[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

摘要

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，钻具由外管总成和内管总成组成。其采用酒精与液氮混合制冷的方式，其中酒精作为载冷剂，液氮作为冷冻剂；在钻进时液氮持续流入铜管不断挥发对酒精进行预冷，酒精对岩心进行冷冻，利用岩心充满岩心管后产生的上顶力打开液氮腔与冷冻腔通道，使剩余液氮与酒精的混合形成低温酒精对岩心进行冷冻。预冷过程中氮气经过酒精后温度有一定升高，降低了冻孔的可能性；增强了冷冻效果，提高了液氮的利用率，降低了液氮与酒精的温度差，使后续液氮与酒精混合的混合过程更加温和。本发明易于获取天然气水合物岩心；本发明将孔底冷冻与绳索取心方式相结合，能够实现不提钻快速取心。

主权项

一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具，其特征在于：由外管总成和内管总成组成；所述外管总成包括弹卡挡头(1)、弹卡室(10)、第一座环(13)、上扩孔器(15)、外管(49)、下扩孔器(57)和钻头(60)；其中弹卡挡头(1)、弹卡室(10)、上扩孔器(15)、外管(49)、下扩孔器(57)和钻头(60)顺次通过螺纹进行连接，第一座环(13)通过螺纹连接在弹卡室(10)下端；所述内管总成包括捞矛机构、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(2)、第一弹簧销(3)与回收管(4)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(2)连接，上提打捞器可使回收管(4)上移，回收管(4)压缩弹卡(8)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(8)、弹卡销(9)、弹卡挡头(1)、弹卡架(5)、扭簧(7)、第二弹簧销(6)和回收管(4)组成；弹卡(8)通过弹卡销(9)与弹卡架(5)固定连接，弹卡架(5)与回收管(4)通过第二弹簧销(6)形成可动连接；扭簧(7)给弹卡(8)提供张力，弹卡(8)两翼贴附在弹卡室(10)内壁上，使其被弹卡挡头(1)卡住，防止钻进过程中内管向上窜动；悬挂机构由内接手(11)、弹卡架(5)、悬挂环(12)与第一座环(13)组成；内接手(11)与弹卡架(5)螺纹连接，悬挂环(12)与内接手(11)螺纹连接，第一座环(13)与弹卡室(10)螺纹连接，悬挂环(12)外径稍大于第一座环(13)内径，内接手(11)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(10)位置时，悬挂环(12)坐落在第一座环(13)上，使卡簧座(59)与钻头(60)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(11)上部斜孔流入，从下部斜孔流出，保证泥浆循环通道不堵塞；单动机构由上轴承座(14)、下轴承座(18)、油嘴(17)、第一推力轴承(16)与第二推力轴承(19)组成；上轴承座(14)与内接手(11)通过螺纹进行连接，第一推力轴承(16)上下面分别与上轴承座(14)与下轴承座(18)接触，同时第一推力轴承(16)承受岩心充满岩心管(51)后产生的上顶力，并将力传递给上轴承座(14)；第二推力轴承(19)上部与下轴承座(18)接触，防止下轴承座(18)下移；油嘴(17)与下轴承座(18)螺纹连接，通过加入润换油对轴承进行润滑；第一推力轴承(16)和第二推力轴承(19)使内管在钻进时不随外管转动，保证了内管总成的单动性；缓冲机构由上轴承座(14)、弹簧(20)、挡环(21)、螺母(23)与垫片(22)组成；弹簧(20)上下面分别与第二推力轴承(19)与挡环(21)接触，弹簧(20)为第二推力轴承(19)提供支撑力以支撑下轴承座(18)；垫片(22)上下面分别与挡环(21)和螺母(23)接触，挡环(21)同时与上轴承座(14)接触，螺母(23)与上轴承座(14)螺纹连接并为弹簧(20)提供上顶力；下放内管总成时，内管总成下部机构会因惯性向下运动，弹簧(20)可起到缓冲作用；拉断岩心时，压缩弹簧(20)，卡簧座(59)下移至钻头(60)内台阶上，从而将拉断岩心的力传递至外管，起到保护内管的作用；冷源存储机构由排气接手(24)、储冷腔体管(35)、排气阀弹簧(25)、排气阀体(27)、排气阀球(26)、密封圈(28)、颈管(29)、外壳(30)、液氮腔体管(33)、侧面支撑(34)、液氮注入管(37)与底部支撑座(36)组成；排气接手(24)与下轴承座(18)通过螺纹连接，储冷腔体管(35)与排气接手(24)通过螺纹连接，排气阀体(27)与排气接手(24)通过螺纹连接，排气阀弹簧(25)上部与排气接手(24)接触，并将排气阀球(26)预紧在排气阀体(27)上部，排气阀体(27)、排气阀弹簧(25)与排气阀球(26)组成的排气阀起到辅助排气的作用，液氮腔体管(33)中储有液氮，当液氮腔体管(33)中内部压力大于一定值时氮气流经颈管(29)排出液氮腔(32)；颈管(29)与排气阀体(27)插接，插接处布置有密封圈(28)，防止氮气外溢；外壳(30)分别与颈管(29)和底部支撑座(36)焊接，液氮腔体管(33)也分别与颈管(29)和底部支撑座(36)焊接，外壳(30)的侧面与储冷腔体管(35)接触且布置有抽气嘴(31)，在装入液氮前通过抽气嘴(31)进行抽真空，达到保冷、减缓液氮气化的目的；侧面支撑(34)布置在外壳(30)与液氮腔体管(33)之间，提高稳定性；液氮注入管(37)分别与底部支撑座(36)与三通道接手(40)插接，并设有密封圈(28)，底部支撑座(36)开有三个液氮通道，液氮腔(32)中液氮流经底部支撑座(36)通道与液氮注入管(37)后进入三通道接手(40)的内部通道，液氮上通道(38)与液氮限流通道(43)；孔底冷冻机构由三通道接手(40)、冷冻腔体管(50)、冷冻腔保温层(53)、岩心管(51)、限流阀(47)、铜管(52)、排水阀体(46)、排水阀弹簧(44)、排水阀球(45)、单向阀体(56)、单向阀弹簧(55)、单向阀球(54)、卡簧(58)与卡簧座(59)组成；三通道接手(40)由液氮上通道(38)、液氮中通道(39)、液氮下通道(41)、液氮限流通道(43)、密封圈(28)、钢活塞(42)与第二座环(48)组成；三通道接手(40)与储冷腔体管(35)通过螺纹连接，冷冻腔体管(50)与三通道接手(40)通过螺纹连接，冷冻腔保温层(53)与冷冻腔体管(50)接触连接，三通道接手(40)、冷冻腔保温层(53)与岩心管(51)构成了冷冻腔，冷冻腔保温层(53)由导热系数极低的材料构成，有效减少冷动能量的损失；钢活塞(42)与三通道接手(40)接触，三通道接手(40)下部与钢活塞(42)接触处设有密封圈(28)，防止泥浆渗入；排水阀体(46)与钢活塞(42)通过螺纹连接，排水阀弹簧(44)上部与钢活塞(42)接触并将排水阀球(45)预紧在排水阀体(46)上部，在钻进时泥浆顶开排水阀球(45)流经钢活塞(42)泄流口与三通道接手(40)泄流通道后排出，同时保证泥浆不回流；钢活塞(42)泄流口内径较三通道接手(40)泄流通道内径大，保证钢活塞(42)在竖直移动的过程中，泥浆能持续的排出至内管总成与外管环状间隙；第二座环(48)与三通道接手(40)通过螺纹连接，钢活塞(42)与第二座环(48)接触，防止钻进时钢活塞(42)受重力作用向下滑离三通道接手(40)；液氮限流通道(43)末端出口处接有限流阀(47)，限流阀(47)末端接有铜管(52)，铜管(52)缠绕在岩心管(51)外部冷冻腔内，冷冻腔存储着酒精，在钻进时液氮流经限流阀(47)以很小的流量不断注入到铜管(52)中，液氮流经铜管(52)时不断挥发对酒精进行预冷，酒精会对岩心进行冷冻，但钻进时泥浆循环流速快，不会把泥浆冻住；卡簧座(59)与冷冻腔体管(50)通过螺纹连接，单向阀体(56)与卡簧座(59)通过螺纹连接，单向阀弹簧(55)将单向阀球(54)预紧在卡簧座(59)排气口，单向阀体(56)、单向阀弹簧(55)与单向阀球(54)组成了单向阀，铜管(52)中氮气最终从单向阀排出，铜管(52)与卡簧座(59)排气口插接并设有密封圈(28)，起到防止氮气泄露的作用；钢活塞(42)上端与液氮上通道(38)接触处设有密封圈，防止钻进时液氮流入液氮中通道(39)；钢活塞(42)下端为薄壁圆环，钻进时，岩心逐渐进入到岩心管(51)的上部与薄壁圆环接触，随后岩心给薄壁圆环提供上顶力，上顶力使钢活塞(42)竖直向上运动，使液氮上通道(38)、液氮中通道(39)与液氮下通道(41)连通，液氮腔(32)中剩余液氮流入冷冻腔，液氮与冷冻腔内酒精混合对岩心进行冷冻；卡簧(58)与卡簧座(59)锥形面接触，钻进时岩心充满岩心管(51)后，停钻上提内管总成，卡簧(58)卡紧岩心，卡簧座(59)下移至钻头(60)内台阶上，最终卡断岩心。