[发明专利]天然气水合物孔底冷冻液动绳索取心钻具及取心方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过液动控制的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

随着现代工业对能源需求的日益增长，石油、煤和天然气等常规能源已无法满足需求，天然气水合物以其丰富的资源量，已成为世界公认的可以在将来成为石油、煤和天然气等常规能源的替代能源。天然气水合物形成并赋存在高压低温的环境下。根据天然气水合物稳压特性曲线，如果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。目前国内外的天然气水合物取样器主要由两种设计思路：一种是孔底保压取样器，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芯管底部使水合物岩芯处于密封的保压岩芯室内，利用压力补偿装置控制压力使岩芯保持初始压力，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，就会导致取芯失败。

另一种不同的思路是通过外部冷源将水合物岩芯冷冻从而抑制水合物的分解。现有的孔底冷冻取样器采用干冰作为冷冻剂，酒精做为载冷剂，酒精与干冰反应成为低温酒精后再注入冷冻腔内实现冷冻，或采用液氮作为冷冻剂，通过将液氮注入到冷冻腔内冷冻岩心。取样器结果为投球提钻取心，在钻进回次结束后，通过钻杆向取样器内投入钢球来改变冲洗液流通道，以实现对冷冻过程的控制。这就决定了回次结束后只能采用提钻的方法获取岩心，提钻时间长，工作量大。而且在提钻过程中，水合物岩心会产生二次分解。目前提出的采用绳索取心方式的孔底冷冻取样器的冷源注入过程不好控制，目前尚未有一种高可靠性地能够适用于陆地和海洋水合物冷冻取样的天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种适用于深海和陆地永冻层的天然气水合物钻探取心，并通过液动控制的天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具及取心方法。采用钻井液压力驱动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液动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、控制机构、悬挂机构、钢球定位机构、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、第一内接手组成，捞矛头与第一内接手通过螺纹连接；打捞器下入孔内后与捞矛头连接从而实现将钻具内管总成放入孔内和回收；打捞机构时带动岩心管向上移动，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。

控制机构是由第一内接手、控制活塞、第一弹簧、控制阀和重力管组成，第一内接手与重力管通过螺纹连接，控制活塞位于第一内接手的内部，并可在第一内接手内部实现竖直方向的上行和下行；第一弹簧上部与控制活塞接触，下部与重力管接触，第一弹簧为控制活塞提供上顶力保证控制活塞位于上下进水口之间；第一内接手上开有均匀分布的12个斜孔，分别位于控制活塞的上部，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，泥浆通过第一内接手的下进水口进入，从第一内接手下部的出水口流出完成泥浆循环，在实际钻进结束后，向钻杆内投入塞流环，塞流环座于悬挂环上并将下进水口堵住，此时开泵循环泥浆，泥浆从第一内接手的上进水口进入，克服第一弹簧的预紧力使控制活塞下行，同时控制活塞带动控制阀下行将冷源压入到冷冻机构中。

悬挂机构是由第一内接手、第一悬挂环、第一座环和第一扩孔器组成，第一内接手通过螺纹与悬挂环连接，座环通过螺纹与第一扩孔器连接；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。