[发明专利]海底冷冻保压式重力活塞取样器及其取样方法

说明书

海底冷冻保压式重力活塞取样器及其取样方法。本发明的所述取样器由重力取样管、冷冻机构、保压机构三部分组成。取样管由外管、内管、活塞、活塞杆、配重接头组成，外管和内管之间的空腔构成冷冻腔，配重接头上端安装有储冷机构。取样管内设置有保压机构，保压机构由撞击块、定位钢球、定位弹簧、推动杆、推力弹簧、摇杆、连杆、保压球阀组成。本发明所述的取样方法，包括利用腔式取样器向海底下放过程中的动能和重力势能使天然气水合物层贯入到腔式取样器内，将腔式取样器的腔体关闭，同时，将冷源从储冷腔注入到冷冻腔冷冻岩心。本发明一方面降低了天然气水合物的临界分解压力，另一方面增强了天然气水合物的自保护效应，从而减少了天然气的分解，降低了对天然气水合物保压机构的要求。

技术领域

本发明涉及一种海底取样器及取样方法，尤其涉及一种海底沉积物和海底天然气水合物取样用的冷冻保压式重力活塞取样器。

背景技术

天然气水合物是一种储量丰富、能量密度高、无污染的绿色能源。据估算，世界上天然气水合物总资源量相当于全球已知煤、石油和天然气的两倍，可满足人类千年的能源需求。天然气水合物主要分布在大陆架和岛屿边缘的海洋沉积层，其存在环境具有压力高、温度低的特点。

如何勘探海底的天然气水合物已成为当前的研究热点。对海底天然气水合物进行勘探的方法有很多种，例如地球物理方法、流体地球化学方法、海底视像方法、海底微地貌勘测、海底钻探取心方法。其中最直接的方法是海底钻探取心方法，该方法能够直观、真实、有效的反映水合物的赋存状态。重力活塞取样器是海底钻探取心最常用的取心方法之一，该方法具有操作简单、取样时间短、设备轻便、花费少等一系列优点。天然气水合物会随着温度的升高或者压力的降低出现分解，改变了天然气水合物原有的状态和性质。因此在天然气水合物的取样过程中应该保持低温、高压的状态，但常规的重力活塞取样器很难满足天然气水合物勘探以及后续相关研究的要求。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提供一种通过外部冷源降低天然气水合物岩心温度，通过保压机构维持岩心压力，从而实现抑制水合物分解的新型的海底冷冻保压式重力活塞取样器。

本发明的另一个目的是提供一种海底沉积物和海底天然气水合物海底冷冻保压式重力取样方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现：

海底冷冻保压式重力活塞取样器，包括重锤、重锤缆绳、固定板、缓冲夹具、平衡杆、取样管、爪簧和管靴，重锤缆绳的上下两端分别连接重锤和平衡杆，固定板与平衡杆通过铰链连接，固定板与缓冲夹具通过刚性连接杆相连，缓冲夹具外壳的上端与主缆绳相连，平衡杆可绕着铰链做旋转运动，取样管上端有挂环挂在平衡杆前端的挂钩上，其特征在于：

取样管由外管、内管、活塞、活塞杆、配重接头组成，其中管靴和配重接头通过螺纹与内管和外管相连，外管和内管之间的空腔构成冷冻腔，配重接头可增加取样器重量以提高贯入深度；活塞安装在内管中并可沿着取样器内管进行上下移动，活塞杆与活塞通过螺纹连接，活塞杆上端与释放绳相连，重锤未释放时取样管上端的挂环挂在挂钩上；

配重接头上端安装有储冷机构，储冷机构由储冷腔外壳、储冷腔内壳、储冷腔、储冷腔活塞、储冷腔活塞杆、储冷腔活塞控制杆、活塞限位弹簧、活塞限位杆、活塞控制杆支架组成，储冷腔外壳和储冷腔内壳通过螺纹与配重接头连接，活塞控制杆支架焊接在储冷腔内壳上，活塞限位弹簧安装在活塞控制杆支架上，储冷腔活塞控制杆与活塞控制杆支架铰接，并可绕活塞控制杆支架旋转30°～45°，使储冷腔活塞控制杆插入或脱离储冷腔活塞杆凹槽，配重接头垂直方向上有冷源注入通道，冷源注入通道的下端口有单向阀，在储冷腔内注入冷源，冷源上方为空气，在海水压力与储冷腔冷源上方空气压力差的作用下，储冷腔活塞向下运动，推动冷源进入冷冻腔；