申请/专利权人：中国石油天然气集团有限公司;中国石油集团工程技术研究院有限公司

申请日：2018-09-03

公开（公告）日：2024-04-30

公开（公告）号：CN109057759B

主分类号：E21B43/01

分类号：E21B43/01

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.30#授权;2019.01.15#实质审查的生效;2018.12.21#公开

摘要：一种海相可燃冰水力开发装置，包括：具有中心通道的本体，本体的中心通道内设有上半旋过流挡板和下半旋过流挡板；中心柱，穿设在中心通道内，中心柱的两端分别连接有上连动挡板和下连动挡板；上半旋过流挡板可转动地套设在中心柱的上端，下半旋过流挡板可转动地套设在中心柱的下端；磁性机构，具有套设在中心柱上的密封套，密封套与中心柱之间形成有承压腔，密封套的外部套设有磁性钢套，磁性钢套上连接有螺旋刀刃；在承压腔内充入压力液的状态下，磁性钢套能径向向外移动，螺旋刀刃伸出至本体的外部。本发明的海相可燃冰水力开发装置，与钻头配合钻井，进入储层后能扩大储层井眼空间，实现安全高效开发可燃冰的目的。

主权项：1.一种海相可燃冰水力开发装置，其特征在于，包括：本体，具有中心通道，所述本体的上端连接有上接头，所述中心通道内设有上半旋过流挡板和下半旋过流挡板，所述上半旋过流挡板连接于所述本体的上端内壁，所述下半旋过流挡板连接于所述本体的下端内壁；中心柱，穿设在所述中心通道内，所述中心柱的两端分别连接有上连动挡板和下连动挡板；所述上半旋过流挡板可转动地套设在所述中心柱的上端并位于所述上连动挡板的上方，所述下半旋过流挡板可转动地套设在所述中心柱的下端并位于所述下连动挡板的下方；磁性机构，具有套设在所述中心柱上的密封套，所述密封套与所述中心柱之间形成有承压腔，所述密封套的外部套设有磁性钢套，所述磁性钢套上连接有螺旋刀刃；在所述承压腔内充入压力液的状态下，所述磁性钢套能径向向外移动，所述螺旋刀刃自所述中心通道伸出至所述本体的外部；在所述上半旋过流挡板与所述上连动挡板重合的状态下，下半旋过流挡板与所述下连动挡板交错设置，所述承压腔与所述本体的上端相连通；在所述下半旋过流挡板与所述下连动挡板重合的状态下，所述上半旋过流挡板与所述上连动挡板交错设置，所述承压腔与所述本体的下端相连通。

全文数据：海相可燃冰水力开发装置技术领域本发明涉及可燃冰开采技术领域，尤其涉及一种海相可燃冰水力开发装置。背景技术天然气水合物，也即可燃冰，是一种在特定温压下赋存的具有密度高、分布广、埋藏浅、规模大特点的新型“清洁能源”。理论标准状态下，1m3的可燃冰可以释放164m3的甲烷气体，因其能量巨大而备受关注。据初步估算，全球天然气水合物资源量约为21×1015m3，是煤炭、石油和天然气资源总量的2倍。可燃冰是天然气分子充填在水的晶体笼架中形成的冰状固体物，又叫天然气水合物或固体气。由于可燃冰中以甲烷为主，故也称甲烷水合物。可燃冰主要赋存于大陆边缘的海底沉积物和陆上冻土带中，可燃冰具有多孔性，硬度和剪切模量均小于冰，密度和冰的密度大致相同，热导率和电阻率远小于冰。目前对可燃冰的开采基本上处于研究、试验阶段，尚没有可靠、完美的方法和方案。国际上主流的开发方法主要有热激发法、减压法、化学试剂注入法、固体开采法、二氧化碳置换法以及多种开采模式组合法等。目前的开采方法存在诸多问题：生产效率低、开采条件要求高、所用材料昂贵、环境风险大等。但是可燃冰在给人类带来新的能源前景的同时，对人类生存环境也提出了严峻的挑战。一旦出了井喷事故，就会造成海啸、海底滑坡、海水毒化等灾害。而且，可燃冰的开采一旦发生问题，将有大量的甲烷泄露。由于甲烷是一种高效的温室效应气体，大量的甲烷扩散到大气，温室效应必将增强，带来一系列不利后果。发明内容本发明的目的是提供一种海相可燃冰水力开发装置，与钻头配合钻井，进入储层后能扩大储层井眼空间，实现安全高效开发可燃冰的目的，避免了可燃冰在开采过程中泄漏导致的井喷等危害。本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：本发明提供了一种海相可燃冰水力开发装置，包括：本体，具有中心通道，所述本体的上端连接有上接头，所述中心通道内设有上半旋过流挡板和下半旋过流挡板，所述上半旋过流挡板连接于所述本体的上端内壁，所述下半旋过流挡板连接于所述本体的下端内壁；中心柱，穿设在所述中心通道内，所述中心柱的两端分别连接有上连动挡板和下连动挡板；所述上半旋过流挡板可转动地套设在所述中心柱的上端并位于所述上连动挡板的上方，所述下半旋过流挡板可转动地套设在所述中心柱的下端并位于所述下连动挡板的下方；磁性机构，具有套设在所述中心柱上的密封套，所述密封套与所述中心柱之间形成有承压腔，所述密封套的外部套设有磁性钢套，所述磁性钢套上连接有螺旋刀刃；在所述承压腔内充入压力液的状态下，所述磁性钢套能径向向外移动，所述螺旋刀刃自所述中心通道伸出至所述本体的外部。在本发明的实施方式中，所述本体的外壁上开设有螺旋沟槽，所述螺旋沟槽与所述中心通道相连通，所述螺旋刀刃能自所述螺旋沟槽伸出所述本体的外部。在本发明的实施方式中，所述磁性钢套上连接有磁性封堵结构，所述螺旋刀刃连接在所述磁性封堵结构上，在所述螺旋刀刃伸出所述本体的状态下，所述磁性封堵结构抵接在所述本体的内壁上。在本发明的实施方式中，所述磁性钢套由套设在所述密封套外部的多个弧形钢板组成，各所述弧形钢板上均连接有多个刀刃，所述多个弧形钢板上的所述多个刀刃组成所述螺旋刀刃。在本发明的实施方式中，各所述弧形钢板上均连接有多个磁性封堵块，所述刀刃连接在所述磁性封堵块上，所述多个弧形钢板上的所述多个磁性封堵块组成所述磁性封堵结构。在本发明的实施方式中，在所述上半旋过流挡板与所述上连动挡板重合的状态下，下半旋过流挡板与所述下连动挡板交错设置，所述承压腔与所述本体的上端相连通；在所述下半旋过流挡板与所述下连动挡板重合的状态下，所述上半旋过流挡板与所述上连动挡板交错设置，所述承压腔与所述本体的下端相连通。在本发明的实施方式中，所述上半旋过流挡板包括相对设置的两个上扇形挡板，所述下半旋过流挡板包括相对设置的两个下扇形挡板，两个所述上扇形挡板与两个所述下扇形挡板上下交错设置。在本发明的实施方式中，所述中心柱的下端连接有旋动机构，所述本体的下端内壁连接有止动板，所述旋动机构能抵接在所述止动板上。在本发明的实施方式中，所述旋动机构包括相对设置的两个扇形旋动块，所述本体的下端内壁径向相对连接有两个止动板，所述扇形旋动块能抵接在所述止动板上。在本发明的实施方式中，所述扇形旋动块的外缘向下设有连接环。本发明的海相可燃冰水力开发装置的特点及优点是：该海相可燃冰水力开发装置，与钻头配合钻井，在保证小钻井井眼的情况下，进入储层后能扩大储层井眼空间，实现安全高效开发可燃冰，避免了可燃冰在开采过程中泄漏井喷等危害。本发明能通过正常的钻井通道进入可燃冰储层，并利用钻头扭矩带动中心柱转动而形成钻井液高压集聚，压力作用在螺旋刀刃弹出本体后对可燃冰进行切削，增大了沟通储层的通道，当完成钻井时，控制钻头反转，将装置内泄压，螺旋刀刃回到本体内，随后从原始钻井通道回收。本装置可以在可燃冰开发过程中保证小井眼开发，增加了开发中的安全性和高效性，避免了气体泄漏污染的风险。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明的海相可燃冰水力开发装置的半剖视图。图2为图1的A-A向剖面图。图3为图1的B-B向剖面图。图4为本发明的海相可燃冰水力开发装置处于工作状态的俯视剖视图。图5为图1的C-C向剖面图。图6为图1的D-D向剖面图。附图标号说明：1、本体；11、中心通道；12、上半旋过流挡板；121、上扇形挡板；122、环状体；123、上轴承；124、上密封套；125、上过流通道；13、下半旋过流挡板；131、下扇形挡板；132、环状体；133、下轴承；134、下密封套；135、下过流通道；14、螺旋沟槽；15、止动板；2、中心柱；21、上连动挡板；211、上扇形板；22、下连动挡板；221、下扇形板；23、承压腔；3、磁性机构；31、密封套；32、磁性钢套；321、螺旋刀刃；3211、刀刃；322、弧形钢板；33、磁性封堵结构；331、磁性封堵块；4、接头；41、顶环；5、旋动机构；51、扇形旋动块；52、连接环。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1所示，本发明提供了一种海相可燃冰水力开发装置，包括本体1、中心柱2和磁性机构3，其中：本体1具有中心通道11，所述本体1的上端连接有上接头4，所述中心通道11内设有上半旋过流挡板12和下半旋过流挡板13，所述上半旋过流挡板12连接于所述本体1的上端内壁，所述下半旋过流挡板13连接于所述本体1的下端内壁；中心柱2穿设在所述中心通道11内，所述中心柱2的两端分别连接有上连动挡板21和下连动挡板22；所述上半旋过流挡板12可转动地套设在所述中心柱2的上端并位于所述上连动挡板21的上方，所述下半旋过流挡板13可转动地套设在所述中心柱2的下端并位于所述下连动挡板22的下方；磁性机构3具有套设在所述中心柱2上的密封套31，所述密封套31与所述中心柱2之间形成有承压腔23，所述密封套31的外部套设有磁性钢套32，所述磁性钢套32上连接有螺旋刀刃321；在所述承压腔23内充入压力液的状态下，所述磁性钢套32能径向向外移动，所述螺旋刀刃321自所述中心通道11伸出至所述本体1的外部。具体是，本体1大体呈圆柱筒形，其具有轴向贯通的中心通道11，在本实施例中，在本体1的外壁上开设有螺旋沟槽14，该螺旋沟槽14与中心通道11相连通。本体1的上端设有内螺纹段，接头4螺纹连接在本体1的内螺纹段上，在本发明中，在本体1的上端内壁处还连接有顶环41，接头4的下端外侧连接在顶环41上，该顶环41可起到轴向限位上半旋过流挡板12的作用。如图2所示，上半旋过流挡板12包括相对设置的两个上扇形挡板121，两个上扇形挡板121之间通过环状体122相连，在本实施例中，两个上扇形挡板121径向相对设置，且与环状体122一体成型。该上半旋过流挡板12通过环状体122套设在中心柱2的上端，在中心柱2的上端还套设有上轴承123和上密封套124，从而使得中心柱2的上端与上半旋过流挡板12能顺畅转动地设置。如图3所示，下半旋过流挡板13包括相对设置的两个下扇形挡板131，两个下扇形挡板131之间通过环状体132相连，在本实施例中，两个下扇形挡板131径向相对设置，且与环状体132一体成型。该下半旋过流挡板13通过环状体132套设在中心柱2的下端，在中心柱2的下端还套设有下轴承133和下密封套134，从而使得中心柱2的下端与下半旋过流挡板13能顺畅转动地设置。在本发明中，该上半旋过流挡板12和下半旋过流挡板13分别连接在本体1的内壁上，且该上半旋过流挡板12的两个上扇形挡板121与下半旋过流挡板13的两个下扇形挡板131上下交错设置，也即上扇形挡板121与下扇形挡板131在空间上相差90°设置。中心柱2能转动地设置在本体1的中心通道11内，在本发明中，该中心柱2为磁性钢体，在中心柱2的上端连接有上连动挡板21，且在中心柱2的下端连接有下连动挡板22，在本实施例中，该上连动挡板21由分别连接在中心柱2上且径向相对的两个上扇形板211组成，该下连动挡板22由分别连接在中心柱2上且径向相对的两个下扇形板221组成。两个上扇形板211与两个下扇形板221上下相对设置。磁性机构3套设在中心柱2的外侧且位于本体1的中心通道11内，该磁性机构3位于上连动挡板21和下连动挡板22之间，且磁性机构3与中心柱2之间形成有承压腔23。具体的，该磁性机构3包括密封套31，该密封套31为弹性橡胶套，该密封套31的两端分别与上连动挡板21和下连动挡板22密封设置，密封套31与中心柱2之间形成环形的承压腔23。磁性钢套32套设在密封套31的外部，如图4所示，该磁性钢套32由套设在密封套31外部的多个弧形钢板322组成，该弧形钢板322为磁性钢体，在本实施例中，该磁性钢套32由四个弧形钢板322组成，每个弧形钢板322呈四分之一圆弧板状，该些弧形钢板322能随密封套31的径向膨胀而径向向外移动。在本发明中，如图5所示，在磁性钢套32上连接有磁性封堵结构33，螺旋刀刃321连接在磁性封堵结构33上。在本实施例中，该磁性封堵结构33包括多个磁性封堵块331，该磁性封堵块331为磁性钢体，磁性钢套32的各弧形钢板322上均连接有上下间隔排列的多个磁性封堵块331；螺旋刀刃321由多个刀刃3211组成，各弧形钢板322上的多个磁性封堵块331上分别连接有一个刀刃3211。当磁性钢套32的各弧形钢板322组合成一个完整的筒状体时，各弧形钢板322上的多个磁性封堵块331组合形成螺旋状的磁性封堵结构33，连接在各弧形钢板322上的各磁性封堵块331上的刀刃3211组合形成螺旋状的螺旋刀刃321。根据本发明的一个实施方式，在中心柱2的下端还连接有旋动机构5，本体1的下端内壁连接有止动板15，该旋动机构5能抵接在止动板15上。具体的，如图6所示，旋动机构5包括相对设置的两个扇形旋动块51，本体1的下端内壁径向相对连接有两个止动板15，该扇形旋动块51能抵接在止动板15上。进一步的，该扇形旋动块51的外缘向下还设有连接环52，钻头可连接在该连接环52上。在本发明中，如图1所示，在上半旋过流挡板12与上连动挡板21重合的状态下，下半旋过流挡板13与下连动挡板22交错设置，承压腔23与本体1的上端相连通；在下半旋过流挡板13与下连动挡板22重合的状态下，上半旋过流挡板12与上连动挡板21交错设置，承压腔23与本体1的下端相连通未提供附图。该海相可燃冰水力开发装置的工作过程如下：首先，该海相可燃冰水力开发装置通过接头4与上部钻井工具连接，钻头连接在海相可燃冰水力开发装置的连接环52上，该钻头的外径与本发明的海相可燃冰水力开发装置的外径相同。在海相可燃冰水力开发装置下入储层的过程中，连接在本体1下部的两个止动板15限制了扇形旋动块51的转动，此时钻头不转动；由于上半旋过流挡板12的两个上扇形挡板121与下半旋过流挡板13的两个下扇形挡板131上下交错设置，此时，该上半旋过流挡板12与本体1之间形成的上过流通道125与上连动挡板21上下重合，也即上过流通道125与承压腔23不相连通，该下半旋过流挡板13与本体1之间形成的下过流通道135恰好与下连动挡板22上下交错设置，此时螺旋刀刃321在该海相可燃冰水力开发装置下入可燃冰储层的过程中完全保持在装置内部，呈收缩状态。当该海相可燃冰水力开发装置进入储层后，向装置内泵注钻井液，钻头接触到储层后并通过上部钻井工具提供扭矩，由于上部钻井工具转动而带动本发明的海相可燃冰水力开发装置和钻头转动，钻头受到储层的相反扭矩而带动扇形旋动块51顺时针转动90°，随后受到止动板15的限制而停止转动，此时，与扇形旋动块51连接的中心柱2同时转动相同的角度，上连动挡板21和下连动挡板22同时顺时针转动90°，封堵钻井液的上连动挡板21转动之后，上连动挡板21与上半旋过流挡板12上下重合，如图1所示，此时钻井液经上过流通道125进入承压腔23内，下连动挡板22与下半旋过流挡板13上的下过流通道135重合，使得承压腔23内钻井液积聚呈高压状态，此时密封套31受到钻井液的高压后膨胀而推动磁性钢套32径向向外运动，磁性钢套32径向向外运动的过程中，各弧形钢板322相互分离，并推动其上的多个磁性封堵块331径向向外移动，磁性封堵块331推动刀刃3211径向向外移动，刀刃3211沿着螺旋沟槽14伸出至本体1的外部，直至各磁性封堵块331贴紧至本体1并封堵螺旋沟槽14为止；随后螺旋刀刃321切削储层内的可燃冰。当需要上提钻具时，控制上部钻井工具反转，也即控制钻头和扇形旋动块51逆时针转动90°，随后受到止动板15的限制而停止转动；此时，上连动挡板21与上半旋过流挡板12上的上过流通道125重合，对上部流动的钻井液进行封堵，同时，下连动挡板22与下半旋过流挡板13上的下过流通道135相差90°，承压腔23内的钻井液通过下半旋过流挡板13上的下过流通道135沿钻头排出本体1；由于承压腔23内的压力降低，密封套31收缩，强磁性的中心柱2通过磁力吸引磁性钢套32径向向内移动，磁性钢套32带动磁性封堵块331径向向内移动，磁性封堵块331带动刀刃3211沿螺旋沟槽14向本体1内移动，随后退回至本体1内。本发明的海相可燃冰水力开发装置，与钻头配合钻井，在保证小钻井井眼的情况下，进入储层后能扩大储层井眼空间，实现安全高效开发可燃冰，避免了可燃冰在开采过程中泄漏井喷等危害。本发明能通过正常的钻井通道进入可燃冰储层，并利用钻头扭矩带动中心柱2转动而形成钻井液高压集聚，压力作用在螺旋刀刃321弹出本体1后对可燃冰进行切削，增大了沟通储层的通道，当完成钻井时，控制钻头反转，将装置内泄压，螺旋刀刃321回到本体1内，随后从原始钻井通道回收。本装置可以在可燃冰开发过程中保证小井眼开发，增加了开发中的安全性和高效性，避免了气体泄漏污染的风险。以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

权利要求：1.一种海相可燃冰水力开发装置，其特征在于，包括：本体，具有中心通道，所述本体的上端连接有上接头，所述中心通道内设有上半旋过流挡板和下半旋过流挡板，所述上半旋过流挡板连接于所述本体的上端内壁，所述下半旋过流挡板连接于所述本体的下端内壁；中心柱，穿设在所述中心通道内，所述中心柱的两端分别连接有上连动挡板和下连动挡板；所述上半旋过流挡板可转动地套设在所述中心柱的上端并位于所述上连动挡板的上方，所述下半旋过流挡板可转动地套设在所述中心柱的下端并位于所述下连动挡板的下方；磁性机构，具有套设在所述中心柱上的密封套，所述密封套与所述中心柱之间形成有承压腔，所述密封套的外部套设有磁性钢套，所述磁性钢套上连接有螺旋刀刃；在所述承压腔内充入压力液的状态下，所述磁性钢套能径向向外移动，所述螺旋刀刃自所述中心通道伸出至所述本体的外部。2.如权利要求1所述的海相可燃冰水力开发装置，其特征在于，所述本体的外壁上开设有螺旋沟槽，所述螺旋沟槽与所述中心通道相连通，所述螺旋刀刃能自所述螺旋沟槽伸出所述本体的外部。3.如权利要求2所述的海相可燃冰水力开发装置，其特征在于，所述磁性钢套上连接有磁性封堵结构，所述螺旋刀刃连接在所述磁性封堵结构上，在所述螺旋刀刃伸出所述本体的状态下，所述磁性封堵结构抵接在所述本体的内壁上。4.如权利要求3所述的海相可燃冰水力开发装置，其特征在于，所述磁性钢套由套设在所述密封套外部的多个弧形钢板组成，各所述弧形钢板上均连接有多个刀刃，所述多个弧形钢板上的所述多个刀刃组成所述螺旋刀刃。5.如权利要求4所述的海相可燃冰水力开发装置，其特征在于，各所述弧形钢板上均连接有多个磁性封堵块，所述刀刃连接在所述磁性封堵块上，所述多个弧形钢板上的所述多个磁性封堵块组成所述磁性封堵结构。6.如权利要求1所述的海相可燃冰水力开发装置，其特征在于，在所述上半旋过流挡板与所述上连动挡板重合的状态下，下半旋过流挡板与所述下连动挡板交错设置，所述承压腔与所述本体的上端相连通；在所述下半旋过流挡板与所述下连动挡板重合的状态下，所述上半旋过流挡板与所述上连动挡板交错设置，所述承压腔与所述本体的下端相连通。7.如权利要求6所述的海相可燃冰水力开发装置，其特征在于，所述上半旋过流挡板包括相对设置的两个上扇形挡板，所述下半旋过流挡板包括相对设置的两个下扇形挡板，两个所述上扇形挡板与两个所述下扇形挡板上下交错设置。8.如权利要求6所述的海相可燃冰水力开发装置，其特征在于，所述中心柱的下端连接有旋动机构，所述本体的下端内壁连接有止动板，所述旋动机构能抵接在所述止动板上。9.如权利要求8所述的海相可燃冰水力开发装置，其特征在于，所述旋动机构包括相对设置的两个扇形旋动块，所述本体的下端内壁径向相对连接有两个止动板，所述扇形旋动块能抵接在所述止动板上。10.如权利要求9所述的海相可燃冰水力开发装置，其特征在于，所述扇形旋动块的外缘向下设有连接环。

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