CN115234183B - 一种用于天然气水合物的开发自适应井眼清洁工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于天然气水合物的开发自适应井眼清洁工具，其包括：本体，采用管状结构，所述本体的中部设置有叶片装配平台，所述本体的两端分别设置有公螺纹接头和母螺纹接头，通过所述公螺纹接头和所述母螺纹接头与钻杆接头配合安装；叶片，通过所述叶片装配平台安装在所述本体的中部，形成外附叶片；所述叶片靠近所述公螺纹接头侧为正螺旋部，靠近所述母螺纹接头侧为反螺旋部；限位环，设置在靠近所述公螺纹接头一侧的所述本体上，用于固定所述叶片。本发明解决了现有天然气水合物开发中井眼岩屑清洁效率低的问题，提高水合物环空岩屑清洁效率，节约钻时；可以在深层天然气水合物勘探开发技术领域中应用。

Description

一种用于天然气水合物的开发自适应井眼清洁工具

技术领域

本发明涉及一种深层天然气水合物勘探开发技术领域，特别是关于一种用于天然气水合物的开发自适应井眼清洁工具。

背景技术

天然气水合物开发的钻井过程中，钻头破碎地层岩石过程中产生大量岩屑，这些岩屑通过钻井液循环，携带返出地面。若不能及时将岩屑携带出井眼，将会导致一系列井下问题，如钻头重复破碎、钻具摩擦阻力、扭矩增大、固井质量差等，甚至发生严重的井下事故如卡钻、扭断钻具、岩屑沉降掩埋井眼等，处理这些井下事故将大幅度增加非生产时间和作业成本。

在天然气水合物资源开发中由于地层本身特性，储层出砂问题严重，这就导致井眼清洁问题更加突出。这就要求在钻井过程中，保持更高的井眼岩屑清洁效率，实现优快钻井，高效开发。

解决油气钻井井眼清洁问题的常规方法是在钻杆串中加入井眼清洁工具，其中以叶片类的井眼清洁工具居多，采用叶片旋转产生的螺旋流提高钻井液岩屑携带能力增加井筒井眼清洁效率。但是这类工具存在一些问题，工具叶片结构单一，在岩屑清洁效果和压降难以做到统一，不能全井段使用；工具泥包严重，易发生工具失效。固亟需一种可以兼顾岩屑清洁效果与压降，可以全井段使用的可防泥包的新型井眼清洁工具，以提高钻井质量。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于天然气水合物的开发自适应井眼清洁工具，其能有效的解决了现有天然气水合物开发中井眼岩屑清洁效率低的问题，提高水合物环空岩屑清洁效率，节约钻时。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于天然气水合物的开发自适应井眼清洁工具，其包括：本体，采用管状结构，所述本体的中部设置有叶片装配平台，所述本体的两端分别设置有公螺纹接头和母螺纹接头，通过所述公螺纹接头和所述母螺纹接头与钻杆接头配合安装；叶片，通过所述叶片装配平台安装在所述本体的中部，形成外附叶片；所述叶片靠近所述公螺纹接头侧为正螺旋部，靠近所述母螺纹接头侧为反螺旋部；限位环，设置在靠近所述公螺纹接头一侧的所述本体上，用于固定所述叶片。

进一步，所述本体与所述叶片装配平台一体成型，由整块坯料机械加工而成；

多个所述叶片装配平台构成一组平台结构，沿所述本体的轴向设置一组以上所述平台结构；

每组所述平台结构中的各所述叶片装配平台等间距或非对称间距分布在所述本体的周向，每个所述叶片装配平台上分别安装有所述叶片，各所述叶片之间形成钻井液过流通道。

进一步，每个所述叶片装配平台的两端都设置有台肩，所述台肩的倾角为15～45°。

进一步，所述叶片装配平台上设置有多个用于安装所述叶片的第一扣合件；

所述第一扣合件采用弓字型结构，多个所述第一扣合件采用直线排布或梯次排布。

进一步，所述叶片采用V形结构，所述叶片包括叶片桁架和叶片背板；

所述叶片桁架设置在所述叶片背板的外侧，所述叶片背板的内侧设置有多个与所述第一扣合件配合的第二扣合件，所述第二扣合件与所述第一扣合件的位置排布和数量都相同。

进一步，所述叶片桁架整体初始形态为上下对称的V形结构，螺旋角为3°～15°；并采用记忆合金材料制成。

进一步，所述叶片桁架形状随温度发生改变，温度升高，反螺旋部螺旋角增大，正螺旋部螺旋角减小；温度降低，反螺旋部螺旋角减小，正螺旋部螺旋角增大。

进一步，所述叶片桁架的两端为弧形倒角，倒角形状为圆形或者椭圆形；所述叶片背板的两侧分别设置有侧向倒角。

进一步，所述叶片桁架外部设置有叶片蒙皮；所述叶片蒙皮采用柔性材料制成。

进一步，所述叶片与所述母螺纹接头之间的间距大于卡瓦高度或吊卡高度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明的井眼清洁工具随钻杆旋转，实现叶片对钻井液的扰动，提高井眼清洁效率。

2、本发明采用记忆金属叶片桁架，在钻井过程中通过地层温度的变化，达到自适应变形的目的。在不同深度井段改变叶片正反螺旋角，地层深度越大，反螺旋角度越大，叶片岩屑清洁效果越好；地层深度越小，反螺旋角度越小，叶片压降越小。实现岩屑清洁效果与压降的统一。

3、本发明的井眼清洁工具为分体模块化设计，便于各组件的更换更新，降低维护成本。

4、本发明的井眼清洁工具叶片蒙皮为柔性材料，便于适应工具叶片桁架变形。

5、本发明的井眼清洁工具叶片与工具主体扣合连接，轴向由限位环固定，安装简单，便于更换。

6、本发明的井眼清洁工具叶片在变形过程中，与表面泥包产生间隙，便于泥包脱离，保持工具高效运转。

7、本发明的井眼清洁工具叶片与母接头大间距设计，便于钻杆卡瓦悬持工具进行卸上扣操作。

附图说明

图1是本发明实施例的用于天然气水合物的开发自适应井眼清洁工具轴测图；

图2是本发明实施例的工具本体轴测图；

图3是本发明实施例的工具本体截面图；

图4是本发明实施例的工具外附叶片轴测图；

图5是本发明实施例的工具外附叶片背板轴测图；

图6是本发明实施例的工具外附叶片截面图；

图7是本发明实施例的工具外附叶片装配示意图；

图8是本发明实施例的工具外附叶片蒙皮轴测图；

图9是本发明实施例的工具叶片变形示意图；

附图标记：1-公螺纹接头，2-母螺纹接头，3-限位环，4-叶片，5-台肩，6-限位槽，7-叶片装配平台，8-第一扣合件，9-叶片桁架，10-叶片背板，11-侧向倒角，12-第二扣合件，13-扣合方向，14-叶片蒙皮，15-叶片初始形态，16-叶片高温形态，17-叶片低温形态。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明提供的用于天然气水合物的开发自适应井眼清洁工具，可以在深层天然气水合物勘探开发领域中应用，能提高水合物环空岩屑清洁效率，节约钻时。本发明包括本体，采用管状结构，本体的中部设置有叶片装配平台，本体的两端分别设置有公螺纹接头和母螺纹接头，通过公螺纹接头和母螺纹接头与钻杆接头配合安装；叶片，通过叶片装配平台安装在本体的中部，形成外附叶片；叶片靠近公螺纹接头侧为正螺旋部，靠近母螺纹接头侧为反螺旋部；限位环，设置在靠近公螺纹接头一侧的本体上，用于固定叶片。本发明解决了现有天然气水合物开发中井眼岩屑清洁效率低的问题，提高水合物环空岩屑清洁效率，节约钻时。

在本发明的一个实施例中，提供一种用于天然气水合物的开发自适应井眼清洁工具。由于地层温度随深度的增加不断升高，在近钻头的深地层时由于岩屑浓度高，需要更高的岩屑清洁能力，而在浅地层岩屑浓度较低，更要注意叶片压降的影响，降低井筒ECD。本实施例中，如图1所示，该井眼清洁工具包括：

本体，采用管状结构，本体的中部设置有叶片装配平台7，本体的两端分别设置有公螺纹接头1和母螺纹接头2，通过公螺纹接头1和母螺纹接头2与钻杆接头配合安装；

叶片4，作为岩屑清洁主体，通过叶片装配平台7安装在本体的中部，形成外附叶片；叶片4靠近公螺纹接头1侧为正螺旋部，靠近母螺纹接头2侧为反螺旋部；

限位环3，设置在靠近公螺纹接头1一侧的本体上，用于固定叶片4。

使用时，由于叶片4采用分体设计，靠近公接头为正螺旋部，靠近母接头为反螺旋部；当本体及叶片4随钻杆旋转时，实现叶片4对钻井液的扰动，进而提高井眼清洁效率。

上述实施例中，本体与叶片装配平台7一体成型，由整块坯料机械加工而成。叶片装配平台7用于与叶片4装配，多个叶片装配平台7构成一组平台结构，可以沿本体轴向设置一组以上平台结构，本实施例中优选设置为1～3组平台结构，每组平台结构优选设置为3～9个叶片装配平台7。每组平台结构中的各叶片装配平台7等间距(等相位角)或非对称间距分布在本体的周向，每个叶片装配平台7上分别安装有叶片4，各叶片4之间形成钻井液过流通道。

其中，每个叶片装配平台7的两端都设置有台肩5，台肩5的倾角为15～45°，便于岩屑进入与排出，减小阻碍。

上述实施例中，如图2所示，靠近公螺纹接头1一侧的本体及叶片装配平台7上设置有限位槽6，用于安装限位环3，对叶片4进行轴向固定。

上述实施例中，如图2、图3所示，每个叶片装配平台7上都设置有多个用于安装叶片4的第一扣合件8。第一扣合件8采用弓字型结构；在叶片装配平台7上，多个第一扣合件8可直线排布或梯次排布，数量优选为3～5个。

上述实施例中，如图1、图4至图6所示，叶片4采用V形结构。叶片4包括叶片桁架9和叶片背板10。叶片桁架9设置在叶片背板10的外侧，叶片背板10内侧设置有多个与第一扣合件8配合的第二扣合件12，第二扣合件12与第一扣合件8的位置排布相同、数量相同，两者相扣合将叶片4固定在本体的叶片装配平台7上。

其中，叶片桁架9整体初始形态为上下对称的近似V形结构，螺旋角为3°～15°；并采用记忆合金材料制成，使得叶片桁架9形状随温度发生改变，温度升高，反螺旋部螺旋角增大，正螺旋部螺旋角减小，在高温的深地层岩屑清洁能力极大的加强；温度降低，反螺旋部螺旋角减小，正螺旋部螺旋角增大。使用时，采用记忆合金材料制成的叶片桁架9，随着地层温度的变化，使叶片4形状发生改变，实现井眼清洁工具在不同井段不同形态，发挥不同的作用效果。

在本实施例中，叶片桁架9的两端为弧形倒角，倒角形状为圆形或者椭圆形；叶片背板10的两侧分别设置有侧向倒角11。采用这种形状设计可以减小旋转过程中的能量消耗。

上述实施例中，如图6所示，第二扣合件12由凹槽与扣合部组成。在背板10的内侧开设有凹槽，扣合部设置在凹槽内，通过扣合部与第一扣合件8扣合安装实现叶片4固定。

使用时，如图2、图5与图7所示，本实施例中叶片4在安装过程中，叶片装配平台7上的第一扣合件8与第二扣合件12的凹槽对齐放入，沿方向13推入进行扣合(如图7所示)，扣合完成后将限位环3安装至限位槽6中，完成叶片4的装配。而且由于叶片4可以随温度变化形状发生改变，叶片4与表面泥包形成间隙，使泥包松动，当钻井液流动时，泥包会被冲击掉落，达到防泥包的效果。

上述实施例中，如图8所示，叶片桁架9外部设置有叶片蒙皮14。叶片蒙皮14采用柔性材料制成，可以随叶片桁架9进行变形，紧密包裹叶片桁架9，扰动钻井液提高岩屑清洁效率。

在本实施例中，叶片桁架9与叶片蒙皮14通过铆钉固定，以保障二者之间的连接强度。并在叶片蒙皮14的表面均匀涂覆特氟龙涂层，防止泥包井眼清洁工具影响井眼清洁工具清洁效率。

上述实施例中，叶片4与母螺纹接头2之间采用大间距设置，为满足井眼清洁工具卸卸扣和上扣过程中卡瓦悬持工具，两者的间距应大于卡瓦高度或吊卡高度，以350t卡瓦为例，卡瓦高度390mm，两者的间距应设置在435mm～455mm。

上述实施例中，公螺纹接头1和母螺纹接头2都可以采用坯料机械加工而成，也可以通过摩擦焊接与本体连接，以保证焊接质量与连接强度。

上述实施例中，公螺纹接头1的螺纹倾斜角度优选为20度，与之相配合的母螺纹接头2的螺纹倾角也为20度，这种角度的螺纹可以最大限度的增加接头扣合能力。

综上，本发明使用时，流体在V形叶片4的作用下产生逆向阻力与垂向升力。逆向阻力引起环隙区域流体被挤压至本体与叶片4之间的空腔，使得V形叶片4内侧区域的压强急剧升高。垂向升力引起叶片4外侧近壁面处流体的流线扭曲程度增大，从而形成稳定的螺旋流，提高钻井液携带岩屑能力。

V形叶片4的反螺旋部螺旋角越大，岩屑清洁效果越好，压降越大，反之，正螺旋部螺旋角越大，叶片4引起的压降越小，岩屑清洁效果一般。

由于叶片4采用记忆金属材料，叶片4在温度的变化下，形状就会随之发生改变，实现工具随地层深度变化自动改变外形，叶片4正反螺旋部螺旋角发生变化调节工具岩屑清洁效果和工具压降。

如图9所示，假设最高地层温度为t℃，地面温度为p℃，当温度为p～t/3℃时，叶片4的形状为叶片初始形态15，当温度t/3～2t/3℃时，叶片4的形状由叶片初始形态15向叶片低温形态17转变；当温度2t/3～t℃时，叶片4的形状由叶片低温形态17向叶片高温形态16转变。进而实现井眼清洁工具随地层深度的变化，自动变形适应，不同层位实现不同的岩屑清洁与压降控制的目的，达到自适应的功能，全井使用同一种工具可以避免由于人为原因造成的工具安装错误。

本发明的工具为分体设计，便于零件的跟换与更新，不同的钻井深度采用不同的叶片，可以适应全部井型，全部深度使用。

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 (6)

1.一种用于天然气水合物的开发自适应井眼清洁工具，其特征在于，包括：

本体，采用管状结构，所述本体的中部设置有叶片装配平台，所述本体的两端分别设置有公螺纹接头和母螺纹接头，通过所述公螺纹接头和所述母螺纹接头与钻杆接头配合安装；

叶片，通过所述叶片装配平台安装在所述本体的中部，形成外附叶片；所述叶片靠近所述公螺纹接头侧为正螺旋部，靠近所述母螺纹接头侧为反螺旋部；

限位环，设置在靠近所述公螺纹接头一侧的所述本体上，用于固定所述叶片；

所述叶片装配平台上设置有多个用于安装所述叶片的第一扣合件；

所述第一扣合件采用弓字型结构，多个所述第一扣合件采用直线排布或梯次排布；

所述叶片采用V形结构，所述叶片包括叶片桁架和叶片背板；

所述叶片桁架设置在所述叶片背板的外侧，所述叶片背板的内侧设置有多个与所述第一扣合件配合的第二扣合件，所述第二扣合件与所述第一扣合件的位置排布和数量都相同；

所述叶片桁架整体初始形态为上下对称的V形结构，螺旋角为3°～15°；并采用记忆合金材料制成；

所述叶片桁架形状随温度发生改变，温度升高，反螺旋部螺旋角增大，正螺旋部螺旋角减小；温度降低，反螺旋部螺旋角减小，正螺旋部螺旋角增大。

2.如权利要求1所述用于天然气水合物的开发自适应井眼清洁工具，其特征在于，所述本体与所述叶片装配平台一体成型，由整块坯料机械加工而成；

多个所述叶片装配平台构成一组平台结构，沿所述本体的轴向设置一组以上所述平台结构；

每组所述平台结构中的各所述叶片装配平台等间距或非对称间距分布在所述本体的周向，每个所述叶片装配平台上分别安装有所述叶片，各所述叶片之间形成钻井液过流通道。

3.如权利要求2所述用于天然气水合物的开发自适应井眼清洁工具，其特征在于，每个所述叶片装配平台的两端都设置有台肩，所述台肩的倾角为15~45°。

4.如权利要求1所述用于天然气水合物的开发自适应井眼清洁工具，其特征在于，所述叶片桁架的两端为弧形倒角，倒角形状为圆形或者椭圆形；所述叶片背板的两侧分别设置有侧向倒角。

5.如权利要求1所述用于天然气水合物的开发自适应井眼清洁工具，其特征在于，所述叶片桁架外部设置有叶片蒙皮；所述叶片蒙皮采用柔性材料制成。

6.如权利要求1所述用于天然气水合物的开发自适应井眼清洁工具，其特征在于，所述叶片与所述母螺纹接头之间的间距大于卡瓦高度或吊卡高度。