CN110700801B - 一种天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具，其主要包括上部接头、外筒体、内滑套、锁止滑套、弹簧、射流接头、伸缩式射流喷头、堵塞块、挤压型密封圈。本发明主要采用节流控压原理，通过控制钻井液流量，对内滑套位置进行控制，从而实现射流破碎工具的开启和关闭。本发明设有滑套锁定机构，实现了流量波动变化时滑套开度仍持续稳定；内滑套设有节流增压结构，可增大推力保证滑套有效的启闭；设有喷嘴伸缩机构，提高了破碎开采半径；堵塞块上设有挤压型密封，提高滑套开启轴向密封性能。本发明的应用可实现天然气水合物固态流化开采自动射流破碎，减少一趟起下钻作业工序，并有效提高天然气水合物开采作业效率和安全。
Description
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，具体涉及一种天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具。
背景技术
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，效率低下，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。当前，天然气水合物开采中所采用的射流破碎工具结构简单，无法满足天然气水合物固态流化开采的作业需求，主要存在如下问题：
（1）当整个射流破碎工具处于正常工作状态时，如果钻井液的流量出现有太大波动，就不能有效保证整个射流破碎工具稳定地工作。
（2）当开启或关闭射流破碎工具时，通过调节钻井液的流量来控制工具的开启与关闭这一过程并不灵敏。
（3）当射流破碎工具处于开启状态时，钻井液会在轴向方向的流道泄露，这样从射流喷头喷出的钻井液的流量以及压力就会有所减少。
（4）当钻井液从射流喷头喷出时，不能更为直接地冲刷天然气水合物层，破碎工具的破碎半径较小。
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及开采量，促进其商业化开采进程，亟需发明一种天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具，从而可以实现根据实际天然气水合物开采工况，来自动启闭天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具的目的；同时能够灵敏地启闭射流破碎工具；当天然气水合物射流破碎工具处于工作状态时，实现了流量波动变化时滑套开度仍持续稳定，使得射流破碎工具的破碎工作更为稳定可靠；达到了天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具在开启状态时，减少钻井液轴向方向出口的泄露量的效果；在破碎工具进行径向破碎时，能够将内部射流喷嘴伸出，使钻井液能更直接、高压地破碎天然气水合物层，达到增大破碎半径、提高开采效率的目的。
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固态流化开采自动射流破碎工具，解决了钻井液流量波动影响射流破碎工具工作的稳定性问题；实现了更灵敏启闭射流破碎工具的效果。解决了钻井液轴向方向出口泄露的问题，从而增大射流喷头喷出钻井液的流量和压力，提高射流破碎工具的破碎效率。同时该射流破碎工具不需要反复起下钻柱，可通过调节钻井液流量来控制射流破碎工具的工作状态。利用伸缩式喷头，提高了射流破碎半径。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案：
一种天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具，其特征在于：包括上部接头（1）、外筒体（2）、内滑套（3）、锁止滑套（4）、推力轴承（5）、弹簧（6）、射流接头（7）、伸缩式射流喷头（8）、堵塞块（9）、挤压型密封圈（10），上部接头（1）位于整个装置最左侧，外筒体（2）通过螺纹连接在上部接头（1）右侧，内滑套（3）安装在外筒体（2）内部，锁止滑套（4）安装在内滑套（3）外环侧，推力轴承（5）设置在锁止滑套（4）右侧，弹簧（6）设置推力轴承（5）与外筒体（2）内侧之间，射流接头（7）通过螺纹连接在外筒体（2）右侧，堵塞块（9）通过螺纹连接在射流接头（7）内部，伸缩式射流喷头（8）通过螺纹连接在射流接头（7）外环侧，挤压型密封圈（10）通过密封圈安装槽（901）安装在堵塞块（9）外环侧。
进一步的，所述上部接头（1）下端设计有自锁导槽（106）、解锁导斜面（105）、锁定斜面（107）。
进一步的，所述内滑套（3）上端外环侧设计有自锁导块（302）、内滑套自锁斜面（303）、压力平衡孔（304）、泄流槽（305），在内滑套（3）最下端设有挤压型密封端面（307）。
进一步的，所述锁止滑套（4）外环侧均匀设置有锁止滑套斜面（401）、锁止滑套导槽（402）、最下端设置有轴承槽（403）。
进一步的，所述射流接头（7）表面设置有24个均匀交错排布的喷头孔（702），内部设置有滑动通道（703）、堵塞块安装螺纹（704）、最下端设置有环形镂空流道（705）。
进一步的，所述伸缩式射流喷头（8）内部设置有射流喷嘴（801），射流喷嘴（801）内部设有喷嘴增压流道（804）、外侧设有喷嘴弹簧（805）、下端设有弹簧限位块（806）。
进一步的，所述堵塞块（9）设置有密封圈安装槽（901）。
进一步的，在正常钻进阶段，内滑套（3）解锁，射流工具关闭，钻井液只能通过流道（705）流出，进行轴向钻井；在射流破碎阶段，通入足够大的钻井液流量，内滑套（3）锁定，射流工具开启，伸缩式射流喷头（8）内的射流喷嘴（801）伸出并喷出钻井液，进行周向射流破碎；在停止作业阶段，先增大钻井液流量推动内滑套（3）解锁，再减小并最终停止钻井液流量，内滑套（3）受弹簧（6）推力回弹，射流工具关闭；在下一次的射流破碎阶段，通入足够大的钻井液流量，内滑套（3）锁定，射流工具开启，伸缩式射流喷头（8）内的射流喷嘴（801）伸出并喷出钻井液，进行周向射流破碎；在下一次的停止作业阶段，先增大钻井液流量推动内滑套（3）解锁，再减小并最终停止钻井液流量，内滑套（3）受弹簧（6）推力回弹，射流工具关闭，如此射流破碎工具可重复使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（一）不需要反复起下钻柱，可通过调节钻井液流量来控制射流破碎工具的工作状态。
（二）当整个射流破碎工具处于开启或关闭状态时，实现了流量波动变化时滑套开度仍持续稳定。
（三）利用增压原理、压力平衡孔、推力轴承等结构增大钻井液对内滑套的轴向推力以及减小射流破碎工具内部零件直接的摩擦，使得射流破碎工具的启闭更加方便和灵敏。
（四）利用挤压型密封，减少钻井液轴向方向出口的泄露量，从而增大射流喷头喷出钻井液的流量和压力，提高射流破碎工具的破碎效率。
（五）设计有伸缩式射流喷头，使钻井液能更直接、高压地破碎天然气水合物层，达到增大破碎半径、提高开采效率的目的。
附图说明
附图1：天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具总剖视图
附图2：天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具解锁状态半剖图
附图3：天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具锁定状态半剖图
附图4：天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具主视图
附图5：上部接头四分之三剖视图
附图6：外筒体四分之三剖视图
附图7：内滑套正视图
附图8：内滑套四分之三剖视图
附图9：锁止滑套主视图
附图10：射流接头四分之三剖视图
附图11：射流喷头主视图
附图12：射流喷头剖视图
附图13：堵塞块主视图
1-上部接头；101-上部工具接口；102-导流口；103-内滑套限位口；104-上部接头螺纹；105-解锁导斜面；106-自锁导槽；107-锁定斜面；2-外筒体；201-外筒体上部螺纹；202-弹簧限位口；203-外筒体下部螺纹；3-内滑套；301-钻井液导流口；302-自锁导块；303-内滑套自锁斜面；304-压力平衡孔；305-泄流槽；306-增压流道；307-挤压型密封端面；4-锁止滑套；401-锁止滑套斜面；402-锁止滑套导槽；403-轴承槽；5-推力轴承；6-弹簧；7-射流接头；701-下接头螺纹；702-喷头孔；703-滑动通道；704-堵塞块安装螺纹；705-流道；706-轴向流孔；8-伸缩式射流喷头；801-射流喷嘴；802-喷嘴限位面；803-喷嘴弹簧限位面；804-喷嘴增压流道；805-喷嘴弹簧；806-弹簧限位块；807-射流喷头螺纹；9-堵塞块；901-密封圈安装槽；902-堵塞块螺纹；10-挤压型密封圈。
具体实施方式
如附图1-4所示，一种天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具，其特征在于：包括上部接头（1）、外筒体（2）、内滑套（3）、锁止滑套（4）、推力轴承（5）、弹簧（6）、射流接头（7）、伸缩式射流喷头（8）、堵塞块（9）、挤压型密封圈（10），上部接头（1）位于整个装置最左侧，外筒体（2）通过螺纹连接在上部接头（1）右侧，内滑套（3）安装在外筒体（2）内部，锁止滑套（4）安装在内滑套（3）外环侧，推力轴承（5）设置在锁止滑套（4）右侧，弹簧（6）设置推力轴承（5）与外筒体（2）内侧之间，射流接头（7）通过螺纹连接在外筒体（2）右侧，堵塞块（9）通过螺纹连接在射流接头（7）内部，伸缩式射流喷头（8）通过螺纹连接在射流接头（7）外表面环侧，挤压型密封圈（10）通过凹槽安装在堵塞块（9）外环侧。
如附图5所示，所述上部接头（1）设计有上部工具接口（101）、导流口（102）、内滑套限位口（103）、上部接头螺纹（104）、解锁导斜面（105）、自锁导槽（106）、锁定斜面（107），上部接头螺纹（104）用于连接外筒体（2）。
如附图6所示，所示外筒体（2）设计有外筒体上部螺纹（201）、弹簧限位口（202）、外筒体下部螺纹（203），外筒体上部螺纹（201）用于连接上部接头（1），弹簧限位口（202）用于抵住弹簧（6），外筒体下部螺纹（203）用于连接下部射流接头（7）。
如附图7-8所示，所述内滑套（3）设计有钻井液导流口（301）、自锁导块（302）、内滑套自锁斜面（303）、压力平衡孔（304）、泄流槽（305）、增压流道（306）、挤压型密封端面（307）、钻井液导流口（301）。钻井液导流口（301）使钻井液增压进入内滑套（3），增压流道（306）能够将流体的动力更多地转换为对内滑套的轴向推力，并且使得进入内滑套内部的钻井液压力更大，压力平衡孔（304）能够平衡内滑套（3）与外筒体（2）之间的压力，使得钻井液作用在内滑套（3）的轴向推力更大，泄流槽（305）的作用是当射流工具开启时，钻井液便通过泄流槽（305）流向伸缩式射流喷头（8）喷出，在内滑套（3）向下移动，射流工具处于开启状态时，挤压型密封端面（307）、挤压型密封圈（10）变形达到密封的效果。
如附图9所示，所述锁止滑套（4）均匀设置有锁止滑套斜面（401）、锁止滑套导槽（402）、轴承槽（403），推力轴承（5）防置在轴承槽（403）内，弹簧（6）一侧抵在推力轴承（5）上，另一侧抵在弹簧限位口（202）上。
如附图10所示，所述射流接头（7）表面设置有喷头孔（702），内部设置有下接头螺纹（701）、滑动通道（703）、堵塞块安装螺纹（704）、流道（705）、轴向流孔（706）。下接头螺纹（701）用于连接外筒体（2），喷头孔（702）用于安装伸缩式射流喷头（8），滑动通道（703）的内径和内滑套（3）下端的外径相同，两者相互配合达到密封的目的，堵塞块安装螺纹（704）用于安装堵塞块（9），流道（705）在内滑套（3）解锁状态时，可以流通钻井液，轴向流孔（706）可以使通过流道（705）的钻井液流出的扩散半径更大，起到良好的破碎钻井效果。
如附图11-12所示，所述伸缩式射流喷头（8）设置有射流喷嘴（801）、喷嘴限位面（802）、喷嘴弹簧限位面（803）、喷嘴增压流道（804）、喷嘴弹簧（805）、弹簧限位块（806）、射流喷头螺纹（807）。其中射流喷嘴（801）内部设置有喷嘴增压流道（804），用于增加钻井液的压力，喷嘴限位面（802）的作用是在射流喷嘴（801）回弹时，抵住射流喷嘴（801），喷嘴弹簧（805）安装在射流喷嘴（801）外环侧，同时抵住喷嘴弹簧限位面（803）和弹簧限位块（806），弹簧限位块（806）通过螺纹与射流喷嘴（801）连接，当射流破碎工具处于开启状态时，钻井液从伸缩式射流喷头（8）喷出，射流喷嘴（801）在钻井液压力的作用下，克服喷嘴弹簧（805）的弹力向外伸出，使得射流破碎工具的破碎半径更大，开采效率更高，当射流破碎工具处于关闭状态时，射流喷嘴（801）没有钻井液通过，射流喷嘴（801）受到喷嘴弹簧（805）的回弹力而归位。
如附图13所示，所述堵塞块（9）环侧设置有密封圈安装槽（901），下端设置有堵塞块螺纹（902），堵塞块螺纹（902）用于和堵塞块安装螺纹（704）连接，密封圈安装槽（901）用于安装挤压型密封圈（10），挤压型密封圈（10）在内滑套（3）锁定时，挤压型密封端面（307）、挤压型密封圈（10）变形达到密封的效果。
在开始钻井过程中，天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具初始是解锁状态，此时内滑套（3）位于较上端，内滑套（3）表面的自锁导块（302）位于上部接头（1）下端的自锁导槽（106）内，锁止滑套（4）上的锁止滑套斜面（401）也位于自锁导槽（106）内，且此时锁止滑套斜面（401）的尖端位置在内滑套（3）表面的内滑套自锁斜面（303）的二分之一处，在解锁状态下，钻井液从流道（705）通过到轴向流孔（706）流出，对天然气水合物层进行轴向破碎。当钻井液的流量增大到一定程度时，内滑套（3）收到的轴向推力增大到一定值，使得内滑套（3）克服弹簧（6）的推力向下移动，内滑套（3）表面的自锁导块（302）沿着上部接头（1）下端的自锁导槽（106）移动并最终移出自锁导槽（106）之外，当钻井液的流量增大过后又恢复较小值的时候，原本的锁止滑套斜面（401）的尖端位置在内滑套（3）表面的内滑套自锁斜面（303）的二分之一处，在没有自锁导槽（106）的约束下，锁止滑套斜面（401）的尖端位置沿着内滑套（3）表面的内滑套自锁斜面（303）下滑到内滑套自锁斜面（303）的底端，并且在钻井液的流量进一步减小时，内滑套（3）收到的轴向推力减小，锁止滑套斜面（401）沿着锁定斜面（107）滑动，最终停在锁定斜面（107）的底端，此时由于锁定斜面（107）的限制作用，即使钻井液流量减小，内滑套（3）仍然位于较下端，天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具处于开启状态，钻井液通过泄流槽（305）流到伸缩式射流喷头（8）喷出，对天然气水合物层进行周向破碎。当钻井液的流量又增大到一定程度时，内滑套（3）收到的轴向推力增大到一定值，使得内滑套（3）克服弹簧（6）的推力向下移动，内滑套（3）表面的自锁导块（302）沿着上部接头（1）下端的锁定斜面（107）轴向移动并最终移出锁定斜面（107）之外，当钻井液的流量增大过后又恢复较小值的时候，原本的锁止滑套斜面（401）的尖端位置在内滑套（3）表面的内滑套自锁斜面（303）的二分之一处，在没有锁定斜面（107）的约束下，锁止滑套斜面（401）的尖端位置沿着内滑套（3）表面的内滑套自锁斜面（303）下滑到内滑套自锁斜面（303）的底端，并且在钻井液的流量进一步减小时，内滑套（3）收到的轴向推力减小，锁止滑套斜面（401）沿着解锁导斜面（105）滑动，最终落入自锁导槽（106）中并沿着自锁导槽（106）滑动停在其最低端，此时内滑套（3）位于较上端，天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具恢复解锁状态，钻井液从流道（705）通过到轴向流孔（706）流出，对天然气水合物层进行轴向破碎。从而通过控制钻井液流量的大小来启闭天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具，改变其对天然气水合物层的破碎形式。
Claims (8)
1.一种天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具，其特征在于：包括上部接头（1）、外筒体（2）、内滑套（3）、锁止滑套（4）、推力轴承（5）、弹簧（6）、射流接头（7）、伸缩式射流喷头（8）、堵塞块（9）、挤压型密封圈（10），上部接头（1）位于整个装置最左侧，外筒体（2）通过螺纹连接在上部接头（1）右侧，内滑套（3）安装在外筒体（2）内部，锁止滑套（4）安装在内滑套（3）外环侧，推力轴承（5）设置在锁止滑套（4）右侧，弹簧（6）设置推力轴承（5）与外筒体（2）内侧之间，射流接头（7）通过螺纹连接在外筒体（2）右侧，堵塞块（9）通过螺纹连接在射流接头（7）内部，伸缩式射流喷头（8）通过螺纹连接在射流接头（7）外环侧，挤压型密封圈（10）通过密封圈安装槽（901）安装在堵塞块（9）外环侧。
2.如权利要求1所述一种天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具，其特征在于：所述上部接头（1）下端设计有自锁导槽（106）、解锁导斜面（105）、锁定斜面（107）。
3.如权利要求1所述一种天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具，其特征在于：所述内滑套（3）上端外环侧设计有自锁导块（302）、内滑套自锁斜面（303）、压力平衡孔（304）、泄流槽（305），在内滑套（3）最下端设有挤压型密封端面（307）。
4.如权利要求1所述一种天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具，其特征在于：所述锁止滑套（4）外环侧均匀设置有锁止滑套斜面（401）、锁止滑套导槽（402）、最下端设置有轴承槽（403）。
5.如权利要求1所述一种天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具，其特征在于：所述射流接头（7）表面设置有24个均匀交错排布的喷头孔（702），内部设置有滑动通道（703）、堵塞块安装螺纹（704）、最下端设置有环形镂空流道（705）。
6.如权利要求1所述一种天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具，其特征在于：所述伸缩式射流喷头（8）内部设置有射流喷嘴（801），射流喷嘴（801）内部设有喷嘴增压流道（804）、外侧设有喷嘴弹簧（805）、下端设有弹簧限位块（806）。
7.如权利要求1所述一种天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具，其特征在于：所述堵塞块（9）设置有密封圈安装槽（901）。
8.如权利要求1所述一种天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具，其特征在于：在正常钻进阶段，内滑套（3）未被锁定，射流工具关闭，钻井液只能通过流道（705）流出，进行钻井作业；在射流破碎阶段，通入足够大的钻井液流量，内滑套（3）锁定，射流喷头被开启，伸缩式射流喷头（8）内的射流喷嘴（801）伸出并喷出钻井液，进行周向射流破碎；在停止作业阶段，先增大钻井液流量推动内滑套（3）解锁，再减小并最终停止钻井液流量，内滑套（3）受弹簧（6）推力回弹，射流工具关闭；在下一次的射流破碎阶段，通入足够大的钻井液流量，内滑套（3）锁定，射流工具开启，伸缩式射流喷头（8）内的射流喷嘴（801）伸出并喷出钻井液，进行周向射流破碎；在下一次的停止作业阶段，先增大钻井液流量推动内滑套（3）解锁，再减小并最终停止钻井液流量，内滑套（3）受弹簧（6）推力回弹，射流工具关闭，如此射流破碎工具可重复使用。
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