[发明专利]酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具及取心方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具及取心方法，尤其适用于海洋与陆地冻土带的天然气水合物钻探取心。

背景技术

天然气水合物是在特定温度和压力下由轻烃、二氧化碳等小分子气体与水相互作用形成的一种白色、淡黄色的似冰雪状笼型晶体物质，也被称为“可燃冰”。天然气水合物是国际公认的具有商业开发前景的新型清洁能源，其储量巨大，地球上天然气水合物中总有机碳的储量约为石油、天然气和煤炭三者总和的两倍。天然气水合物通常赋存于高压、低温环境，打破平衡条件会导致水合物发生分解。如何获取具有高保真度的水合物样品一直是天然气水合物勘探开发领域的难点。目前国内外的天然气水合物保真取样器主要分两类，一类是孔底保温保压取样器，另一类是孔底冷冻取样器。

目前国内外现有的天然气水合物保真取样器以保温保压取样器为主。其工作原理是当天然气水合物岩心进入岩心管(保压岩心室)后，通过设置在岩心管底部的球阀或者翻板阀关闭保压岩心室，从而使岩心保持初始压力，同时利用压力补偿装置控制压力，保证岩心管中压力在提离孔底的过程中保持不变，最终提至地表冷冻保存岩心。孔内岩心保温方法采用被动式保温方法，通过在岩心管周围设置保温材料达到保温目的。这种保压方式属于机械式被动保压方式，要求球阀与翻板阀的具有很高的强度与良好的密封性能，否则会造成保压失败，从而导致取心失败。

孔底冷冻取样器的设计思路是当天然气水合物取样钻进回次结束后，水合物岩心充满岩心管(岩心管周围设置有环状密封的冷冻腔)，通过冲洗液产生的压力或者冷冻剂的自重将冷冻剂注入到冷冻腔，达到冷冻水合物岩心的目的。现有的孔底冷冻取样器采用的冷冻剂主要分为干冰(干冰为固体，采用酒精作为载冷剂)与液氮。冷冻剂采用干冰时，干冰先与酒精混合，形成低温酒精后再注入至冷冻腔对水合物岩心进行冷冻，酒精带走很多冷量，造成冷冻效果不理想；取样器既要分别存储干冰与酒精，又要实现两者的混合，使得取样器内部结构更加复杂化。冷冻剂采用液氮时可有效改善冷冻效果、简化取样器结构，但液氮会在注入过程中大量气化，浪费巨大，降低了液氮的使用效率，且液氮可能在钻进时就已经完全挥发导致取样失败；若加大液氮用量，则需设计更大尺寸的取样器，这加大了取样器重量、降低了其适用性。

发明内容

针对上述现有天然气水合物保真取样器的不足，本发明的目的在于提供一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具及取心方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

采用液氮作为冷冻剂，酒精作为载冷剂。在钻进过程中，液氮流经限流阀不断注入到的铜管中(液氮流量很小，铜管缠绕在岩心管外部冷冻腔内)；冷冻腔内存储着酒精，液氮流经铜管时不断挥发对酒精进行预冷，酒精对岩心进行冷冻，产生的氮气经铜管终点处单项阀排出；岩心充满岩心管后，岩心产生的上顶力打开液氮腔与冷冻腔连通通道，剩余液氮与冷冻腔内酒精混合形成低温酒精对岩心进行冷冻。

本发明之一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具包括外管总成和内管总成。外管总成包括弹卡挡头、弹卡室、第一座环、上扩孔器、外管、下扩孔器和钻头；其中弹卡挡头、弹卡室、上扩孔器、外管、下扩孔器和钻头顺次通过螺纹进行连接，第一座环通过螺纹连接在弹卡室下端。内管总成由七大机构组成，分别为：捞矛机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、缓冲机构、冷源存储机构和孔底冷冻机构。

捞矛机构由捞矛头、第一弹簧销与回收管组成。取心时投入打捞器于钻杆内，下放至内管总成上端，打捞钩与捞矛头连接，上提打捞器可使回收管上移，回收管压缩弹卡使其收拢，内管总成脱离于外管总成，最终把内管总成提离孔内。

弹卡定位机构由弹卡、弹卡销、弹卡挡头、弹卡架、扭簧、第二弹簧销和回收管组成。弹卡通过弹卡销与弹卡架固定连接，弹卡架与回收管通过第二弹簧销形成可动连接(第二弹簧销与弹卡架为可动连接，第二弹簧销与回收管为固定连接，回收管能够竖直移动固定距离)；扭簧给弹卡提供张力，弹卡两翼贴附在弹卡室内壁上，使其被弹卡挡头卡住，防止钻进过程中内管向上窜动。

悬挂机构由内接手、弹卡架、悬挂环与第一座环组成。内接手与弹卡架螺纹连接，悬挂环与内接手螺纹连接，第一座环与弹卡室螺纹连接，悬挂环外径稍大于第一座环内径，内接手上下分别开有四个均匀分布的斜孔；当内管总成下降到外管总成的弹卡室位置时，悬挂环坐落在第一座环上，使卡环座与钻头内台阶保持2～4毫米间隙，以保证内管单动性，且此时泥浆从内接手上部斜孔流入，从下部斜孔流出，保证泥浆循环通道不堵塞。