一种天然气水合物开采复合破碎超变径钻头
阅读说明：本技术 一种天然气水合物开采复合破碎超变径钻头 (Compound broken super reducing drill bit of natural gas hydrate exploitation ) 是由 唐洋 敬鑫 刘清友 王国荣 周守为 钟林 李清平 何玉发 李中 李炎军 刘和兴 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种天然气水合物开采复合破碎超变径钻头,其主要由接头、与接头通过螺纹连接的外筒、以及安装于外筒中的喷嘴Ⅰ、机械锁定机构、刀翼伸缩机构、与外筒通过螺纹连接的堵头、安装在堵头上的O型密封圈Ⅳ和通过螺纹连接安装在堵头中的喷嘴Ⅱ组成。本发明在工作过程中,刀翼闭合转动进行钻进作业,形成小尺寸井眼；喷嘴Ⅰ射出高压流体进行水力破碎,辅助形成大尺寸井眼；刀翼伸开转动进行机械破碎,形成规则的大尺寸井眼；二次破碎连杆对大颗粒进行细化破碎。本发明实现了常规钻进和回拖扩径一体化作业,可有效的解决现有水合物钻头不能钻出大尺寸井眼,不能对刀翼伸出位置进行机械锁定使井眼尺寸稳定,单一破碎方式破碎效率不高的问题。(The invention relates to a composite crushing super-reducing drill bit for natural gas hydrate exploitation, which mainly comprises a joint, an outer barrel in threaded connection with the joint, a nozzle I, a mechanical locking mechanism, a blade telescopic mechanism, a plug in threaded connection with the outer barrel, an O-shaped sealing ring IV arranged on the plug and a nozzle II in threaded connection with the plug. In the working process, the blades rotate in a closed manner to perform drilling operation, so that a small-size well bore is formed; the nozzle I jets high-pressure fluid to perform hydraulic fracture to assist in forming a large-size well hole; the blades are extended and rotated to carry out mechanical crushing to form a regular large-size well hole; and refining and crushing the large particles by a secondary crushing connecting rod. The invention realizes the integrated operation of conventional drilling and back-dragging expanding, and can effectively solve the problems that the existing hydrate drill bit can not drill a large-size borehole, can not mechanically lock the extending position of the blade to ensure that the borehole has stable size, and the crushing efficiency in a single crushing mode is not high.)
技术领域
本发明涉及天然气水合物钻井及开采技术领域，具体涉及一种天然气水合物开采复合破碎超变径钻头。
背景技术
天然气水合物是由天然气与水分子在低温高压的条件下合成的一种“笼形化合物”。天然气水合物中80%～90%的成分是甲烷，故也称甲烷水合物，因其大多呈白色或浅灰色晶体，外貌类似冰雪，可以像酒精块一样被点燃，所以，也被称为“可燃冰”。天然气水合物在世界范围内广泛存在，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。目前天然气水合物的主要开采方式有降压开采法、注热开采法和固态流化开采法等，其中的这三种方法的共同特点是：需要开掘出一个大尺寸的井眼，以达到高效开采水合物的目的。降压开采法、注热开采法需要开掘出大尺寸的井眼，以达到高效降压或注热，实现高效开采天然气水合物的目的；固态流化开采法是使用采掘设备将固态的水合物储层破碎成细小颗粒，并通过密闭流化的方式输送至海上平台，在平台上进行后期处理与加工，采掘时，开掘的井眼越大，单个井眼的产量越高，所以需要开掘出大尺寸的井眼，以达到高效开采的目的。
当前，天然气水合物开采井下工具中可形成大尺寸井眼的工具主要有水合物钻头、压控滑套和伞式开采工具等。但其均尚无法满足天然气水合物高效、高产开采的要求，且其各自存在一些不足之处，具体如下：
（1）水合物开采钻头不能实现扩径功能，更不能形成大尺寸井眼，以至于单井眼产能低，且作业成本高；
（2）压控滑套采用纯水力破碎水合物，致使破碎能力不足，将导致井眼大小不稳定、不规则，且所形成的水合物岩屑颗粒粒径较大，不能满足的天然气水合物固态流化回收的要求；
（3）现有伞式开采工具，不具有钻进的功能，会增加钻井时的工序，浪费不必要的成本和时间，并且单纯的机械破碎，破碎能力不足，并且双层管的配合打开刀翼在远距离的开采时难以保持并且难以实现。
同时，目前市场上已存在的用于开采石油的变径钻头也存在着一些问题，如：石油开采变径钻头在工作时，井眼扩大率很小，不足以形成适合天然气水合物高效开采需要的大尺寸井眼，导致天然气水合物破碎效率低；没有机械锁定机构导致井眼尺寸波动大，扩径效率低等。
因此，需要一种天然气水合物开采变径钻头以形成更大尺寸井眼，以满足天然气水合物高效开采的目的。所以针对现有水合物钻头及工具存在的问题以及水合物高效开采的需求，目前亟待解决如何实现钻头自动变径而钻掘出更大尺寸井眼；如何对刀翼伸出位置进行机械锁定使井眼尺寸稳定；如何将机械破碎与水力破碎复合以提高破碎效率等问题。
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缺陷，提供一种天然气水合物开采复合破碎超变径钻头，以解决现有水合物开采工具不能钻出大尺寸井眼、不能对刀翼伸出位置进行机械锁定使井眼尺寸稳定、单一的破碎方式破碎效率不高的问题。本钻头采用长尺寸刀翼，以实现在钻进过程中钻出大尺寸井眼，高效开采水合物；本钻头采用机械锁定机构，以实现对刀翼伸出位置进行机械锁定，使开采的井眼尺寸稳定；本钻头将机械破碎与水力破碎复合，提高钻头的破碎效率，以实现采掘出颗粒粒径较细的水合物岩屑的目的；并且在解决以上问题的基础上，还能实现刀翼可控式回缩，可在刀翼遇阻遇卡时进行回缩解卡，从而有效防止刀翼被卡住甚至被折断。
本发明专利解决其技术问题所采用以下技术方案是：一种天然气水合物开采复合破碎超变径钻头，主要由接头、与接头通过螺纹连接的外筒、以及安装于外筒中的喷嘴Ⅰ、机械锁定机构、刀翼伸缩机构、与外筒通过螺纹连接的堵头、安装在堵头上的O型密封圈Ⅳ和通过螺纹连接安装在堵头中的喷嘴Ⅱ组成，其特征在于：所述的机械锁定机构由压筒、O型密封圈Ⅰ、弹簧Ⅰ、划爪套、O型密封圈Ⅱ、O型密封圈Ⅲ组成：压筒上端通过上接头的下端面限位，压筒与外筒之间设有O型密封圈Ⅰ，弹簧Ⅰ位于外筒内且其两端分别连接于压筒的台阶和外筒内部台阶之间，压筒与划爪套相接触，划爪套与外筒之间设有O型密封圈Ⅱ和O型密封圈Ⅲ；所述的刀翼伸缩机构由推力球轴承、滑筒、弹簧Ⅱ、刀翼、二次破碎连杆和刀翼连接座组成：推力球轴承安装于划爪套与滑筒之间，用于减小划爪套与滑筒之间的端面摩擦力，滑筒与划爪套间隙配合，弹簧Ⅱ连接于滑筒和外筒内的台阶之间，刀翼连接座通过螺栓连接于滑筒上，二次破碎连杆两端分别与刀翼和外筒通过螺栓连接，刀翼与刀翼连接座通过螺栓连接。
所述的外筒上部设置一处密封圈槽用于安装O型密封圈Ⅰ，外筒中上部设置一处台阶用于安装弹簧Ⅰ，外筒中部周向分布有三处凸起的卡爪用于压筒的周向定位和划爪套的循环机械锁定，卡爪下方设置一处密封圈槽用于安装O型密封圈Ⅱ，密封圈槽下方周向设置三处喷嘴孔，每处4个孔，用于安装破碎射流喷嘴，喷嘴孔下方设置一处密封圈槽用于安装O型密封圈Ⅲ，外筒中下部周向设置有三处矩形通孔用于刀翼连接座的上下移动，矩形通孔下部设置有斜槽用于在刀翼闭合时与二次破碎连杆配合，外筒内下设置有一处台阶用于安装弹簧Ⅱ。
所述的机械锁定机构，其中的压筒内部设置有一处缩颈台阶口，运用节流增压原理，在增大钻井液流量时产生向下的压力，压筒外部设置有一处台阶用于与弹簧连接，压筒外壁周向设置有三处凹槽，通过与外筒内壁的卡爪配合限制压筒周向转动，压筒下端设置有三处螺旋面，三处螺旋面间设置三处断面，形成圆柱凸轮结构；其中的划爪套上端设置有六处螺旋面，六处螺旋面间交叉分布三处断面和三处缺口，形成圆柱凸轮结构用于与压筒下部的圆柱凸轮结构配合起机械锁定作用，压筒上周向分布的三处凹槽用于与外筒上的卡爪配合，压筒上的螺旋面与划爪套上的螺旋面接触连接，划爪套中部设置有一处台阶用于安装推力球轴承。
所述的刀翼伸缩机构，其中的刀翼上端设置一处通孔与刀翼连接座上的通孔用螺栓连接，刀翼上沿着棱均匀设置一些切削齿，刀翼外侧设置两排平头齿，刀翼中部设置一处通孔与二次破碎连杆上的通孔用螺栓连接，刀翼上设置有异形槽用于在刀翼闭合时与二次破碎连杆配合，刀翼下部外侧设置有数个平头齿，刀翼下端设置有数个球头齿；其中的二次破碎连杆上端设置一处通孔与刀翼中部的通孔用螺栓连接，二次破碎连杆左侧设置两排破碎齿，破碎齿两侧对称设置两排切口，二次破碎连杆下端设置一处通孔用于与外筒下端的通孔螺栓连接，二次破碎连杆中间设置一处槽，使二次破碎连杆呈叉形，用于在刀翼闭合时与刀翼上的异形槽配合；其中的刀翼连接座上设置有通孔用于与刀翼连接，刀翼连接座上设置有螺栓通孔用于与滑筒连接，刀翼连接座中设置有槽，用于安装刀翼上端；所述的刀翼连接座通过螺栓与滑筒连接，刀翼通过螺栓与刀翼连接座连接，刀翼中部通过螺栓与二次破碎连杆连接，二次破碎连杆通过螺栓与外筒连接。
所述的堵头上端设置一处密封圈槽用于安装O型密封圈Ⅳ，堵头中部设置一处台阶，在刀翼伸开阶段，划爪套下端与台阶和O型密封圈Ⅳ配合实现封堵功能，堵头中周向设置三处喷嘴孔用于安装喷嘴Ⅱ。
所述的装置在钻进时，刀翼闭合，三个刀翼前端组成钻头向前钻进，前端喷嘴Ⅱ辅助破碎，并清洗刀翼；当钻头钻进至水合物层尽头开始打开刀翼，在打开刀翼的同时外筒上的喷嘴Ⅰ打开，实现水合物水力破碎；刀翼打开后开始回拖钻头，此时刀翼旋转破碎水合物，实现水合物机械破碎；在刀翼旋转的同时二次破碎连杆旋转，二次破碎连杆上的破碎齿和切口配合继续破碎水合物，实现水合物二次机械破碎。
本发明有益效果是：1）本钻头采用长尺寸刀翼，可在钻进过程中钻出大尺寸井眼，可满足高效开采水合物的需要；2）本钻头采用一种新的机械锁定方式，能实现对刀翼的可靠机械锁定，在扩径过程中防止刀翼因为地层压力波动而回缩，从而保证刀翼扩径破碎的稳定性；3）本钻头将水力破碎与机械破碎相复合，可实现采掘出颗粒较细的水合物岩屑的目的；4）本钻头能实现刀翼可控式回缩，可在刀翼遇阻遇卡时进行回缩解卡，从而有效防止刀翼被卡住甚至被折断；5）本钻头在钻进过程中，刀翼处于闭合状态，前端进行破岩，回拖时将刀翼打开可防止扩径时水合物层坍塌埋住钻具。
附图说明
图1为本发明外观图；
图2为本发明刀翼收缩与伸出对比图；
图3为本发明外筒结构示意图；
图4为本发明压筒结构示意图；
图5为本发明划爪套结构示意图；
图6为本发明堵头结构示意图；
图7为本发明刀翼结构示意图；
图8为本发明二次破碎连杆结构示意图；
图9为本发明刀翼连接座结构示意图；
图10为本发明钻头钻进工作示意图；
图11为本发明钻头回拖工作示意图；
图12为本发明回拖工作过程中钻头位置放大示意图；
图中，1-接头，2-外筒，3-压筒，4-O型密封圈Ⅰ，5-弹簧Ⅰ，6-划爪套，7-O型密封圈Ⅱ，8-O型密封圈Ⅲ，9-推力球轴承，10-滑筒，11-弹簧Ⅱ，12-O型密封圈Ⅳ，13-堵头，14-刀翼，15-二次破碎连杆，16-刀翼连接座，17-喷嘴Ⅰ，18-喷嘴Ⅱ，201-密封圈槽，202-台阶，203-卡爪，204-密封圈槽，205-喷嘴孔，206-密封圈槽，207-矩形通孔，208-台阶，209-斜槽，301-缩颈台阶口，302-台阶,303-凹槽，304-断面，305-螺旋面，601-螺旋面，602-断面，603-缺口，604-台阶，1301-密封圈槽，1302-台阶，1303-喷嘴孔，1401-通孔，1402-切削齿，1403-平头齿，1404-通孔，1405-异形槽，1406-平头齿，1407-球头齿，1501-通孔，1502-破碎齿，1503-切口，1504-通孔，1505-槽，1601-螺栓通孔，1602-通孔，1603-槽。
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12所示，一种天然气水合物开采复合破碎超变径钻头，主要由接头（1）、与接头（1）通过螺纹连接的外筒（2）、以及安装于外筒（2）中的喷嘴Ⅰ（17）、机械锁定机构、刀翼伸缩机构、与外筒（2）通过螺纹连接的堵头（13）、安装在堵头（13）上的O型密封圈Ⅳ（12）和与堵头（13）通过螺纹连接的喷嘴Ⅱ（18）组成。其中的机械锁定机构由压筒（3）、O型密封圈Ⅰ（4）、弹簧Ⅰ（5）、划爪套（6）、O型密封圈Ⅱ（7）、O型密封圈Ⅲ（8）组成：压筒（3）上端通过上接头（1）的下端面限位，压筒（3）与外筒（2）之间设有O型密封圈Ⅰ（4），弹簧Ⅰ（5）位于外筒（2）内且其两端分别连接于压筒（3）的台阶和外筒（2）内部台阶之间，压筒（3）与划爪套（6）相接触，划爪套（6）与外筒（2）之间设有O型密封圈Ⅱ（7）和O型密封圈Ⅲ（8）；其中的刀翼伸缩机构由推力球轴承（9）、滑筒（10）、弹簧Ⅱ(11)、刀翼（14）、二次破碎连杆（15）和刀翼连接座（16）组成：推力球轴承（9）安装于划爪套（6）与滑筒（10）之间，滑筒（10）与划爪套（6）间隙配合，弹簧Ⅱ（11）连接于滑筒（10）和外筒（2）内的台阶之间，刀翼连接座（16）通过螺栓连接于滑筒（10）上，二次破碎连杆（15）两端分别与刀翼（14）和外筒（2）通过螺栓连接，刀翼（14）与刀翼连接座（16）通过螺栓连接。
本发明中的外筒（2）上部设置一处密封圈槽（201），外筒（2）中上部设置一处台阶（202），外筒（2）中部周向分布有三处凸起的卡爪（203），卡爪（203）下方设置一处密封圈槽（204），密封圈槽（204）下方周向设置三处喷嘴孔（205），每处4个孔，喷嘴孔（205）下方设置一处密封圈槽（206），外筒（2）中下部周向设置有三处矩形通孔（207），矩形通孔（207）下部设置有斜槽（209），外筒（2）内下设置有一处台阶（208）。
本发明中的机械锁定机构，其中的压筒（3）内部设置有一处缩颈台阶口（301），压筒（3）外部设置有一处台阶（302），压筒（3）外壁周向设置有三处凹槽（303），压筒（3）下端设置有三处螺旋面（305），三处螺旋面（305）间设置三处断面（304）；其中的划爪套（6）上端设置有六处螺旋面（601），六处螺旋面（601）间交叉分布三处断面（602）和三处缺口（603），划爪套（6）中部设置有一处台阶（604）；所述的压筒（3）上周向分布的凹槽（303）与外筒（2）上的卡爪（203）配合，压筒（3）与划爪套（6）通过螺旋面（305）与螺旋面（601）接触连接。
本发明中的刀翼伸缩机构，其中的刀翼（14）上端设置一处通孔（1401），刀翼（14）上沿着棱均匀设置一些切削齿（1402），刀翼（14）外侧设置两排平头齿（1403），刀翼（14）中部设置一处通孔（1404），刀翼（14）上设置有异形槽（1405），刀翼（14）下部外侧设置有数个平头齿（1406），刀翼（14）下端设置有数个球头齿（1407）；其中的二次破碎连杆（15）上端设置一处通孔（1501），二次破碎连杆（15）左侧设置两排破碎齿（1502），破碎齿（1502）两侧对称设置两排切口（1503），二次破碎连杆（15）下端设置一处通孔（1504），二次破碎连杆（15）中间设置一处槽（1505），使二次破碎连杆（15）呈叉形；其中的刀翼连接座（16）上设置有螺栓通孔（1601），刀翼连接座（16）上设置有通孔（1602），刀翼连接座（16）中设置有槽（1603）；所述的刀翼连接座（16）通过螺栓与滑筒（10）连接，刀翼（14）通过螺栓与刀翼连接座（16）连接，刀翼（14）中部通过螺栓与二次破碎连杆（15）连接，二次破碎连杆（15）通过螺栓与外筒（2）连接。
本发明中的一种天然气水合物开采复合破碎超变径钻头，其特征在于：所述的堵头（13）上端设置一处密封圈槽（1301），堵头（13）中部设置一处台阶（1302），堵头（13）中周向设置三处喷嘴孔（1303）。
本发明的工作过程如下：
初始状态：如图2中左图，压筒（3）在弹簧Ⅰ（5）的作用下处于最上方位置，此时外筒（2）的卡爪（203）卡在划爪套（6）的缺口（603）上，此时刀翼（14）处于闭合状态，钻头处于正常破岩钻进工作，钻头前端的喷嘴Ⅱ（18）喷出高压钻井液辅助破碎、并清洗钻头。
工作状态一：如图4，增大钻井液的流量，当钻井液通过压筒（3）的缩颈台阶口（301）时，由于流道变化，使得钻井液对压筒（3）产生较大压力，使压筒（3）推动划爪套（6）向下运动，当压筒（3）处于行程最下端时卡爪（203）离开划爪套（6）上的缺口（603），由于压筒（3）的螺旋面（306）与划爪套（6）的螺旋面（601）配合，使得划爪套（6）旋转，并且在划爪套（6）向下运动的同时，带动推力球轴承（9）和滑筒（10）向下运动，滑筒（10）带动刀翼连接座（16）向下运动，通过刀翼连接座（16）、二次破碎连杆（15）和刀翼（14）的配合打开刀翼（14），并且随着划爪套（6）向下运动，划爪套（6）的缺口（603）转到喷嘴孔（205）处，此时高压钻井液从喷嘴Ⅰ（17）中喷出，开始利用水力破碎水合物，一定时间后减小钻井液的流量，使得压筒（3）受到的钻井液压力减小，在弹簧Ⅰ（5）、弹簧Ⅱ（11）的作用下压筒（3）和划爪套（6）开始回弹，此时划爪套（6）的螺旋面（601）与卡爪（203）上的斜面接触并旋转，使卡爪（203）卡在划爪套（6）的断面（602）处，实现对刀翼（14）的机械锁定功能，此时刀翼（14）伸出完毕，开始正常的水合物机械破碎和二次机械破碎工作。并且随着划爪套（6）向下运动，划爪套（6）下端与堵头（13）和O型密封圈Ⅳ（12）配合实现对喷嘴Ⅱ（18）的封堵，喷嘴Ⅱ（18）停止工作。
工作状态二：若钻头在破碎水合物遇到卡阻或者完成破碎工作回收钻头时，与前一工作过程类似，增大钻井液的流量，当钻井液通过压筒（3）的缩颈台阶口（301）时，由于流道变化，使得钻井液对压筒（3）产生较大压力，使压筒（3）推动划爪套（6）向下运动，当压筒（3）处于行程最下端时卡爪（203）离开划爪套（6）上的断面（602），由于压筒（3）的螺旋面（305）与划爪套（6）的螺旋面（601）配合，使得划爪套（6）旋转，一定时间后减小钻井液的流量，使得压筒（3）的压力减小，在弹簧Ⅰ（5）、弹簧Ⅱ（11）的作用下压筒（3）和划爪套（6）开始回弹，此时划爪套（6）的螺旋面（601）与卡爪（203）接触并旋转，使卡爪（203）卡在划爪套（6）的缺口（603）处，使划爪套（6）和滑筒（10）在弹簧Ⅱ（11）的作用下继续向上运动，通过刀翼连接座（16）带动刀翼（14）回缩并机械锁定，同时划爪套（6）缺口（603）转离喷嘴孔（205）处，喷嘴Ⅰ（17）和刀翼（14）停止水合物破碎工作。
需要再次扩径作业时重复以上步骤即可。
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。