本發(fā)明屬于鉆探領(lǐng)域，涉及一種繩索回轉(zhuǎn)式保溫保壓取樣鉆具，適用于陸地、湖泊、江河、海洋等天然氣水合物鉆探取樣施工。

背景技術(shù)：

目前，天然氣水合物在能源和環(huán)境方面所產(chǎn)生的重要影響而為世界許多國家所關(guān)注。我國天然氣水合物儲量豐富，但海域天然氣水合物勘查取樣工作主要依靠國外技術(shù)完成，嚴重制約了我國天然氣水合物勘探工作，因此如何實現(xiàn)含天然氣水合物地層樣品的有效勘查取樣，對于我國的能源發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

在陸地、湖泊、江河、海洋等地域進行天然氣水合物鉆探取樣施工，要求在取樣過程中保持樣品的地層壓力和溫度，常規(guī)取樣器難以實現(xiàn)，目前國內(nèi)的天然氣水合物取樣鉆具存在保溫保壓樣品采取率低及保溫保壓性能差的缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種能有效解決深海含天然氣水合物地層的取樣難題并保持原有樣品溫度壓力的繩索回轉(zhuǎn)式保溫保壓取樣鉆具。為實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種繩索回轉(zhuǎn)式保溫保壓取樣鉆具，具有取樣外管總成和取樣內(nèi)管總成，取樣內(nèi)管總成通過鋼絲繩放入或提出外管總成，所述取樣內(nèi)管總成包括繩索打撈系統(tǒng)(8)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)(9)、懸掛系統(tǒng)(10)、差動系統(tǒng)(11)、壓力補償系統(tǒng)(12)、耐高壓保溫取樣管總成(13)、板閥密封系統(tǒng)(14)以及鉆進系統(tǒng)(15)。懸掛系統(tǒng)(10)、銷釘外管(24)、蓄能器外筒(29)、樣品保壓管(36)、板閥密封系統(tǒng)(14)和鉆進系統(tǒng)(15)依次連接成取樣內(nèi)管總成的外部機構(gòu)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)(9)、差動系統(tǒng)(11)、壓力補償系統(tǒng)(12)、耐高壓保溫取樣管總成(13)依次連接成取樣內(nèi)管總成的內(nèi)部機構(gòu)，通過利用回轉(zhuǎn)系統(tǒng)(9)，實現(xiàn)取樣內(nèi)管總成與取樣外管總成同步回轉(zhuǎn)，通過回轉(zhuǎn)鉆進，取得圓柱狀保溫保壓地質(zhì)樣品。

其中，耐高壓保溫取樣管總成(13)利用真空保溫技術(shù)，并在樣品保壓管(36)內(nèi)外表面涂覆納米隔熱保溫涂料加強對樣品的保溫。

其中，所述板閥密封系統(tǒng)(14)包括：板閥上端蓋(38)、板閥密封蓋(39)、驅(qū)動彈簧(40)、銷軸(41)、板閥密封口(42)和板閥底座(43)，其中板閥密封蓋(39)和驅(qū)動彈簧(40)通過銷軸(41)連接在板閥密封口上端的板閥支架上，板閥密封蓋(39)可依靠驅(qū)動彈簧(40)自行關(guān)閉。

其中，在壓力補償系統(tǒng)(12)中測壓接頭的外圓上鑲嵌有環(huán)形密封圈，與樣品保壓管(36)配合形成密封，連同壓力補償系統(tǒng)(12)形成密閉保壓空間腔上部密封，板閥密封系統(tǒng)(14)與樣品保壓管(36)配合形成密閉保壓空間腔下部密封，上部密封和下部密封共同構(gòu)成密閉保壓空間腔。

其中，所述壓力補償系統(tǒng)(12)，即蓄能器，包括：蓄能器上接頭(28)、蓄能器外筒(29)、蓄能器高壓腔(30)、蓄能器充氣閥(31)、壓力補償閥(32)、測壓接頭(33)、觸發(fā)開關(guān)閥(34)和單向閥(35)，蓄能器外筒(29)通過螺紋與上部銷釘外管(24)和下部樣品保壓管(36)連接，其余上述所有部件由上至下依次配合組裝，壓力補償系統(tǒng)(12)將蓄能高壓腔的壓力補償給所述密閉保壓空間腔，維持腔內(nèi)的壓力不變，實現(xiàn)對樣品的保壓。

其中，壓力補償系統(tǒng)(12)通過蓄能器調(diào)節(jié)樣品保壓管中的壓力，蓄能器處于常閉狀態(tài)，當(dāng)通過鋼絲繩將取樣器內(nèi)管總成提出外管總成時，觸發(fā)開關(guān)閥(34)將蓄能器與樣品管連接，蓄能器開始工作。

其中，板閥密封系統(tǒng)(14)耐高壓，作為取樣鉆具的樣品管密封機構(gòu)，其材質(zhì)為高強度不銹鋼或合金鋼，耐壓最大為30mpa，利用驅(qū)動彈簧(40)作為自動關(guān)閉動力。

其中，所述差動系統(tǒng)(11)包括鍵(21)、鍵軸(23)、銷釘外管(24)、剪切銷釘(25)、銷釘套(26)和壓帽(27)。鍵(21)安裝在鍵軸(23)上的鍵槽中，銷釘外管(24)上部鑲嵌有環(huán)形密封圈，可以與外管總成形成上部密封空間，其上端通過螺紋與懸掛管(22)連接，剪切銷釘(25)通過螺紋安裝在銷釘外管(24)的剪切孔上，鍵軸(23)上端通過螺紋和分水接頭連接，下端通過螺紋和壓帽(27)連接。

其中，所述回轉(zhuǎn)系統(tǒng)(9)包括彈卡回收管(17)、彈卡(18)和分水接頭(19)，彈卡(18)通過開口彈性銷連接在分水接頭(19)上，分水接頭(19)通過開口彈性銷與彈卡回收管(17)連接。

其中，所述繩索打撈系統(tǒng)(8)包括：繩索打撈矛頭(16)，繩索打撈矛頭(16)通過開口彈性銷連接在彈卡回收管(17)上。

其中，所述懸掛系統(tǒng)(10)包括：懸掛環(huán)(20)和懸掛管(22)，懸掛環(huán)(20)和懸掛管(22)通過螺紋連接。

其中，所述取樣外管總成包括彈卡擋頭(1)、彈卡室(2)、座環(huán)(3)、座環(huán)聯(lián)接頭(4)、外筒(5)、扶正器(6)和pdc取芯鉆頭(7)，上述所有部件由上至下依次連接，座環(huán)(3)設(shè)置在座環(huán)聯(lián)接頭(4)內(nèi)，所述彈卡擋頭(1)的上端通過螺紋與鉆鋌相連，所述取樣內(nèi)管總成懸掛系統(tǒng)(10)坐落在外管總成的座環(huán)上，實現(xiàn)內(nèi)管總成與外管總成的配合和定位。

本發(fā)明還公開了采用上述繩索回轉(zhuǎn)式保溫保壓取樣鉆具進行取樣的方法，包括如下步驟：

1)通過解卡裝置將鋼絲繩解卡，提出鋼絲繩，開啟泥漿泵循環(huán)系統(tǒng)；

2)剪切銷釘(25)被液壓剪斷后，鍵軸(23)帶動彈卡(18)向下滑動，彈卡(18)進入彈卡室(2)，耐高壓保溫取樣管總成(13)進入內(nèi)pdc鉆頭中，開始鉆進；

3)取樣外管總成和取樣內(nèi)管總成同時旋轉(zhuǎn)鉆進，含有天然氣水合物的圓柱狀地層樣品進入到耐高壓保溫取樣管中；

4)利用帶鋼絲繩的打撈器通過繩索打撈系統(tǒng)(8)將取樣鉆具內(nèi)管總成提離地層；

5)通過差動系統(tǒng)(11)將耐高壓保溫取樣管總成(13)提離板閥密封系統(tǒng)(14)，進入樣品保壓管(36)中，關(guān)閉的板閥密封系統(tǒng)(14)和樣品保壓管(36)對保壓空間腔形成下部密封；壓力補償系統(tǒng)(12)和樣品保壓管(36)對保壓空間腔形成上部密封，上部密封和下部密封共同構(gòu)成密閉保壓空間腔。

6)將蓄能高壓腔(26)的壓力補償給上述密閉保壓空間腔，維持腔內(nèi)的壓力不變，實現(xiàn)對樣品的保壓；

7)繼續(xù)提取鋼絲繩，將繩索回轉(zhuǎn)式保溫保壓取樣鉆具內(nèi)管總成完全提出外管總成，完成保溫保壓取樣。

本發(fā)明通過設(shè)計簡單可靠的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)(9)、差動系統(tǒng)(11)、壓力補償系統(tǒng)(12)以及板閥密封系統(tǒng)(14)，使天然氣水合物保溫保壓取樣成功率高，解決了天然氣水合物勘查取樣保溫保壓性能差、效率低的問題。

附圖說明

圖1：本發(fā)明繩索回轉(zhuǎn)式保溫保壓取樣鉆具外管總成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2：本發(fā)明繩索回轉(zhuǎn)式保溫保壓取樣鉆具外管總成；

圖3：本發(fā)明繩索回轉(zhuǎn)式保溫保壓取樣鉆具內(nèi)管總成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4：本發(fā)明繩索回轉(zhuǎn)式保溫保壓取樣鉆具板閥密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標記說明：

1-彈卡擋頭；2-彈卡室；3-座環(huán)；

4-座環(huán)聯(lián)接頭；5-外筒；6-扶正器；

7-pdc取芯鉆頭；8-繩索打撈系統(tǒng)；9-回轉(zhuǎn)系統(tǒng)；

10-懸掛系統(tǒng)；11-差動系統(tǒng)；12-壓力補償系統(tǒng)；

13-耐高壓保溫取樣管總成；14-板閥密封系統(tǒng)；

15-鉆進系統(tǒng)；16-繩索打撈矛頭；17-彈卡回收管；

18-彈卡；19-分水接頭；20-懸掛環(huán)；

21-鍵；22-懸掛管；23-鍵軸；

24-銷釘外管；25-剪切銷釘；26-銷定套；

27-壓帽；28-蓄能器上接頭；29-蓄能器外筒；

30-蓄能器高壓腔；31-蓄能器充氣閥；32-壓力補償閥；

33-測壓接頭；34-觸發(fā)開關(guān)閥；35-單向閥；

36-樣品保壓管；37-內(nèi)pdc鉆頭38-板閥上端蓋；

39-板閥密封蓋；40-驅(qū)動彈簧；41-銷軸；

42-板閥密封口；43-板閥底座。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行具體說明。

本發(fā)明的繩索回轉(zhuǎn)式保溫保壓取樣鉆具，由取樣外管總成(圖1所示)及設(shè)置在所述取樣外管總成內(nèi)的取樣內(nèi)管總成(圖3所示)構(gòu)成。

如圖1、2所示，取樣外管總成包括由上至下依次排列的彈卡擋頭(1)、彈卡室(2)、座環(huán)(3)、座環(huán)聯(lián)接頭(4)、外筒(5)、扶正器(6)和pdc取芯鉆頭(7)，上述所有部件由上至下依次連接，座環(huán)(3)設(shè)置在座環(huán)聯(lián)接頭(4)內(nèi)的臺階支撐面上，所述彈卡擋頭(1)的上端通過螺紋與鉆鋌相連，所述取樣內(nèi)管總成懸掛系統(tǒng)(10)坐落在外管總成的座環(huán)(3)上，實現(xiàn)內(nèi)管總成與外管總成的配合和定位。

如圖3所示，本發(fā)明的取樣內(nèi)管總成包括繩索打撈系統(tǒng)(8)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)(9)、懸掛系統(tǒng)(10)、差動系統(tǒng)(11)、壓力補償系統(tǒng)(12)、耐高壓保溫取樣管總成(13)、板閥密封系統(tǒng)(14)和鉆進系統(tǒng)(15)，其中繩索打撈矛頭(16)構(gòu)成打撈系統(tǒng)(8)，彈卡回收管(17)、彈卡(18)和分水接頭(19)構(gòu)成回轉(zhuǎn)系統(tǒng)(9)，繩索打撈矛頭(16)通過開口彈性銷連接在彈卡回收管(17)上部，彈卡(18)通過開口彈性銷連接在分水接頭(19)上，分水接頭(19)通過開口彈性銷與彈卡回收管(17)連接。懸掛環(huán)(20)、懸掛管(22)通過螺紋連接成懸掛系統(tǒng)(10)，鉆具內(nèi)管總成通過懸掛環(huán)(20)與鉆具外管總成座環(huán)(3)形成定位，懸掛管(20)下端與銷釘外管(24)上端通過螺紋連接，銷釘外管(24)下端與樣品保壓管(36)上端通過螺紋連接，樣品保壓管(36)下端與板閥密封系統(tǒng)(14)的板閥上端蓋(38)通過螺紋連接，懸掛系統(tǒng)(9)、銷釘外管(24)、蓄能器外筒(29)、樣品保壓管(36)、板閥密封系統(tǒng)(14)和鉆進系統(tǒng)(15)依次連接成取樣內(nèi)管總成的外部機構(gòu)，差動系統(tǒng)(11)、壓力補償系統(tǒng)(12)、耐高壓保溫取樣管總成(13)依次連接成取樣內(nèi)管總成的內(nèi)部機構(gòu)，鍵(21)、鍵軸(23)、銷釘外管(24)、剪切銷釘(25)、銷釘套(26)和壓帽(27)組成差動系統(tǒng)(11)，鍵軸(23)上端通過螺紋和分水接頭(19)連接，下端通過螺紋和壓帽(27)連接，銷釘外管(24)上部鑲嵌有環(huán)形密封圈，可以與外管總成形成上部密封空間，當(dāng)鉆具工作時，通過泥漿系統(tǒng)產(chǎn)生壓力將剪切銷釘(25)剪斷，鍵軸(23)沿鍵(21)向下滑動，實現(xiàn)差動。壓帽(27)通過螺紋與蓄能器上接頭(28)連接，蓄能器上接頭(28)、蓄能器外筒(29)、蓄能器高壓腔(30)、蓄能器充氣閥(31)、壓力補償閥(32)、測壓接頭(33)、觸發(fā)開關(guān)閥(34)和單向閥(35)從上至下通過配合組裝連接成壓力補償系統(tǒng)(12)。壓力補償系統(tǒng)(12)處于常閉狀態(tài)，當(dāng)鉆具的差動動作完成后，觸發(fā)開關(guān)閥(34)打開，壓力補償系統(tǒng)(12)開始工作，將蓄能器高壓腔(30)中的壓力補償?shù)綐悠繁汗?36)中，實現(xiàn)對樣品的保壓。單向閥(35)下端通過螺紋與耐高壓保溫取樣管總成(13)上端連接。

如圖4所示，本發(fā)明的繩索回轉(zhuǎn)式保溫保壓取樣鉆具板閥密封系統(tǒng)(14)由板閥上端蓋(38)、板閥密封蓋(39)、驅(qū)動彈簧(40)、銷軸(41)、板閥密封口(42)、板閥底座(43)組成，板閥密封蓋(39)和驅(qū)動彈簧(40)通過銷軸(41)連接于板閥密封口(42)上部的密封蓋支架上，板閥密封蓋(39)通過驅(qū)動彈簧(40)提供的動力關(guān)閉，組裝鉆具時耐高壓保溫取樣管總成(13)穿插在板閥密封系統(tǒng)(14)管內(nèi)，此時板閥密封蓋(39)打開，驅(qū)動彈簧(40)被壓縮有一定預(yù)緊力，當(dāng)差動系統(tǒng)(11)工作時，耐高壓保溫取樣管總成(13)提離板閥密封系統(tǒng)(14)管內(nèi)時，驅(qū)動彈簧(40)的預(yù)緊力釋放并帶動板閥密封蓋(39)向下關(guān)閉。

下面描述本發(fā)明取樣鉆具的工作過程。

通過解卡裝置將鋼絲繩解卡，提出鋼絲繩，開啟泥漿泵循環(huán)系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)(9)工作后，取樣外管總成和取樣內(nèi)管總成同時回轉(zhuǎn)，通過回轉(zhuǎn)鉆進，含有天然氣水合物的圓柱狀地層樣品進入到耐高壓保溫取樣管中，此時板閥密封蓋(39)打開，驅(qū)動彈簧(40)被壓縮有一定預(yù)緊力，再次利用帶有鋼絲繩的打撈器通過繩索打撈系統(tǒng)(8)將取樣鉆具內(nèi)管總成提離地層，通過差動系統(tǒng)(11)將耐高壓保溫取樣管總成(13)提離板閥密封系統(tǒng)(14)，進入樣品保壓管(36)中，驅(qū)動彈簧(40)的預(yù)緊力釋放并帶動板閥密封蓋(39)向下關(guān)閉，關(guān)閉的板閥密封系統(tǒng)(14)和樣品保壓管(36)對保壓空間腔形成下部密封；壓力補償系統(tǒng)(12)和樣品保壓管(36)對保壓空間腔形成上部密封，上部密封和下部密封共同構(gòu)成密閉保壓空間腔。板閥密封蓋(39)關(guān)閉時觸發(fā)開關(guān)閥(34)打開，壓力補償系統(tǒng)(12)將蓄能高壓腔(30)的壓力補償給上述密閉保壓空間腔，維持腔內(nèi)的壓力不變，實現(xiàn)對樣品的保壓。繼續(xù)提取鋼絲繩，將繩索回轉(zhuǎn)式保溫保壓取樣鉆具內(nèi)管總成完全提出外管總成，實現(xiàn)天然氣水合物保溫保壓取樣的全過程。

以上是本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護范圍。