CN111577214A - 用于海底天然气水合物固态流化开采的水射流喷射头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于海底天然气水合物固态流化开采的水射流喷射头，包括喷射头本体，所述的喷射头本体内部沿轴向设置有水流盲孔，所述喷射头本体的外周面设置有若干组与所述水流盲孔相连通的喷射孔组，所述喷射孔组中的每个喷射孔上均设置有喷射嘴；所述喷射孔组包括由后至前依次设置在所述喷射头本体外周面上的返排喷射孔组、径向喷射孔组、扩径喷射孔组和轴向喷射孔组。本发明不仅能够在水合物固态流化开采过程中形成大直径、规则圆形孔眼，而且具有促进破碎颗粒返排作用。

Description

用于海底天然气水合物固态流化开采的水射流喷射头

技术领域

本发明涉及海底天然气水合物开采技术领域，具体是涉及一种用于海底天然气水合物固态流化开采的水射流喷射头。

背景技术

天然气水合物又称为可燃冰，储量巨大，超过已知碳化石燃料总和的2倍，主要存在于陆地永冻土以及大洋海底，其中大洋海底天然气水合物的储量远远超过陆地永冻土区域的储量，是现今具有很大开采潜力的新型非常规能源。我国海洋天然气水合物资源前景十分广阔，据国土资源部研究者估算，仅南海天然气水合物的总资源量就达到650亿吨油当量，约相当于我国陆上和近海石油天然气总资源量的一半。

海洋天然气水合物藏水深1000～1500m，目前，我国已在南海进行了两次天然气水合物取样，分析取样结果发现我国天然气水合物具有埋藏浅、胶结性差的特点，利用常规的热激、降压、注化学试剂等开采方法进行大规模开采极易引发地质灾害与环境安全问题。有鉴于此，提出针对海底浅层天然气水合物的固态流化绿色开采方法。实现固态流化开采思路，其本质是将天然气水合物作为一种海底矿产进行固体采掘，水射流破碎头深入矿层对矿藏进行破碎采掘，破碎的水合物及泥沙颗粒在射流水的携带作用下一并进入井筒，并以水合物浆体的形式管输至海面。这是一种异于现有海洋天然气水合物开采技术的新的开发思路。

水射流破碎技术是海底水合物固态流化开采技术进行开采时的关键技术，目前尚有一些关键技术问题需要解决。首先，为保证一定的开采量，水射流喷射头要在矿层中形成一定规模的破碎空间，保证破碎的区域足够大；其次，破碎形成的采矿面要呈规则的圆形井筒，以便于采出物的返出，同时保持井壁的稳定性，旋转型的喷射头易于实现上述目的，但是旋转喷射头也将会大大限制射流的排量。

因此，需要喷射头在不旋转的条件下也能保证形成的破碎面为规则的圆筒形；最后，喷射头还应能实现促进破碎颗粒返排的作用。而本发明的一种适用于海底水合物固态流化开采的水射流喷射头能实现上述功能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于海底天然气水合物固态流化开采的水射流喷射头，以避免传统旋转喷射头限制射流的排量的问题，不仅能够在水合物固态流化开采过程中形成大直径、规则圆形孔眼，而且具有促进破碎颗粒返排作用。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的用于海底天然气水合物固态流化开采的水射流喷射头，包括喷射头本体，所述的喷射头本体内部沿轴向设置有水流盲孔，所述喷射头本体的外周面设置有若干组与所述水流盲孔相连通的喷射孔组，所述喷射孔组中的每个喷射孔上均设置有喷射嘴；所述喷射孔组包括由后至前依次设置在所述喷射头本体外周面上的返排喷射孔组、径向喷射孔组、扩径喷射孔组和轴向喷射孔组。

所述的水射流喷射头，优选地，所述返排喷射孔组包括沿周向均匀分布在所述喷射头本体后部外周面上的若干第一喷射孔，所述第一喷射孔与所述水流盲孔的水流方向所成夹角大于90°。

所述的水射流喷射头，优选地，所述径向喷射孔组包括至少一层喷射孔结构，每层喷射孔结构包括沿周向均匀分布在所述喷射头本体中部外周面上的若干第二喷射孔，所述第二喷射孔与所述水流盲孔的水流方向所成夹角为90°。

所述的水射流喷射头，优选地，所述扩径喷射孔组包括沿周向均匀分布在所述喷射头本体前部外周面上的若干第三喷射孔，所述第三喷射孔与所述水流盲孔的水流方向所成夹角小于90°。

所述的水射流喷射头，优选地，所述轴向喷射孔组包括沿轴向设置在所述喷射头本体前端端面上的至少一个第四喷射孔。

所述的水射流喷射头，优选地，所述径向喷射孔组中的相邻两层所述喷射孔结构中的所述第二喷射孔沿周向错位分布设置。

所述的水射流喷射头，优选地，所述径向喷射孔组中的相邻两层所述喷射孔结构的所述第二喷射孔沿周向圆心角方向依次错开20°夹角设置。

所述的水射流喷射头，优选地，所述第一喷射孔与所述水流盲孔的水流方向所成夹角为150°。

所述的水射流喷射头，优选地，所述第三喷射孔与所述水流盲孔的水流方向所成夹角为45°。

所述的水射流喷射头，优选地，所述喷射嘴包括第一喷射嘴和第二喷射嘴，所述第一喷射嘴前端设置有外周呈多边形结构的第一流体出口端，从第一喷射嘴的后端至前端依次设置有连通的第一锥形流体收缩通道和第一流道，所述第一流道贯穿所述第一流体出口端的端面；所述第二喷射孔和第四喷射孔分别安装所述第一喷射嘴；所述第二喷射嘴前端设置有外周呈多边形结构的第二流体出口端，从第二喷射嘴的后端至前端依次设置有连通的第二锥形流体收缩通道和第二流道，所述第二流道贯穿所述第二流体出口端的端面，在所述第二流道的出口处设置有倒角，所述第一喷射孔和第三喷射孔分别安装所述第二喷射嘴。

所述的水射流喷射头，优选地，所述喷射头本体的前端呈锥形台结构，所述第三喷射孔设置在所述锥形台结构的锥面上，第四喷射孔设置在所述锥形台结构的台面上。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明通过在喷射头本体上的不同方向、不同位置设置喷射嘴，使喷射头本体能够在水合物地层中形成大直径破碎孔眼，提高水射流采掘量，同时保证在喷射头本体不旋转的条件下，依然能够形成规则圆筒形的破碎孔眼；同时，喷射孔特殊结构设置能够增加固体颗粒的流动性，有益于破碎颗粒的返出。

附图说明

图1为本发明喷射头本体的结构示意图；

图2(a)-(c)分别为图1的A-A、B-B以及C-C向剖视图；

图3为本发明第一喷射嘴的结构示意图；

图4为本发明第二喷射嘴的结构示意图；

图5为本发明在井筒中扩径采掘水合物的工作示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

如图1所示，本发明提供的用于海底天然气水合物固态流化开采的水射流喷射头包括喷射头本体1，喷射头本体1内部沿轴向设置有水流盲孔2，喷射头本体1的外周面设置有若干组与水流盲孔2相连通的喷射孔组，喷射孔组中的每个喷射孔上均设置有喷射嘴。

图5展示了该水射流喷射头在井筒中扩径采掘水合物的工作环境，此时水射流喷射头通过喷射头-油管连接头(图中未示出)连接在钻井油管上，该水射流喷射头与喷射头-油管连接头的连接方式可以采用螺纹连接，另加销钉固定。

在上述实施例中，优选地，喷射孔组包括由后至前依次设置在喷射头本体1外周面上的返排喷射孔组5、径向喷射孔组6、扩径喷射孔组7和轴向喷射孔组8。

在上述实施例中，优选地，返排喷射孔组5包括沿周向均匀分布在喷射头本体1后部外周面上的若干第一喷射孔51，且第一喷射孔51与水流盲孔2中的水流方向所成夹角大于90°(本实施例中为150°)，返排喷射孔组5可实现促进破碎矿物及泥沙颗粒返排的效果。

在上述实施例中，优选地，径向喷射孔组6包括至少一层径向喷射孔结构(本实施例中为三层，分别为第一层喷射孔结构A、第二喷射孔结构B以及第三喷射孔结构C)，每层喷射孔结构包括沿周向均匀分布在喷射头本体1中部外周面上的若干第二喷射孔61，且第二喷射孔61与水流盲孔2中的水流方向所成夹角为90°，径向喷射孔组6能够保持破碎腔体为规则圆筒状。

在上述实施例中，优选地，扩径喷射孔组7包括沿周向均匀分布在喷射头本体1前部外周面上的若干第三喷射孔71，第三喷射孔71与水流盲孔2中的水流方向所成夹角小于90°(本实施例中为45°)，扩径喷射孔组7能够击碎井底矿体，形成大于喷射头本体1直径的井筒，保证水射流喷射头的顺利下放。

在上述实施例中，优选地，轴向喷射孔组8包括沿轴向设置在喷射头本体1前端端面上的至少一个第四喷射孔81，轴向喷射孔组8可实现井筒底部矿体的破碎。

在上述实施例中，优选地，如图2(a)-(c)所示，径向喷射孔组6中的相邻两层第二喷射孔61沿周向错位分布设置。具体地，径向喷射孔组6中的相邻两层第二喷射孔61沿周向圆心角方向依次错开20°夹角设置。也就是说，第二层喷射孔结构B的第二喷射孔61沿周向圆心角方向错开第一层喷射孔结构A的第二喷射孔61的角度为20°，第三层喷射孔结构C的第二喷射孔61沿周向圆心角方向错开第二层喷射孔结构B的第二喷射孔61的角度为20°。这样设置可以实现扩大井筒直径，同时在第二喷射孔61装上喷射嘴的情况下，能够实现喷射嘴喷射破碎范围覆盖整个井筒的圆周，从而保持破碎腔体为规则圆筒的目的。

在上述实施例中，优选地，如图3所示，在第二喷射孔61和第四喷射孔81上均安装有无倒角的第一喷射嘴3，该第一喷射嘴3的前端设置有外周呈多边形结构(本实施例中为六边形)的第一流体出口端9，从第一喷射嘴3的后端至前端依次设置有连通的第一锥形流体收缩通道10和第一流道11，第一流道11贯穿第一流体出口端9的端面。由此，第一喷射嘴3采用无倒角的设计，可以减少了水射流对井壁的冲击破碎，破坏井壁规则度。

在上述实施例中，优选地，如图4所示，在第一喷射孔51和第三喷射孔71上均安装有带倒角的第二喷射嘴4，该第二喷射嘴4的前端设置有外周呈多边形结构(本实施例中为六边形)的第二流体出口端12，从第二喷射嘴4的后端至前端依次设置有连通的第二锥形流体收缩通道13和第二流道14，第二流道14贯穿第二流体出口端12的端面，且在第二流道14的出口处设置有倒角15。由此，第二喷射嘴4采用带倒角的设计，可以加强水射流冲击破碎效果，快速破碎矿体，实现提高钻进速度、扩大井筒直径的目的。

在上述实施例中，优选地，如图1所示，喷射头本体1的前端呈锥形台结构，第三喷射孔71设置在锥形台结构的锥面上，第四喷射孔81设置在锥形台结构的台面上。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于海底天然气水合物固态流化开采的水射流喷射头，其特征在于，

包括喷射头本体，所述喷射头本体内部沿轴向设置有水流盲孔，所述喷射头本体的外周面设置有若干组与所述水流盲孔相连通的喷射孔组，所述喷射孔组中的每个喷射孔上均设置有喷射嘴；

所述喷射孔组包括由后至前依次设置在所述喷射头本体外周面上的返排喷射孔组、径向喷射孔组、扩径喷射孔组和轴向喷射孔组。

2.根据权利要求1所述的水射流喷射头，其特征在于，所述返排喷射孔组包括沿周向均匀分布在所述喷射头本体后部外周面上的若干第一喷射孔，所述第一喷射孔与所述水流盲孔的水流方向所成夹角大于90°。

3.根据权利要求2所述的水射流喷射头，其特征在于，所述径向喷射孔组包括至少一层喷射孔结构，每层所述喷射孔结构包括沿周向均匀分布在所述喷射头本体中部外周面上的若干第二喷射孔，所述第二喷射孔与所述水流盲孔的水流方向所成夹角为90°。

4.根据权利要求3所述的水射流喷射头，其特征在于，所述扩径喷射孔组包括沿周向均匀分布在所述喷射头本体前部外周面上的若干第三喷射孔，所述第三喷射孔与所述水流盲孔的水流方向所成夹角小于90°。

5.根据权利要求4所述的水射流喷射头，其特征在于，所述轴向喷射孔组包括沿轴向设置在所述喷射头本体前端端面上的至少一个第四喷射孔。

6.根据权利要求3所述的水射流喷射头，其特征在于，所述径向喷射孔组中的相邻两层所述喷射孔结构的所述第二喷射孔沿周向错位分布设置。

7.根据权利要求6所述的水射流喷射头，其特征在于，所述径向喷射孔组中的相邻两层所述喷射孔结构的所述第二喷射孔沿周向圆心角方向依次错开20°夹角设置。

8.根据权利要求4所述的水射流喷射头，其特征在于，所述第一喷射孔与所述水流盲孔的水流方向所成夹角为150°，所述第三喷射孔与所述水流盲孔的水流方向所成夹角为45°。

9.根据权利要求5到8任一项所述的水射流喷射头，其特征在于，所述喷射嘴包括第一喷射嘴和第二喷射嘴：

所述第一喷射嘴前端设置有外周呈多边形结构的第一流体出口端，从所述第一喷射嘴的后端至前端依次设置有连通的第一锥形流体收缩通道和第一流道，所述第一流道贯穿所述第一流体出口端的端面；所述第二喷射孔和第四喷射孔分别安装所述第一喷射嘴；

所述第二喷射嘴前端设置有外周呈多边形结构的第二流体出口端，从所述第二喷射嘴的后端至前端依次设置有连通的第二锥形流体收缩通道和第二流道，所述第二流道贯穿所述第二流体出口端的端面，在所述第二流道的出口处设置有倒角，所述第一喷射孔和第三喷射孔分别安装所述第二喷射嘴。

10.根据权利要求5到8任一项所述的水射流喷射头，其特征在于，所述喷射头本体的前端呈锥形台结构，所述第三喷射孔设置在所述锥形台结构的锥面上，所述第四喷射孔设置在所述锥形台结构的台面上。

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