專利名稱：孔底冷凍繩索取心鉆具及其取心方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種孔底冷凍繩索取心鉆具和取心方法，尤其適用于天然氣水合物鉆 探孔底冷凍取心。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，煤、石油、天然氣等常規(guī)能源已不能滿足人類發(fā)展的需求， 天然氣水合物以其豐富的儲(chǔ)量，在未來成為煤、石油、天然氣等常規(guī)能源的替代能源也被人 類所共識(shí)。天然氣水合物形成和賦存在高壓低溫的環(huán)境下。根據(jù)天然氣水合物穩(wěn)壓特性曲 線，如果溫度或者壓力條件變化超過平衡條件，就會(huì)導(dǎo)致天然氣水合物分解。如何獲取高保 真的天然氣水合物樣品，對(duì)鉆探取心工作提出了很高的要求。目前國(guó)內(nèi)外的天然氣水合物 取樣器主要由兩種設(shè)計(jì)思路一種是孔底保壓取樣器，一種是孔底冷凍取樣器?？椎妆喝?樣器的思路是當(dāng)水合物巖心進(jìn)入保壓巖心管后，通過球閥關(guān)閉巖心管底部使巖心保持初始 壓力，并利用壓力補(bǔ)償裝置控制壓力，來維持巖心壓力在提鉆的過程中保持不變，提到地表 后再對(duì)巖心進(jìn)行冷凍保存。這種思路對(duì)于球閥的強(qiáng)度和密封性要求特別高，一旦球閥密封 性下降，就會(huì)導(dǎo)致水合物分解，取心失敗。孔底冷凍取樣器的思路是當(dāng)鉆進(jìn)回次結(jié)束，水合 物巖心充滿巖心管后，利用沖洗液壓力將冷凍劑壓入到巖心管周圍密封的冷凍腔體內(nèi)部， 冷凍劑與水合物巖心通過銅質(zhì)的巖心管發(fā)生熱交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)水合物巖心的冷凍。根據(jù)天然 氣水合物溫壓特性曲線，其分解壓力隨著溫度的降低而降低。如果能夠把天然氣水合物巖 心冷凍到-45攝氏度，即使壓力小于一個(gè)大氣壓，也可以保證水合物巖心不分解?，F(xiàn)有的孔底冷凍取樣鉆具采用的是干冰作為冷凍劑，酒精做為載冷劑，且為投球 提鉆式取心，其不足是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于干冰為固態(tài)，需采用酒精作為載冷劑，先與干冰反應(yīng) 成為低溫酒精后，才能注入冷凍腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷凍，這就使取樣器結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；冷東效率低， 效果差，由于必須采用酒精作為載冷劑，有很大一部分冷量被酒精帶走，不能實(shí)現(xiàn)冷凍劑冷 量的充分利用；為投球提鉆取心，在鉆進(jìn)回次結(jié)束后，通過鉆桿向取樣器內(nèi)投入鋼球來改變 沖洗液流通道，以實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凍過程的控制。這就決定了回次結(jié)束后只能采用提鉆的方法獲 取巖心，提鉆時(shí)間長(zhǎng)，工作量大。而且在提鉆過程中，水合物巖心會(huì)產(chǎn)生二次分解。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種是用液氮在孔底降低水 合物巖心溫度來抑制天然氣水合物分解，適用于陸地凍土層天然氣水合物鉆探取樣的天然 氣水合物孔底冷凍繩索取樣鉆具。本發(fā)明的另一目的是提供一種用于陸地永凍層天然氣水合物保真取樣的取樣方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的用液氮作為冷凍劑，通過液氮?dú)饣鼰嵩诳椎桌鋬鰩r心，抑制天然氣水合物的分解。液氮?dú)饣吞烊粴馑衔锟椎桌鋬隼K索取樣器包括外管總成與內(nèi)管總成。在獲取 巖心時(shí)，通過繩索取心的方法，用打撈器將內(nèi)管總成從外管總成打撈上來。內(nèi)管總成包括矛頭1通過銷釘5與錐軸4鉸接，定位鋼球3與定位彈簧2安裝在 矛頭1與錐軸3之間，錐軸4采用空心銷釘I 8嵌套在提引套筒6上部，提引套筒6與彈卡 座9同心，并且為間隙配合，提引套筒6沿軸向滑動(dòng)，空心銷釘II 10穿過彈卡座的銷釘槽， 兩端鉚固在提引套筒壁上，彈卡座9的銷釘槽通過限制空心銷釘10的運(yùn)動(dòng)距離，限制提引 套筒6的沿軸向上運(yùn)動(dòng)距離，彈卡15與鉸鏈11采用鉚釘16組成鉸鏈?zhǔn)綇椏ǘㄎ粰C(jī)構(gòu)，彈卡 15的固定端通過空心銷釘III 13固定在彈卡座9上，彈卡座9通過鉚釘14與主軸22連接， 懸掛環(huán)18通過螺紋安裝在主軸22上部臺(tái)肩螺紋處，采用止退螺母19固緊，主軸22為中空 結(jié)構(gòu)，主軸22頂端側(cè)壁設(shè)有4個(gè)Φ19的斜孔20，斜孔I 20中線與主軸軸線22成45°角， 座環(huán)21下部的主軸22側(cè)壁設(shè)有4個(gè)Φ19的斜孔II 23，斜孔II 23中線與主軸軸線成45° 角，斜孔I 20與斜孔II 23均沿主軸外壁周向均布，中空心軸27通過螺紋與主軸22下部連 接，并用固緊圓螺母28鎖緊，心軸套30與中空心軸27為間隙配合，心軸套30上端為推力 軸承31，下端為推力軸承32，推力軸承31坐于軸承擋蓋29內(nèi)部，推力軸承32由緩沖彈簧 33壓緊，然后采用擋圈34與螺母35將彈簧固定；連接短管36上端通過內(nèi)螺紋與心軸套30外螺紋連接，下端通過內(nèi)螺紋與控制接 頭37外螺紋連接，中空心軸27下端將插入到控制接頭37上部孔內(nèi)，之間為間隙配合，控制 活塞38坐于控制接頭37中心活塞通道內(nèi)，控制彈簧39壓在控制活塞38下部，擋片45將 控制彈簧壓緊，用緊定螺釘將擋片45固定在控制接頭37上，泄流彈簧42、泄流閥鋼球43和 泄流閥44組成泄流閥組合，依次安裝于泄流孔41內(nèi)；活塞腔體49上端通過內(nèi)螺紋與控制接頭37外螺紋連接，下端通過內(nèi)螺紋與活塞 腔下接頭50連接，活塞47位于活塞腔內(nèi)上部，活塞47外壁與活塞腔體49內(nèi)壁為同軸間隙 配合，活塞36外壁和活塞腔體49內(nèi)壁之間采用“0”型圈密封，活塞47在活塞腔體49內(nèi) 軸向滑動(dòng)，活塞47通過螺母46固定在活塞桿48上端，活塞47內(nèi)壁與活塞桿48外壁采用 “0”型圈密封，活塞桿48穿過活塞腔下接頭50中心通道延伸到活塞腔下接頭下部液氮腔58 內(nèi)，活塞桿48與活塞腔下接頭50中心通道為間隙配合，在活塞腔下接頭50上端面設(shè)有排 氣孔51下端面設(shè)有排氣孔54，排氣閥52裝在排氣孔51內(nèi)，排氣閥53裝在排氣孔54內(nèi)；液氮腔體58上端通過內(nèi)螺紋與活塞腔下接頭50外螺紋連接，下端通過內(nèi)螺紋與 巖心管接手65外螺紋連接，液氮罐59位于液氮腔體58內(nèi)，液氮罐上支撐55支撐在液氮罐 59上端，液氮罐下支撐60支撐在液氮罐59下端，液氮罐59下端為球形端面，液氮罐上支 撐55、液氮罐下支撐60和液氮罐59上下端面間為靜接觸，使液氮罐59與液氮腔 體58保持 較高的同軸度，液氮罐59外壁與液氮腔體58內(nèi)壁設(shè)有2-4mm間隙；活塞桿48延伸到液氮 罐59上部，液氮活塞56通過螺母57固定在活塞桿48下端，液氮活塞56與液氮罐59內(nèi)壁 為間隙配合，液氮活塞56外壁與液氮罐59內(nèi)壁間隙采用“0”型圈密封，液氮活塞56內(nèi)壁 和活塞桿48外壁間隙采用“0”型圈密封，在活塞桿48的推動(dòng)下，液氮活塞56沿液氮罐59 內(nèi)壁軸向運(yùn)動(dòng)，單向閥座62、單向閥鋼球61、調(diào)壓彈簧63和單向閥彈簧座64構(gòu)成液氮單向 閥，液氮單向閥通過單向閥座50上部的螺紋連接到液氮59罐下端，單向閥彈簧座64下端 與巖心管接手65之間用橡膠墊靜密封；
冷凍腔體70上端與巖心管接手65螺紋連接，巖心管71上端與巖心管接手65螺 紋連接，冷凍腔體70下端與卡簧座75螺紋連接，巖心管71與冷凍腔體70內(nèi)壁的環(huán)狀空間 構(gòu)成冷凍腔，半合管72襯于巖心管71內(nèi)壁，上端與巖心管接手65靜接觸，下端坐于卡簧座 75內(nèi)壁臺(tái)階上，止逆閥座69與止逆閥球68旋于巖心管接手65中心螺紋孔內(nèi)；排氣閥III 67 安裝于巖心管接手65下端的排氣孔66內(nèi)，端蓋78旋于冷凍腔體70下端，并用硅橡膠墊77 密封，構(gòu)成一個(gè)封閉的冷凍腔，卡簧座75穿過端蓋78，卡簧座75外壁與端蓋78內(nèi)壁間隙配 合，并采用“0”型圈密封，卡簧76坐于卡簧座75下部錐形內(nèi)壁；外管總成包括彈卡室12與彈卡擋頭7螺紋連接，內(nèi)花鍵短接17上部與彈卡室 12螺紋連接，下端與內(nèi)花鍵25螺紋連接，內(nèi)花鍵25與外花鍵24通過花鍵配合，外花鍵24 沿軸向滑動(dòng)，內(nèi)花鍵25內(nèi)壁的臺(tái)階與外花鍵24外壁的臺(tái)階限制外花鍵24沿軸向的滑動(dòng)距 離，外花鍵24通過螺紋連接外管27，導(dǎo)正環(huán)73嵌于外管26下端內(nèi)壁，擴(kuò)孔器74連接到外 管26下端螺紋上，將導(dǎo)正環(huán)73壓緊，擴(kuò)孔器74下端通過螺紋與鉆頭79連接，鉆頭79與卡 簧座75之間設(shè)有4-6mm的間隙。孔底冷凍繩索取心方法包括以下順序和步驟a、當(dāng)鉆進(jìn)接近達(dá)到天然氣水合物層時(shí)，先將組裝好的外管總成下入孔內(nèi)，再將組 裝好的內(nèi)管總成，用打撈器通過鉆桿將內(nèi)管總成下入外管總成內(nèi)，內(nèi)管總成到達(dá)孔底之后 開鉆；b、當(dāng)巖心管充滿巖心，回次結(jié)束，停泵，提動(dòng)鉆桿，使取樣器提離孔底80-100cm距 離，外花鍵24在外管總成的重力作用下向下滑動(dòng)80-100mm，將內(nèi)管總成與外管總成間的環(huán) 狀間隙封死；c、開泵，由于內(nèi)管總成與外管總成間的環(huán)狀間隙被封死，沖洗液通過中空心軸27 的中心通道，到達(dá)控制接頭37，推動(dòng)控制活塞38下行到活塞通道周圍的3個(gè)泄流通道40 內(nèi)，沖洗液經(jīng)泄流通道40進(jìn)入到活塞腔體49，推動(dòng)活塞47沿活塞腔體49下行，活塞47通 過活塞桿48推動(dòng)液氮活塞56下行，液氮罐59內(nèi)的液氮在液氮活塞56壓力作用下，推開液 氮罐59底部的單向閥組合，經(jīng)巖心管接手65設(shè)有的斜孔80與軸向孔81構(gòu)成的通孔，進(jìn)入 到巖心管71與冷凍腔體70間的環(huán)狀空間內(nèi)，液氮?dú)饣鼰?，通過巖心管71及半合管72將 巖心冷凍到-20°C，液氮?dú)饣纬傻牡獨(dú)馔ㄟ^巖心管接手65)的排氣閥67排出；d、在孔底冷凍5-10分鐘后，在地表下入打撈器，將內(nèi)管總成打撈至地表；e、卸下端蓋78和卡簧座75，將半合管72連同巖心樣品一同從巖心管71內(nèi)抽出；f、將半合管72兩端用膠塞密封，巖心樣品連同半合管72用液氮儲(chǔ)存罐或者高壓 容器保存。本發(fā)明的目的還可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)控制接頭37中心設(shè)有控制活塞通道，控制活塞38通過控制彈簧39壓緊，將控制 活塞通道封死，當(dāng)沖洗液壓力達(dá)到0. 5MPa時(shí)，將控制活塞38推開?？刂平宇^37設(shè)有的活 塞通道周圍設(shè)有三個(gè)直角形的泄流通道40，泄流通道40上端與活塞通道相通，下端與活塞 腔相通，當(dāng)沖洗液將控制活塞38推開后，活塞通道與直角形的沖洗液流通道貫通。液氮罐 59和冷凍腔體70為雙層真空絕熱結(jié)構(gòu)。巖心管接手65設(shè)有的斜孔80與軸向孔81構(gòu)成通 孔，液氮單向閥開啟后，液氮經(jīng)過該通孔進(jìn)入冷凍腔。有益效果本發(fā)明采用單純冷凍取樣，使用液氮做為冷凍劑，冷凍過程中液氮快速
7氣化，可實(shí)現(xiàn)快速冷凍，冷凍效果好；將繩索取心與孔底冷凍結(jié)合，實(shí)現(xiàn)不提鉆快速取心； 鉆進(jìn)時(shí)內(nèi)管總成不回轉(zhuǎn)，因而在較大程度上避免了因鉆具回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械力對(duì)水合物巖心 的破壞，更有效地提高了巖心采取率、完整度和代表性，并采用半合管式快速地表取樣，可 快速在地表獲得巖心。


圖1 4為孔底冷凍繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)圖；圖1右端連接圖2左端，圖2的右端連接圖3左端，圖3右端連接圖4左端。1矛頭，2定位彈簧，3定位鋼球，4錐軸，5銷釘，6提引套筒，7彈卡擋頭，8空心銷 釘I，9彈卡座，10空心銷釘II，11鉸鏈，12彈卡室，13空心銷釘III，14銷釘，15彈卡，16鉚 釘，17內(nèi)花鍵接手，18懸掛環(huán)，19止退螺母，20斜孔I，21座環(huán)，22主軸，23斜孔II，24外花 鍵，25內(nèi)花鍵，26外管，27中空心軸，28鎖緊螺母，29軸承擋蓋，30內(nèi)管軸套，31推力軸承， 32推力軸承，33緩沖彈簧，34擋片，35連接短管，36活塞，37控制接頭，38控制活塞，39控制 彈簧，40泄流通道，41泄流孔，42泄流閥彈簧，43泄流閥球，44泄流閥體，45擋片，46螺母， 47活塞，48活塞桿，49活塞腔體，50活塞腔下接手，51排氣孔I，52排氣閥I，53排氣閥II， 54排氣孔II，55液氮罐上支撐，56液氮活塞，57螺母，58液氮腔體，59液氮罐，60液氮罐下 支撐，61單向閥球，62單向閥座，63單向閥彈簧，64單向閥彈簧座，65巖心管接手，66排氣 孔，67排氣閥III，68止逆閥球，69止逆閥座，70冷凍腔體，71巖心管，72半合管，73導(dǎo)正環(huán)， 74擴(kuò)孔器，75卡簧座，76卡簧，77密封墊，78端蓋，79鉆頭，80斜孔，81軸向孔。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說明附圖中圖1右端連接圖2左端，圖2的右端連接圖3左端圖3的右端連接圖4的 左端，構(gòu)成天然氣水合物孔底冷凍繩索取樣器整體結(jié)構(gòu)圖。該鉆具總體由內(nèi)管總成與外管總成構(gòu)成，鉆進(jìn)過程中，沖洗液經(jīng)由內(nèi)管總成與外 管總成的環(huán)狀間隙到達(dá)鉆具底部的鉆頭處，攜帶巖屑經(jīng)鉆桿與孔壁的環(huán)狀間隙上返至地表。實(shí)施例1孔底冷凍繩索取心鉆具首先組裝外管總成彈卡室12與彈卡擋頭7螺紋連接，內(nèi)花鍵短接17上部與彈卡 室12螺紋連接，下端與內(nèi)花鍵25螺紋連接，內(nèi)花鍵25與外花鍵24通過花鍵配合，外花鍵 24沿軸向滑動(dòng)，內(nèi)花鍵25內(nèi)壁的臺(tái)階與外花鍵24外壁的臺(tái)階限制外花鍵24沿軸向的滑動(dòng) 距離，外花鍵24通過螺紋連接外管27，導(dǎo)正環(huán)73嵌于外管26下端內(nèi)壁，擴(kuò)孔器74連接到 外管26下端螺紋上，將導(dǎo)正環(huán)73壓緊，擴(kuò)孔器74下端通過螺紋與鉆頭79連接，鉆頭79與 卡簧座75之間設(shè)有4mm的間隙。然后組裝內(nèi)管總成在組裝內(nèi)管總成的同時(shí)向液氮罐59充填5L液氮，矛頭1通 過銷釘5與錐軸4鉸接，矛頭1以銷釘5為軸轉(zhuǎn)動(dòng)0° 士 90°，這樣在放倒內(nèi)管時(shí)，可防 止撈矛頭1從打撈器的撈鉤中脫出，以免摔壞內(nèi)管和弄彎內(nèi)管，定位鋼球3與定位彈簧2安 裝在矛頭1的孔內(nèi)，當(dāng)矛頭1與錐軸4同軸時(shí)，定位鋼球3陷入錐軸4的球窩內(nèi)，起到對(duì)矛頭1的定位作用，保證矛頭1在內(nèi)管總成沿鉆桿柱下降時(shí)，保持與內(nèi)管總成同軸，防止矛頭 1刮擋鉆桿柱內(nèi)壁；矛頭1通過銷釘5與錐軸4鉸接，定位鋼球3與定位彈簧2安裝在矛頭 1與錐軸3之間，錐軸4采用空心銷釘I 8嵌套在提引套筒6上部，提引套筒6與彈卡座9 同心，并且為間隙配合，提引套筒6沿軸向滑動(dòng)，空心銷釘II 10穿過彈卡座的銷釘槽，兩端 鉚固在提引套筒壁上，彈卡座9的銷釘槽通過限制空心銷釘10的運(yùn)動(dòng)距離，限制提引套筒6 的沿軸向上運(yùn)動(dòng)距離，彈卡15與鉸鏈11采用鉚釘16組成鉸鏈?zhǔn)綇椏ǘㄎ粰C(jī)構(gòu)，彈卡15固 定端通過空心銷釘III 13固定在彈卡座9上，彈卡座9通過鉚釘14與主軸22連接，懸掛環(huán) 18通過螺紋安裝在主軸22上部臺(tái)肩螺紋處，用止退螺母19固緊，主軸22為中空結(jié)構(gòu)，主 軸22頂端側(cè)壁設(shè)有4個(gè)019的斜孔20，斜孔I 20中線與主軸軸線22成45°角，座環(huán)21 下部的主軸22側(cè)壁設(shè)有4個(gè)019的斜孔II 23，斜孔II 23中線與主軸軸線成45°角，斜孔 I 20與斜孔II 23均沿主軸外壁周向均布，中空心軸27通過螺紋與主軸22下部連接，并用 固緊圓螺母28鎖緊，心軸套30與中空心軸27為間隙配合，心軸套30上端為推力軸承31， 下端為推力軸承32，推力軸承31坐于軸承擋蓋29內(nèi)部，推力軸承32由緩沖彈簧33壓緊， 然后采用擋圈34與螺母35將彈簧固定；連接短管36上端通過內(nèi)螺紋與心軸套30外螺紋連接，下端通過內(nèi)螺紋與控制接 頭37外螺紋連接，中空心軸27下端將插入到控制接頭37上部孔內(nèi)，之間為間隙配合，控制 活塞38坐于控制接頭37中心活塞通道內(nèi)，控制彈簧39壓在控制活塞38下部，擋片45將 控制彈簧壓緊，用緊定螺釘將擋片45固定在控制接頭37上，泄流彈簧42、泄流閥鋼球43和 泄流閥44組成泄流閥組合，依次安裝于泄流孔41內(nèi)；活塞腔體49上端通過內(nèi)螺紋與控制接頭37外螺紋連接，下端通過內(nèi)螺紋與活塞 腔下接頭50連接，活塞47位于活塞腔內(nèi)上部，活塞47外壁與活塞腔體49內(nèi)壁為同軸間隙 配合，活塞36外壁和活塞腔體49內(nèi)壁之間采用“0”型圈密封，活塞47在活塞腔體49內(nèi) 軸向滑動(dòng)，活塞47通過螺母46固定在活塞桿48上端，活塞47內(nèi)壁與活塞桿48外壁采用 “0”型圈密封，活塞桿48穿過活塞腔下接頭50中心通道延伸到活塞腔下接頭下部液氮腔58 內(nèi)，活塞桿48與活塞腔下接頭50中心通道為間隙配合，在活塞腔下接頭50上端面設(shè)有排 氣孔51下端面設(shè)有排氣孔54，排氣閥52裝在排氣孔51內(nèi)，排氣閥53裝在排氣孔54內(nèi)；液氮腔體58上端通過內(nèi)螺紋與活塞腔下接頭50外螺紋連接，下端通過內(nèi)螺紋與 巖心管接手65外螺紋連接，液氮罐59位于液氮腔體58內(nèi)，液氮罐上支撐55支撐在液氮罐 59上端，液氮罐下支撐60支撐在液氮罐59下端，液氮罐59下端為球形端面，液氮罐上支撐 55、液氮罐下支撐60和液氮罐59上下端面間為靜接觸，使液氮罐59與液氮腔體58保持較 高的同軸度，液氮罐59外壁與液氮腔體58內(nèi)壁設(shè)有2mm間隙；活塞桿48延伸到液氮罐59 上部，液氮活塞56通過螺母57固定在活塞桿48下端，液氮活塞56與液氮罐59內(nèi)壁為間 隙配合，液氮活塞56外壁與液氮罐59內(nèi)壁間隙采用“0”型圈密封，液氮活塞56內(nèi)壁和活 塞桿48外壁間隙采用“0”型圈密封，在活塞桿48的推動(dòng)下，液氮活塞56沿液氮罐59內(nèi)壁 軸向運(yùn)動(dòng)，單向閥座62、單向閥鋼球61、調(diào)壓彈簧63和單向閥彈簧座64構(gòu)成液氮單向閥， 液氮單向閥通過單向閥座50上部的螺紋連接到液氮59罐下端，單向閥彈簧座64下端與巖 心管接手65之間用橡膠墊靜密封；冷凍腔體70上端與巖心管接手65螺紋連接，巖心管71上端與巖心管接手65螺 紋連接，冷凍腔體70下端與卡簧座75螺紋連接，巖心管71與冷凍腔體70內(nèi)壁的環(huán)狀空間構(gòu)成冷凍腔，半合管72襯于巖心管71內(nèi)壁，上端與巖心管接手65靜接觸，下端坐于卡簧座 75內(nèi)壁臺(tái)階上，止逆閥座69與止逆閥球68旋于巖心管接手65中心螺紋孔內(nèi)；排氣閥III 67 安裝于巖心管接手65下端的排氣孔66內(nèi)，端蓋78旋于冷凍腔體70下端，并用硅橡膠墊77 密封，構(gòu)成一個(gè)封閉的冷凍腔，卡簧座75穿過端蓋78，卡簧座75外壁與端蓋78內(nèi)壁間隙配 合，并采用“O”型圈密封，卡簧76坐于卡簧座75下部錐形內(nèi)壁?？椎桌鋬隼K索取心方法包括以下順序和步驟
a、當(dāng)鉆進(jìn)接近達(dá)到天然氣水合物層時(shí)，先將組裝好的外管總成下入孔內(nèi)，再將內(nèi) 管總成，用打撈器通過鉆桿將內(nèi)管總成下入外管總成內(nèi)，內(nèi)管總成到達(dá)孔底之后開鉆。b、當(dāng)巖心管充滿巖心，回次結(jié)束，停泵，提動(dòng)鉆桿，使取樣器提離孔底80cm距離， 外花鍵24在外管總成的重力作用下向下滑動(dòng)80mm，將內(nèi)管總成與外管總成間的環(huán)狀間隙 封死；C、開泵，由于內(nèi)管總成與外管總成間的環(huán)狀間隙被封死，沖洗液通過中空心軸27 的中心通道，到達(dá)控制接頭37，推動(dòng)控制活塞38下行到活塞通道周圍的3個(gè)泄流通道40 內(nèi)，沖洗液經(jīng)泄流通道40進(jìn)入到活塞腔體49，推動(dòng)活塞47沿活塞腔體49下行，活塞47通 過活塞桿48推動(dòng)液氮活塞56下行，液氮罐59內(nèi)的液氮在液氮活塞56壓力作用下，推開液 氮罐59底部的單向閥組合，經(jīng)巖心管接手65設(shè)有的斜孔80與軸向孔81構(gòu)成的通孔，進(jìn)入 到巖心管71與冷凍腔體70間的環(huán)狀空間內(nèi)，液氮?dú)饣鼰?，通過巖心管71及半合管72將 巖心冷凍到-20°C，液氮?dú)饣纬傻牡獨(dú)馔ㄟ^巖心管接手65)的排氣閥67排出；d、在孔底冷凍5-10分鐘后，在地表下入打撈器，將內(nèi)管總成打撈至地表；e、卸下端蓋78和卡簧座75，將半合管72連同巖心樣品一同從巖心管71內(nèi)抽出；f、將半合管72兩端用膠塞密封，巖心樣品連同半合管72用液氮儲(chǔ)存罐保存。實(shí)施例2孔底冷凍繩索取心鉆具首先組裝外管總成彈卡室12與彈卡擋頭7螺紋連接，內(nèi)花鍵短接17上部與彈卡 室12螺紋連接，下端與內(nèi)花鍵25螺紋連接，內(nèi)花鍵25與外花鍵24通過花鍵配合，外花鍵 24沿軸向滑動(dòng)，內(nèi)花鍵25內(nèi)壁的臺(tái)階與外花鍵24外壁的臺(tái)階限制外花鍵24沿軸向的滑動(dòng) 距離，外花鍵24通過螺紋連接外管27，導(dǎo)正環(huán)73嵌于外管26下端內(nèi)壁，擴(kuò)孔器74連接到 外管26下端螺紋上，將導(dǎo)正環(huán)73壓緊，擴(kuò)孔器74下端通過螺紋與鉆頭79連接，鉆頭79與 卡簧座75之間設(shè)有6mm的間隙。然后組裝內(nèi)管總成在組裝內(nèi)管總成的同時(shí)向液氮罐59充填7L液氮，矛頭1通 過銷釘5與錐軸4鉸接，矛頭1以銷釘5為軸轉(zhuǎn)動(dòng)0° 士 90°，這樣在放倒內(nèi)管時(shí)，可防 止撈矛頭1從打撈器的撈鉤中脫出，以免摔壞內(nèi)管和弄彎內(nèi)管，定位鋼球3與定位彈簧2安 裝在矛頭1的孔內(nèi)，當(dāng)矛頭1與錐軸4同軸時(shí)，定位鋼球3陷入錐軸4的球窩內(nèi)，起到對(duì)矛 頭1的定位作用，保證矛頭1在內(nèi)管總成沿鉆桿柱下降時(shí)，保持與內(nèi)管總成同軸，防止矛頭 1刮擋鉆桿柱內(nèi)壁；矛頭1通過銷釘5與錐軸4鉸接，定位鋼球3與定位彈簧2安裝在矛頭 1與錐軸3之間，錐軸4采用空心銷釘I 8嵌套在提引套筒6上部，提引套筒6與彈卡座9 同心，并且為間隙配合，提引套筒6沿軸向滑動(dòng)，空心銷釘II 10穿過彈卡座的銷釘槽，兩端 鉚固在提引套筒壁上，彈卡座9的銷釘槽通過限制空心銷釘10的運(yùn)動(dòng)距離，限制提引套筒6 的沿軸向上運(yùn)動(dòng)距離，彈卡15與鉸鏈11采用鉚釘16組成鉸鏈?zhǔn)綇椏ǘㄎ粰C(jī)構(gòu)，彈卡15固定端通過空心銷釘III 13固定在彈卡座9上，彈卡座9通過鉚釘14與主軸22連接，懸掛環(huán) 18通過螺紋安裝在主軸22上部臺(tái)肩螺紋處，用止退螺母19固緊，主軸22為中空結(jié)構(gòu)，主 軸22頂端側(cè)壁設(shè)有4個(gè)019的斜孔20，斜孔I 20中線與主軸軸線22成45°角，座環(huán)21 下部的主軸22側(cè)壁設(shè)有4個(gè)019的斜孔II 23，斜孔II 23中線與主軸軸線成45°角，斜孔 I 20與斜孔II 23均沿主軸外壁周向均布，中空心軸27通過螺紋與主軸22下部連接，并用 固緊圓螺母28鎖緊，心軸套30與中空心軸27為間隙配合，心軸套30上端為推力軸承31， 下端為推力軸承32，推力軸承31坐于軸承擋蓋29內(nèi)部，推力軸承32由緩沖彈簧33壓緊， 然后采用擋圈34與螺母35將彈簧固定；連接短管36上端通過內(nèi)螺紋與心軸套30外螺紋連接，下端通過內(nèi)螺紋與控制接 頭37外螺紋連接，中空心軸27下端將插入到控制接頭37上部孔內(nèi)，之間為間隙配合，控制 活塞38坐于控制接頭37中心活塞通道內(nèi)，控制彈簧39壓在控制活塞38下部，擋片45將 控制彈簧壓緊，用緊定螺釘將擋片45固定在控制接頭37上，泄流彈簧42、泄流閥鋼球43和 泄流閥44組成泄流閥組合，依次安裝于泄流孔41內(nèi)；活塞腔體49上端通過內(nèi)螺紋與控制接頭37外螺紋連接，下端通過內(nèi)螺紋與活塞 腔下接頭50連接，活塞47位于活塞腔內(nèi)上部，活塞47外壁與活塞腔體49內(nèi)壁為同軸間隙 配合，活塞36外壁和活塞腔體49內(nèi)壁之間采用“0”型圈密封，活塞47在活塞腔體49內(nèi) 軸向滑動(dòng)，活塞47通過螺母46固定在活塞桿48上端，活塞47內(nèi)壁與活塞桿48外壁采用 “0”型圈密封，活塞桿48穿過活塞腔下接頭50中心通道延伸到活塞腔下接頭下部液氮腔58 內(nèi)，活塞桿48與活塞腔下接頭50中心通道為間隙配合，在活塞腔下接頭50上端面設(shè)有排 氣孔51下端面設(shè)有排氣孔54，排氣閥52裝在排氣孔51內(nèi)，排氣閥53裝在排氣孔54內(nèi)；液氮腔體58上端通過內(nèi)螺紋與活塞腔下接頭50外螺紋連接，下端通過內(nèi)螺紋與 巖心管接手65外螺紋連接，液氮罐59位于液氮腔體58內(nèi)，液氮罐上支撐55支撐在液氮罐 59上端，液氮罐下支撐60支撐在液氮罐59下端，液氮罐59下端為球形端面，液氮罐上支撐 55、液氮罐下支撐60和液氮罐59上下端面間為靜接觸，使液氮罐59與液氮腔體58保持較 高的同軸度，液氮罐59外壁與液氮腔體58內(nèi)壁設(shè)有4mm間隙；活塞桿48延伸到液氮罐59 上部，液氮活塞56通過螺母57固定在活塞桿48下端，液氮活塞56與液氮罐59內(nèi)壁為間 隙配合，液氮活塞56外壁與液氮罐59內(nèi)壁間隙采用“0”型圈密封，液氮活塞56內(nèi)壁和活 塞桿48外壁間隙采用“0”型圈密封，在活塞桿48的推動(dòng)下，液氮活塞56沿液氮罐59內(nèi)壁 軸向運(yùn)動(dòng)，單向閥座62、單向閥鋼球61、調(diào)壓彈簧63和單向閥彈簧座64構(gòu)成液氮單向閥， 液氮單向閥通過單向閥座50上部的螺紋連接到液氮59罐下端，單向閥彈簧座64下端與巖 心管接手65之間用橡膠墊靜密封；冷凍腔體70上端與巖心管接手65螺紋連接，巖心管71上端與巖心管接手65螺 紋連接，冷凍腔體70下端與卡簧座75螺紋連接，巖心管71與冷凍腔體70內(nèi)壁的環(huán)狀空間 構(gòu)成冷凍腔，半合管72襯于巖心管71內(nèi)壁，上端與巖心管接手65靜接觸，下端坐于卡簧座 75內(nèi)壁臺(tái)階上，止逆閥座69與止逆閥球68旋于巖心管接手65中心螺紋孔內(nèi)；排氣閥III 67 安裝于巖心管接手65下端的排氣孔66內(nèi)，端蓋78旋于冷凍腔體70下端，并用硅橡膠墊77 密封，構(gòu)成一個(gè)封閉的冷凍腔，卡簧座75穿過端蓋78，卡簧座75外壁與端蓋78內(nèi)壁間隙配 合，并采用“0”型圈密封，卡簧76坐于卡簧座75下部錐形內(nèi)壁?？椎桌鋬隼K索取心方法包括以下順序和步驟
a、當(dāng)鉆進(jìn)接近達(dá)到天然氣水合物層時(shí)，先將組裝好的外管總成下入孔內(nèi)，再將內(nèi) 管總成，用打撈器通過鉆桿將內(nèi)管總成下入外管總成內(nèi)，內(nèi)管總成到達(dá)孔底之后開鉆。b、當(dāng)巖心管充滿巖心，回次結(jié)束，停泵，提動(dòng)鉆桿，使取樣器提離孔底100cm距離， 外花鍵24在外管總成的重力作用下向下滑動(dòng)100mm，將內(nèi)管總成與外管總成間的環(huán)狀間隙 封死；c、開泵，由于內(nèi)管總成與外管總成間的環(huán)狀間隙被封死，沖洗液通過中空心軸27 的中心通道，到達(dá)控制接頭37，推動(dòng)控制活塞38下行到活塞通道周圍的3個(gè)泄流通道40 內(nèi)，沖洗液經(jīng)泄流通道40進(jìn)入到活塞腔體49，推動(dòng)活塞47沿活塞腔體49下行，活塞47通 過活塞桿48推動(dòng)液氮活塞56下行，液氮罐59內(nèi)的液氮在液氮活塞56壓力作用下，推開液 氮罐59底部的單向閥組合，經(jīng)巖心管接手65設(shè)有的斜孔80與軸向孔81構(gòu)成的通孔，進(jìn)入 到巖心管71與冷凍腔體70間的環(huán)狀空間內(nèi)，液氮?dú)饣鼰幔ㄟ^巖心管71及半合管72將 巖心冷凍到-20°C，液氮?dú)饣纬傻牡獨(dú)馔ㄟ^巖心管接手65)的排氣閥67排出；d、在孔底冷凍5-10分鐘后，在地表下入打撈器，將內(nèi)管總成打撈至地表；e、卸下端蓋78和卡簧座75，將半合管72連同巖心樣品一同從巖心管71內(nèi)抽出；f、將半合管72兩端用膠塞密封，巖心樣品連同半合管72用高壓容器保存。
權(quán)利要求
一種孔底冷凍繩索取樣器，包括外管總成和內(nèi)管總成，其特征在于，內(nèi)管總成包括矛頭(1)通過銷釘(5)與錐軸(4)鉸接，定位鋼球(3)與定位彈簧(2)安裝在矛頭(1)與錐軸(3)之間，錐軸(4)采用空心銷釘Ⅰ(8)嵌套在提引套筒(6)上部，提引套筒(6)與彈卡座(9)同心，并且為間隙配合，提引套筒(6)沿軸向滑動(dòng)，空心銷釘Ⅱ(10)穿過彈卡座的銷釘槽，兩端鉚固在提引套筒壁上，彈卡座(9)上的銷釘槽通過限制空心銷釘(10)的運(yùn)動(dòng)距離，限制提引套筒(6)的沿軸向上運(yùn)動(dòng)距離，彈卡(15)與鉸鏈(11)采用鉚釘(16)組成鉸鏈?zhǔn)綇椏ǘㄎ粰C(jī)構(gòu)，彈卡(15)的固定端通過空心銷釘Ⅲ(13)固定在彈卡座(9)上，彈卡座(9)通過鉚釘(14)與主軸(22)連接，懸掛環(huán)(18)通過螺紋安裝在主軸(22)上部臺(tái)肩螺紋處，采用止退螺母(19)固緊，主軸(22)為中空結(jié)構(gòu)，主軸(22)頂端側(cè)壁設(shè)有4個(gè)Φ19的斜孔(20)，斜孔Ⅰ(20)中線與主軸軸線(22)成45°角，座環(huán)(21)下部的主軸(22)側(cè)壁設(shè)有4個(gè)Φ19的斜孔Ⅱ(23)，斜孔Ⅱ(23)中線與主軸軸線成45°角，斜孔Ⅰ(20)與斜孔Ⅱ(23)均沿主軸外壁周向均布，中空心軸(27)通過螺紋與主軸(22)下部連接，并用固緊圓螺母(28)鎖緊，心軸套(30)與中空心軸(27)為間隙配合，心軸套(30)上端為推力軸承(31)，下端為推力軸承(32)，推力軸承(31)坐于軸承擋蓋(29)內(nèi)部，推力軸承(32)由緩沖彈簧(33)壓緊，然后采用擋圈(34)與螺母(35)將彈簧固定；連接短管(36)上端通過內(nèi)螺紋與心軸套(30)外螺紋連接，下端通過內(nèi)螺紋與控制接頭(37)外螺紋連接，中空心軸(27)下端將插入到控制接頭(37)上部孔內(nèi)，之間為間隙配合，控制活塞(38)坐于控制接頭(37)中心活塞通道內(nèi)，控制彈簧(39)壓在控制活塞(38)下部，擋片(45)將控制彈簧壓緊，用緊定螺釘將擋片(45)固定在控制接頭(37)上，泄流彈簧(42)、泄流閥鋼球(43)和泄流閥(44)組成泄流閥組合，依次安裝于泄流孔(41)內(nèi)；活塞腔體(49)上端通過內(nèi)螺紋與控制接頭(37)外螺紋連接，下端通過內(nèi)螺紋與活塞腔下接頭(50)連接，活塞(47)位于活塞腔內(nèi)上部，活塞(47)外壁與活塞腔體(49)內(nèi)壁為同軸間隙配合，活塞(36)外壁和活塞腔體(49)內(nèi)壁之間采用“O”型圈密封，活塞(47)在活塞腔體(49)內(nèi)軸向滑動(dòng)，活塞(47)通過螺母(46)固定在活塞桿(48)上端，活塞(47)內(nèi)壁與活塞桿(48)外壁采用“O”型圈密封，活塞桿(48)穿過活塞腔下接頭(50)中心通道延伸到活塞腔下接頭下部液氮腔(58)內(nèi)，活塞桿(48)與活塞腔下接頭(50)中心通道為間隙配合，在活塞腔下接頭(50)上端面設(shè)有排氣孔Ⅰ(51)下端面設(shè)有排氣孔Ⅱ(54)，排氣閥Ⅰ(52)裝在排氣孔Ⅰ(51)內(nèi)，排氣閥Ⅱ(53)裝在排氣孔Ⅱ(54)內(nèi)；液氮腔體(58)上端通過內(nèi)螺紋與活塞腔下接頭(50)外螺紋連接，下端通過內(nèi)螺紋與巖心管接手(65)外螺紋連接，液氮罐(59)位于液氮腔體(58)內(nèi)，液氮罐上支撐(55)支撐在液氮罐(59)上端，液氮罐下支撐(60)支撐在液氮罐(59)下端，液氮罐(59)下端為球形端面，液氮罐上支撐(55)、液氮罐下支撐(60)和液氮罐(59)上下端面間為靜接觸，使液氮罐(59)與液氮腔體(58)保持較高的同軸度，液氮罐(59)外壁與液氮腔體(58)內(nèi)壁設(shè)有2-4mm間隙；活塞桿(48)延伸到液氮罐(59)上部，液氮活塞(56)通過螺母(57)固定在活塞桿(48)下端，液氮活塞(56)與液氮罐(59)內(nèi)壁為間隙配合，液氮活塞(56)外壁與液氮罐(59)內(nèi)壁間隙采用“O”型圈密封，液氮活塞(56)內(nèi)壁和活塞桿(48)外壁間隙采用“O”型圈密封，在活塞桿(48)的推動(dòng)下，液氮活塞(56)沿液氮罐(59)內(nèi)壁軸向運(yùn)動(dòng)，單向閥座(62)、單向閥鋼球(61)、調(diào)壓彈簧(63)和單向閥彈簧座(64)構(gòu)成液氮單向閥，液氮單向閥通過單向閥座(50)上部的螺紋連接到液氮(59)罐下端，單向閥彈簧座(64)下端與巖心管接手(65)之間用橡膠墊靜密封；冷凍腔體(70)上端與巖心管接手(65)螺紋連接，巖心管(71)上端與巖心管接手(65)螺紋連接，冷凍腔體(70)下端與卡簧座(75)螺紋連接，巖心管(71)與冷凍腔體(70)內(nèi)壁的環(huán)狀空間構(gòu)成冷凍腔，半合管(72)襯于巖心管(71)內(nèi)壁，上端與巖心管接手(65)靜接觸，下端坐于卡簧座(75)內(nèi)壁臺(tái)階上，止逆閥座(69)與止逆閥球(68)旋于巖心管接手(65)中心螺紋孔內(nèi)；排氣閥Ⅲ(67)安裝于巖心管接手(65)下端的排氣孔(66)內(nèi)，端蓋(78)旋于冷凍腔體(70)下端，并用硅橡膠墊(77)密封，構(gòu)成一個(gè)封閉的冷凍腔，卡簧座(75)穿過端蓋(78)，卡簧座(75)外壁與端蓋(78)內(nèi)壁間隙配合，并采用“O”型圈密封，卡簧(76)坐于卡簧座(75)下部錐形內(nèi)壁；外管總成包括彈卡室(12)與彈卡擋頭(7)螺紋連接，內(nèi)花鍵短接(17)上部與彈卡室(12)螺紋連接，下端與內(nèi)花鍵(25)螺紋連接，內(nèi)花鍵(25)與外花鍵(24)通過花鍵配合，外花鍵(24)沿軸向滑動(dòng)，內(nèi)花鍵(25)內(nèi)壁的臺(tái)階與外花鍵(24)外壁的臺(tái)階限制外花鍵(24)沿軸向的滑動(dòng)距離，外花鍵(24)通過螺紋連接外管(27)，導(dǎo)正環(huán)(73)嵌于外管(26)下端內(nèi)壁，擴(kuò)孔器(74)連接到外管(26)下端螺紋上，將導(dǎo)正環(huán)(73)壓緊，擴(kuò)孔器(74)下端通過螺紋與鉆頭(79)連接，鉆頭(79)與卡簧座(75)之間設(shè)有4-6mm的間隙。
2.按照權(quán)利要求1所述的天然氣水合物孔底冷凍繩索取心鉆具，其特征在于，控制接 頭(37)中心設(shè)有控制活塞通道，控制活塞(38)通過控制彈簧(39)壓緊，將控制活塞通道 封死，當(dāng)沖洗液壓力達(dá)到0. 5MPa時(shí)，將控制活塞(38)推開。
3.按照權(quán)利要求1所述的天然氣水合物孔底冷凍繩索取心鉆具，其特征在于，控制接 頭(37)設(shè)有的活塞通道周圍設(shè)有三個(gè)直角形的泄流通道(40)，泄流通道(40)上端與活塞 通道相通，下端與活塞腔相通，當(dāng)沖洗液將控制活塞(38)推開后，活塞通道與直角形的沖 洗液流通道貫通。
4.按照權(quán)利要求1所述的天然氣水合物孔底冷凍繩索取心鉆具，其特征在于，液氮罐 (59)和冷凍腔體(70)為雙層真空絕熱結(jié)構(gòu)。
5.按照權(quán)利要求1所述的天然氣水合物孔底冷凍繩索取心鉆具，其特征在于，巖心管 接手(65)設(shè)有的斜孔(80)與軸向孔(81)構(gòu)成通孔，液氮單向閥開啟后，液氮經(jīng)過該通孔 進(jìn)入冷凍腔。
6.按照權(quán)利要求1所述的孔底冷凍繩索取心方法，其特征在于，包括以下順序和步驟a當(dāng)鉆進(jìn)接近達(dá)到天然氣水合物層時(shí)，先將組裝好的外管總成下入孔內(nèi)，再將組裝好的內(nèi)管總成，用打撈器通過鉆桿將內(nèi)管總成下入外管總成內(nèi)，內(nèi)管總成到達(dá)孔底之后開鉆。b、當(dāng)巖心管充滿巖心，回次結(jié)束，停泵，提動(dòng)鉆桿，使取樣器提離孔底80-100cm距離， 外花鍵(24)在外管總成的重力作用下向下滑動(dòng)80-100mm，將內(nèi)管總成與外管總成間的環(huán) 狀間隙封死；c、開泵，由于內(nèi)管總成與外管總成間的環(huán)狀間隙被封死，沖洗液通過中空心軸(27)的 中心通道，到達(dá)控制接頭(37)，推動(dòng)控制活塞(38)下行到活塞通道周圍的3個(gè)泄流通道 (40)內(nèi)，沖洗液經(jīng)泄流通道(40)進(jìn)入到活塞腔體(49)，推動(dòng)活塞(47)沿活塞腔體(49)下 行，活塞(47)通過活塞桿(48)推動(dòng)液氮活塞(56)下行，液氮罐(59)內(nèi)的液氮在液氮活 塞(56)壓力作用下，推開液氮罐(59)底部的單向閥組合，經(jīng)巖心管接手(65)設(shè)有的斜孔 (80)與軸向孔(81)構(gòu)成的通孔，進(jìn)入到巖心管(71)與冷凍腔體(70)間的環(huán)狀空間內(nèi)，液氮?dú)饣鼰幔ㄟ^巖心管(71)及半合管(72)將巖心冷凍到_20°C，液氮?dú)饣纬傻牡獨(dú)馔?過巖心管接手(65)上的排氣閥(67)排出；d、在孔底冷凍5-10分鐘后，在地表下入打撈器，將內(nèi)管總成打撈至地表；e、卸下端蓋(78)和卡簧座(75)，將半合管(72)連同巖心樣品一同從巖心管(71)內(nèi)抽出；f、將半合管(72)兩端用膠塞密封，巖心樣品連同半合管(72)用液氮儲(chǔ)存罐或者高壓 容器保存。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種孔底冷凍繩索取心鉆具及其取心方法。用液氮作為冷凍劑，通過液氮?dú)饣鼰嵩诳椎桌鋬鰩r心，抑制天然氣水合物的分解。鉆具包括外管總成和內(nèi)管總成。獲取巖心時(shí)用打撈器將內(nèi)管總成從外管總成中打撈上來，卸下端蓋和卡簧座，將半合管連同巖心樣品一同從巖心管內(nèi)抽出，將半合管兩端用膠塞密封，巖心樣品連同半合管用液氮儲(chǔ)存罐或者高壓容器保存?？蓪?shí)現(xiàn)快速冷凍，冷凍效果好；將繩索取心與孔底冷凍結(jié)合，實(shí)現(xiàn)不提鉆快速取心；鉆進(jìn)時(shí)內(nèi)管總成不回轉(zhuǎn)，因而在較大程度上避免了因鉆具回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械力對(duì)水合物巖心的破壞，更有效地提高了巖心采取率、完整度和代表性，并采用半合管式快速地表取樣，可快速在地表獲得巖心。
文檔編號(hào)E21B25/08GK101864916SQ20101018404
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者孫友宏, 李國(guó)圣, 薛軍, 賈瑞, 趙建國(guó), 趙江鵬, 郭威, 陳晨 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)