发明所提供的一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器，其采用压差滑套原理实现了喷头开关自动可控，可直接从轴向钻进作业转换到周向喷射扩眼作业，简化了起下管柱作业工序，提高了开采效率，降低了开采成本和风险。

2、本发明所提供的一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器，所述的空心传动轴为钻头的旋转钻进提供动力传以及钻井液，保证钻头的持续有效钻进。

3、本发明所提供的一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器，所述压差滑套通过上下端面的面积差，再结合压力产生作用力以剪断剪切销钉，将滑套向下推送至封堵口，封堵口通过螺纹连接固定在空心传动轴的连接钻头端内，其简化了加工难度且实现了双层管内滑套下端有效封堵。

4、本发明所提供的一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器，所述的外壳体连接喷头实现了周向的射流破碎扩孔，水合物收集通道口实现了天然气水合物混合物的高效采集输送。

5、本发明所提供的一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器，所述的轴承可以使空心传动轴与其它结构产生相对转动，同时填料箱与车氏动密封可以在与传动轴相对转动的条件下保证钻井液的正常输送，实现了一边传动旋转一边固定射流。

附图说明：

图1为双层管转轴压控式直流喷射器轴向钻进作业阶段的结构示意图；

图2为双层管转轴压控式直流喷射器轴向钻进作业阶段的原理图；

图3为双层管转轴压控式直流喷射器周向喷射扩眼作业的原理图；

图4为双层管转轴压控式直流喷射器轴向钻进作业阶段的外观整体结构图；

图5为空心传动轴的结构示意图；

图6为外壳体的结构示意图；

图7为压差滑套的结构示意图；

图8为压差滑套与空心传动轴限位配合结构的截面图；

图9为填料箱的结构示意图。

1-外壳体；101-外壳体上端的母扣；102-喷头连接口（钻井液喷射口）；103-螺栓孔；104-天然气水合物的采集入口；105-轴承限位台阶；106-轴承连接内螺纹；2-空心传动轴；201-空心传动轴上端的母扣；202-与压差滑套的周向限位槽；203-钻井液通道口；204-填料箱与填料箱盖的限位台阶；205-压差滑套的限位台阶；206-与轴承的连接螺纹；207-连接钻头端；208-封堵块；209-钻井液流道；210-与钻头的连接母扣；3-剪切销钉；4-压差滑套；401-压差滑套上端面；402-卡簧槽；403-钻井液通道口；404-变径的限位台阶；405-密封槽；406-压差滑套下端面；407-压差滑套凸起块；5-螺栓；6-填料箱；601-螺栓连接台阶；602-分腔室的隔板；603-喷头安装口；604-与填料箱盖的连接螺纹；605-填料箱中部的腔室；7-喷头；8-填料箱盖；9-轴承；10-上轴承端盖；11-下轴承端盖；12-卡簧。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1-9所示，一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器，主要包括外壳体（1）、压差滑套（4）、填料箱（6）、喷头（7）和空心传动轴（2）等，其中外壳体（1）设有钻井液的喷射孔（102）以及采集天然气水合物的入口（103），外壳体（1）上端为母扣（101），外壳体（1）的内部设有空心传动轴（2），两者之间安装有轴承（9），空心传动轴（2）内部设有压差滑套（4），由剪切销钉（3）固定，滑套上开有钻井液外流的通道口（403），在空心传动轴（2）的通道口（203）外设有填料箱（6），外壳体（1）与填料箱（6）通过螺栓（5）连接，外壳体（1）中部与填料箱（6）间安装有喷头（7），在填料箱（6）与空心传动轴（2）的通道口连接处两端设有动密封结构。所述的空心传动轴（2）两端以及外壳体（1）的上端均有连接其它工具结构的母扣。

所述的外壳体（1）通过母扣（101）与双层结构管的外管连接，空心传动轴（2）上端与钻柱相连，空心传动轴（2）下端连接钻头时，由于所述的空心传动轴（2）近钻头端装有轴承（9），中部与填料箱（6）也为间隙配合，采用动密封方式，所以空心传动轴（2）随钻头旋转的同时，外壳体（1）、填料箱（6）以及两者之间的喷头（7）不会随空心传动轴（2）一起转动。装置在轴向钻进作业阶段由剪切销钉（3）固定住压差滑套（4），空心传动轴（2）带动压差滑套（4）随钻头一起旋转，钻井液直接经过压差滑套（4）从空心传动轴（2）的连接钻头端（207）内部的钻井液流道（209）流入钻头；当完成水平井的钻进，需要回拖进一步扩大破碎空间时，进入周向喷射扩眼作业阶段，此时增大钻井液压力，由于压差滑套（4）上端面（401）的面积大于下端面（406），压差滑套（4）上端面（401）受到的轴向力大于下端面（406）所受的反向轴向力，压力越大，此承受力之间的差越大，当两端的受力差增大到一定程度后可剪断剪切销钉（3），将压差滑套（4）向下推进，直到压差滑套（4）下端滑入封堵口结构（208）使得钻井液流道（209）被封堵，此时其周向通道口（403）完全打开，钻井液进入填料箱（6），充满中部腔室后，再通过喷头（7）射出实现射流破碎，而破碎后的天然气水合物混合物则从外壳体（1）的天然气水合物的收集通道口（104）进入喷头滑套并向上输送。

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)

1.一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器，其特征在于：主要包括外壳体（1）、压差滑套（4）、填料箱（6）、喷头（7）和空心传动轴（2）等，其中外壳体（1）设有钻井液的喷射孔（102）以及采集天然气水合物的入口（104），外壳体（1）上端为母扣（101），外壳体（1）的内部设有空心传动轴（2），两者之间安装有轴承（9），空心传动轴（2）内部设有压差滑套（4），由剪切销钉（3）固定，滑套上开有钻井液外流的通道口（403），在空心传动轴（2）的通道口（203）外设有填料箱（6），外壳体（1）与填料箱（6）通过螺栓（5）连接，外壳体（1）中部与填料箱（6）间安装有喷头（7），在填料箱（6）与空心传动轴（2）的通道口连接处两端设有动密封结构。

2.如权利要求1所述的一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器，其特征在于：所述的外壳体（1）表面设有钻井液喷射孔（102）和天然气水合物的收集通道口（104），喷射孔两端开有用于连接填料箱（6）的螺栓孔（103），周向各均匀分布3个，上端设有母扣（101）用来连接涡轮马达所在双层结构管的外管，下端设有限位台阶（105）以及内螺纹（106），通过上轴承端盖（10）连接空心传动轴（2）以及下轴承端盖（11）连接外壳体（1）来固定轴承（9）。

3.如权利要求1所述的一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器，其特征在于：所述的压差滑套（4）两端的截面面积不同，其中上端面（401）的面积大，下端面（406）的面积小，且两端各开有两个密封槽（405），在压差滑套（4）的上部插有剪切销钉（3），周向均匀分布3个，压差滑套（4）上还设有供钻井液流出的三个通道口（403）周向均匀分布，通道口的上部外表面设有一个槽口（402）用来放置卡簧（12），中部设有变径限位台阶（404）。

4.如权利要求1所述的一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器，其特征在于：所述的空心传动轴（2）中部设有周向均匀分布的钻井液通道口（203），下端为连接钻头端（207），其中母扣（210）上端为压差滑套（4）的封堵口结构（208），内部开有三条钻井液流道（209），封堵口在空心传动轴的连接钻头端内部通过普通螺纹连接，空心传动轴（2）内部设有周向的定位槽（202）配合压差滑套（4）的凸起块（407）以防止压差滑套（4）与空心传动轴（2）间产生相对转动，中部设有滑套的限位台阶（205），下部通过螺纹连接（206）上轴承端盖（10）来固定轴承（9），上端设有母扣（201）用来连接涡轮马达所在的双层结构管的内管，传动轴表面中部位置设有两个台阶（204），在此段处用来安装填料箱（6），其中下端台阶则为填料箱盖（8）的限位台阶。

5.如权利要求1所述的一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器，其特征在于：所述的填料箱（6）中部为喷头（7）的安装孔（603）和对接空心传动轴（2）上钻井液通道口的腔室（605），两边设有隔板（602），填料箱（6）与外壳体（1）采用螺栓连接（5），分布在上下两端，周向分布各三个供螺栓连接的台阶（601），两端设为动密封结构，其中动密封为车式动密封结构，两端由填料箱盖（8）通过螺纹连接（604）固定。

6.如权利要求1所述的一种天然气水合物开采双层管转轴压控式直流喷射器，其特征在于：其可分为轴向钻进作业和周向喷射扩眼作业两个阶段，轴向钻进作业阶段由剪切销钉（3）固定住压差滑套（4），空心传动轴（2）带动压差滑套（4）随钻头一起旋转，钻井液直接经过压差滑套（4）从空心传动轴（2）的连接钻头端（207）内部的钻井液流道（209）流入钻头；当完成水平井的钻进，需要回拖进一步扩大破碎空间时，进入周向喷射扩眼作业阶段，此时增大钻井液压力，由于压差滑套（4）上端面（401）的面积大于下端面（406），压差滑套（4）上端面（401）受到的轴向力大于下端面（406）所受的反向轴向力，压力越大，此承受力之间的差越大，当两端的受力差增大到一定程度后可剪断剪切销钉（3），将压差滑套（4）向下推进，直到压差滑套（4）下端滑入封堵口结构（208）使得钻井液流道（209）被封堵，此时其周向通道口（403）完全打开，钻井液进入填料箱（6），充满中部腔室后，再通过喷头（7）射出实现射流破碎，而破碎后的天然气水合物混合物则从外壳体（1）的天然气水合物的收集通道口（104）进入喷头滑套并向上输送。