CN111322013A - 一种天然气水合物机械水力复合破碎钻扩径工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种天然气水合物机械水力复合破碎钻扩径工具，其包括上接头、上外筒体、下外筒体以及安装于上、下外筒体中的喷嘴、机械转动锁定机构、刀翼伸缩机构和领眼钻进机构组成。本发明在钻进过程中，侧方刀翼处于闭合状态，通过前端领眼钻头进行钻进形成小尺寸领眼；在回拖过程中，控制侧方刀翼处于伸出状态，高速旋转进行机械破碎，且喷嘴同时开启进行水力喷射破碎，机械水力复合破碎扩径形成规则的大尺寸井眼腔体。本发明采用了尺寸递进式机械破碎与高速水射流复合破碎方式，提高了钻扩径效率，并能形成大尺寸规则井眼腔体；避免了扩径破碎过程中机械切削一次性吃刀量过大而导致工具卡阻或刀翼折断，且有助于简化整体钻扩径作业工序。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种天然气水合物机械水力复合破碎钻扩径工具。
背景技术
天然气水合物是甲烷与水分子在低温高压的条件下形成的一种“笼形化合物”，俗称可燃冰，分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。天然气水合物在地球上的储量十分丰富，燃烧值非常高，但因为开采难度巨大而暂时没有被广泛应用，是21世纪石油和天然气的理想替代能源。为了提高开采效率和持续产能，降压法、固态流化及注热开采等天然气水合物开采方法实施过程中，均需要大尺寸井眼腔体，开掘的井眼腔体越大，则单个井眼的产量越高，整体开发成本越低。
目前，天然气水合物开发中所用的破碎开采工具中，较少有可形成大尺寸井眼腔体的工具等，且其在应用中仍存在诸多问题和不足：
（1）仅采用水力喷射破碎水合物而形成大尺寸井眼的工具，需要大量体积的高压水，且破碎能力有限，所形成井眼腔体直径不大，尺寸不稳定、不规则，对于深水浅层非成岩水合物易导致地层漏失和地层垮塌的风险；
（2）仅采用机械切削破碎水合物的工具，其不具有钻进的功能，在水合物破碎开采过程中将增一趟管柱起下放复杂工序，将导致作业成本和时间较大增加；同时现有机械破碎工况刀翼结构复杂，不能较好适应井下复杂情况，且其工作时刀翼一次性伸出过长，转动时扭矩将陡增，可能使工具整体卡阻在地层中，易折断其刀翼，造成井下落鱼等井下复杂问题，甚至造成整个工具管串被埋和整口井报废。
因此，目前亟需一种新的采掘破碎工具，其能同时解决如何实现稳定地破碎，形成规则大尺寸井眼；如何避免扩径破碎过程中机械切削一次性吃刀量过大而导致工具卡阻或刀翼折断；如何进一步简化天然气水合物开采工序和提高钻采破碎效率等问题，以满足深水浅层非成岩天然气水合物高效、高产和安全开采的目的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有天然气水合物开采工具在使用中存在的问题，提供一种天然气水合物机械水力复合破碎钻扩径工具，以解决现有水合物开采工具不能稳定地开采出均匀的大尺寸井眼、天然气水合物开采工序复杂、破碎过程中机械切削一次性吃刀量过大而导致工具卡阻或刀翼折断的问题。本发明具有三层递进式大尺寸刀翼，以实现稳定地破碎，并在钻进过程中钻出大尺寸井眼，高效破碎开采天然气水合物；本发明用于破碎水合物的三层递进式大尺寸刀翼破碎尺寸采取从小到大递进设计，能实现井眼尺寸逐渐增大，可极好的解决开采工具在天然气水合物地层中机械切削一次性吃刀量过大的问题；本发明具有钻进和破碎开采功能，能实现在天然气水合物破碎开采过程中简化天然气水合物开采工序，达到深水浅层非成岩天然气水合物高效、高产和安全开采的目的。
本发明专利解决其技术问题所采用以下技术方案是：一种天然气水合物机械水力复合破碎钻扩径工具，主要由上接头、与上接头通过螺纹连接的上外筒体、与上外筒体通过螺纹连接的下外筒体以及安装于上、下外筒体中的喷嘴、机械转动锁定机构、刀翼伸缩机构和领眼钻进机构组成，其特征在于：所述的机械转动锁定机构由下压筒、弹簧Ⅰ、转动锁定筒、O型密封圈Ⅰ、O型密封圈Ⅱ组成：下压筒上端通过上接头的下端面限位，弹簧Ⅰ位于上外筒体内且其两端分别连接于下压筒的台阶和上外筒体内部台阶之间，转动锁定筒与下外筒体之间设有O型密封圈Ⅰ；所述的刀翼伸缩机构由推力球轴承、刀翼Ⅰ、齿状滑套、刀翼Ⅱ、刀翼Ⅲ和弹簧Ⅱ组成：推力球轴承安装于转动锁定筒与齿状滑套之间，齿状滑套与转动锁定筒间隙配合，弹簧Ⅱ连接于齿状滑套和下外筒体内的台阶之间，刀翼Ⅰ、刀翼Ⅱ和刀翼Ⅲ均通过螺栓连接在下外筒体上，并且均通过牙齿与齿状滑套上的牙齿配合；所述的领眼钻进机构由O型密封圈Ⅲ、钻头接头和领眼钻头组成：O型密封圈Ⅲ安装在钻头接头上，钻头接头与下外筒体通过螺纹连接，领眼钻头与钻头接头通过锥形螺纹连接。
所述的上外筒体中部设置一处台阶用于安装弹簧Ⅰ，上外筒体内部周向分布有四处凸起的卡齿用于下压筒的周向定位和转动锁定筒的循环机械锁定，上外筒体下方设置一处密封圈槽用于安装O型密封圈Ⅰ。
所述的下外筒体上部周向均匀设置三层共24个喷嘴孔，用于安装破碎射流喷嘴，喷嘴孔下方设置一处台阶使得转动锁定筒与下外筒体之间形成间隙。下外筒体中上部周向设置有三处矩形通孔Ⅰ用于安装刀翼Ⅰ，下外筒体中部周向设置有三处矩形通孔Ⅱ用于安装刀翼Ⅱ，下外筒体中下部周向设置有三处矩形通孔Ⅲ用于安装刀翼Ⅲ，下外筒体下部设置有一处台阶用于安装弹簧Ⅱ，台阶下方设置有一处密封圈槽用于安装O型密封圈Ⅱ。
所述的机械转动锁定机构，其中的下压筒外部设置有一处台阶用于安装弹簧Ⅰ，下压筒内部上下分别设置有两处圆角台阶，运用节流增压原理，在增大钻井液流量时使下压筒向下运动，下压筒外壁周向设置有四处凹槽，通过与上外筒体内壁的卡齿配合限制压筒周向转动，下压筒下端设置有四处螺旋面，四处螺旋面间设置四处断面，形成圆柱凸轮结构；其中的转动锁定筒上端设置有八处螺旋面，八处螺旋面间交叉分布四处断面和四处缺口，形成圆柱凸轮结构用于与下压筒下部的圆柱凸轮结构配合起机械锁定作用，四处缺口与上外筒体上的卡齿配合使其循环机械锁定，转动锁定筒中上部周向均匀设置三处泄流孔用于喷射钻井液，转动锁定筒中部设置有一处台阶用于与推力球轴承接触连接；下压筒上的螺旋面与转动锁定筒上的螺旋面接触连接。
所述的刀翼伸缩机构，三个刀翼Ⅰ通过螺栓连接周向均匀安装在下外筒体上，刀翼Ⅱ、刀翼Ⅲ的安装方式与刀翼Ⅰ相同，三种刀翼相邻的刀翼之间周向间隔40°其中刀翼上沿着棱均匀设置一些切削齿，刀翼外侧设置两排平头齿，用于在转动过程中破碎天然气水合物，刀翼一端带有齿，用于与齿状滑套配合，达到伸开和收缩刀翼的目的。
所述的领眼钻进机构，其中的钻头接头上部设置一处密封圈槽用于安装O型密封圈Ⅲ，钻头接头内部周向均匀设置八处泄流孔用于在钻进的过程中通过钻井液，钻头接头上设置螺纹用于与下外筒体的连接，钻头接头下部内壁设置锥形螺纹用于与领眼钻头连接。
本发明有益效果是：1) 本发明具有三层递进式大尺寸刀翼，在钻进过程中可以钻出大尺寸井眼，达到其高效破碎开采天然气水合物的目的；2) 本发明采用破碎水合物的三层递进式大尺寸刀翼破碎尺寸采取从小到大递进式设计，能实现井眼尺寸逐渐增大，可极好的避免扩径破碎过程中机械切削一次性吃刀量过大而导致工具卡阻或刀翼折断的问题；3) 本发明具有钻进和破碎开采的功能，能实现在天然气水合物破碎开采过程中简化天然气水合物开采工序，达到深水浅层非成岩天然气水合物高效、高产和安全开采的目的。
附图说明
图1为本发明外观图；
图2为本发明三组刀翼收缩与伸出对比图；
图3为本发明上外筒体结构示意图；
图4为本发明下外筒体结构示意图；
图5为本发明下压筒结构示意图；
图6为本发明转动锁定筒结构示意图；
图7为本发明钻头接头结构示意图。
图中，1-上接头，2-下压筒，3-弹簧Ⅰ，4-上外筒体，5-转动锁定筒，6-O型密封圈Ⅰ，7-喷嘴，8-推力球轴承，9-下外筒体，10-刀翼Ⅰ，11-齿状滑套，12-刀翼Ⅱ，13-刀翼Ⅲ，14-弹簧Ⅱ，15-O型密封圈Ⅱ，16-O型密封圈Ⅲ，17-钻头接头，18-领眼钻头，201-台阶，202-圆角台阶，203-凹槽，204-螺旋面，205-断面，401-台阶，402-卡齿，403-密封圈槽，501-螺旋面，502-断面，503-缺口，504-泄流孔，505-台阶，901-喷嘴孔，902-台阶，903-矩形通孔Ⅰ，904-矩形通孔Ⅱ，905-矩形通孔Ⅲ，906-台阶，907-密封圈槽，1701-密封圈槽，1702-泄流孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下描述：
如图1-图7所示，一种天然气水合物机械水力复合破碎钻扩径工具，主要由上接头（1）、与上接头（1）通过螺纹连接的上外筒体（4）、与上外筒体（4）通过螺纹连接的下外筒体（9）以及安装于上、下外筒体中的喷嘴（7）、机械转动锁定机构、刀翼伸缩机构和领眼钻进机构组成。其中的机械转动锁定机构由下压筒（2）、弹簧Ⅰ（3）、转动锁定筒（5）、O型密封圈Ⅰ（6）、O型密封圈Ⅱ（15）组成：下压筒（2）上端通过上接头（1）的下端面限位，弹簧Ⅰ（3）位于上外筒体（4）内且其两端分别连接于下压筒（2）的台阶和上外筒体（4）内部台阶之间，转动锁定筒（5）与下外筒体（9）之间设有O型密封圈Ⅰ（6）；刀翼伸缩机构由推力球轴承（8）、刀翼Ⅰ（10）、齿状滑套（11）、刀翼Ⅱ（12）、刀翼Ⅲ（13）和弹簧Ⅱ（14）组成：推力球轴承（8）安装于转动锁定筒（5）与齿状滑套（11）之间，齿状滑套（11）与转动锁定筒（5）间隙配合，弹簧Ⅱ（14）连接于齿状滑套（11）和下外筒体（9）内的台阶之间，刀翼Ⅰ（10）、刀翼Ⅱ（12）和刀翼Ⅲ（13）均通过螺栓连接在下外筒体（9）上，并且均通过其端部分布的齿与齿状滑套（11）上的齿配合；领眼钻进机构由O型密封圈Ⅲ（16）、钻头接头（17）和领眼钻头（18）组成：O型密封圈Ⅲ（16）安装在钻头接头（17）上，钻头接头（17）与下外筒体（9）通过螺纹连接，领眼钻头（18）与钻头接头（17）通过锥形螺纹连接。
本发明中的上外筒体（4）中部设置一处台阶（401），上外筒体（4）内部周向分布有四处凸起的卡齿（402），上外筒体（4）下方设置一处密封圈槽（403）。
本发明中的下外筒体（9）上部周向均匀设置三层共24个喷嘴孔（901），喷嘴孔（901）下方设置一处台阶（902），下外筒体（9）中上部周向设置有三处矩形通孔Ⅰ（903），下外筒体（9）中部周向设置有三处矩形通孔Ⅱ（904），下外筒体（9）中下部周向设置有三处矩形通孔Ⅲ（905），下外筒体（9）下部设置有一处台阶（906），台阶（906）下方设置有一处密封圈槽（907）。
本发明中的机械转动锁定机构：其中的下压筒（2）外部设置有一处台阶（201），下压筒（2）内部上下分别设置有两处圆角台阶（202），下压筒（2）外壁周向设置有四处凹槽（203），下压筒（2）下端设置有四处螺旋面（204），四处螺旋面（204）间设置四处断面（205）；其中的转动锁定筒（5）上端设置有八处螺旋面（501），八处螺旋面（501）间交叉分布四处断面（502）和四处缺口（503），转动锁定筒（5）中上部周向均匀设置三处泄流孔（504），转动锁定筒（5）中部设置有一处台阶（505）；所述的下压筒（2）上周向分布的凹槽（203）与上外筒体（4）上的卡齿（402）配合，下压筒（2）上的螺旋面（204）与转动锁定筒（5）上的螺旋面（501）接触连接。
本发明中的刀翼伸缩机构：三个刀翼Ⅰ（10）通过螺栓连接周向均匀安装在下外筒体（9）上，刀翼Ⅱ（12）、刀翼Ⅲ（13）的安装方式与刀翼Ⅰ（10）相同，三种刀翼相邻的刀翼之间周向间隔40°。
本发明中的领眼钻进机构：其中的钻头接头（17）上部设置一处密封圈槽（1701），钻头接头（17）内部周向均匀设置八处泄流孔（1702）；所述的O型密封圈Ⅲ（16）安装在钻头接头（17）上的密封圈槽（1701）中，钻头接头（17）通过螺纹与下外筒体（9）连接，领眼钻头（18）通过锥形螺纹与钻头接头（17）连接。
本发明的工作过程如下：
初始状态：在进行小尺寸领眼钻进过程中，如图2中左图，下压筒（2）在弹簧Ⅰ（3）的作用下处于最上方位置，此时上外筒体（4）的卡齿（402）卡在转动锁定筒（5）的缺口（503）上，此时刀翼Ⅰ（10）、刀翼Ⅱ（12）和刀翼Ⅲ（13）处于闭合状态；转动锁定筒（5）上的三处泄流孔（504）被上外筒体（4）的内壁遮挡住，喷嘴（7）没有钻井液喷出；转动锁定筒（5）下端处未被下方钻头接头（17）封堵，钻井液可通过钻头接头（17）中的泄流孔（1702）流过，通过钻头中的喷嘴高速喷出达到清洗钻头的目的。
工作状态一：当领眼钻进完成后，接下来进行回拖扩径作业，破碎更大体积天然气水合物，形成大尺寸腔体。如图2，增大钻井液的流量，当钻井液通过下压筒（2）内部时，由于流道直径缩小，钻井液对下压筒（2）产生较大压力，使得下压筒（2）推动转动锁定筒（5）向下运动，当下压筒（2）处于行程最下端时卡齿（402）离开转动锁定筒（5）上的缺口（503），同时下压筒（2）的螺旋面（204）与转动锁定筒（5）的螺旋面（501）配合，使得转动锁定筒（5）旋转，并且在转动锁定筒（5）向下运动的同时，带动推力球轴承（8）、轴承下方的齿状滑套（11）向下运动，此时齿状滑套（11）上的齿带动刀翼Ⅰ（10）、刀翼Ⅱ（12）和刀翼Ⅲ（13）旋转使刀翼伸出，在转动锁定筒（5）向下运动的时候，转动锁定筒（5）下端与钻头接头（17）上的O型密封圈Ⅲ（16）接触，实现对转动锁定筒（5）下部的封堵，同时转动锁定筒（5）的三处泄流孔（504）下降到喷嘴孔（901）处，喷射高压钻井液，开始利用水力破碎水合物，一定时间后减小钻井液的流量，使得下压筒（2）受到的压力减小，在弹簧Ⅰ（3）、弹簧Ⅱ（14）的作用下下压筒（2）和转动锁定筒（5）开始回弹，此时转动锁定筒（5）的螺旋面（501）与卡齿（402）上的斜面接触并旋转，使卡齿（402）卡在转动锁定筒（5）的断面（502）处，实现对刀翼Ⅰ（10）、刀翼Ⅱ（12）和刀翼Ⅲ（13）的锁定功能，此时刀翼伸出完毕，开始正常的天然气水合物破碎工作。
工作状态二：当完成回拖扩径后，需恢复回收天然气水合物机械水力复合破碎钻扩径工具。与前一操作过程类似，增大钻井液的流量，当钻井液通过下压筒（2）内部时，由于流道直径缩小，钻井液对下压筒（2）产生较大压力，使得下压筒（2）推动转动锁定筒（5）向下运动，当下压筒（2）处于行程最下端时卡齿（402）离开转动锁定筒（5）上的断面（502）时，由于下压筒（2）的螺旋面（204）与转动锁定筒（5）的螺旋面（501）配合，使得转动锁定筒（5）旋转，一定时间后减小钻井液的流量，使得下压筒（2）的压力减小，在弹簧Ⅰ（3）、弹簧Ⅱ（14）的作用下下压筒（2）和转动锁定筒（5）开始回弹，此时转动锁定筒（5）的螺旋面（501）与卡齿（402）接触并旋转，卡齿（402）再次卡在转动锁定筒（5）的缺口（503）处，同时在弹簧Ⅱ（14）的作用下，转动锁定筒（5）继续向上运动，通过齿状滑套（11）带动刀翼Ⅰ（10）、刀翼Ⅱ（12）和刀翼Ⅲ（13）的回缩并机械锁定，在转动锁定筒（5）向上运动的时候，转动锁定筒（5）下端离开钻头接头（17）上的O型密封圈Ⅲ（16），使得钻井液可以从钻头接头（17）中的泄流孔（1702）流过，同时转动锁定筒（5）上的三处泄流孔（504）上升离开喷嘴孔（901）处，钻井液停止喷射，停止天然气水合物破碎工作。
需要再次作业时重复以上两步骤即可。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本专利进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种天然气水合物机械水力复合破碎钻扩径工具，主要由上接头（1）、与上接头（1）通过螺纹连接的上外筒体（4）、与上外筒体（4）通过螺纹连接的下外筒体（9）以及安装于上、下外筒体中的喷嘴（7）、机械转动锁定机构、刀翼伸缩机构和领眼钻进机构组成，其特征在于：所述的机械转动锁定机构由下压筒（2）、弹簧Ⅰ（3）、转动锁定筒（5）、O型密封圈Ⅰ（6）、O型密封圈Ⅱ（15）组成：下压筒（2）上端通过上接头（1）的下端面限位，弹簧Ⅰ（3）位于上外筒体（4）内且其两端分别连接于下压筒（2）的台阶和上外筒体（4）内部台阶之间，转动锁定筒（5）与下外筒体（9）之间设有O型密封圈Ⅰ（6）；所述的刀翼伸缩机构由推力球轴承（8）、刀翼Ⅰ（10）、齿状滑套（11）、刀翼Ⅱ（12）、刀翼Ⅲ（13）和弹簧Ⅱ（14）组成：推力球轴承（8）安装于转动锁定筒（5）与齿状滑套（11）之间，齿状滑套（11）与转动锁定筒（5）间隙配合，弹簧Ⅱ（14）连接于齿状滑套（11）和下外筒体（9）内的台阶之间，刀翼Ⅰ（10）、刀翼Ⅱ（12）和刀翼Ⅲ（13）均通过螺栓连接在下外筒体（9）上，并且均通过其端部分布的齿与齿状滑套（11）上的齿配合；所述的领眼钻进机构由O型密封圈Ⅲ（16）、钻头接头（17）和领眼钻头（18）组成：O型密封圈Ⅲ（16）安装在钻头接头（17）上，钻头接头（17）与下外筒体（9）通过螺纹连接，领眼钻头（18）与钻头接头（17）通过锥形螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物机械水力复合破碎钻扩径工具，其特征在于：所述的上外筒体（4）中部设置一处台阶（401），上外筒体（4）内部周向分布有四处凸起的卡齿（402），上外筒体（4）下方设置一处密封圈槽（403）。
3.根据权利要求1所述的一种天然气水合物机械水力复合破碎钻扩径工具，其特征在于：所述的下外筒体（9）上部周向均匀设置三层共24个喷嘴孔（901），喷嘴孔（901）下方设置一处台阶（902），下外筒体（9）中上部周向设置有三处矩形通孔Ⅰ（903），下外筒体（9）中部周向设置有三处矩形通孔Ⅱ（904），下外筒体（9）中下部周向设置有三处矩形通孔Ⅲ（905），下外筒体（9）下部设置有一处台阶（906），台阶（906）下方设置有一处密封圈槽（907）。
4.根据权利要求1所述的一种天然气水合物机械水力复合破碎钻扩径工具，其特征在于：所述的机械转动锁定机构，其中的下压筒（2）外部设置有一处台阶（201），下压筒（2）内部上下分别设置有两处圆角台阶（202），下压筒（2）外壁周向设置有四处凹槽（203），下压筒（2）下端设置有四处螺旋面（204），四处螺旋面（204）间设置四处断面（205）；其中的转动锁定筒（5）上端设置有八处螺旋面（501），八处螺旋面（501）间交叉分布四处断面（502）和四处缺口（503），转动锁定筒（5）中上部周向均匀设置三处泄流孔（504），转动锁定筒（5）中部设置有一处台阶（505）；所述的下压筒（2）上周向分布的凹槽（203）与上外筒体（4）上的卡齿（402）配合，下压筒（2）上的螺旋面（204）与转动锁定筒（5）上的螺旋面（501）接触连接。
5.根据权利要求1所述的一种天然气水合物机械水力复合破碎钻扩径工具，其特征在于：所述的刀翼伸缩机构，三个刀翼Ⅰ（10）通过螺栓连接周向均匀安装在下外筒体（9）上，刀翼Ⅱ（12）、刀翼Ⅲ（13）的安装方式与刀翼Ⅰ（10）相同，三种刀翼相邻的刀翼之间周向间隔40°。
6.根据权利要求1所述的一种天然气水合物机械水力复合破碎钻扩径工具，其特征在于：所述的领眼钻进机构，其中的钻头接头（17）上部设置一处密封圈槽（1701），钻头接头（17）内部周向均匀设置八处泄流孔（1702）；所述的O型密封圈Ⅲ（16）安装在钻头接头（17）上的密封圈槽（1701）中，钻头接头（17）通过螺纹与下外筒体（9）连接，领眼钻头（18）通过锥形螺纹与钻头接头（17）连接。
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