CN112796714A - 一种天然气水合物开发多级可控水射流破碎造腔工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种天然气水合物开发多级可控水射流破碎造腔工具，该工具主要由内管上、下接头，中间套管，同轴节流推杆组成的内层结构，外层套管、支撑环组成的外层结构，安装于中间套管并穿过外层套管上的射流喷头、单级伸缩射流喷头、二级伸缩射流喷头组成的射流破碎结构构成，本发明的有益效果是可实现可控的多级别流量、可变喷头数量下的水合物射流破碎；在射流破碎时候能保证轴向钻井液流道的完全封堵；在淹没射流破碎状态下实现更大的破碎直径；分离后的泥砂可通过该破碎装置由下部钻头端排出，该工具能实现钻进、破碎造腔、回收、排砂的完整工艺，减少起下钻柱的次数，降低开采成本，提高天然气水合物的开采效率。
Description
技术领域
本发明涉及到天然气水合物开采领域，具体涉及一种天然气水合物开发多级可控水射流破碎造腔工具。
背景技术
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"。经过试采勘探，我国南海天然气水合物储量相当于千亿吨石油，但目前要实现水合物有效可控的商业开采是一个世界性的难题。
目前世界上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方法也只是对天然气水合物进行了短期试采。而我国南海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，造成自然灾害与海底环境破环。因此，针对南海天然气水合物的特点与分布情况，对于天然气水合物的开采一般都是先利用钻头钻进预定位置，形成领眼，然后再通过回拖井下工具，回拖过程中通过开采工具对周围非成岩天然气水合物层进行淹没射流破碎造腔、回收，通过分离器将水合物与泥砂分离之后，泥砂经天然气水合物破碎造腔工具、钻头排出回填地层，维护地层结构稳定性。
对于目前天然气水合物开采所采用的天然气工具无法满足水合物高效破碎造腔、回收、泥砂回填的功能，主要体现在以下几个方面：
(1)现有天然气水合物射流破碎工具只能实现单一级别流量下以及固定喷头数量下的射流破碎，无法实现流量级别，喷头数量可变可控下的射流破碎。
(2)天然气水合物破碎开采过程中，为获得最大的射流破碎半径，需要保证最大的射流压力，因此射流破碎过程中要对轴向钻井液流道进行严格封堵，而目前已有射流破碎装置在轴向流道上采用挤压型密封的方式，在射流破碎时不可避免产生轴向泄漏，密封效果较差。
(3)天然气水合物开采过程中，为保证水合物射流破碎后海底地层的稳定性，需要将回收后的水合物与泥砂在分离器分离后，对泥砂进行原位回填，因此射流破碎装置上应具有单独的泥砂返排通道，而现有射流破碎工具不具备泥砂返排通道。
(4)天然气水合物开采回拖开采工具串进行射流破碎时，射流破碎工具前端射流喷头处于淹没射流状态，即喷头外部处于被弱胶结的水合物与泥砂所覆盖的状态，而现有射流破碎工具为追求更大破碎直径所设计的可伸缩喷头的结构以及排布方式会造成射流破碎工具开启后伸缩喷头立即伸出，伸出的喷头受到泥砂的阻挡，严重影响开采工具串的回拖、极大的降低开采效率。
发明内容：
为解决上述问题，本发明提供一种天然气水合物开发多级可控水射流破碎造腔工具，本发明设有中间套管、C形环、同轴节流推杆作为射流破碎流量开度调节装置，利用具有收缩性质的C形环处于中间套管的不同角度斜面槽内，同轴节流推杆推动C形环所需推力的大小不同的特点，调节地面泵入钻井液的流量改变同轴节流推杆节流口处推力大小，推动同轴节流推杆以及C形环沿着轴向运动，进而改变该装置同时开启的射流喷头个数以及实现不同流量下的射流破碎功能，解决了现有射流破碎装置只具有单一级别射流破碎流量的问题；本发明设有箭型阀端面密封结构，利用箭型阀端面密封结构代替现有射流破碎工具中的挤压型密封结构，能保证射流破碎过程中轴向流道的完全封堵，解决了现有射流破碎工具挤压型密封，密封不严的问题；本发明设有水合物吸入口、回收通道、泥砂排出通道，破碎后的水合物混合物经吸入口及回收通道到达分离器，待分离器对水合物混合物处理后分离出的泥砂经泥砂排出通道到达钻头端泥砂排出口排出，实现泥砂的原位回填，解决现有破碎工具不具备泥砂排出功能的缺陷；本发明设有射流喷头、单级伸缩射流喷头、二级伸缩射流喷头三种，三种射流破碎喷头为梯形依次排布，在射流破碎装置回拖射流破碎阶段，前端射流喷头进行破碎形成一定空腔，后端单级伸缩射流喷头、二级伸缩射流喷头有足够空间伸出喷头以获得更大的水合物破碎直径，解决了现有工具在射流破碎工具伸出喷头受泥砂阻挡严重，极大影响工具回拖效率的问题。
本发明专利解决其技术问题所采用以下技术方案是：提供一种天然气水合物开发多级可控水射流破碎造腔工具，内管上接头、内管下接头、中间套管、C形环、同轴节流推杆，箭型阀端面密封结构组成了该水合物破碎回收装置的内层结构，中间套管上端与内管上接头为插入式连接，中间套管与内管下接头为插入式连接，箭型阀端面密封结构安装在内管下接头上，C形环安装在同轴节流推杆上，同轴节流推杆依靠C形环实现在中间套管里轴向与径向固定；外层套管与支撑环组成了水合物破碎回收装置的外层结构，其中外层套管上设置有第一层套管、第二层套管、位于第一层套管上部的外螺纹Ⅰ、位于第一层套管下部的内螺纹Ⅱ、位于外层套管下部，贯穿第一层套管与第二层套管的四个均匀分布的吸入孔、位于第一层套管与第二层套管之间四个均匀分布的过流孔，外层套管通过位于第一层套管下部的内螺纹Ⅱ与内管下接头连接，支撑环通过螺纹连接在第一层套管上部，实现对第一层套管与第二层套管之间的支撑；射流喷头、单级伸缩射流喷头、二级伸缩射流喷头组成该工具的破碎装置，喷头外壳Ⅰ、弹簧Ⅱ、节流喷嘴Ⅰ、挡块Ⅰ组成单级伸缩射流喷头，节流喷嘴Ⅰ放入喷头外壳Ⅰ中，弹簧Ⅱ安装在节流喷嘴Ⅰ与喷头外壳Ⅰ之间，挡块Ⅰ通过螺纹拧入喷头外壳Ⅰ内，完成单级伸缩射流喷头组装；喷头外壳Ⅱ、弹簧Ⅲ、节流喷嘴Ⅱ、弹簧Ⅳ、节流喷嘴Ⅲ、堵头、挡块Ⅱ组成二级伸缩射流喷头，节流喷嘴Ⅱ放入喷头外壳Ⅱ中，弹簧Ⅲ安装在节流喷嘴Ⅱ与喷头外壳Ⅱ之间，挡块Ⅱ通过螺纹拧入喷头外壳Ⅱ内，弹簧Ⅳ安装在节流喷嘴Ⅱ内，节流喷嘴Ⅲ安装在节流喷嘴Ⅱ内，堵头通过螺纹与节流喷嘴Ⅲ上部连接来固定节流喷嘴Ⅲ，完成二级伸缩射流喷头组装。
所述箭型阀端面密封结构由箭型阀盖、弹簧Ⅰ、轴向杆组成，其安装方式是轴向推杆从下部穿过内管下接头上的通孔，弹簧Ⅰ、箭型阀盖从内管下接头上部放入弧形腔体内，通过工具拧箭型阀盖上的内六方凹槽连接轴向杆与箭型阀盖，完成箭型端面密封结构的安装。
所述中间套管上设有插入式母扣Ⅰ，25°斜面槽、周向均布六个螺纹孔Ⅰ、30°斜面槽、周向均布六个螺纹孔Ⅱ、40°斜面槽、周向均布六个螺纹孔Ⅲ、50°斜面槽、周向均布六个螺纹孔Ⅳ、60°斜面槽、密封圈槽Ⅰ。
所述射流喷头、单级伸缩射流喷头、二级伸缩射流喷头共三种喷头，在安装时用工具拧喷头外壳上的内六方凹槽，通过喷头外壳底部的螺纹连接在中间套管上，其中射流喷头安装在螺纹孔Ⅰ与螺纹孔Ⅱ上，单级伸缩射流喷头安装在螺纹孔Ⅲ上，二级伸缩射流喷头安装在螺纹孔Ⅳ上。
所述外层套管设有位于第一层套管上部的管螺纹公扣、位于第二层套管上部的插入式公扣、位于外层套管下部的插入式母扣，
所述喷头外壳Ⅰ上设有内六方凹槽Ⅰ，喷头外壳Ⅱ上设有内六方凹槽Ⅱ。
有益效果：
本发明的有益效果是
(1)本发明可实现可控的不同流量级别下、不同数量射流破碎喷头同时进行天然气水合物射流破碎造腔工作。
(2)本发明对射流破碎过程中钻井液轴向流道的封堵采用箭型阀端面密封结构，能对钻井液轴向流道实现完全封堵，保证射流破碎压力不会因泄漏造成损失。
(3)本发明设置有水合物吸入口、举升通道、泥砂排出通道，水合物及泥砂混合物经分离器分离后，泥砂通过泥砂排出通道经钻头端排砂口排出，实现泥砂的原位回填。
(4)本发明射流破碎喷头采用多种类梯次排布的方式，可使得水合物开采工具串在回拖过程进行淹没射流破碎时不会被泥砂阻挡，提高破碎效率，同时单级伸缩喷头以及二级伸缩喷头可在淹没射流状态下实现更大的破碎直径；提高天然气水合物的破碎、开采效率。
附图说明：
图1为本发明整体结构二维图；
图2为本发明视图A、视图B整体放大图；
图3为本发明中间套管二维示意图；
图4为本发明同轴节流推杆三维示意图；
图5为本发明内管上接头二维示意图；
图6为本发明内管下接头三维示意图；
图7为本发明外层套管三维示意图；
图8为本发明箭型阀盖三维示意图；
图9为本发明三级破碎流量下整体结构示意图；
图10为本发明四级破碎流量下整体结构示意图；
图中：1-内管上接头，101-密封圈槽Ⅰ，102-过流孔Ⅰ，103-插入式公扣Ⅰ，2-同轴节流推杆，201-节流口，202-密封圈槽Ⅱ，203-长通孔，204-定位凹槽，3-中间套管，301-插入式母扣Ⅰ，302-25°斜面槽，303-30°斜面槽，304-40°斜面槽，305-50°斜面槽，306-60°斜面槽，307-螺纹孔Ⅰ，308-螺纹孔Ⅲ，309-螺纹孔Ⅳ，310-密封圈槽Ⅲ，311-插入式公扣Ⅱ，4-C形环，5-射流喷头，6-喷头外壳Ⅰ，7-挡块Ⅰ，8-节流喷嘴Ⅰ，9-弹簧Ⅱ，10-内管下接头，1001-插入式母扣Ⅱ，1002-弧形空腔，1003-通孔，1004-外螺纹Ⅱ，1005-过流通道孔，11-箭型阀盖，1101-内六方凹槽Ⅰ，1102-螺纹孔Ⅴ，12-弹簧Ⅰ，13-轴向杆，14-喷头外壳Ⅱ，15-弹簧Ⅲ，16-节流喷嘴Ⅱ，17-挡块Ⅱ，18-节流喷嘴Ⅲ，19-弹簧Ⅳ，20-堵头，21-外层套管，2101-第一层套管2102-第二层套管，2103-外螺纹Ⅰ，2104-安装孔，2105-吸入孔，2106-过流孔Ⅱ，2107-内螺纹Ⅱ，22-支撑环。
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10所示，一种天然气水合物开发多级可控水射流破碎造腔工具，它包括内管上接头1、同轴节流推杆2、中间套管3、C形环4、射流喷头5、喷头外壳Ⅰ6、挡块Ⅰ7、弹簧Ⅱ9、节流喷嘴Ⅰ8、内管下接头10、箭型阀盖11、弹簧Ⅰ12、轴向杆13、外层套管21、喷嘴外壳Ⅱ14、弹簧Ⅲ15、节流喷嘴Ⅱ16、弹簧Ⅳ19、节流喷嘴Ⅲ18、堵头20、外层套管21、支撑环22；轴向杆13从下部穿过内管下接头10上的通孔1003、弹簧Ⅰ12，箭型阀盖11从内管下接头10上部放入弧形腔体1002内，轴向杆13穿过弹簧Ⅰ12与箭型阀盖11通过螺纹连接，外层套管21通过螺纹与内管下接头10连接，内管下接头10与中间套管3为插入式连接，调节中间套管3的位置，内管上接头1与中间套管3为插入式，支撑环22通过螺纹连接着外层套管21的第一层套管2101上；射流喷头5穿过外层套管21上的安装孔2104，用工具拧射流喷头5上部的内六方凹槽将射流喷头5通过螺纹连接在中间套管3螺纹孔Ⅰ307与螺纹孔Ⅱ上；节流喷嘴Ⅰ8放入喷头外壳Ⅰ6中，弹簧Ⅱ9安装在节流喷嘴Ⅰ8与喷头外壳Ⅰ6之间，挡块Ⅰ7通过螺纹拧入喷头外壳Ⅰ6内，完成单级伸缩射流喷头组装，用工具拧射流喷头外壳Ⅰ6上部的内六方凹槽将单级伸缩射流喷头通过螺纹连接在中间套管3的螺纹孔Ⅲ308上；节流喷嘴Ⅱ16放入喷头外壳Ⅱ14中，弹簧Ⅲ15安装在节流喷嘴Ⅱ16与喷头外壳Ⅱ14之间，挡块Ⅱ17通过螺纹拧入喷头外壳Ⅱ14内，节流喷嘴Ⅲ18安装在节流喷嘴Ⅱ16内，弹簧Ⅳ19安装在节流喷嘴Ⅲ18与限位台阶之间，堵头20通过螺纹与节流喷嘴Ⅲ18上部连接来固定节流喷嘴Ⅲ18完成二级伸缩射流喷头组装，用工具拧射流喷头外壳Ⅱ14上部的内六方凹槽将二级伸缩射流喷头通过螺纹连接在中间套管3的螺纹孔Ⅳ309上，支撑环22通过螺纹连接在第一层套管2101上，至此完成该水射流破碎造腔工具组装。
本发明工作过程如下：
本发明上端与水合物分离器连接，下部与水力钻头连接，当进行领眼钻进时，钻井液由海上平台泵入，经过内管上接头1，同轴节流推杆2，此时泵入钻井液流量不足以在同轴节流推杆2节流口201处产生足够大的推力使得C形环4从25°斜面槽302中推出，射流喷头5未工作，钻井液进入内管下接头10，箭型阀盖11受到钻井液产生的推力的同时受到弹簧Ⅰ12的作用，钻井液在箭型阀盖11上产生的推力不足以克服弹簧Ⅰ12的阻力，钻井液经内管下接头10上的过流通道孔1005流入下部水力钻头，为钻进提供动力。
当钻头钻进至预定位置时，进行工具串回拖射流破碎造腔作业时，此时海平面增大钻井液泵入流量至一级流量，钻井液流经同轴节流推杆2在节流口201产生推力将C形环4从25°斜面槽302中推出，C形环4受到中间套管3挤压产生形变收缩至定位凹槽204中，同轴节流推杆2与C形环4在推力作用下沿轴向运动至30°斜面槽303内，C形环4回复形状定位在30°斜面槽303中，一级流量钻井液在节流口201所产生的推力不足以将C形环4从30°斜面槽303中推出，同时一级流量钻井液在箭型阀盖11端产生的推力克服弹簧Ⅰ12的阻力，箭型阀盖11运动至内管下接头10端面完成端面密封，钻井液不在通过内管下接头10的过流通道孔1005轴向流动，此时射流喷头5与钻井液流道接通开始射流破碎工作，加大海面泵入钻井液流量至二级流量，同轴节流推杆2在二级流量作用下，在节流口201处产生更大的推力，将C形环4从30°斜面槽303内推入40°斜面槽304内，两排射流喷头同时进行射流破碎工作，待射流破碎形成一定空腔，再次增大流量至三级流量，同轴节流推杆2在三级流量作用下，钻井液在节流口201处产生的推力，将C形环4从40°斜面槽304内推入50°斜面槽305内，此时两排射流喷头5，单级伸缩射流喷头同时工作，节流喷嘴Ⅰ8在钻井液推动下伸出喷头外壳Ⅰ6，进行射流破碎一次扩径作业，再次增大泵入流量至四级流量，同轴节流推杆2在四级流量作用下，在节流口201产生的推力，将C形环4从50°斜面槽305内推入60°斜面槽306内，此时射流喷头5、单级伸缩射流喷头、二级伸缩射流喷头全部开启进行射流破工作，节流喷嘴Ⅱ16与节流喷嘴Ⅲ18在钻井液推动下伸出喷头外壳Ⅱ14，进行射流破碎二次扩径作业，在三级流量与四级流量破碎状态下，由于单级伸缩射流喷头、二级伸缩射流喷头前端的射流喷头5射流破碎的进行会形成一定大小的空腔，在破碎装置回拖过程中单级伸缩射流喷头、二级伸缩射流喷头能够在该空腔内有效伸出进行扩径作业而不会被泥砂阻挡，破碎的天然气水合物混合物由外层套管21上的吸入口2105吸入，经第一层套管2101与中间套管3之间的通道举升至分离器，待分离器分离后，泥砂由第一层套管2101与第二层套管2102之间的通道经过流孔2106运送至钻头端排砂口，实现泥砂原位回填。
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开发多级可控水射流破碎造腔工具，该工具内层结构由内管上接头(1)、内管下接头(10)、通过插入式连接安装在内管上接头(1)、内管下接头(10)之间的中间套管(3)、C形环(4)、同轴节流推杆(2)、箭型阀端面密封结构组成；所述中间套管(3)上设有插入式母扣Ⅰ(301)、25°斜面槽(302)、周向均布六个螺纹孔Ⅰ(307)、30°斜面槽(303)、周向均布六个螺纹孔Ⅱ、40°斜面槽(304)、周向均布六个螺纹孔Ⅲ(308)、50°斜面槽(305)、周向均布六个螺纹孔Ⅳ(309)、60°斜面槽(306)、密封圈槽Ⅲ(310)、插入式公扣Ⅱ(311)，所述C形环(4)安装在同轴节流推杆(2)上，所述同轴节流推杆(2)依靠C形环(4)实现在中间套管(3)上的轴向与径向定位，所述箭型阀端面密封结构由箭型阀盖(11)、弹簧Ⅰ(12)、轴向杆(13)组成，轴向杆(13)通过螺纹与箭型阀盖(11)、弹簧Ⅰ(12)连接安装在内管下接头(10)上；该天然气工具外层结构由外层套管(21)与支撑环(22)组成，所述外层套管(21)上设置有第一层套管(2101)、第二层套管(2102)、位于第一层套管(2101)上部的外螺纹Ⅰ(2103)、位于第一层套管下部的内螺纹Ⅱ(2107)、位于外层套管(21)下部、贯穿第一层套管(2101)与第二层套管(2102)的四个均匀分布的吸入孔(2105)、贯穿第一层套管(2101)与第二层套管(2102)的均匀分布的安装孔(2104)，位于第一层套管(2101)与第二层套管(2102)之间四个均匀分布的过流孔Ⅱ(2106)；支撑环(22)通过螺纹连接在第一层套管(2101)上部，实现第一层套管(2101)与第二层套管(2102)之间的支撑；该水合物破碎回收装置射流破碎装置由射流喷头(5)、单级伸缩射流喷头、二级伸缩射流喷头组成；所述单级伸缩射流喷头由喷头外壳Ⅰ(6)、弹簧Ⅱ(9)、节流喷嘴Ⅰ(8)、挡块Ⅰ(7)组成，挡块Ⅰ(7)外壁上设有外螺纹，挡块Ⅰ(7)通过螺纹连接在喷头外壳Ⅰ(6)内，弹簧Ⅱ(9)安装在节流喷嘴Ⅰ(8)与喷头外壳Ⅰ(6)之间；所述二级伸缩射流喷头由喷头外壳Ⅱ(14)、弹簧Ⅲ(15)、节流喷嘴Ⅱ(16)、弹簧Ⅳ(19)、节流喷嘴Ⅲ(18)、堵头(20)、挡块Ⅱ(17)组成，挡块Ⅱ(17)外壁上设有外螺纹，挡块Ⅱ(17)通过螺纹连接在喷头外壳Ⅱ(14)内，弹簧Ⅲ(15)安装在节流喷嘴Ⅱ(16)与喷头外壳Ⅱ(14)之间，节流喷嘴Ⅱ(16)上端设有限位台阶(1601)，弹簧Ⅳ(19)安装在节流喷嘴Ⅲ(18)与限位台阶(1601)之间。
2.根据权利要求1所述一种天然气水合物开发多级可控水射流破碎造腔工具，其特征在于：所述内管上接头(1)下部设有密封圈槽Ⅰ(101)、插入式公扣Ⅰ(103)、上端设有过流孔Ⅰ(102)。
3.根据权利要求1所述一种天然气水合物开发多级可控水射流破碎造腔工具，其特征在于：射流喷头(5)安装于螺纹孔Ⅰ(307)与螺纹孔Ⅱ上，单级伸缩射流喷头安装于螺纹孔Ⅲ(308)上，二级伸缩射流喷头安装于螺纹孔Ⅳ(309)上。
4.根据权利要求1所述一种天然气水合物开发多级可控水射流破碎造腔工具，其特征在于：所述内管下接头(10)设有弧形空腔(1002)、过流通道孔(1005)、通孔(1003)、上端设有插入式母扣Ⅱ(1001)、下端设有外螺纹Ⅱ(1004)、其中弧形空腔(1002)大端直径小于箭型阀盖(11)大端直径。
5.根据权利要求1所述一种天然气水合物开发多级可控水射流破碎造腔工具，其特征在于：所述同轴节流推杆(2)上部设置有节流口(201)、密封圈槽Ⅱ(202)、交叉布置的长通孔(203)、下部设置有安装C形环(4)的定位凹槽(204)。
6.根据权利要求1所述一种天然气水合物开发多级可控水射流破碎造腔工具，其特征在于：所述箭型阀盖(11)上部设有内六方凹槽Ⅰ(1101)、下部设有螺纹孔Ⅴ(1102)。
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