[發明專利]一種泥頁巖防碎裂自啟動式冷凍取樣器及其取樣方法

在審

• 申請號: 201810171877.5
• 申請日: 2018-03-01
• 公開（公告）號: CN108150122A
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發明（設計）人: 李世臻;馬銀龍;徐興友;劉衛彬;陳珊;白靜
• 申請（專利權）人: 中國地質調查局油氣資源調查中心;吉林大學
• 主分類號: E21B25/08
• 分類號: E21B25/08;E21B25/10;E21B25/00
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張建成

1.一種泥頁巖防碎裂自啟動式冷凍取樣器，其特征在于：是由異徑接頭(1)、分流接頭(2)、調節單動機構(3)、外管(4)、巖心防碎及冷源啟動取心機構(5)、擴孔器(6)、巖心卡斷機構(7)和鉆頭(8)組成，異徑接頭(1)、分流接頭(2)、調節單動機構(3)、巖心防碎及冷源啟動取心機構(5)、巖心卡斷機構(7)依次螺紋連接在一起，異徑接頭(1)、分流接頭(2)、外管(4)、擴孔器(6)和鉆頭(8)依次螺紋連接在一起；

異徑接頭(1)上部與鉆桿螺紋連接，下部與分流接頭(2)螺紋連接；

分流接頭(2)上部螺紋連接異徑接頭(1)，下部分別與單動軸(32)和外管(4)螺紋連接；

調節單動機構(3)包括調節螺母(31)、單動軸(32)、O型密封圈(33)、軸承上接頭(34)、軸承(35)、軸承支套(36)、墊圈(37)、螺母(38)和軸承下接頭(53)，調節螺母(31)旋入單動軸(32)上部螺紋中，單動軸(32)上部與分流接頭(2)螺紋連接，O型密封圈(33)位于軸承上接頭(34)內壁凹槽之中，軸承上接頭(34)、軸承(35)、軸承支套(36)和墊圈(37)從上到下依次安裝在單動軸(32)上，并通過螺母(38)將它們螺紋鎖緊在單動軸(32)上，軸承上接頭(34)與軸承下接頭(53)螺紋連接；

外管(4)上部與分流接頭(2)下部螺紋連接，下部與擴孔器(6)螺紋連接；

巖心防碎及冷源啟動取心機構(5)包括冷源注入閥(51)、保溫層(52)、軸承下接頭(53)、冷凍腔堵塞頭(54)、冷凍控制閥路(55)、緩沖氣閥(56)、取心管(57)、隔熱漆(571)和密封擋板(58)，冷凍控制閥路(55)包括定位螺母(551)、彈簧(552)、控制塊(553)和啟動閥(554)，冷源注入閥(51)位于軸承下接頭(53)上部連接內外管環空和冷源儲藏室(531)的孔內，保溫層(52)覆蓋在冷源儲藏室(531)的外壁上，軸承下接頭(53)下部與取心管(57)上部螺紋連接，冷凍腔堵塞頭(54)位于取心管(57)上部內，與軸承下接頭(53)螺紋連接，冷凍控制閥路(55)位于冷凍腔堵塞頭(54)內部，定位螺母(551)與冷凍腔堵塞頭(54)螺紋連接，將彈簧(552)和控制塊(553)封閉在冷凍腔堵塞頭(54)內部通道中，啟動閥(554)位于冷凍腔堵塞頭(54)下部通道內，取心管(57)上部與軸承下接頭(53)下部螺紋連接，下部與卡簧座(71)螺紋連接，緩沖氣閥(56)位于取心管(57)上部管壁開孔內，密封擋板(58)位于取心管(57)內部，使取心管(57)內部形成密封空間；

擴孔器(6)上部與外管(4)下部螺紋連接，下部與鉆頭(8)螺紋連接；

巖心卡取機構(7)包括卡簧座(71)、卡簧擋圈(72)和卡簧(73)，卡簧擋圈(72)和卡簧(73)從上到下依次位于卡簧座(71)內部，卡簧座(71)上部與取心管(57)下部螺紋連接；

鉆頭(8)上部與擴孔器(6)下部螺紋連接。

2.一種泥頁巖防碎裂自啟動式冷凍取樣方法，具體取樣方法如下：

一、一種防碎裂自啟動式冷凍取樣器在使用前，根據取心要求，選擇適合尺寸的一種防碎裂自啟動式冷凍取樣器，先在地表將鉆具組裝好，調整調節螺母(31)的位置可以調整卡簧座(71)與鉆頭(8)之間的間隙，同時，通過冷源注入閥(51)向冷源儲藏室(531)中注入冷源，冷源的冷凍量根據所取巖心類型、內管的尺寸以及其距離底部鉆頭的距離而定，根據所取巖心類型設置啟動閥(554)的打開壓力P₁，通過緩沖氣閥(56)向取心管(57)內注入惰性氣體，使其氣壓P₂等于鉆孔底部的液柱壓力，打開壓力P₁與液柱壓力P₂的壓力差值Δp決定了取心管(57)中的氣體壓縮量，即為取心高度，受取心管(57中壓力作用，密封擋板(58)被壓在取心管(57)下部預設的臺階上；

二、鉆具在下放過程中，孔內的鉆井液充滿卡簧座(71)，接觸密封擋板(58)，下部鉆井液的壓力一直小于密封擋板(58)上部受到的壓力，到達孔底時二者相等，因此密封擋板(58)一直處于原位置，鉆具到達孔底后，啟動泥漿泵，鉆井液從鉆桿內部，經異徑接頭(1)、分流通道(21)，進入調節單動機構(3)和內管與外管(4)的環空中，后經鉆頭(8)的水口噴出；

三、在鉆進過程中，調節螺母(31)、單動軸(32)、O型密封圈(33)、軸承上接頭(34)、軸承(35)、軸承支套(36)、墊圈(37)、螺母(38)和軸承下接頭(53)構成了調節單動系統，既可以調節卡簧座(71)與鉆頭(8)之間的間隙，又可以使單動軸(32)及以上隨鉆桿回轉，軸承上接頭(34)及以下部分則保持靜止不動；

四、同時，取心過程中，隨著巖心不斷進入，卡簧座(71)及取心管(57)內原有的鉆井液從取心管(57)下部的孔(572)內被擠出，排出原有的鉆井液，之后巖心上行壓縮密封擋板(58)，密封擋板(58)在被壓縮過程中上部氣壓不斷增大，從而使巖心受到一個不斷增大的圍壓，防止巖心的碎裂，當達到一定取心高度時，密封擋板(58)上部的壓力值P₃超過啟動閥(554)的打開壓力P₁，打開啟動閥(554)，氣體進入控制閥路(55)內的通道，推動控制塊(553)，壓縮彈簧(552)，控制塊(553)上的開孔(555)與冷源通道(59)接通，冷源下行，進入取心管(57)的內部環空中，冷凍巖心，由于隔熱漆(571)的作用，巖心管(57)與外管(4)的環空不會被凍住，而卡簧座(71)與外管(4)的環空由于沒有涂隔熱漆(571)，鉆井液會被凍住，上部鉆井液無法下行，壓力不斷升高，地表泥漿泵示數升高，提示取心完成，進行提鉆作業；

五、取樣器提至地表后，只需融化卡簧座(71)與外管(4)環空之間的冰，即可卸下內管，獲得冷凍巖心，便于進行后續操作。