[發(fā)明專利]天然氣水合物孔底冷凍雙彈卡繩索取心鉆具及取心方法

有效

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• 申請日: 2015-07-10
• 公開（公告）號: CN105041251B
• 公開（公告）日: 2017-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫友宏;王元;郭威;賈瑞;陳光華
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: E21B25/08
• 分類號: E21B25/08;E21B25/02
• 代理公司: 長春市四環(huán)專利事務(wù)所(普通合伙)22103
• 代理人: 張建成

1.一種天然氣水合物孔底冷凍繩索取心鉆具，其特征在于：是由內(nèi)管總成和外管總成組成，內(nèi)管總成包括有打撈機構(gòu)、彈卡定位機構(gòu)、懸掛機構(gòu)、活動彈卡機構(gòu)、單動機構(gòu)、調(diào)節(jié)機構(gòu)、冷源存儲機構(gòu)和孔底冷凍機構(gòu)；

打撈機構(gòu)是由撈矛頭2、第一彈性銷3和第一彈卡回收管4組成，撈矛頭2與第一彈卡回收管4通過第一彈性銷3連接；打撈器下入孔內(nèi)后與撈矛頭2連接，通過打撈器與打撈機構(gòu)的連接實現(xiàn)將鉆具內(nèi)管總成放入孔內(nèi)和回收的過程；同時通過打撈器提起打撈機構(gòu)時帶動巖芯管向上移動，撈矛頭可帶動彈卡回收管向上移動，從而實現(xiàn)繩索取心的過程；

彈卡定位機構(gòu)由彈卡擋頭1、第一彈性銷3、第一彈卡回收管4、第一彈卡架5、第二彈性銷6、第一扭簧7、第一彈卡8和第三彈性銷9；第一彈卡回收管4與第一彈卡架5通過第一彈性銷3鉸接，第一彈性銷3與第一彈卡架5的連接為可動連接，第一彈性銷3與第一彈卡回收管4之間為固定連接，第一彈卡回收管4可在自身重力和打撈器拉力作用下延豎直方向移動固定的距離；第一彈卡8為兩片通過第二彈性銷6形成可轉(zhuǎn)動的連接，第一扭簧7保持第一彈卡8在第一彈卡架5內(nèi)保持張開，第一彈卡回收管4與第一彈卡架5通過第三彈性銷9形成固定連接，兩片第一彈卡8卡在彈卡擋頭1上；

懸掛機構(gòu)由第一彈卡架5、內(nèi)接手11、懸掛環(huán)12、座環(huán)13和第二彈卡回收管14組成；內(nèi)接手11與第一彈卡架2通過螺紋連接，內(nèi)接手11通過螺紋與懸掛環(huán)12連接，內(nèi)接手11上開有均勻分布的八個斜孔，分別位于懸掛環(huán)12上部和下部相對的位置，當(dāng)懸掛環(huán)12與座環(huán)13接觸后，原本從內(nèi)管總成與外管之間間隙流動的泥漿通道被堵死，泥漿通過內(nèi)接手11上部的斜孔進入，從內(nèi)接手11下部的斜孔流出完成泥漿循環(huán)；懸掛環(huán)12與座環(huán)13的連接方式為接觸式連接，這種連接方式使內(nèi)管總成克服自身重力懸掛在外管總成內(nèi)，使卡簧座55與鉆頭56之間保持2-4毫米間隙，以防止損壞卡簧座55和鉆頭56，并保證巖心管51不會因為與鉆頭56接觸而轉(zhuǎn)動和巖心管51的通水性能；

活動彈卡機構(gòu)由第二彈卡回收管14、第二彈卡架16、第二扭簧17、第二彈卡18、第四彈性銷19、第一彈簧20、控制閥21、上軸承座23和第一密封圈34組成；第二彈卡回收管14通過螺紋與內(nèi)接手11連接，第二彈卡架16位于第二彈卡回收管14內(nèi)部并且可上下移動；第二彈卡18為兩片通過第四彈性銷19形成可轉(zhuǎn)動的連接，第二扭簧17保持第二彈卡18在第二彈卡架16內(nèi)保持張開；第一彈簧20上部與第二彈卡架16連接并為其提供上頂力，下部與上軸承座23連接；控制閥21與第二彈卡架16通過螺紋連接；鉆進過程中第二彈卡18保持張開狀態(tài)，鉆進結(jié)束后，上提鉆具，內(nèi)管總成帶動第二彈卡18上行，第二彈卡卡18在座環(huán)13下部，此時第二彈卡18停止上行，內(nèi)管總成繼續(xù)上行導(dǎo)致第二彈卡18帶動控制閥21相對于內(nèi)管總成下行，控制閥21將酒精腔內(nèi)的酒精壓入到干冰腔內(nèi)，與干冰混合后進入冷凍機構(gòu)內(nèi)對巖心進行冷凍，從而實現(xiàn)冷源的注入過程，第一密封圈34在此過程中氣密封保壓的作用；

單動機構(gòu)由上軸承座23、第一單動軸承24、下軸承座25、油嘴26和第二單動軸承27組成；第二彈卡回收管14與上軸承座23通過螺紋連接，第一軸承24上部與上軸承座23接觸，并隨上軸承座23轉(zhuǎn)動，第一軸承24下部與下軸承座25接觸保持不動，當(dāng)巖芯在巖芯管51內(nèi)卡住時，第一軸承24作為易損件承受上頂力，第二軸承27上部與下軸承座25接觸，第二軸承27下部與上軸承座23接觸，第二軸承27提供上頂力使下軸承座25不向下移動，油嘴26與下軸承座25通過螺紋連接，每次鉆進開始前通過油嘴26上的小口將潤滑油加入上軸承座23和下軸承座25的間隙內(nèi)，潤滑油可對轉(zhuǎn)動的第一軸承24和第二軸承27起到潤滑、散熱和防水的作用；第一軸承24與第二軸承27實現(xiàn)了巖心管、冷源存儲機構(gòu)和孔底冷凍機構(gòu)的單動功能，保證在鉆進過程中巖心管51中的水合物巖心不會受到擾動；

調(diào)節(jié)機構(gòu)上軸承座23、第二彈簧28、擋環(huán)29、放松墊片30、圓螺母31和連接管32；第二彈簧28上部與第二軸承27接觸并提供上頂力使第二軸承27能夠保持下軸承座25不動，第二彈簧28下部與檔環(huán)29接觸，檔環(huán)29與上軸承座23接觸，防松墊片30上部與檔環(huán)29連接，第二彈簧28下部與圓螺母31連接，圓螺母31為第二彈簧28提供上頂力，將單動機構(gòu)上部的機構(gòu)與下部的機構(gòu)連接起來；上軸承座23通過螺紋與連接管32連接；在內(nèi)管總成投入到孔內(nèi)時，懸掛環(huán)12坐落在座環(huán)13上，內(nèi)管總成下部的機構(gòu)由于自身重力會向下移動，第一彈簧20可起到緩沖作用；在卡斷巖心時，卡簧54帶動卡簧座55下移壓縮第二彈簧28，卡簧座55與鉆頭56內(nèi)的臺階上，進而將拔斷巖心的力傳遞到外管上，保證內(nèi)管在整個取樣過程中不受力；

冷源存儲機構(gòu)由酒精腔上接手33、酒精腔體管35、酒精腔下接手36、控制閥球37、控制閥座38、排氣閥座39、第三彈簧40、排氣閥球41、第四彈簧42、冷源腔保溫層43、第二密封圈44和巖心腔上接手45組成；酒精腔上接手33通過螺紋與酒精腔體管35連接，酒精腔體管35與酒精腔下接手36通過螺紋連接，酒精腔上接手33、酒精腔體管35和酒精腔下接手36共同組成酒精存儲腔；控制閥球37上部與酒精腔下接手36接觸，下部為第三彈簧40；第三彈簧40上部與控制閥球37接觸并通過一定的預(yù)緊力將其壓緊在酒精腔下接手36上，下部座于控制閥座38內(nèi)；控制閥座38與酒精腔下接手36通過螺紋連接，酒精腔下接手36、控制閥球37、控制閥座38和具有一定預(yù)緊力的第三彈簧40組成單向閥，在鉆進過程中，單向閥將酒精腔下接手36上的酒精流動通道堵死，確保在鉆進過程中酒精不會流出；當(dāng)酒精腔內(nèi)部的壓力升高到一定值時，液體壓力使單向閥打開，酒精流出；排氣閥座39通過螺紋與酒精腔下接手36連接，第四彈簧42座于排氣閥座39內(nèi)，并通過預(yù)緊力將排氣閥球37頂在酒精腔下接手36上，排氣閥座39、排氣閥球37、第四彈簧42和酒精腔下接手36組成排氣閥，當(dāng)冷源腔內(nèi)的氣體壓力升高時將排氣閥頂開，氣體排出；酒精腔下接手36與巖心腔上接手45通過螺紋連接，冷源腔保溫層43位于酒精腔下接手36內(nèi)部；

孔底冷凍機構(gòu)由第二密封圈44、巖心腔上接手45、止逆閥球47、止逆閥座48、冷凍腔體管49、冷凍腔保溫層50、巖心管51、保溫墊片53、卡簧54和卡簧座55組成；巖心腔上接手45與冷凍腔體管49通過螺紋連接，巖心管51通過螺紋與巖心腔上接手45連接，冷凍腔體管49與巖心管51之間的環(huán)狀間隙為冷凍腔，當(dāng)鉆進結(jié)束后將冷源注入到冷凍腔內(nèi)，冷源與水合物巖心之間通過巖心管51進行換熱，從而冷凍水合物巖心，冷凍腔體管49的內(nèi)壁包裹有冷凍腔保溫層50，保證在冷凍過程中冷源的“冷量”不浪費；巖心腔上接手45與止逆閥座47通過螺紋連接，止逆閥球48位于止逆閥座47上部，巖心腔上接手45、止逆閥座48和止逆閥球47組成止逆閥，在巖心進入到巖心管51內(nèi)的過程中，巖心管51內(nèi)的泥漿頂開止逆閥球47經(jīng)巖心腔上接手45內(nèi)部的泄流口流出，止逆閥同時保證泥漿不會流回巖心管51內(nèi)；卡簧座55與冷凍腔體管49通過螺紋連接，卡簧54于卡簧座55內(nèi)，鉆進結(jié)束后，上提內(nèi)管總成，卡簧54由于自身重力和巖心的摩擦力作用下行將巖心抱死，卡簧座55座于鉆頭內(nèi)部的臺階上將巖心卡斷，實現(xiàn)巖心的回收；

外管總成是由彈卡擋頭1、第一外管10、第一擴孔器15、第二外管22、第三外管46、第二擴孔器52和鉆頭56組成，彈卡擋頭1與第一外管10通過螺紋連接，第一外管10通過螺紋與第一擴孔器15連接，第二外管22通過螺紋與第三外管46連接，第三外管46與第二擴孔器52通過螺紋連接，第二擴孔器52通過螺紋與鉆頭56連接。