一种携井眼支撑筛管的天然气水合物开采钻具

1.本发明涉及一种海底钻探设备领域，尤其涉及一种携井眼支撑筛管的天然气水合物开采钻具。


背景技术：

2.海底天然气水合物赋存储层，多为砂土、砾石颗粒的松散胶结，当这些颗粒间隙的固态水合物相变分解后，储层颗粒骨架很容易失去支撑而坍塌。天然气水合物储层的这一特征给钻完井施工以及后期的降压开采带来了巨大的困难。钻井过程中，尤其是定向井、水平井钻进，提钻后，井眼很容易坍塌；开采中，井筒内一般也需要布置防砂筛管，过滤向井筒移动的储层游离砂。在有限的井眼直径内，防砂筛管的应用也存在限制，金属棉、弹性纤维等防砂材料的厚度会降低井筒的有效内径。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明的目的是提供一种携井眼支撑筛管的天然气水合物开采钻具，其具备扩径钻进功能，提钻后能够将所携带的筛管直接布置在井眼里，达到支撑井眼、高效安全完井的目的。
4.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
5.一种携井眼支撑筛管的天然气水合物开采钻具，包括：
6.钻杆；
7.钻头，钻头设置在钻杆的端部处，用于在第一方向上钻进天然气水合物储层中以形成井眼；
8.筛管，筛管设置在钻杆上，筛管的内径大于钻头的外径，以便钻头在第二方向上从筛管中抽出，第一方向与第二方向相反；和
9.连接件，连接件适于将筛管能够分离地连接到钻杆。
10.钻头为扩张式钻头，包括：
11.钻头主体，钻头主体包括：
12.头部，头部为截头锥体形状，钻头主体的头部包括第一端和第二端，第一端的外径大于第二端的外径，在钻头主体的头部的外周表面上设置有凹槽，凹槽从第二端在第一方向朝向第一端延伸；和
13.圆柱形尾杆，第二端连接到圆柱形尾杆；和
14.伸缩块，伸缩块设置在凹槽中，适于在第一端和第二端之间滑动。
15.钻头还包括：
16.液压缸，液压缸设置在圆柱形尾杆上，液压缸推动伸缩块从第二端朝向第一端滑动；
17.链条，链条设置在液压缸与伸缩块之间；
18.拉簧组件，拉簧组件设置在圆柱形尾杆上，液压缸设置在链条与拉簧组件之间，拉
簧组件带动伸缩块从第一端朝向第二端滑动。
19.拉簧组件包括：
20.拉簧座，拉簧座在圆柱形尾杆的与头部相对的一端处设置在圆柱形尾杆上；
21.拉簧，拉簧的一端固定到拉簧座，拉簧的另一端固定到液压缸。
22.当液压缸内压力增加时，伸缩块在凹槽中从第二端朝向第一端滑动，使得钻头扩张；当液压缸内压力下降时，拉簧拉动伸缩块在凹槽中从第一端朝向第二端滑动，使得钻头缩小。
23.连接件包括第一连接件，第一连接件包括：
24.第一接头，第一接头在钻杆的一端处将钻头连接到钻杆；
25.悬挂套，悬挂套围绕第一接头设置并且连接到筛管；和
26.圆柱轴承，圆柱轴承设置在第一接头和悬挂套之间。
27.连接件还包括第二连接件，第二连接件包括：
28.第二接头，第二接头在钻杆的另一端处连接到钻杆，钻杆的一端与钻杆的另一端相对；
29.耐磨接头，耐磨接头围绕第二接头设置并且连接到筛管，耐磨接头的外周表面涂覆有耐磨层；
30.止推轴承，止推轴承设置在第二接头和耐磨接头之间的径向间隙中；和
31.止推套，止推套围绕第二接头设置并且抵接耐磨接头和止推轴承，以阻止耐磨接头和止推轴承在第二方向的移动。
32.耐磨接头通过螺纹连接到筛管。
33.在钻头的钻进过程中，圆柱轴承与止推轴承径向支撑筛管。
34.多个筛管通过设置在筛管的外壁上的接箍串接成一体。
35.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
36.本发明提供的携井眼支撑筛管的天然气水合物开采钻具，在完成预定孔径的井眼钻进后，钻头可以收缩从钻杆携带的筛管中抽出，而筛管直接留在地层中支撑井眼。整套钻具改变了先提钻、替浆后再置入防砂筛管的常规完井程序，大幅度提高作业效率的同时，在第一时间用筛管给井眼以支撑，减少了井眼缩径、坍塌的风险。
附图说明
37.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
38.在附图中：
39.图1为根据本技术的钻头的结构原理示意图。
40.图2为根据本技术的筛管的结构原理示意图。
41.图3为根据本技术的钻头与筛管安装在一起时的结构原理示意图。
42.附图中各标记表示如下：
43.1 钻头；
44.3 前连接件；
45.4 筛管；
46.5 后连接件；
47.6 钻杆；
48.10 截头锥体形状的头部
49.11 刮刀
50.12 喷水嘴
51.13 凹槽
52.14 伸缩块
53.15 链条
54.16 六角螺栓
55.17
ꢀ“
o”型密封圈
56.18 液压缸
57.19 拉簧组件
58.20 圆柱形尾部
59.31 前置钻头接头；
60.32 悬挂套；
61.33 圆柱轴承；
62.34 变径接头
63.41 接箍
64.42 筛管末端管螺纹
65.51 后置钻杆接头；
66.52 耐磨接头；
67.53 止推轴承；
68.54 止推套；
69.180 液压缸通道；
70.191 拉簧护套
71.192 拉簧
72.193 拉簧附件
73.194拉簧座
具体实施方式
74.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
75.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”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系统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。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了
便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。
76.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
77.本发明提供的携井眼支撑筛管的开采钻具，能在完成水合物储层钻进后直接将防砂筛管支撑在井眼中，有效缓解水合物储层钻孔易缩径、易坍塌的问题，并大幅度提升钻完井效率。
78.钻具下井后，开启泥浆泵，钻井液主通道内压力增高，高压泥浆进入到液压缸通道后，由于环形空腔液压缸下端面的面积大于上端面的面积，液压将推动链条向前运动，受链条推动，伸缩块沿着钻头上的燕尾槽向前推进。与此同时，拉簧被拉长，液压缸推动伸缩块向前移动，扩大钻头直径。液压缸端面向前移动，当伸缩块达到预定最大位置时停止运动，此时钻井液不再进入液压缸，液压缸内压力稳定，钻头直径不再变化，开始钻井作业。
79.当地面停钻时，在泥浆泵减压后，钻井液主通道内压力下降，环形空腔液压缸内压力也下降，在拉簧的作用下，液压缸复位，钻头直径缩小，可以从之后布置的井眼支撑筛管中提钻。
80.扩张式钻头的后面可布置支撑筛管，这个过程可以描述为：
81.先将前钻杆接头与变径接头丝扣连接在一起，并接在钻杆上，再将悬挂套套入，之后将圆柱轴承套安装在变径接头上，安装好后焊接。在悬挂套中拧入支撑筛管(可接入多根筛管)。
82.在多个支撑筛管/支撑筛管串的末端处，接入筛管末端耐磨接头，在对应钻杆位置处接入后钻杆接头，在两者形成的锥形间隙中布置止推轴承。
83.在钻进过程中，钻头与钻杆旋转，圆柱轴承套与止推轴承径向支撑着多个支撑筛管/支撑筛管串。
84.在钻进时，圆柱轴承套带动悬挂套，同时带动多个支撑筛管/支撑筛管串跟随钻头向前；
85.在起钻时，先降低钻杆内泥浆压力，钻头回缩，从悬挂套、筛管末端耐磨接头内通过，将多个支撑筛管/支撑筛管串留在井眼内支撑，同时完成筛管完井。
86.采用扩张式钻头
87.当随钻具下井后，通过钻井液加液时，液体通过钻杆中心钻孔向井下运动，液体通过钻井液主通道，进入液压缸通道，到达液压缸通道。由于液压缸的下端面的面积设计为大于液压缸的上端面的面积，则作用于下端面的力大于作用于上端面的力，并且由于两端是密封的，这就迫使液压缸能够推动链条向前运动，并推动伸缩块沿着主体的燕尾槽向前推进。与此同时，由于拉簧两端分别被固定在液压缸面和拉簧座面上，于是拉簧被拉长，液压缸推动伸缩块向前移动，并扩大钻头直径。液压缸向前移动而液压缸通道相对主体向后移动，当移动到液压缸通道的位置时，伸缩块达到预定最大位置则停止运动，此时钻井液不再进入液压缸，开始钻进。
88.当地面停钻时，则钻井液压力下降，液压缸内压力下降，在拉簧拉力作用下将液压缸拉回复位，则链接链拉伸锁块返回原位，钻头直径缩小。
89.钻头上的燕尾槽内角圆滑，加工后伸缩块在内运动自如。
90.钻头与液压缸在运动时保持密封。
91.拉簧两端固定住，在运动中不能松动或脱落。
92.先将伸缩块插入主体燕尾槽内，再将液压缸安装好“o”型密封圈后插入主体，将两者的连接轴及固定螺丝安装好。
93.将拉簧插入主体后，将液压缸与拉簧固定好，再将拉簧座安装在主体上，并将拉簧与拉簧座固定上。
94.最后将拉簧护套和拉簧附件安装上。
95.先将钻杆接头件与变径接头件丝扣连接在一起，再将悬挂套件套入，然后将圆柱轴承套(包括轴承套和圆柱形滚珠)安装(焊接)在变径接头上，最后将悬挂套件与支撑筛管连接，根据需要安装多根筛管。
96.悬挂套件与支撑筛管丝扣上紧，保持圆柱轴承套与悬挂套件之间具有一定间隙，以保证可以抽动。当钻头与钻杆旋转时，轴承内套转动圆柱滚子(即圆柱珠粒)，以减少摩擦。
97.在支撑筛管的末端处设置有筛管末端耐磨接头、后钻杆接头、钻杆接头和圆柱止推轴承。
98.图1为根据本技术的钻头的结构原理示意图，如图1所示，本技术的钻头采用扩张式钻头。当随钻具下井后，通过钻井液加液时，液体通过钻杆中心钻孔向井下运动，液体通过钻井液主通道，进入液压缸通道180。由于液压缸的下端面的面积设计为大于液压缸的上端面的面积，则作用于下端面的力大于作用于上端面的力，并且由于两端是密封的，这就迫使液压缸18能够推动链条15向前运动，并推动伸缩块14沿着主体的凹槽13(例如，燕尾槽)向前推进。与此同时，由于拉簧192的两端分别被固定在液压缸18的端面和拉簧座194的端面上，于是拉簧192被拉长，液压缸18推动伸缩块14向前移动，并扩大钻头1直径。液压缸18向前移动而液压缸通道180相对主体向后移动，当液压缸通道180移动到预定位置时，伸缩块14达到预定最大位置则停止运动，此时钻井液不再进入液压缸18，钻头1开始钻进。
99.当地面停钻时，则钻井液压力下降，液压缸18内压力下降，在拉簧192的拉力作用下，液压缸18被拉回复位，链条15拉伸锁块14返回原位，因此，钻头1的外径缩小。
100.钻头1上的燕尾槽内角圆滑，加工后伸缩块14能够在燕尾槽内运动自如。
101.钻头1与液压缸18在运动时保持密封。
102.拉簧192的两端固定住，在运动中不能松动或脱落。
103.先将伸缩块14插入钻头1的主体燕尾槽内，再将液压缸18安装好“o”型密封圈17后插入钻头1的主体中，将两者的连接轴及固定螺丝安装好。
104.将拉簧192插入钻头1的主体后，将液压缸18与拉簧192固定好，再将拉簧座194安装在钻头1的主体上，并将拉簧192与拉簧座194固定上。
105.最后将拉簧护套191和拉簧附件193安装在钻头1的主体上。
106.根据本技术的一种携井眼支撑筛管的天然气水合物开采钻具，包括：
107.钻杆6；
108.钻头1，钻头1设置在钻杆6的端部处，用于在第一方向上钻进天然气水合物储层中以形成井眼；
109.筛管4，筛管4设置在钻杆1上，筛管4的内径大于钻头6的外径，以便钻头1在第二方向上从筛管4中抽出，第一方向与第二方向相反；和
110.连接件，连接件适于将筛管4能够分离地连接到钻杆6。
111.钻头1为扩张式钻头，包括：钻头主体，钻头主体包括：头部10和圆柱形尾杆20。头部10为截头锥体形状，钻头主体的头部10包括第一端和第二端，在钻头主体的头部的外周表面上设置有凹槽13，凹槽13从第二端在第一方向朝向第一端延伸。第二端连接到圆柱形尾杆20，第一端的外径大于第二端的外径。
112.伸缩块14设置在凹槽13中，适于在第一端和第二端之间滑动。
113.钻头1还包括：液压缸18、链条15和拉簧组件19。液压缸18设置在圆柱形尾杆20上，液压缸18推动伸缩块14从第二端朝向第一端滑动；链条15设置在液压缸18与伸缩块14之间；拉簧组件19设置在圆柱形尾杆20上，液压缸18设置在链条15与拉簧组件19之间，拉簧组件19带动伸缩块14从第一端朝向第二端滑动。
114.拉簧组件包括：拉簧座194和拉簧192。拉簧座194在圆柱形尾杆20的与头部10相对的一端处设置在圆柱形尾杆20上；拉簧192的一端固定到拉簧座194，拉簧192的另一端固定到液压缸18。
115.当液压缸18内压力增加时，伸缩块14在凹槽13中从第二端朝向第一端滑动，使得钻头扩张；当液压缸18内压力下降时，拉簧192拉动伸缩块14在凹槽13中从第一端朝向第二端滑动，使得钻头缩小。
116.连接件包括第一连接件，也称为前连接件3。第一连接件3包括：第一接头31、悬挂套32和圆柱轴承33。第一接头31为前置钻头接头31。第一接头31在钻杆6的一端处将钻头1连接到钻杆6；悬挂套32围绕第一接头31设置并且连接到筛管4。圆柱轴承33在第一接头31挂套32。第一接头31和圆柱轴承33之间设置有变径接头34，以便于将前置钻头接头31连接到钻杆6。
117.连接件还包括第二连接件，也称为后连接件5。第二连接件5包括：第二接头51、耐磨接头52、止推轴承53和止推套54。第二接头也称为后置钻杆接头51，在钻杆6的另一端处连接到钻杆6，钻杆6的所述一端与钻杆的所述另二端相对；耐磨接头52围绕第二接头51设置并且连接到筛管4，耐磨接头52的外周表面涂覆有耐磨层；止推轴承53设置在第二接头51和耐磨接头52之间的径向间隙中；止推套54围绕第二接头51设置并且抵接耐磨接头52和止推轴承53，以阻止耐磨接头52和止推轴承53在第二方向上的移动。
118.耐磨接头52通过螺纹连接到筛管4。例如，在筛管4的端部处设置有筛管末端管螺纹42，筛管末端管螺纹42与耐磨接头52的外螺纹配合，以将耐磨接头52通过螺纹连接到筛管4。
119.在钻头1的钻进过程中，圆柱轴承33与止推轴承53径向支撑筛管4。
120.多个筛管4通过设置在筛管4的外壁上的接箍41串接成一体。
121.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。