[發明專利]一種用于海底淺層天然氣水合物的鉆井鉆頭

有效

• 申請號: 201910147468.6
• 申請日: 2019-02-27
• 公開（公告）號: CN109915020B
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發明（設計）人: 劉清友;曾林林;朱海燕;王國榮
• 申請（專利權）人: 成都理工大學
• 主分類號: E21B7/12
• 分類號: E21B7/12;E21B10/42;E21B10/44;E21B10/60;E21B10/61;E21B43/01
• 代理公司: 成都金英專利代理事務所(普通合伙) 51218
• 代理人: 袁英

本發明涉及一種用于海底淺層天然氣水合物的鉆井鉆頭，其包括球形鉆孔部分、螺旋排屑部分和尾部連接部分；所述球形鉆孔部分設置有三條S形刀翼和圓弧形排屑槽，其刀翼上布置有切削齒，排屑槽內布置有輔助破碎的射流噴嘴；所述螺旋排屑部分包含腰形凹槽、三條螺旋形刀翼及排屑槽，其腰形凹槽內布置有第一級輔助巖屑上返的射流噴嘴，螺旋刀翼上布置有保徑切削齒，排屑槽尾部布置有第二級輔助巖屑上返的射流噴嘴；所述尾部連接部分設置連接螺紋和卸扣槽。本發明采用S形鉆齒刀翼和螺旋形保徑齒刀翼，結合射流噴嘴輔助破巖和巖屑上返，能夠有效地應用于海底淺層天然氣水合物鉆井，降低井底壓差、提高破巖和排巖效率，并進一步提高水合物的開采效率。

技術領域

本發明涉及天然氣水合物開采技術領域，具體地講涉及一種用于海底淺層天然氣水合物的鉆井鉆頭。

背景技術

天然氣水合物俗稱“可燃冰”，是一種由水和氣體分子（以甲烷為主）在低溫高壓及氣體濃度大于其溶解度條件下形成的結晶狀固體物質，其主要分布于陸地上永久凍土帶和海底淺層沉積物層中，其中99%的天然氣水合物資源存在于海洋。單位體積的可燃冰燃燒產生的熱量是同體積天然氣的164倍，且燃燒后生產的CO₂溫室氣體更少，據初步估計全球的可燃冰儲量，可達現有已探明的化石能源總儲量的2倍之多，被世界各國認為是21世紀最有效的清潔型接替能源，世界各國均在積極探索如何高效地開采可燃冰資源。

海底淺層天然氣水合物附存于海底150~600m的沉積物巖層中，具有埋藏深度淺、礦藏疏松、弱膠結或未膠結等特點，其開采的基本思路是借用陸上油氣水平鉆井技術，并利用機械旋轉和水射流等方式破碎水合物巖層鉆進、擴大井眼。因而設計新型適用于海洋天然氣水合物的鉆井鉆頭，將為水合物的高效開采提供可靠的解決途徑，為水合物的商業化開發提供技術保障；專利CN201410814838.4發明了一種用于開采可燃冰的鉆頭，該專利設計了一種可用于橫向和縱向鉆進的碗型結構鉆頭，其包含切削部分和排削部分，能夠實現海底表層可燃冰的破碎和收集。專利CN201810823654.2發明了一種海底天然氣水合物層復合式鉆頭，該專利設計了一種包含領孔鉆頭體、擴孔鉆頭體和二次破碎機構的三層結構式鉆頭，能夠實現水合物巖層的破碎和細化。以上專利均只從鉆頭結構上進行改進，沒有結合水合物本身的物性特點進行多種組合方式鉆頭設計，因而很難實現水合物巖層的高效破碎鉆進，對提高水合物開采效率的貢獻很有限，且不能很好的適用于陸地凍土水合物開采。

發明內容

針對上述技術問題,本發明提出了一種用于海底淺層天然氣水合物的鉆井鉆頭，采用S形鉆齒刀翼和螺旋形保徑齒刀翼，并結合射流噴嘴噴射流體進行高效破巖，同時采用兩級斜射流噴嘴輔助巖屑快速上返，能夠有效地提高鉆頭鉆進海底沉積物層的破碎效率，進一步提高水合物的開采效率。

本發明的目的通過以下技術方案來實現：一種用于海底淺層天然氣水合物的鉆井鉆頭，其特征在于：其由球形鉆孔部分、螺旋排屑部分和尾部連接部分所組成，所述球形鉆孔部分和螺旋排屑部分整體鑄造或采用焊接方式相連；所述球形鉆孔部分上設置有S形刀翼和圓弧形排屑槽，其球頭前端布置有一顆切削尖齒，所述S形刀翼上布置有若干切削齒，所述圓弧形排屑槽內設置有若干用于輔助破碎巖石的射流噴嘴；所述螺旋排屑部分包含腰形凹槽、螺旋形刀翼和螺旋形排屑槽，所述腰形凹槽內沿圓周均勻布置若干第一級輔助巖屑上返的斜射流噴嘴，所述螺旋形刀翼上布置有若干保徑切削齒，所述螺旋形排屑槽的后端和鉆頭尾部斜面上均布置有若干第二級輔助巖屑上返的斜射流噴嘴；所述尾部連接部分設置有連接螺紋和卸扣槽。

所述球形鉆孔部分和S形刀翼的整體結構外形呈圓形球頭狀。

所述S形刀翼、所述圓弧形排屑槽以及所述螺旋形刀翼和所述螺旋形排屑槽的數量均為三個，且沿鉆頭圓周方向均勻分布。

所述螺旋形刀翼與所述鉆頭的軸線夾角為β，且螺旋夾角β的取值范圍為5°~30°。

所述射流噴嘴的噴射方向整體沿鉆進方向，所述輔助巖屑上返的兩級斜射流噴嘴的噴射方向整體沿鉆進相反方向。