[发明专利]气动循环冷冻式天然气水合物绳索取心钻具及取心方法

摘要

本发明公开了一种气动循环冷冻式天然气水合物绳索取心钻具及取心方法,其中的钻具是由内管总成和外管总成组成，钻具采用干冰为冷源，酒精为载冷剂，利用干冰酒精混合时产生的高压二氧化碳气体推动酒精循环流动，将冷冻能量由干冰所在的储冷腔持续不断的传递到冷冻腔并实现快速冷冻岩心；结合了孔底冷冻方法与绳索取心工艺，可实现不提钻快速取心，且钻进过程中内管不回转，减少了对水合物岩心的机械扰动。本发明结构合理，冷冻效率高，钻具的操作过程简单。

主权项

一种气动循环冷冻式天然气水合物绳索取心钻具，其特征在于：由内管总成和外管总成组成，其中内管总成包括有打捞机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、调节机构、酒精存储机构、储冷机构、孔底冷冻机构和气动循环控制机构；打捞机构是由捞矛头(2)、第一弹性销(3)和弹卡回收管(4)组成，捞矛头(2)与弹卡回收管(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心管向上移动，捞矛头(2)可带动弹卡回收管(4)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(1)、弹卡回收管(4)、弹卡架(5)、第二弹性销(6)、第一扭簧(7)、弹卡(8)和第三弹性销(9)组成；弹卡回收管(4)与弹卡架(5)通过第二弹性销(6)铰接，第二弹性销(6)与弹卡架(5)的连接为可动连接，第二弹性销(6)与弹卡回收管(4)之间为固定连接，弹卡回收管(4)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；弹卡(8)为两片通过第三弹性销(9)形成可转动的连接，第一扭簧(7)保持弹卡(8)在弹卡架(5)内保持张开，弹卡回收管(4)与弹卡架(5)通过第三弹性销(9)形成固定连接，两片弹卡(8)卡在弹卡挡头(1)上；悬挂机构由弹卡架(5)、第一连接管(11)、悬挂环(12)、座环(13)和上轴承座(15)组成；第一连接管(11)与弹卡架(5)通过螺纹连接，悬挂环(12)与第一连接管(11)通过螺纹连接，悬挂环(12)上部的第一连接管(11)上开有均匀分布的四个斜孔，悬挂环(12)下部第一连接管(11) 上也开有均匀分布的四个斜孔，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，内管总成与外管之间的泥浆通道被堵死，泥浆通过第一连接管(11)上部的斜孔进入，从第一连接管(11)下部的斜孔流出实现泥浆向下流动；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(67)与钻头(68)之间保持2‑4毫米间隙，以防止损坏卡簧座(67)和钻头(68)，并保证岩心管(64)不会因为与钻头(68)接触而转动和堵塞泥浆通道；单动机构由上轴承座(15)、第一单动轴承(16)、下轴承座(19)、油嘴(17)和第二单动轴承(20)组成；第一连接管(11)与上轴承座(15)通过螺纹连接，第一单动轴承(16)上部与上轴承座(15)接触，并随上轴承座(15)转动，第一单动轴承(16)下部与下轴承座(19)接触保持不动，当岩心在岩心管(64)内卡住时，第一单动轴承(16)作为易损件承受上顶力，第二单动轴承(20)上部与下轴承座(19)接触，第二单动轴承(20)下部与上轴承座(15)接触，第二单动轴承(20)提供上顶力使下轴承座(19)不向下移动，油嘴(17)与下轴承座(19)通过螺纹连接，每次钻进开始前通过油嘴(17)上的小口将润滑油加入上轴承座(15)和下轴承座(19)的间隙内，润滑油可对转动的第一单动轴承(16)和第二单动轴承(20)起到润滑、散热和防水的作用；第一单动轴承(16)与第二单动轴承(20)实现了岩心管(64)、储冷机构、孔底冷冻机构和循环控制机构的单动功能，保证在钻进过程中岩心管(64)中的水合物岩心不会受到扰动；调节机构上轴承座(15)、弹簧(21)、挡环(22)、防松垫片(23)、圆螺母(24)和排气接手(25)；弹簧(21)上部与第二单动轴承(20)接触并提供上顶力使第二单动轴承(20)能够保持下轴承座(19)不动，弹簧(21)下部与挡 环(22)接触，挡环(22)与上轴承座(15)接触，防松垫片(23)上部与挡环(22)连接，弹簧(21)下部与圆螺母(24)连接，圆螺母(24)为弹簧(21)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；下轴承座(19)通过螺纹与排气接手(25)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，弹簧(21)可起到缓冲作用；在卡断岩心时，卡簧(66)带动卡簧座(67)下移压缩弹簧(21)，卡簧座(67)坐于钻头(68)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；酒精存储机构由酒精腔上接手(26)、排气阀座(27)、排气阀弹簧(28)、排气阀球(29)、酒精腔上保温垫片、酒精腔体管(32)、酒精腔保温管(31)、酒精腔下保温垫片(33)、酒精腔端盖外套(35)、酒精腔端盖体(36)组成；酒精腔上接手(26)通过螺纹与酒精腔体管(32)连接，酒精腔体管(32)与酒精腔端盖体(36)接触连接，酒精腔端盖外套(35)通过螺纹与酒精腔体管(32)连接并压紧酒精腔端盖体(36)，酒精腔上接手(26)、酒精腔体管(32)、酒精腔端盖体(36)共同组成了酒精腔；排气阀座(27)与酒精腔上接手(26)通过螺纹连接，排气阀弹簧(28)坐于排气阀座(27)内并通过一定预紧力将排气阀球(29)顶在酒精腔上接手(26)上，酒精腔上接手(26)、排气阀、排气阀球(29)和有一定预紧力的排气阀弹簧(28)组成排气阀，当酒精腔内压力大于一定值时排气阀被打开，将腔内气体排至钻井液中；酒精腔上保温垫片(30)与酒精腔上接手(26)接触连接，酒精腔下保温垫片(33)与酒精腔端盖体(36)接触连接，酒精腔保温管(31)与酒精腔体管(32)接触连接，酒精腔上保温垫片(30)、酒精腔保温管(31)和酒精腔下保温垫片(33)共同组成了酒精腔保温系统；储冷机构由储冷腔端盖体(45)、单向阀球(47)、单向阀弹簧(48)、单向阀座(49)、储冷腔端盖外套(46)、储冷腔上保温垫片(50)、储冷腔体管(51)、储冷腔保温管(52)、储冷腔下保温垫片(55)、冷冻腔上接手(56)组成；储冷腔端盖体(45)与储冷腔体管(51)接触连接，储冷腔端盖外套(46)与储冷腔体管(51)通过螺纹连接并压紧储冷腔端盖体(45)，冷冻腔上接手(56)与储冷腔体管(51)通过螺纹连接，储冷腔端盖体(45)、储冷腔体管(51)和冷冻腔上接手(56)共同组成储冷腔，用来存储冷源干冰；单向阀座(49)与储冷腔端盖体(45)通过螺纹连接，单向阀弹簧(48)坐于单向阀座(49)内并通过一定预紧力将单向阀球(47)顶在储冷腔端盖体(45)上，储冷腔端盖体(45)、单向阀球(47)、单向阀弹簧(48)、单向阀座(49)共同组成单向阀，允许酒精在由酒精腔进入储冷腔而阻止储冷腔中气体和液体经单向阀进入酒精腔；储冷腔上保温垫片(50)与储冷腔端盖体(45)接触连接，储冷腔下保温垫片(55)与冷冻腔上接手(56)接触连接，储冷腔保温管(52)与储冷腔体管(51)接触连接，储冷腔上保温垫片(50)、储冷腔保温管(52)和储冷腔下保温垫片(55)共同组成了储冷腔保温系统，利用保温材料导热系数低的性质减少冷源存储和低温酒精循环循过程中冷冻能量的散失；孔底冷冻机构由冷冻腔上接手(56)、止逆阀球(57)、止逆阀座(58)、岩心管(64)上接手(60)、环封密封圈(59)、限位螺钉(61)、岩心管(64)、冷冻腔保温管(62)、卡簧(66)、卡簧座(67)组成，其中岩心管(64)由岩心管内管(64b)、岩心管外管(64a)和岩心管底座(64c)组成，岩心管内管(64b)和岩心管外管(64a)分别与岩心管底座(64c)焊接；岩心管(64) 上接手(60)与冷冻腔上接手(56)插接，岩心管内管(64b)与岩心管(64)上接手(60)通过螺纹连接，岩心管外管(64a)与冷冻腔上接手(56)插接，冷冻腔上接手(56)、岩心管(64)上接手(60)、岩心管(64)组成了冷冻腔，冷冻腔通过冷冻腔上接手(56)上多个圆孔与储冷腔连通；止逆阀座(58)与冷冻腔上接手(56)通过螺纹连接，止逆阀球(57)置于止逆阀座(58)中，止逆阀座(58)、止逆阀球(57)和冷冻腔上接手(56)共同组成止逆阀，在岩心进入到岩心管(64)内的过程中，岩心管(64)内的泥浆顶开止逆阀球(57)经岩心腔上接手内部的泄流口流出，止逆阀同时保证泥浆不会流回岩心管(64)内；限位螺钉(61)与冷冻腔上接手(56)通过螺纹连接，与岩心管(64)接触连接，限位螺钉(61)嵌入岩心管外管(64a)上部的环形凹槽中以防止钻进及取心过程中岩心管(64)脱落；冷冻腔保温管(62)与岩心管外管(64a)接触连接，利用保温材料导热系数低的性质减少低温酒精循环过程中冷冻能量的散失；卡簧座(67)与岩心管底座(64c)通过螺纹连接，卡簧(66)坐于卡簧座(67)内，钻进结束后，上提内管总成，卡簧(66)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(67)座于钻头(68)内部的台阶上将岩心卡断，实现岩心的回收；气动循环控制机构由第二连接管(37)、球阀(40)、开阀挡环(39)、第三连接管(42)、上连通管(34)、第一快速接头、中连通管(41)、第二快速接头(43)、环隙密封接头(44)、下连通管(53)组成；其中球阀(40)由阀座(40a)、阀体(40b)、阀芯(40c)、阀座密封圈(40d)、启闭阀杆(40e)、密封件(40f)、阀柄(40g)、第二扭簧(40h)、销轴(40i)和Y形曲柄(40J)组成，球阀(40)连接方式与普通球阀相同，不同点在于本球阀(40)有对称的两套启闭阀杆(40e)和阀柄(40g)，且添加了Y形曲柄(40J)、销轴(40i) 和第二扭簧(40h)，Y形曲柄(40J)通过销轴(40i)与阀柄(40g)铰接，第二扭簧(40h)套装在销轴(40i)上，扭簧两臂分别固定在阀柄(40g)与Y曲柄杆上且有一定预紧力使Y形曲柄(40J)与阀柄(40g)保持张开状态；其中第一快速接头和第二快速接头(43)结构相同，都是由接头外套(43a)、阳接头(43b)、阴接头(43c)组成，阳接头(43b)与阴接头(43c)接触连接，接头外套(43a)与阴接头(43c)通过螺纹连接并将阳接头(43b)与阴接头(43c)的连接锁紧；其中环隙密封接头(44)由环封外套(44a)、压环(44b)、环封底座(44c)、环封密封圈(59)组成，环封底座(44c)焊接在储冷腔端盖体(45)上，环封密封圈(59)坐于环封底座(44c)内，压环(44b)与环隙底座插接并压在环封密封圈(59)上，环封外套(44a)与环封底座(44c)通过螺纹连接并压紧压环(44b)以实现密封；第二连接管(37)与酒精腔端盖体(36)通过螺纹连接，球阀(40)与第二连接管(37)通过螺纹连接，第三连接管(42)与球阀(40)通过螺纹连接，储冷腔端盖体(45)与第三连接管(42)通过螺纹连接，下连通管(53)与储冷腔端盖体(45)插接并穿过储冷腔和冷冻腔上接手(56)的圆孔伸入到冷冻腔的底部，下连通管(53)与环隙密封接头(44)插接，第二快速接头(43)与下连通管(53)焊接，中连通管(41)与第二接头焊接，第一快速接头(38)与中连通管(41)焊接，上连通管(34)与第一快速接头(38)焊接，上连通管(34)与酒精腔端盖体(36)焊接并伸入酒精腔顶部，钻具形成了酒精循环流动通道和气体单向流动通道，酒精循环流动通道由酒精腔、第二连接管(37)、球阀(40)、第三连接管(42)、单向阀、储冷腔、冷冻腔上接手(56)、冷冻腔、下连通管(53)、中连通管(41)、上连通管(34)组成，酒精由酒精腔出发经循环通道可流回酒精腔，通过单向阀实现酒精的单向流动；气体单向流动通道由单向阀、储冷腔、冷冻腔上接手(56)、冷冻腔、下连通管(53)、中连通管(41)、上连通管(34)、酒精腔、排气阀组成，气体从气体发生地出发经气体单向流动通道后最终由排气阀排出，该过程通过单向阀实现气体单向流动；沿流体流动方向，两条通道在单向阀之后开始重合，到酒精腔时通道分开；下放内管总成时，球阀(40)保持关闭状态，Y形曲柄(40J)经过开阀挡环(39)时压缩第二扭簧(40h)并顺利通过；提升内管总成时Y形曲柄(40J)末端与开阀挡环(39)挡接触处形成铰接，至此，以Y形曲柄(40J)为曲柄、阀柄(40g)为连杆、内管总成为滑块、外管总成为机架形成曲柄滑块机构；继续牵引内管总成上升，阀柄(40g)带动阀杆、阀芯(40c)转动，球阀(40)被打开，至Y形曲柄(40J)转至水平，开阀挡环(39)处铰接失效，第二扭簧(40h)张开、Y形曲柄(40J)通过开阀挡环(39)；冷冻岩心的过程从球阀(40)被打开时开始，酒精由酒精腔经单向阀流入储冷腔与冷源干冰混合，干冰吸热产生大量二氧化然气体，高压气体关闭了单向阀、酒精被冷冻并在重力作用下流入冷冻腔对岩心进行冷冻，气体在气压推动下流入冷冻腔，高压气体将冷冻腔底部的酒精压入下连通管(53)并推动管内酒精沿下连通管(53)、中连通管(41)、上连通管(34)上行流入酒精腔，重力作用下酒精下行、气体则在酒精腔上部聚集，到酒精腔内气压大于钻井液液柱压力后排气阀被打开并排气且压力维持不变，随着储冷腔产生的气体逐渐排出，储冷腔与酒精腔的压差逐渐减小，直到单向阀再次打开；在上述的流体流动过程中，流体流动的动力来自储冷腔与酒精腔之间的压力差：储冷腔内高压产生原因是干冰气化产生的二氧化碳气体在储冷腔内的积累，假设储冷腔全封闭，则随着储冷腔压力升高，产气速率逐渐下降，腔内压力趋于一稳定值；酒精腔内的压力产生原因是由储冷腔流动来的二氧化碳气体的积累，但其上限受排气阀控制，因此储冷腔最大气压为液柱压力加上排气阀开启压力；外管总成由弹卡挡头(1)、第一外管(10)、第一扩孔器(14)、第二外管(18)、第三外管(54)、第四外管(63)、第二扩孔器(65)和钻头(68)组成，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(14)连接，第二外管(18)通过螺纹与第一扩孔器(14)连接，第三外管(54)通过螺纹与第二外管(18)连接，第四外管(63)通过螺纹与第三外管(54)通过螺纹连接，第四外管(63)与第二扩孔器(65)通过螺纹连接，第二扩孔器(65)通过螺纹与钻头(68)连接。