[发明专利]一种天然气水合物机械水力复合破碎钻扩径工具

说明书

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。

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。