[发明专利]一种用于海底浅层天然气水合物的钻井钻头

说明书

本发明涉及一种用于海底浅层天然气水合物的钻井钻头，其包括球形钻孔部分、螺旋排屑部分和尾部连接部分；所述球形钻孔部分设置有三条S形刀翼和圆弧形排屑槽，其刀翼上布置有切削齿，排屑槽内布置有辅助破碎的射流喷嘴；所述螺旋排屑部分包含腰形凹槽、三条螺旋形刀翼及排屑槽，其腰形凹槽内布置有第一级辅助岩屑上返的射流喷嘴，螺旋刀翼上布置有保径切削齿，排屑槽尾部布置有第二级辅助岩屑上返的射流喷嘴；所述尾部连接部分设置连接螺纹和卸扣槽。本发明采用S形钻齿刀翼和螺旋形保径齿刀翼，结合射流喷嘴辅助破岩和岩屑上返，能够有效地应用于海底浅层天然气水合物钻井，降低井底压差、提高破岩和排岩效率，并进一步提高水合物的开采效率。

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采技术领域，具体地讲涉及一种用于海底浅层天然气水合物的钻井钻头。

背景技术

天然气水合物俗称“可燃冰”，是一种由水和气体分子（以甲烷为主）在低温高压及气体浓度大于其溶解度条件下形成的结晶状固体物质，其主要分布于陆地上永久冻土带和海底浅层沉积物层中，其中99%的天然气水合物资源存在于海洋。单位体积的可燃冰燃烧产生的热量是同体积天然气的164倍，且燃烧后生产的CO₂温室气体更少，据初步估计全球的可燃冰储量，可达现有已探明的化石能源总储量的2倍之多，被世界各国认为是21世纪最有效的清洁型接替能源，世界各国均在积极探索如何高效地开采可燃冰资源。

海底浅层天然气水合物附存于海底150~600m的沉积物岩层中，具有埋藏深度浅、矿藏疏松、弱胶结或未胶结等特点，其开采的基本思路是借用陆上油气水平钻井技术，并利用机械旋转和水射流等方式破碎水合物岩层钻进、扩大井眼。因而设计新型适用于海洋天然气水合物的钻井钻头，将为水合物的高效开采提供可靠的解决途径，为水合物的商业化开发提供技术保障；专利CN201410814838.4发明了一种用于开采可燃冰的钻头，该专利设计了一种可用于横向和纵向钻进的碗型结构钻头，其包含切削部分和排削部分，能够实现海底表层可燃冰的破碎和收集。专利CN201810823654.2发明了一种海底天然气水合物层复合式钻头，该专利设计了一种包含领孔钻头体、扩孔钻头体和二次破碎机构的三层结构式钻头，能够实现水合物岩层的破碎和细化。以上专利均只从钻头结构上进行改进，没有结合水合物本身的物性特点进行多种组合方式钻头设计，因而很难实现水合物岩层的高效破碎钻进，对提高水合物开采效率的贡献很有限，且不能很好的适用于陆地冻土水合物开采。

发明内容

针对上述技术问题,本发明提出了一种用于海底浅层天然气水合物的钻井钻头，采用S形钻齿刀翼和螺旋形保径齿刀翼，并结合射流喷嘴喷射流体进行高效破岩，同时采用两级斜射流喷嘴辅助岩屑快速上返，能够有效地提高钻头钻进海底沉积物层的破碎效率，进一步提高水合物的开采效率。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种用于海底浅层天然气水合物的钻井钻头，其特征在于：其由球形钻孔部分、螺旋排屑部分和尾部连接部分所组成，所述球形钻孔部分和螺旋排屑部分整体铸造或采用焊接方式相连；所述球形钻孔部分上设置有S形刀翼和圆弧形排屑槽，其球头前端布置有一颗切削尖齿，所述S形刀翼上布置有若干切削齿，所述圆弧形排屑槽内设置有若干用于辅助破碎岩石的射流喷嘴；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，所述腰形凹槽内沿圆周均匀布置若干第一级辅助岩屑上返的斜射流喷嘴，所述螺旋形刀翼上布置有若干保径切削齿，所述螺旋形排屑槽的后端和钻头尾部斜面上均布置有若干第二级辅助岩屑上返的斜射流喷嘴；所述尾部连接部分设置有连接螺纹和卸扣槽。

所述球形钻孔部分和S形刀翼的整体结构外形呈圆形球头状。

所述S形刀翼、所述圆弧形排屑槽以及所述螺旋形刀翼和所述螺旋形排屑槽的数量均为三个，且沿钻头圆周方向均匀分布。

所述螺旋形刀翼与所述钻头的轴线夹角为β，且螺旋夹角β的取值范围为5°~30°。

所述射流喷嘴的喷射方向整体沿钻进方向，所述辅助岩屑上返的两级斜射流喷嘴的喷射方向整体沿钻进相反方向。