[發明專利]孔底冷凍繩索取心鉆具及其取心方法

有效

• 申請號: 201010184043.1
• 申請日: 2010-05-27
• 公開（公告）號: CN101864916A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 孫友宏;趙建國;郭威;趙江鵬;陳晨;薛軍;李國圣;賈瑞
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: E21B25/08
• 分類號: E21B25/08
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 王立文

技術領域：

本發明涉及一種孔底冷凍繩索取心鉆具和取心方法，尤其適用于天然氣水合物鉆探孔底冷凍取心。

背景技術：

隨著經濟的高速發展，煤、石油、天然氣等常規能源已不能滿足人類發展的需求，天然氣水合物以其豐富的儲量，在未來成為煤、石油、天然氣等常規能源的替代能源也被人類所共識。

天然氣水合物形成和賦存在高壓低溫的環境下。根據天然氣水合物穩壓特性曲線，如果溫度或者壓力條件變化超過平衡條件，就會導致天然氣水合物分解。如何獲取高保真的天然氣水合物樣品，對鉆探取心工作提出了很高的要求。目前國內外的天然氣水合物取樣器主要由兩種設計思路：一種是孔底保壓取樣器，一種是孔底冷凍取樣器。孔底保壓取樣器的思路是當水合物巖心進入保壓巖心管后，通過球閥關閉巖心管底部使巖心保持初始壓力，并利用壓力補償裝置控制壓力，來維持巖心壓力在提鉆的過程中保持不變，提到地表后再對巖心進行冷凍保存。這種思路對于球閥的強度和密封性要求特別高，一旦球閥密封性下降，就會導致水合物分解，取心失敗。孔底冷凍取樣器的思路是當鉆進回次結束，水合物巖心充滿巖心管后，利用沖洗液壓力將冷凍劑壓入到巖心管周圍密封的冷凍腔體內部，冷凍劑與水合物巖心通過銅質的巖心管發生熱交換，實現對水合物巖心的冷凍。根據天然氣水合物溫壓特性曲線，其分解壓力隨著溫度的降低而降低。如果能夠把天然氣水合物巖心冷凍到-45攝氏度，即使壓力小于一個大氣壓，也可以保證水合物巖心不分解。

現有的孔底冷凍取樣鉆具采用的是干冰作為冷凍劑，酒精做為載冷劑，且為投球提鉆式取心，其不足是：結構復雜，由于干冰為固態，需采用酒精作為載冷劑，先與干冰反應成為低溫酒精后，才能注入冷凍腔內實現冷凍，這就使取樣器結構更加復雜；冷東效率低，效果差，由于必須采用酒精作為載冷劑，有很大一部分冷量被酒精帶走，不能實現冷凍劑冷量的充分利用；為投球提鉆取心，在鉆進回次結束后，通過鉆桿向取樣器內投入鋼球來改變沖洗液流通道，以實現對冷凍過程的控制。這就決定了回次結束后只能采用提鉆的方法獲取巖心，提鉆時間長，工作量大。而且在提鉆過程中，水合物巖心會產生二次分解。

發明內容：

本發明的目的就在于針對上述現有技術的不足，提供一種是用液氮在孔底降低水合物巖心溫度來抑制天然氣水合物分解，適用于陸地凍土層天然氣水合物鉆探取樣的天然氣水合物孔底冷凍繩索取樣鉆具。

本發明的另一目的是提供一種用于陸地永凍層天然氣水合物保真取樣的取樣方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

用液氮作為冷凍劑，通過液氮氣化吸熱在孔底冷凍巖心，抑制天然氣水合物的分解。

液氮氣化型天然氣水合物孔底冷凍繩索取樣器包括外管總成與內管總成。在獲取巖心時，通過繩索取心的方法，用打撈器將內管總成從外管總成打撈上來。

內管總成包括：矛頭1通過銷釘5與錐軸4鉸接，定位鋼球3與定位彈簧2安裝在矛頭1與錐軸3之間，錐軸4采用空心銷釘Ⅰ8嵌套在提引套筒6上部，提引套筒6與彈卡座9同心，并且為間隙配合，提引套筒6沿軸向滑動，空心銷釘Ⅱ10穿過彈卡座的銷釘槽，兩端鉚固在提引套筒壁上，彈卡座9的銷釘槽通過限制空心銷釘10的運動距離，限制提引套筒6的沿軸向上運動距離，彈卡15與鉸鏈11采用鉚釘16組成鉸鏈式彈卡定位機構，彈卡15的固定端通過空心銷釘Ⅲ13固定在彈卡座9上，彈卡座9通過鉚釘14與主軸22連接，懸掛環18通過螺紋安裝在主軸22上部臺肩螺紋處，采用止退螺母19固緊，主軸22為中空結構，主軸22頂端側壁設有4個Φ19的斜孔20，斜孔Ⅰ20中線與主軸軸線22成45°角，座環21下部的主軸22側壁設有4個Φ19的斜孔Ⅱ23，斜孔Ⅱ23中線與主軸軸線成45°角，斜孔Ⅰ20與斜孔Ⅱ23均沿主軸外壁周向均布，中空心軸27通過螺紋與主軸22下部連接，并用固緊圓螺母28鎖緊，心軸套30與中空心軸27為間隙配合，心軸套30上端為推力軸承31，下端為推力軸承32，推力軸承31坐于軸承擋蓋29內部，推力軸承32由緩沖彈簧33壓緊，然后采用擋圈34與螺母35將彈簧固定；

連接短管36上端通過內螺紋與心軸套30外螺紋連接，下端通過內螺紋與控制接頭37外螺紋連接，中空心軸27下端將插入到控制接頭37上部孔內，之間為間隙配合，控制活塞38坐于控制接頭37中心活塞通道內，控制彈簧39壓在控制活塞38下部，擋片45將控制彈簧壓緊，用緊定螺釘將擋片45固定在控制接頭37上，泄流彈簧42、泄流閥鋼球43和泄流閥44組成泄流閥組合，依次安裝于泄流孔41內；