CN113107435A - 一种天然气水合物内外联动式喷射破碎工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物内外联动式喷射破碎工具，涉及天然气水合物开采技术领域，由外壳体、上端连接头、中部连接头、下端连接头、射流喷头、弹簧、滑芯、分流封堵块、支撑环以及定位销钉等部件组成，其中外壳体上布置有水合物回收通道、定位销钉孔以及射流喷头安装孔，在外壳体内部主要设置有上端连接头、中部连接头、下端连接头组合成的内层管用于连接钻头和举升泵，在内层管内部安装有滑芯以及分流块等。本发明针对性地考虑了深海浅层非成岩天然气水合物的物性，并结合了固态流化开采工艺需求，采用控制钻井液流量大小的方式控制射流破碎喷头的开启与关闭，解决了现有水合物射流破碎工具不可控不可重复使用需要多次起下钻柱等问题。

Description

一种天然气水合物内外联动式喷射破碎工具

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采技术领域，特别涉及一种天然气水合物内外联动式喷射破碎工具。

背景技术

天然气水合物又被称为“可燃冰”。因其分布范围广、能量密度高、资源储量大，埋藏深度浅以及环境污染小等优势，被世界各国政府及科学界高度重视。目前已发现的天然气水合物主要存在于北极地区的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中，其储存层类型主要有砂岩型、砂岩裂隙型、细粒裂隙型和分散型。据估计，陆地上20.7％和大洋底90％的地区，具有形成天然气水合物的有利条件。因此，绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，其资源量是陆地上的100倍以上。2011年，世界上已发现的天然气水合物分布区多达 116处，其矿层之厚、规模之大，是常规天然气田无法相比的。

目前用于水合物开采的工艺相对较多，其中主要包括热激发法、减压开采法、化学试剂注入开采法以及固体开采法等，但以上传统的开采方法均是打破水合物的相态平衡从而使其分解为甲烷气体，然后进行回收。由于相变分解速度较快，因此可能会造成水合物矿层大面积分解，从而造成井筒垮塌及地质滑坡等大面积地质灾害。针对现有水合物开采过程中所出现的问题及我国南海海底水合物埋深及其赋存状态特性，周守为院士提出了天然气水合物“固态流化开采”的新工艺，本工艺核心在于利用水合物在海底温度和压力的稳定性，将含水合物的沉积物破碎成细小颗粒后与海水混合，并在海底举升泵的抽吸作用下输送至海洋平台，然后在海洋平台进行后期处理与加工，该方法就能很好的解决这避免以上问题。在2017年5 月，中国海洋石油总公司依托深水工程勘察船“海洋石油708"在我国南海北部荔湾3站位，采用固态流化射流破碎开采水合物并成功点火，充分证明了水合物固态流化开采工艺的可行性。

然而，我国首次水合物固态流化开采作业中，所使用的射流破碎工具为常规的射流喷头，其存在着作业过程不可控、不可重复使用等问题，并且不能根据不同的钻井工况进行射流喷头的自动切换与连续运作，需要反复起下钻柱等问题，且现有的破碎工具只能用于固态流化开采过程中的单层管开采工艺，目前还没有既能用于双层管开采工艺且又能够保证内外管一起转动并传递扭矩的破碎工具。为了解决现有射流破碎工具所存在的问题，且能够保证内外管同时转动并传递扭矩，实现深水海底浅层天然气水合物安全、高效开采，亟需要发明一种新型的天然气水合物双层管式喷射破碎工具用于固态流化开采的双层管双梯度钻井作业过程中，以期为后续的水合物固态流化开采作业提供帮助。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供了一种天然气水合物内外联动式喷射破碎工具,以用于固态流化开采的双层管双梯度钻井作业过程中，解决作业过程不可控、不可重复使用等问题，并且不能根据不同的钻井工况进行射流喷头的自动切换与连续运作，需要反复起下钻柱等问题以实现深海浅层非成岩天然气水合物的安全、高效开采。

本发明技术方案如下：

一种天然气水合物内外联动式喷射破碎工具，主要包括外壳体、上部连接头、支撑环、中部连接头、弹簧、滑芯、射流喷头、下部连接头、定位销钉、分流封堵块、密封圈、固定螺母，其中外壳体上端设置有与举升泵相连接的锥螺纹，下端通过定位销钉与下部连接头相固定，下部连接头下端采用锥形螺纹与钻头相连接，上端通过平口螺纹与中部连接头相连接，在下部连接头内部设置有过流通道以及分流封堵块以及固定螺母，在平口螺纹后端设置有射流喷头，在下接头上端连接有中部连接头，在中部连接头上端设置有上部连接头，上部连接头通过平口螺纹与中部连接头相连接，在上部连接头、中部连接头与下部连接头内部设置有滑芯，滑芯中部设置有弹簧。

所述的外壳体外表面设置有水合物回收通道，相邻水合物回收通道错位排布，在水合物回收通道右端周向均布有传递扭矩与安装定位的定位销钉孔，在水合物回收通道左端设置有射流喷头安装孔。

所述的分流封堵块上端为圆锥形，顶部为半球形，在锥形面下端设置有一台阶，在台阶上设置有挤压型密封圈，在分流封堵块底端采用固定螺母进行固定。

所述的支撑环外部设置有三个支撑板，在支撑板的外表面为曲率与外壳体内径一致的圆弧形，在支撑板根部有圆弧形倒角以增加支撑板强度。

所述的上部连接头左端入口处设置有倒角以方便与之相连接的插入型密封结构能够顺利插入安装到位，在上部连接头中部设置有一限位台阶以限定支撑环的安装位置。

所述的滑芯入口处内壁面为锥形入口，在滑芯外表面设置有压缩弹簧的滑芯台阶，在滑芯台阶左端均布设置有压力平衡孔以及钻井液通道孔。

本发明由于采用上述技术方案，其达到的技术效果为：

1、由于外壳体上设置有水合物回收通道，且相邻水合物通道错位排布，其避免了水合物回收通道平行排布所造成的外壳体强度降低这一问题，且在轴向错位排布可增大轴向水合物回收口的有效回收区域长度，提高水合物泥沙混合浆体的回收效率。

2、由于外壳体水合物回收通道右侧设置有定位销钉孔，采用定位销钉与下部接头相连接，而不采用螺纹直接连接，其可保证外壳体上射流作业喷头安装孔能与下部接头的安装孔对准，保证了射流作业喷头安装定位的准确性的同时，其还能够保证外壳体的扭矩能有效传递到下部接头带动下部接头所连接的钻头一起转动。

3、在下部接头中部设置有过流封堵块，其顶部为锥形结构，可保证钻井液从滑芯流出时能够，被有效的分开至两边并从过流通道流出，避免了钻井液直接撞击在封堵块表面向周向反弹从而造成内壁面严重的冲蚀，且该锥形结构也有很好的导向作用，能够保证滑芯在向下滑动时能够顺利与过流封堵块相配合，从而有效封堵滑芯内部钻井液。

4、本发明在过流封堵块的台阶处设置有挤压型密封圈，滑芯出口处设置有一斜面，当滑芯下滑与过流封堵块配合时，滑芯出口处的斜面将与密封圈贴合，且此时钻井液所产生的压力将全部作用于滑芯上端，钻井液流量越大，所产生的压力降也就越大，滑芯产生的轴向力也就越大，挤压型密封的密封性能越好。

5、在上部接头上安装有由于扶正定位的支撑环，其结构在保证水合物回收通道过流面积足够大的同时，也可支撑内层管，使其始终处于居中位置。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的开启与关闭工作示意图；

图3是本发明的下部连接头示意图；

图4是本发明的上部连接头示意图。

图中：1-外壳体；2-上部连接头；3-支撑块；4-中部连接头；5-弹簧；6-下部连接头；7- 射流喷头；8-分流封堵块；9-密封圈；10-固定螺母；11-定位销钉；12-滑芯；103-射流喷头安装孔；101-水合物回收通道；102-定位销钉孔；201-平口螺纹一；202-平口螺纹二；601-下部连接头锥螺纹；602-下部连接头台阶；603-射流喷头安装螺纹孔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

如图1～4所示，一种天然气水合物内外联动式喷射破碎工具，主要包括外壳体1、上部连接头2、支撑环3、中部连接头4、弹簧5、滑芯12、射流喷头7、下部连接头6、定位销钉11、分流封堵块8、密封圈9、固定螺母10，其中外壳体1上端设置有与举升泵相连接的锥螺纹，下端通过定位销钉11与下部连接头6相固定，下部连接头6下端采用锥形螺纹与钻头相连接，上端通过平口螺纹与中部连接头4相连接，在下部连接头6内部设置有过流通道 601以及分流封堵块8以及固定螺母10，在平口螺纹后端设置有射流喷头7，在下部连接头6 上端连接有中部连接头4，在中部连接头4上端设置有上部连接头2，上部连接头2通过平口螺纹与中部连接头4相连接，在上部连接头2、中部连接头4与下部连接头6内部设置有滑芯12，滑芯12中部设置有压缩弹簧5。

所述的外壳体1的锥螺纹部分主要用于连接抽吸水合物的举升泵，在外壳体1中部周向均布有水合物射流喷头安装孔103，其中外壳体1上的射流喷头安装孔103的排布方式为每层均布六个每层之间的错角二十度排布。由于外壳体1上的射流喷头安装孔103为普通的通孔且直径略大于射流喷头7最大直径，射流喷头7在安装时可直接插入该安装孔，并很好地与内部螺纹安装孔对接并安装，在射流喷头安装孔103右端设置有错位排布的水合物回收通道101，其可避免水合物回收通道平行排布所造成的外壳体强度降低这一问题，且在轴向错位排布可增大轴向水合物回收通道101的有效回收区域长度，提高水合物泥沙混合浆体的回收效率。在水合物回收通道101右端设置有定位销钉孔102，其可保证外壳体1上射流作业喷头安装孔103能与下部连接头6的安装孔对准，保证了射流喷头7安装定位的准确性的同时，其还能够保证外壳体1的扭矩能有效传递到下部连接头6带动下部连接头1所连接的钻头一起转动。

所述的下部连接头6右侧锥螺纹主要连接钻头，锥螺纹左侧台阶602处设置有定位销钉 11孔，其与外壳体1上的定位销钉11孔相配合进行定位并传递扭矩，在定位销钉11孔左边设置有射流喷头安装孔603，在射流喷头安装孔603左端设置有与中部连接头4相连接的平口螺纹，在下部连接头6内部中间段设置有分流封堵块8用于减小钻井过程中钻井液对内壁面的冲蚀以及封堵通往钻头的钻井液流道，其中分流封堵块8采用螺栓与固定螺母10相配合的方式进行固定。

所述的中部连接头4右端与下部连接头6采用平口螺纹进行连接，上端采用平口螺纹与上部连接头2进行连接，在中部连接头4内部设置有一台阶用于安装压缩弹簧5。

所述的上部连接头2右端采用平口螺纹一201与中部连接头4相连接，平口螺纹一201 左端外部设置有安装支撑环3的平口螺纹二202，在平口螺纹二202终止处设置有一台阶用于支撑环3的限位，在上部连接头2的最左侧内部设置有插入式连接与密封所需的空间。

如图所示，所述的支撑环3外部设置有三个支撑板301，在支撑板301的外表面为曲率与外壳体内径一致的圆弧形，在支撑板301根部有圆弧形倒角以增加支撑板301强度。

下面详细说明本发明的使用方法：

本工具主要用于水合物固态流化开采业过程中，其主要原理为通过改变钻井液流量从而改变钻井液在流过滑芯12时产生的压力降大小，钻井液压降作用于滑芯12端面上使其产生轴向力推动滑芯12运动从而控制射流喷头7的开启与关闭以及钻井液过流通断的通断。水合物固态流化开采过程主要又被分为正常钻进阶段、破碎回收阶段以及喷头关闭阶段，其中在正常钻进阶段，不需要开启射流喷头7，本阶段流量较小，钻井液需要流往钻头为钻井提供钻井液以完成直井段与水平段井眼的钻进。在破碎回收阶段，需要回拖本工具，并增大钻井液流量，开启射流喷头7完成水平段非成岩天然气水合物的破碎与回收。在射流喷头7关闭阶段，可减小钻井液流量使得弹簧5回弹关闭射流喷头7后，换方位重复正常钻进阶段、破碎回收阶段完成360°范围内水合物开采。

本工具的入口端接用于压力调控并同时抽吸水合物泥沙混合浆体的举升泵，出口端连接动力钻具或钻头，在正常钻进阶段时，钻井液从本工具的上部连接头2流入，经过滑芯12与分流封堵块8旁的过流通道，从下部连接头6流出，由于弹簧5在安装过程中存在预压缩，所以在正常钻进时，钻井液不会推动滑芯12运动，而是直接从过流通道流往钻头为钻井提供所需要的钻井液流量。

在破碎回收阶段时，增大入口钻井液流量驱动滑芯12压缩弹簧5运动，当滑芯12运动到与分流封堵块8将接触时，射流喷头7被开启，滑芯12底部端面出口的斜面将与分流封堵块8的挤压型密封圈9相贴合封堵通往钻头的钻井液流道，此时滑芯12内部所产生的压降大小均作用于滑芯12端部，且钻井液流量越大，滑芯12所产生的轴向力也就越大，滑芯12对密封圈9的挤压力也就越大，密封效果相应的也就越好。

在射流喷头7关闭阶段只需要减小钻井液流量大小至弹簧5带动滑芯12回弹，此时射流喷头7可被关闭，且通往钻头的钻井液流道可被重新开启，此时可换一方位并重复以上两个步骤便可继续水平井眼进及水合物的开采，从而完成360°范围内水合物的流化开采，因此采用本发明可大大降低起下钻次数，节约钻作业成本。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (6)

1.一种天然气水合物内外联动式喷射破碎工具，其特征在于，包括：外壳体(1)、上部连接头(2)、支撑环(3)、中部连接头(4)、弹簧(5)、滑芯(12)、射流喷头(7)、下部连接头(6)、定位销钉(11)、分流封堵块(8)、密封圈(9)、固定螺母(10)，其中外壳体(1)上端设置有与举升泵相连接的锥螺纹，下端通过定位销钉(11)与下部连接头(6)相固定，下部连接头(6)下端采用锥形螺纹与钻头相连接，上端通过平口螺纹与中部连接头(4)相连接，在下部连接头(6)内部设置有过流通道(601)以及分流封堵块(8)以及固定螺母(10)，在平口螺纹后端设置有射流喷头(7)，在下接头(6)上端连接有中部连接头(4)，在中部连接头(4)上端设置有上部连接头(2)，上部连接头(2)通过平口螺纹与中部连接头(4)相连接，在上部连接头(2)、中部连接头(4)与下部连接头(6)内部设置有滑芯(12)，滑芯(12)中部设置有弹簧(5)。

2.根据权利要求1所述天然气水合物内外联动式喷射破碎工具，其特征在于，所述外壳体(1)外表面设置有水合物回收通道(101)，相邻水合物回收通道(101)错位排布，在水合物回收通道(101)右端周向均布有传递扭矩与安装定位的定位销钉孔(102)，在水合物回收通道(101)左端设置有射流喷头安装孔(103)。

3.根据权利要求1所述天然气水合物内外联动式喷射破碎工具，其特征在于，所述分流封堵块(8)上端为圆锥形，顶部为半球形，在锥形面下端设置有一台阶，在台阶上设置有挤压型密封圈(9)，在分流封堵块(8)底端采用固定螺母(10)进行固定。

4.根据权利要求1所述天然气水合物内外联动式喷射破碎工具，其特征在于，所述支撑环(3)外部设置有三个支撑板(301)，在支撑板(301)的外表面为曲率与外壳体内径一致的圆弧形，在支撑板(301)根部有圆弧形倒角以增加支撑板(301)强度。

5.根据权利要求1所述天然气水合物内外联动式喷射破碎工具，其特征在于，所述上部连接头(2)左端入口处设置有倒角以方便与之相连接的插入型密封结构能够顺利插入安装到位，在上部连接头(2)中部设置有一限位台阶以限定支撑环(3)的安装位置。

6.根据权利要求1所述天然气水合物内外联动式喷射破碎工具，其特征在于，所述滑芯(12)入口处内壁面为锥形入口，在滑芯(12)外表面设置有压缩弹簧(5)的滑芯台阶(1201)，在滑芯台阶(1201)左端均布设置有压力平衡孔(1202)以及钻井液通道孔(1203)。

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