[发明专利]天然气水合物孔底冷冻双弹卡绳索取心钻具及取心方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具及取心方法，尤其适用于深海和陆地永冻层的天然气水合物钻探取心。

背景技术

随着经济的快速发展，能源的消耗也日益增长，石油、煤、天然气等常规能源大量消耗，从其剩余储量来看，常规能源已经无法继续长期支撑现代工业，而天然气水合物的资源量极其丰富，且其燃烧后产生二氧化碳和水，是一种清洁能源，因此天然气水合物被视为未来的主要能源。天然气水合物形成和赋存在高压低温的环境下，当温度或者压力条件变化超过平衡条件，就会导致天然气水合物分解。怎样才能获取更高保真度的天然气水合物样品，是国内外钻探工作者共同面临的问题。目前国内外的天然气水合物保真取样器主要由两种设计思路：一种是孔底保温保压取样器，一种是孔底冷冻取样器。

保温保压取样器是通过球阀或翻板阀关闭岩心管底部使水合物岩芯处于密封的保压岩心室内，利用压力补偿装置控制压力使岩心保持初始压力，并通过保温材料来实现被动式保温，提到地表后再进行冷冻保存。这种保压方式对球阀或翻板阀的强度和密封性的要求是很高的，如果球阀或翻板阀的密封性稍有些下降，就会导致取心失败。孔底冷冻取样器的思路是当钻进回次结束，水合物岩心充满岩心管后，利用冲洗液压力将冷冻剂压入到岩心管周围密封的冷冻腔体内部，冷冻剂与水合物岩心通过铜质的岩心管发生热交换，实现对水合物岩心的冷冻。根据天然气水合物温压特性曲线，其分解压力随着温度的降低而降低。

现有的天然气水合物孔底冷冻取心钻具利用冲洗液压力或重力将冷冻剂注入到岩芯管周围环装密封的冷冻腔体内部，冷冻剂与水合物岩心通过热交换实现对水合物岩芯的冷冻。这种冷源注入的方法可行性较差，并且通过改变钻具的机械结构来利用冲洗液压力作为动力使冷源注入到岩心管周围，并对岩心进行冷冻是很难实现的，并且可靠性无法保证。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种结构简单、动作容易实现、可靠性高、冷冻效果好的天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具。

本发明可以根据不同的现场需求采用不同的冷源来实现天然气水合物孔底冷冻取样。采用与弹卡机构相连接的控制阀来控制冷源注入岩心管周围的过程，通过低温冷源降低水合物岩心的温度，进而抑制天然气水合物的分解。

本发明所述的天然气水合物孔底冷冻双弹卡绳索取心钻具由内管总成和外管总成两大部分组成，其中内管总成包括：打捞机构、弹卡定位机构、悬挂机构、活动弹卡机构、单动机构、调节机构、冷源存储机构和孔底冷冻机构。

打捞机构由捞矛头、第一弹性销和第一弹卡回收管组成，捞矛头与第一弹卡回收管通过第一弹性销连接；打捞器下入孔内后与捞矛头连接，通过打捞器与打捞机构的连接实现将钻具内管总成放入孔内和回收的过程；同时通过打捞器提起打捞机构时带动岩芯管向上移动，捞矛头可带动弹卡回收管向上移动，从而实现绳索取心的过程。

弹卡定位机构由弹卡挡头、第一弹性销、第一弹卡回收管、第一弹卡架、第二弹性销、第一扭簧、第一弹卡和第三弹性销。第一弹卡回收管与第一弹卡架通过第一弹性销铰接，第一弹性销与第一弹卡架的连接为可动连接，第一弹性销与第一弹卡回收管之间为固定连接，第一弹卡回收管可在自身重力和打捞器拉力作用下延竖直方向移动固定的距离。第一弹卡为两片通过第二弹性销形成可转动的连接，第一扭簧保持第一弹卡在第一弹卡架内保持张开，第一弹卡回收管与第一弹卡架通过第三弹性销形成固定连接，两片第一弹卡卡在弹卡挡头上，保证在钻进过程中内管总成不会因为钻进时上顶力使内管总成向上移动造成“飞管”事故。

悬挂机构由第一弹卡架、内接手、悬挂环、座环和第二弹卡回收管组成。内接手与第一弹卡架通过螺纹连接，内接手通过螺纹与悬挂环连接，内接手上开有均匀分布的八个斜孔，分别位于悬挂环上部和下部相对的位置，当悬挂环与座环接触后，原本从内管总成与外管之间间隙流动的泥浆通道被堵死，泥浆通过内接手上部的斜孔进入，从内接手下部的斜孔流出完成泥浆循环。悬挂环与座环的连接方式为接触式连接，这种连接方式使内管总成克服自身重力悬挂在外管总成内，使卡簧座与钻头之间保持2-4毫米间隙，以防止损坏卡簧座和钻头，并保证岩心管不会因为与钻头接触而转动和岩心管的通水性能。