[发明专利]一种海底天然气水合物层复合式钻头

说明书

本发明公开了一种海底天然气水合物层复合式钻头，其主要分为三层，第一层为用于领孔钻进的领孔钻头体，并设置有清洁井底、辅助排屑的钻井液喷射孔；第二层为进一步扩大井眼的扩孔钻头体，并设置有利于岩屑排出的螺旋槽；第三层为用于水合物泥沙大径颗粒细化的二次破碎机构。同时，在本钻头体内部设置有增大钻井液流速的渐缩形流道和激发喷射压力的扩压腔。本发明适用于海底浅层天然气水合物流化开采工艺，且更符合水合物层物性特征，从而有效地提高了水合物岩层的破碎效率，实现了水合物泥沙大直径颗粒的细化，解决了长距离水平钻进时岩屑沉积、形成泥包及卡钻的问题。

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采技术领域，特别涉及一种海底天然气水合物层复合式钻头。

背景技术

天然气水合物又称“可燃冰”，是以甲烷为主的烃类气体和水在一定的温度压力条件下形成的“笼型化合物”，是一种白色的固体物质，其密度接近并稍低于冰的密度，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，其存储层主要有砂岩型、砂岩裂隙型、细粒裂隙型和分散型，并且其通常存在于水深300～3000m的海底。天然气水合物在世界范围内广泛存在，据相关科学家的评价结果表明，仅在海底区域，天然气水合物的分布面积就达4000万平方公里，占地球海洋总面积的1/4。2011年，世界上已发现的天然气水合物分布区多达116处，其矿层之厚、规模之大，是常规天然气田无法相比的。

目前，各国都在探索如何开采天然气水合物。基于我国海域天然气水合物钻探取样储层具有埋深浅、无致密盖层、非成岩、弱胶结、易于碎化等特点，提出了针对深水浅层非成岩天然气水合物固态流化试采方案，其核心思想是将深水浅层非成岩天然气水合物矿体通过机械破碎流化转移到密闭的气、液、固多相举升管道内，利用举升过程中海水温度升高、静水压力降低的自然规律使水合物逐步气化，变非成岩天然气水合物分解过程的不可控为可控，实现深水浅层天然气水合物安全开采。

针对不同埋深的水合物资源，固态流化开采方法可分为表层固态流化和浅层固态流化两种。目前，结合常规油气钻井技术，对于海底浅层水合物固态流化开采，现已提出了较为成熟的工艺技术，其主要由海面支持系统、管道输送系统和海底钻采系统组成。其中，海底钻采系统是实现海底浅层水合物商业化开采的关键，而对于海底钻采系统来说，钻头是保障水合物层井眼高效钻进的最关键组成。然而，当前对于水合物层的钻进常选配现有钻头，而现有钻头并未考虑海底浅层天然气水合物物性，也未结合海底浅层水合物固态流化开采工艺。同时，对于海底浅层天然气水合物开采，主要采用水平井模式。因此，钻进过程涉及水合物层长距离水平段钻进，而在水平段钻进过程中水合物泥沙容易沉积在水平井底部。此外，采用现有的钻头破碎水合物岩层会产生大直径水合物泥沙胶结颗粒，不易吸入水合物回收通道，降低水合物泥沙浆体排出速度，甚至会形成泥包，导致卡钻等严重后果。因此，为了保证海底浅层天然气水合物高效、安全开采和为商业化开采提供技术与装备保障，亟需发明一种针对海底浅层天然气水合物物性，且满足固态流化开采工艺的复合钻头，实现水合物层长距离水平井眼的快速、高效钻进。

发明内容

针对上述技术问题,本发明提供了一种海底天然气水合物层复合式钻头,以实现海底浅层天然气水合物的高效破碎和对于水合物泥沙大径颗粒的二次破碎，解决大块岩屑沉积问题，提高水合物泥沙浆体的排出效率。

本发明技术方案如下：