[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

摘要

本发明公开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。本发明采用干冰为冷源，酒精为助冷催化剂和载冷剂，能过实现天然气水合物岩心快速冷冻；将绳索取心与孔底冷冻结合，实现不提钻快速取心；采用钻井液压力来驱动控制阀机构实现冷源注入冷冻机构的过程，具有较高的可行性。钻进时内管总成不回转，因而在较大程度上避免了因钻具回转产生的机械力对水合物岩心的破坏，更有效地提高了岩心采取率、完整度和代表性，并采用半合管式快速地表取样，可快速在地表获得岩心。

主权项

一种天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具，其特征在于：包括内管总成和外管总成，内管总成包括有打捞机构、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；打捞机构包括捞矛头(2)、第一弹性销(3)和第一弹卡回收管(4)，捞矛架与第一弹卡回收管(4)通过第一弹性销(3)连接；打捞器下入孔内后与捞矛头(2)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，捞矛头能带动弹卡回收管向上移动，从而实现绳索取心的过程；弹卡定位机构包括弹卡挡头(1)、第一弹性销(3)、第一弹卡回收管(4)、第一弹卡架(5)、第二弹性销(6)、第一扭簧(7)、第一弹卡(8)和第三弹性销(9)；第一弹卡回收管(4)与第一弹卡架(5)通过第一弹性销(3)铰接，第一弹性销(3)与第一弹卡架(5)的连接为可动连接，第一弹性销(3)与第一弹卡回收管(4)之间为固定连接，第一弹卡回收管(4)可在自身重力和打捞器拉力作用下沿竖直方向移动固定的距离；第一弹卡(8)为两片，两片第一弹卡(8)通过第三弹性销(9)形成可转动的连接，第一扭簧(7)保持第一弹卡(8)在第一弹卡架(5)内保持张开，第一弹卡回收管(4)与第一弹卡架(5)通过第二弹性销(6)形成固定连接，两片第一弹卡(8)卡在弹卡挡头(1)上；悬挂机构包括第一弹卡架(5)、内接手(11)、悬挂环(12)、座环(13)和第二弹卡回收管(14)；内接手(11)与第一弹卡架(2)通过螺纹连接，内接手(11)通过螺纹与悬挂环(12)连接，内接手(11)上开有均匀分布的八个斜孔，悬挂环(12)上部的内接手(11)具有四个斜孔，悬挂环(12)下部的内接手(11)具有四个斜孔，悬挂环(12上部的四个斜孔与悬挂环(12)下部的四个斜孔相对的位置，当悬挂环(12)与座环(13)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(11)上部的斜孔进入，从内接手(11)下部的斜孔流出完成泥浆循环；悬挂环(12)与座环(13)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(55)与钻头(56)之间保持2‑4毫米间隙，以防止损坏卡簧座(55)和钻头(56)，并保证岩心管(51)不会因为与钻头(56)接触而转动和岩心管(51)的通水性能；活动弹卡机构包括第二弹卡回收管(14)、第二弹卡架(16)、第二扭簧(17)、第二弹卡(18)、第四弹性销(19)、第一弹簧(20)、控制阀(21)、上轴承座(23)和第一密封圈(34)；第二弹卡回收管(14)通过螺纹与内接手(11)连接，第二弹卡架(16)位于第二弹卡回收管(14)内部并且可上下移动；第二弹卡(18)为两片通过第四弹性销(19)形成可转动的连接，第二扭簧(17)保持第二弹卡(18)在第二弹卡架(16)内保持张开；第一弹簧(20)上部与第二弹卡架(16)连接并为其提供上顶力，下部与上轴承座(23)连接；控制阀(21)与第二弹卡架(16)通过螺纹连接；钻进过程中第二弹卡(18)保持张开状态，钻进结束后，上提钻具，内管总成带动第二弹卡(18)上行，第二弹卡(18)卡在座环(13)下部，此时第二弹卡(18)停止上行，内管总成继续上行导致第二弹卡(18)带动控制阀(21)相对于内管总成下行，控制阀(21)将酒精腔内的酒精压入到干冰腔内，与干冰混合后进入冷冻机构内对岩心进行冷冻，从而实现冷源的注入过程，第一密封圈(34)在此过程中气密封保压的作用；单动机构包括上轴承座(23)、第一单动轴承(24)、下轴承座(25)、油嘴(26)和第二单动轴承(27)；第二弹卡回收管(14)与上轴承座(23)通过螺纹连接，第一轴承(24)上部与上轴承座(23)接触，并随上轴承座(23)转动，第一轴承(24)下部与下轴承座(25)接触保持不动，当岩芯在岩芯管(51)内卡住时，第一轴承(24)作为易损件承受上顶力，第二轴承(27)上部与下轴承座(25)接触，第二轴承(27)下部与上轴承座(23)接触，第二轴承(27)提供上顶力使下轴承座(25)不向下移动，油嘴(26)与下轴承座(25)通过螺纹连接，每次钻进开始前通过油嘴(26)上的小口将润滑油加入上轴承座(23)和下轴承座(25)的间隙内，润滑油可对转动的第一轴承(24)和第二轴承(27)起到润滑、散热和防水的作用；第一轴承(24)与第二轴承(27)实现了岩心管、冷源存储机构和孔底冷冻机构的单动功能，保证在钻进过程中岩心管(51)中的水合物岩心不会受到扰动；调节机构包括上轴承座(23)、第二弹簧(28)、挡环(29)、放松垫片(30)、圆螺母(31)和连接管(32)；第二弹簧(28)上部与第二轴承(27)接触并提供上顶力使第二轴承(27)能够保持下轴承座(25)不动，第二弹簧(28)下部与档环(29)接触，档环(29)与上轴承座(23)接触，防松垫片(30)上部与档环(29)连接，第二弹簧(28)下部与圆螺母(31)连接，圆螺母(31)为第二弹簧(28)提供上顶力，将单动机构上部的机构与下部的机构连接起来；上轴承座(23)通过螺纹与连接管(32)连接；在内管总成投入到孔内时，悬挂环(12)坐落在座环(13)上，内管总成下部的机构由于自身重力会向下移动，第一弹簧(20)可起到缓冲作用；在卡断岩心时，卡簧(54)带动卡簧座(55)下移压缩第二弹簧(28)，卡簧座(55)坐于钻头(56)内的台阶上，进而将拔断岩心的力传递到外管上，保证内管在整个取样过程中不受力；冷源存储机构包括酒精腔上接手(33)、酒精腔体管(35)、酒精腔下接手(36)、控制阀球(37)、控制阀座(38)、排气阀座(39)、第三弹簧(40)、排气阀球(41)、第四弹簧(42)、冷源腔保温层(43)、第二密封圈(44)和岩心腔上接手(45)；酒精腔上接手(33)通过螺纹与酒精腔体管(35)连接，酒精腔体管(35)与酒精腔下接手(36)通过螺纹连接，酒精腔上接手(33)、酒精腔体管(35)和酒精腔下接手(36)共同组成酒精存储腔；控制阀球(37)上部与酒精腔下接手(36)接触，下部为第三弹簧(40)；第三弹簧(40)上部与控制阀球(37)接触并通过一定的预紧力将其压紧在酒精腔下接手(36)上，下部座于控制阀座(38)内；控制阀座(38)与酒精腔下接手(36)通过螺纹连接，酒精腔下接手(36)、控制阀球(37)、控制阀座(38)和具有一定预紧力的第三弹簧(40)组成单向阀，在钻进过程中，单向阀将酒精腔下接手(36)上的酒精流动通道堵死，确保在钻进过程中酒精不会流出；当酒精腔内部的压力升高到一定值时，液体压力使单向阀打开，酒精流出；排气阀座(39)通过螺纹与酒精腔下接手(36)连接，第四弹簧(42)座于排气阀座(39)内，并通过预紧力将排气阀球(37)顶在酒精腔下接手(36)上，排气阀座(39)、排气阀球(37)、第四弹簧(42)和酒精腔下接手(36)组成排气阀，当冷源腔内的气体压力升高时将排气阀顶开，气体排出；酒精腔下接手(36)与岩心腔上接手(45)通过螺纹连接，冷源腔保温层(43)位于酒精腔下接手(36)内部；孔底冷冻机构包括第二密封圈(44)、岩心腔上接手(45)、止逆阀球(47)、止逆阀座(48)、冷冻腔体管(49)、冷冻腔保温层(50)、岩心管(51)、保温垫片(53)、卡簧(54)和卡簧座(55)；岩心腔上接手(45)与冷冻腔体管(49)通过螺纹连接，岩心管(51)通过螺纹与岩心腔上接手(45)连接，冷冻腔体管(49)与岩心管(51)之间的环状间隙为冷冻腔，当钻进结束后将冷源注入到冷冻腔内，冷源与水合物岩心之间通过岩心管(51)进行换热，从而冷冻水合物岩心，冷冻腔体管(49)的内壁包裹有冷冻腔保温层(50)，保证在冷冻过程中冷源的“冷量”不浪费；岩心腔上接手(45)与止逆阀座(47)通过螺纹连接，止逆阀球(48)位于止逆阀座(47)上部，岩心腔上接手(45)、止逆阀座(48)和止逆阀球(47)组成止逆阀，在岩心进入到岩心管(51)内的过程中，岩心管(51)内的泥浆顶开止逆阀球(47)经岩心腔上接手(45)内部的泄流口流出，止逆阀同时保证泥浆不会流回岩心管(51)内；卡簧座(55)与冷冻腔体管(49)通过螺纹连接，卡簧(54)于卡簧座(55)内，钻进结束后，上提内管总成，卡簧(54)由于自身重力和岩心的摩擦力作用下行将岩心抱死，卡簧座(55)坐于钻头内部的台阶上将岩心卡断，实现岩心的回收；外管总成包括弹卡挡头(1)、第一外管(10)、第一扩孔器(15)、第二外管(22)、第三外管(46)、第二扩孔器(52)和钻头(56)，弹卡挡头(1)与第一外管(10)通过螺纹连接，第一外管(10)通过螺纹与第一扩孔器(15)连接，第二外管(22)通过螺纹与第三外管(46)连接，第三外管(46)与第二扩孔器(52)通过螺纹连接，第二扩孔器(52)通过螺纹与钻头(56)连接。