[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

摘要

本发明公开了一种天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具及取心方法，本发明适用于深海和陆地永冻层的天然气水合物钻探取心。本发明采用单纯的冷冻取样，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。

主权项

一种天然气水合物孔底冷冻液动卡绳索取心钻具，其特征在于：是由内管总成和外管总成组成，内管总成包括有打捞机构、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(2)、第一内接手(3)组成，捞矛头(2)与第一内接手(3)通过螺纹连接；打捞器下入孔内后与捞矛头(2)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(43)向上移动；控制机构是由第一内接手(3)、控制活塞(4)、第一弹簧(9)、控制阀(10)和重力管(11)组成，第一内接手(3)与重力管(11)通过螺纹连接，控制活塞(4)位于第一内接手(3)的内部，并可在第一内接手(3)内部实现竖直方向的上行和下行；第一弹簧(9)上部与控制活塞(4)接触，下部与重力管(11)接触，第一弹簧(9)为控制活塞(4)提供上顶力保证控制活塞(4)位于上下进水口之间；第一内接手(3)上开有均匀分布的12个斜孔，分别位于控制活塞(4)的上部，悬挂环(6)上部和下部相对的位置，当悬挂环(6)与座环(7)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(3)的下进水口进入，从第一内接手(3)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(6)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(3)的上进水口进入，克服第一弹簧(9)的预紧力使控制活塞(4)下行，同时控制活塞(4)带动控制阀(10)下行将冷源压入到冷冻机构中；悬挂机构是由第一内接手(3)、悬第一挂环(6)、第一座环(7)和第一扩孔器(5)组成，第一内接手(3)通过螺纹与悬挂环(6)连接，座环(7)通过螺纹与第一扩孔器(5)连接；悬挂环(6)与座环(7)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(47)与钻头(48)之间保持2‑4毫米间隙，以防止损坏卡簧座(47)和钻头(48)，并保证岩心管(43)不会因为与钻头(48)接触而转动和岩心管(43)的通水性能；钢球定位机构是由定位管(8)、重力管(11)、中间管(12)、定位钢球(13)、第二内接手(14)、第二悬挂环(49)和第二座环(50)组成，定位管(8)通过螺纹与第一扩孔器(5)连接，重力管(11)通过螺纹与第一内接手(3)连接，中间管(12)与第二内接手(14)通过螺纹连接，定位钢球(13)位于重力管(11)和中间管(12)上的斜孔之间；钻进时首先将内管总成投入孔内，重力管(11)将定位钢球(13)从中间管(12)的斜孔内挤出进入到定位管(8)的环装槽内，实现内管总成的上定位；当打捞器带动打捞机构上行时，第一内接手(3)带动重力管(11)上行，上行距离为重力管(11)的外凸台和中间管(12)的内凸台之间的距离，此时重力管(11)和第二内接手(14)脱离并且二者之间的距离小于定位钢球(13)的直径，因此当内管总成上行时定位钢球(13)会由于定位管(8)的推力而进入到重力管(11)和第二内接手(14)的间隙中，实现内管总成的回收，第二悬挂环(49)座于第二座环(50)上，为钢球定位机构提供上顶力，确保钢球定位机构实现功能；单动机构是由上轴承座(15)、第一轴承(16)、油嘴(18)、下轴承座(17)和第二轴承(19)组成；第二内接手(14)通过螺纹与上轴承座(15)连接，上轴承座(15)下部与第一轴承(16)上部接触，第一轴承(16)上部随上轴承座(15)转动，下轴承座(17)上部与第一轴承(16)下部接触并保持不动，第一轴承(16)承受由于岩心卡堵而产生的上顶力，第二轴承(19)上部与下轴承座(17)接触，第二轴承(17)下部与上轴承座(15)接触，油嘴(18)与下轴承座(17)通过螺纹连接，钻进开始前通过油嘴(18)将润滑油注入上轴承座(15)和下轴承座(17)的间隙内对轴承进行润滑和散热；调节机构是由下轴承座(17)、第二弹簧(20)、挡环(21)、垫片(22)、圆螺母(23)和连接管(24)构成；第二弹簧(20)上部与第二轴承(19)接触并提供上顶力使第二轴承(19)能够保持下轴承座(17)不动，第二弹簧(20)下部与档环(21)接触，档环(21)与上轴承座(15)接触，垫片(22)上部与档环(21)连接，第二弹簧(20)下部与圆螺母(23)连接，圆螺母(23)为第二弹簧(20)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(15)通过螺纹与连接管(24)连接；在内管总成投入到孔内时，悬挂环(6)坐落在座环(7)上，内管总成下部的机构由于自身重力会向下移动，第二弹簧(20)可起到缓冲作用；冷源存储机构是由酒精腔上接手(25)、第一密封圈(26)、酒精腔体管(27)、酒精腔下接手(28)、控制阀球(29)、控制阀座(30)、排气阀座(31)、第三弹簧(32)、排气阀球(33)、第四弹簧(34)、冷源腔保温层(35)、第二密封圈(36)和岩心腔上接手(37)组成；酒精腔上接手(25)通过螺纹与酒精腔体管(27)连接，酒精腔体管(27)与酒精腔下接手(28)通过螺纹连接，酒精腔上接手(25)、酒精腔体管(27)和酒精腔下接手(28)共同组成酒精存储腔；控制阀球(29)上部与酒精腔下接手(28)接触，下部为第三弹簧(32)；第三弹簧(32)上部与控制阀球(29)接触并通过一定的预紧力将其压紧在酒精腔下接手(28)上，下部座于控制阀座(30)内；控制阀座(30)与酒精腔下接手(28)通过螺纹连接，酒精腔下接手(28)、控制阀球(29)、控制阀座(30)和具有一定预紧力的第三弹簧(32)组成单向阀，在钻进过程中，单向阀将酒精腔下接手(28)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；排气阀座通过螺纹与酒精腔下接手(28)连接，第四弹簧(34)座于排气阀座(31)内，并通过预紧力将排气阀球(33)顶在酒精腔下接手(28)上，排气阀座(31)、排气阀球(33)、第四弹簧(34)和酒精腔下接手(28)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(28)与岩心腔上接手(37)通过螺纹连接，冷源腔保温层(35)位于酒精腔下接手(28)内部，保温层保证干冰在存储过程中不气化；孔底冷冻机构是由第二密封圈(36)、岩心腔上接手(37)、止逆阀球(39)、冷冻腔体管(40)、止逆阀座(41)、冷冻腔保温层(42)、岩心管(43)、保温垫片(45)、卡簧(46)和卡簧座(47)组成；岩心腔上接手(37)与冷冻腔体管(40)通过螺纹连接，岩心管(43)通过螺纹与岩心腔上接手(37)连接，冷冻腔体管(40)与岩心管(43)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(43)进行换热，从而冷冻水合物岩心，冷冻腔体管(40)的内壁包裹有冷冻腔保温层(42)；岩心腔上接手(37)与止逆阀座(41)通过螺纹连接，止逆阀球(39)位于止逆阀座(41)上部，岩心腔上接手(37)、止逆阀座(41)和止逆阀(39)球组成止逆阀，在岩心进入到岩心管(43)内的过程中，岩心管(43)内的泥浆顶开止逆阀球(39)经岩心腔上接手(37)内部的泄流口流出，止逆阀同时保证泥浆不会流回岩心管(43)内；卡簧座(47)与冷冻腔体管(40)通过螺纹连接，卡簧(46)座于卡簧座(47)内，钻进结束后，上提内管总成，卡簧(46)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(47)座于钻头(48)内部的台阶上将岩心卡断，实现岩心的回收；外管总成是由第一外管(1)、第一扩孔器(5)、定位管(8)、第二外管(38)、第二扩孔器(44)和钻头(48)组成，第一外管(1)通过螺纹与第一扩孔器(5)连接，第一扩孔器(5)与定位管(8)通过螺纹连接，定位管(8)通过螺纹与第二外管(38)连接，第二外管(38)与第二扩孔器(44)通过螺纹连接，第二扩孔器(44)通过螺纹与钻头(48)连接。