专利名称：孔底冷冻绳索取心钻具及其取心方法
技术领域：
本发明涉及一种孔底冷冻绳索取心钻具和取心方法，尤其适用于天然气水合物钻 探孔底冷冻取心。
背景技术：
随着经济的高速发展，煤、石油、天然气等常规能源已不能满足人类发展的需求， 天然气水合物以其丰富的储量，在未来成为煤、石油、天然气等常规能源的替代能源也被人 类所共识。天然气水合物形成和赋存在高压低温的环境下。根据天然气水合物稳压特性曲 线，如果温度或者压力条件变化超过平衡条件，就会导致天然气水合物分解。如何获取高保 真的天然气水合物样品，对钻探取心工作提出了很高的要求。目前国内外的天然气水合物 取样器主要由两种设计思路一种是孔底保压取样器，一种是孔底冷冻取样器。孔底保压取 样器的思路是当水合物岩心进入保压岩心管后，通过球阀关闭岩心管底部使岩心保持初始 压力，并利用压力补偿装置控制压力，来维持岩心压力在提钻的过程中保持不变，提到地表 后再对岩心进行冷冻保存。这种思路对于球阀的强度和密封性要求特别高，一旦球阀密封 性下降，就会导致水合物分解，取心失败。孔底冷冻取样器的思路是当钻进回次结束，水合 物岩心充满岩心管后，利用冲洗液压力将冷冻剂压入到岩心管周围密封的冷冻腔体内部， 冷冻剂与水合物岩心通过铜质的岩心管发生热交换，实现对水合物岩心的冷冻。根据天然 气水合物温压特性曲线，其分解压力随着温度的降低而降低。如果能够把天然气水合物岩 心冷冻到-45摄氏度，即使压力小于一个大气压，也可以保证水合物岩心不分解。现有的孔底冷冻取样钻具采用的是干冰作为冷冻剂，酒精做为载冷剂，且为投球 提钻式取心，其不足是结构复杂，由于干冰为固态，需采用酒精作为载冷剂，先与干冰反应 成为低温酒精后，才能注入冷冻腔内实现冷冻，这就使取样器结构更加复杂；冷东效率低， 效果差，由于必须采用酒精作为载冷剂，有很大一部分冷量被酒精带走，不能实现冷冻剂冷 量的充分利用；为投球提钻取心，在钻进回次结束后，通过钻杆向取样器内投入钢球来改变 冲洗液流通道，以实现对冷冻过程的控制。这就决定了回次结束后只能采用提钻的方法获 取岩心，提钻时间长，工作量大。而且在提钻过程中，水合物岩心会产生二次分解。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种是用液氮在孔底降低水 合物岩心温度来抑制天然气水合物分解，适用于陆地冻土层天然气水合物钻探取样的天然 气水合物孔底冷冻绳索取样钻具。本发明的另一目的是提供一种用于陆地永冻层天然气水合物保真取样的取样方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的用液氮作为冷冻剂，通过液氮气化吸热在孔底冷冻岩心，抑制天然气水合物的分解。液氮气化型天然气水合物孔底冷冻绳索取样器包括外管总成与内管总成。在获取 岩心时，通过绳索取心的方法，用打捞器将内管总成从外管总成打捞上来。内管总成包括矛头1通过销钉5与锥轴4铰接，定位钢球3与定位弹簧2安装在 矛头1与锥轴3之间，锥轴4采用空心销钉I 8嵌套在提引套筒6上部，提引套筒6与弹卡 座9同心，并且为间隙配合，提引套筒6沿轴向滑动，空心销钉II 10穿过弹卡座的销钉槽， 两端铆固在提引套筒壁上，弹卡座9的销钉槽通过限制空心销钉10的运动距离，限制提引 套筒6的沿轴向上运动距离，弹卡15与铰链11采用铆钉16组成铰链式弹卡定位机构，弹卡 15的固定端通过空心销钉III 13固定在弹卡座9上，弹卡座9通过铆钉14与主轴22连接， 悬挂环18通过螺纹安装在主轴22上部台肩螺纹处，采用止退螺母19固紧，主轴22为中空 结构，主轴22顶端侧壁设有4个Φ19的斜孔20，斜孔I 20中线与主轴轴线22成45°角， 座环21下部的主轴22侧壁设有4个Φ19的斜孔II 23，斜孔II 23中线与主轴轴线成45° 角，斜孔I 20与斜孔II 23均沿主轴外壁周向均布，中空心轴27通过螺纹与主轴22下部连 接，并用固紧圆螺母28锁紧，心轴套30与中空心轴27为间隙配合，心轴套30上端为推力 轴承31，下端为推力轴承32，推力轴承31坐于轴承挡盖29内部，推力轴承32由缓冲弹簧 33压紧，然后采用挡圈34与螺母35将弹簧固定；连接短管36上端通过内螺纹与心轴套30外螺纹连接，下端通过内螺纹与控制接 头37外螺纹连接，中空心轴27下端将插入到控制接头37上部孔内，之间为间隙配合，控制 活塞38坐于控制接头37中心活塞通道内，控制弹簧39压在控制活塞38下部，挡片45将 控制弹簧压紧，用紧定螺钉将挡片45固定在控制接头37上，泄流弹簧42、泄流阀钢球43和 泄流阀44组成泄流阀组合，依次安装于泄流孔41内；活塞腔体49上端通过内螺纹与控制接头37外螺纹连接，下端通过内螺纹与活塞 腔下接头50连接，活塞47位于活塞腔内上部，活塞47外壁与活塞腔体49内壁为同轴间隙 配合，活塞36外壁和活塞腔体49内壁之间采用“0”型圈密封，活塞47在活塞腔体49内 轴向滑动，活塞47通过螺母46固定在活塞杆48上端，活塞47内壁与活塞杆48外壁采用 “0”型圈密封，活塞杆48穿过活塞腔下接头50中心通道延伸到活塞腔下接头下部液氮腔58 内，活塞杆48与活塞腔下接头50中心通道为间隙配合，在活塞腔下接头50上端面设有排 气孔51下端面设有排气孔54，排气阀52装在排气孔51内，排气阀53装在排气孔54内；液氮腔体58上端通过内螺纹与活塞腔下接头50外螺纹连接，下端通过内螺纹与 岩心管接手65外螺纹连接，液氮罐59位于液氮腔体58内，液氮罐上支撑55支撑在液氮罐 59上端，液氮罐下支撑60支撑在液氮罐59下端，液氮罐59下端为球形端面，液氮罐上支 撑55、液氮罐下支撑60和液氮罐59上下端面间为静接触，使液氮罐59与液氮腔 体58保持 较高的同轴度，液氮罐59外壁与液氮腔体58内壁设有2-4mm间隙；活塞杆48延伸到液氮 罐59上部，液氮活塞56通过螺母57固定在活塞杆48下端，液氮活塞56与液氮罐59内壁 为间隙配合，液氮活塞56外壁与液氮罐59内壁间隙采用“0”型圈密封，液氮活塞56内壁 和活塞杆48外壁间隙采用“0”型圈密封，在活塞杆48的推动下，液氮活塞56沿液氮罐59 内壁轴向运动，单向阀座62、单向阀钢球61、调压弹簧63和单向阀弹簧座64构成液氮单向 阀，液氮单向阀通过单向阀座50上部的螺纹连接到液氮59罐下端，单向阀弹簧座64下端 与岩心管接手65之间用橡胶垫静密封；
冷冻腔体70上端与岩心管接手65螺纹连接，岩心管71上端与岩心管接手65螺 纹连接，冷冻腔体70下端与卡簧座75螺纹连接，岩心管71与冷冻腔体70内壁的环状空间 构成冷冻腔，半合管72衬于岩心管71内壁，上端与岩心管接手65静接触，下端坐于卡簧座 75内壁台阶上，止逆阀座69与止逆阀球68旋于岩心管接手65中心螺纹孔内；排气阀III 67 安装于岩心管接手65下端的排气孔66内，端盖78旋于冷冻腔体70下端，并用硅橡胶垫77 密封，构成一个封闭的冷冻腔，卡簧座75穿过端盖78，卡簧座75外壁与端盖78内壁间隙配 合，并采用“0”型圈密封，卡簧76坐于卡簧座75下部锥形内壁；外管总成包括弹卡室12与弹卡挡头7螺纹连接，内花键短接17上部与弹卡室 12螺纹连接，下端与内花键25螺纹连接，内花键25与外花键24通过花键配合，外花键24 沿轴向滑动，内花键25内壁的台阶与外花键24外壁的台阶限制外花键24沿轴向的滑动距 离，外花键24通过螺纹连接外管27，导正环73嵌于外管26下端内壁，扩孔器74连接到外 管26下端螺纹上，将导正环73压紧，扩孔器74下端通过螺纹与钻头79连接，钻头79与卡 簧座75之间设有4-6mm的间隙。孔底冷冻绳索取心方法包括以下顺序和步骤a、当钻进接近达到天然气水合物层时，先将组装好的外管总成下入孔内，再将组 装好的内管总成，用打捞器通过钻杆将内管总成下入外管总成内，内管总成到达孔底之后 开钻；b、当岩心管充满岩心，回次结束，停泵，提动钻杆，使取样器提离孔底80-100cm距 离，外花键24在外管总成的重力作用下向下滑动80-100mm，将内管总成与外管总成间的环 状间隙封死；c、开泵，由于内管总成与外管总成间的环状间隙被封死，冲洗液通过中空心轴27 的中心通道，到达控制接头37，推动控制活塞38下行到活塞通道周围的3个泄流通道40 内，冲洗液经泄流通道40进入到活塞腔体49，推动活塞47沿活塞腔体49下行，活塞47通 过活塞杆48推动液氮活塞56下行，液氮罐59内的液氮在液氮活塞56压力作用下，推开液 氮罐59底部的单向阀组合，经岩心管接手65设有的斜孔80与轴向孔81构成的通孔，进入 到岩心管71与冷冻腔体70间的环状空间内，液氮气化吸热，通过岩心管71及半合管72将 岩心冷冻到-20°C，液氮气化形成的氮气通过岩心管接手65)的排气阀67排出；d、在孔底冷冻5-10分钟后，在地表下入打捞器，将内管总成打捞至地表；e、卸下端盖78和卡簧座75，将半合管72连同岩心样品一同从岩心管71内抽出；f、将半合管72两端用胶塞密封，岩心样品连同半合管72用液氮储存罐或者高压 容器保存。本发明的目的还可以通过以下技术方案实现控制接头37中心设有控制活塞通道，控制活塞38通过控制弹簧39压紧，将控制 活塞通道封死，当冲洗液压力达到0. 5MPa时，将控制活塞38推开。控制接头37设有的活 塞通道周围设有三个直角形的泄流通道40，泄流通道40上端与活塞通道相通，下端与活塞 腔相通，当冲洗液将控制活塞38推开后，活塞通道与直角形的冲洗液流通道贯通。液氮罐 59和冷冻腔体70为双层真空绝热结构。岩心管接手65设有的斜孔80与轴向孔81构成通 孔，液氮单向阀开启后，液氮经过该通孔进入冷冻腔。有益效果本发明采用单纯冷冻取样，使用液氮做为冷冻剂，冷冻过程中液氮快速
7气化，可实现快速冷冻，冷冻效果好；将绳索取心与孔底冷冻结合，实现不提钻快速取心； 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、完整度和代表性，并采用半合管式快速地表取样，可 快速在地表获得岩心。
图1 4为孔底冷冻绳索取心钻具结构图；图1右端连接图2左端，图2的右端连接图3左端，图3右端连接图4左端。1矛头，2定位弹簧，3定位钢球，4锥轴，5销钉，6提引套筒，7弹卡挡头，8空心销 钉I，9弹卡座，10空心销钉II，11铰链，12弹卡室，13空心销钉III，14销钉，15弹卡，16铆 钉，17内花键接手，18悬挂环，19止退螺母，20斜孔I，21座环，22主轴，23斜孔II，24外花 键，25内花键，26外管，27中空心轴，28锁紧螺母，29轴承挡盖，30内管轴套，31推力轴承， 32推力轴承，33缓冲弹簧，34挡片，35连接短管，36活塞，37控制接头，38控制活塞，39控制 弹簧，40泄流通道，41泄流孔，42泄流阀弹簧，43泄流阀球，44泄流阀体，45挡片，46螺母， 47活塞，48活塞杆，49活塞腔体，50活塞腔下接手，51排气孔I，52排气阀I，53排气阀II， 54排气孔II，55液氮罐上支撑，56液氮活塞，57螺母，58液氮腔体，59液氮罐，60液氮罐下 支撑，61单向阀球，62单向阀座，63单向阀弹簧，64单向阀弹簧座，65岩心管接手，66排气 孔，67排气阀III，68止逆阀球，69止逆阀座，70冷冻腔体，71岩心管，72半合管，73导正环， 74扩孔器，75卡簧座，76卡簧，77密封垫，78端盖，79钻头，80斜孔，81轴向孔。
具体实施例方式下面结合附图和实施例作进一步的详细说明附图中图1右端连接图2左端，图2的右端连接图3左端图3的右端连接图4的 左端，构成天然气水合物孔底冷冻绳索取样器整体结构图。该钻具总体由内管总成与外管总成构成，钻进过程中，冲洗液经由内管总成与外 管总成的环状间隙到达钻具底部的钻头处，携带岩屑经钻杆与孔壁的环状间隙上返至地表。实施例1孔底冷冻绳索取心钻具首先组装外管总成弹卡室12与弹卡挡头7螺纹连接，内花键短接17上部与弹卡 室12螺纹连接，下端与内花键25螺纹连接，内花键25与外花键24通过花键配合，外花键 24沿轴向滑动，内花键25内壁的台阶与外花键24外壁的台阶限制外花键24沿轴向的滑动 距离，外花键24通过螺纹连接外管27，导正环73嵌于外管26下端内壁，扩孔器74连接到 外管26下端螺纹上，将导正环73压紧，扩孔器74下端通过螺纹与钻头79连接，钻头79与 卡簧座75之间设有4mm的间隙。然后组装内管总成在组装内管总成的同时向液氮罐59充填5L液氮，矛头1通 过销钉5与锥轴4铰接，矛头1以销钉5为轴转动0° 士 90°，这样在放倒内管时，可防 止捞矛头1从打捞器的捞钩中脱出，以免摔坏内管和弄弯内管，定位钢球3与定位弹簧2安 装在矛头1的孔内，当矛头1与锥轴4同轴时，定位钢球3陷入锥轴4的球窝内，起到对矛头1的定位作用，保证矛头1在内管总成沿钻杆柱下降时，保持与内管总成同轴，防止矛头 1刮挡钻杆柱内壁；矛头1通过销钉5与锥轴4铰接，定位钢球3与定位弹簧2安装在矛头 1与锥轴3之间，锥轴4采用空心销钉I 8嵌套在提引套筒6上部，提引套筒6与弹卡座9 同心，并且为间隙配合，提引套筒6沿轴向滑动，空心销钉II 10穿过弹卡座的销钉槽，两端 铆固在提引套筒壁上，弹卡座9的销钉槽通过限制空心销钉10的运动距离，限制提引套筒6 的沿轴向上运动距离，弹卡15与铰链11采用铆钉16组成铰链式弹卡定位机构，弹卡15固 定端通过空心销钉III 13固定在弹卡座9上，弹卡座9通过铆钉14与主轴22连接，悬挂环 18通过螺纹安装在主轴22上部台肩螺纹处，用止退螺母19固紧，主轴22为中空结构，主 轴22顶端侧壁设有4个019的斜孔20，斜孔I 20中线与主轴轴线22成45°角，座环21 下部的主轴22侧壁设有4个019的斜孔II 23，斜孔II 23中线与主轴轴线成45°角，斜孔 I 20与斜孔II 23均沿主轴外壁周向均布，中空心轴27通过螺纹与主轴22下部连接，并用 固紧圆螺母28锁紧，心轴套30与中空心轴27为间隙配合，心轴套30上端为推力轴承31， 下端为推力轴承32，推力轴承31坐于轴承挡盖29内部，推力轴承32由缓冲弹簧33压紧， 然后采用挡圈34与螺母35将弹簧固定；连接短管36上端通过内螺纹与心轴套30外螺纹连接，下端通过内螺纹与控制接 头37外螺纹连接，中空心轴27下端将插入到控制接头37上部孔内，之间为间隙配合，控制 活塞38坐于控制接头37中心活塞通道内，控制弹簧39压在控制活塞38下部，挡片45将 控制弹簧压紧，用紧定螺钉将挡片45固定在控制接头37上，泄流弹簧42、泄流阀钢球43和 泄流阀44组成泄流阀组合，依次安装于泄流孔41内；活塞腔体49上端通过内螺纹与控制接头37外螺纹连接，下端通过内螺纹与活塞 腔下接头50连接，活塞47位于活塞腔内上部，活塞47外壁与活塞腔体49内壁为同轴间隙 配合，活塞36外壁和活塞腔体49内壁之间采用“0”型圈密封，活塞47在活塞腔体49内 轴向滑动，活塞47通过螺母46固定在活塞杆48上端，活塞47内壁与活塞杆48外壁采用 “0”型圈密封，活塞杆48穿过活塞腔下接头50中心通道延伸到活塞腔下接头下部液氮腔58 内，活塞杆48与活塞腔下接头50中心通道为间隙配合，在活塞腔下接头50上端面设有排 气孔51下端面设有排气孔54，排气阀52装在排气孔51内，排气阀53装在排气孔54内；液氮腔体58上端通过内螺纹与活塞腔下接头50外螺纹连接，下端通过内螺纹与 岩心管接手65外螺纹连接，液氮罐59位于液氮腔体58内，液氮罐上支撑55支撑在液氮罐 59上端，液氮罐下支撑60支撑在液氮罐59下端，液氮罐59下端为球形端面，液氮罐上支撑 55、液氮罐下支撑60和液氮罐59上下端面间为静接触，使液氮罐59与液氮腔体58保持较 高的同轴度，液氮罐59外壁与液氮腔体58内壁设有2mm间隙；活塞杆48延伸到液氮罐59 上部，液氮活塞56通过螺母57固定在活塞杆48下端，液氮活塞56与液氮罐59内壁为间 隙配合，液氮活塞56外壁与液氮罐59内壁间隙采用“0”型圈密封，液氮活塞56内壁和活 塞杆48外壁间隙采用“0”型圈密封，在活塞杆48的推动下，液氮活塞56沿液氮罐59内壁 轴向运动，单向阀座62、单向阀钢球61、调压弹簧63和单向阀弹簧座64构成液氮单向阀， 液氮单向阀通过单向阀座50上部的螺纹连接到液氮59罐下端，单向阀弹簧座64下端与岩 心管接手65之间用橡胶垫静密封；冷冻腔体70上端与岩心管接手65螺纹连接，岩心管71上端与岩心管接手65螺 纹连接，冷冻腔体70下端与卡簧座75螺纹连接，岩心管71与冷冻腔体70内壁的环状空间构成冷冻腔，半合管72衬于岩心管71内壁，上端与岩心管接手65静接触，下端坐于卡簧座 75内壁台阶上，止逆阀座69与止逆阀球68旋于岩心管接手65中心螺纹孔内；排气阀III 67 安装于岩心管接手65下端的排气孔66内，端盖78旋于冷冻腔体70下端，并用硅橡胶垫77 密封，构成一个封闭的冷冻腔，卡簧座75穿过端盖78，卡簧座75外壁与端盖78内壁间隙配 合，并采用“O”型圈密封，卡簧76坐于卡簧座75下部锥形内壁。孔底冷冻绳索取心方法包括以下顺序和步骤
a、当钻进接近达到天然气水合物层时，先将组装好的外管总成下入孔内，再将内 管总成，用打捞器通过钻杆将内管总成下入外管总成内，内管总成到达孔底之后开钻。b、当岩心管充满岩心，回次结束，停泵，提动钻杆，使取样器提离孔底80cm距离， 外花键24在外管总成的重力作用下向下滑动80mm，将内管总成与外管总成间的环状间隙 封死；C、开泵，由于内管总成与外管总成间的环状间隙被封死，冲洗液通过中空心轴27 的中心通道，到达控制接头37，推动控制活塞38下行到活塞通道周围的3个泄流通道40 内，冲洗液经泄流通道40进入到活塞腔体49，推动活塞47沿活塞腔体49下行，活塞47通 过活塞杆48推动液氮活塞56下行，液氮罐59内的液氮在液氮活塞56压力作用下，推开液 氮罐59底部的单向阀组合，经岩心管接手65设有的斜孔80与轴向孔81构成的通孔，进入 到岩心管71与冷冻腔体70间的环状空间内，液氮气化吸热，通过岩心管71及半合管72将 岩心冷冻到-20°C，液氮气化形成的氮气通过岩心管接手65)的排气阀67排出；d、在孔底冷冻5-10分钟后，在地表下入打捞器，将内管总成打捞至地表；e、卸下端盖78和卡簧座75，将半合管72连同岩心样品一同从岩心管71内抽出；f、将半合管72两端用胶塞密封，岩心样品连同半合管72用液氮储存罐保存。实施例2孔底冷冻绳索取心钻具首先组装外管总成弹卡室12与弹卡挡头7螺纹连接，内花键短接17上部与弹卡 室12螺纹连接，下端与内花键25螺纹连接，内花键25与外花键24通过花键配合，外花键 24沿轴向滑动，内花键25内壁的台阶与外花键24外壁的台阶限制外花键24沿轴向的滑动 距离，外花键24通过螺纹连接外管27，导正环73嵌于外管26下端内壁，扩孔器74连接到 外管26下端螺纹上，将导正环73压紧，扩孔器74下端通过螺纹与钻头79连接，钻头79与 卡簧座75之间设有6mm的间隙。然后组装内管总成在组装内管总成的同时向液氮罐59充填7L液氮，矛头1通 过销钉5与锥轴4铰接，矛头1以销钉5为轴转动0° 士 90°，这样在放倒内管时，可防 止捞矛头1从打捞器的捞钩中脱出，以免摔坏内管和弄弯内管，定位钢球3与定位弹簧2安 装在矛头1的孔内，当矛头1与锥轴4同轴时，定位钢球3陷入锥轴4的球窝内，起到对矛 头1的定位作用，保证矛头1在内管总成沿钻杆柱下降时，保持与内管总成同轴，防止矛头 1刮挡钻杆柱内壁；矛头1通过销钉5与锥轴4铰接，定位钢球3与定位弹簧2安装在矛头 1与锥轴3之间，锥轴4采用空心销钉I 8嵌套在提引套筒6上部，提引套筒6与弹卡座9 同心，并且为间隙配合，提引套筒6沿轴向滑动，空心销钉II 10穿过弹卡座的销钉槽，两端 铆固在提引套筒壁上，弹卡座9的销钉槽通过限制空心销钉10的运动距离，限制提引套筒6 的沿轴向上运动距离，弹卡15与铰链11采用铆钉16组成铰链式弹卡定位机构，弹卡15固定端通过空心销钉III 13固定在弹卡座9上，弹卡座9通过铆钉14与主轴22连接，悬挂环 18通过螺纹安装在主轴22上部台肩螺纹处，用止退螺母19固紧，主轴22为中空结构，主 轴22顶端侧壁设有4个019的斜孔20，斜孔I 20中线与主轴轴线22成45°角，座环21 下部的主轴22侧壁设有4个019的斜孔II 23，斜孔II 23中线与主轴轴线成45°角，斜孔 I 20与斜孔II 23均沿主轴外壁周向均布，中空心轴27通过螺纹与主轴22下部连接，并用 固紧圆螺母28锁紧，心轴套30与中空心轴27为间隙配合，心轴套30上端为推力轴承31， 下端为推力轴承32，推力轴承31坐于轴承挡盖29内部，推力轴承32由缓冲弹簧33压紧， 然后采用挡圈34与螺母35将弹簧固定；连接短管36上端通过内螺纹与心轴套30外螺纹连接，下端通过内螺纹与控制接 头37外螺纹连接，中空心轴27下端将插入到控制接头37上部孔内，之间为间隙配合，控制 活塞38坐于控制接头37中心活塞通道内，控制弹簧39压在控制活塞38下部，挡片45将 控制弹簧压紧，用紧定螺钉将挡片45固定在控制接头37上，泄流弹簧42、泄流阀钢球43和 泄流阀44组成泄流阀组合，依次安装于泄流孔41内；活塞腔体49上端通过内螺纹与控制接头37外螺纹连接，下端通过内螺纹与活塞 腔下接头50连接，活塞47位于活塞腔内上部，活塞47外壁与活塞腔体49内壁为同轴间隙 配合，活塞36外壁和活塞腔体49内壁之间采用“0”型圈密封，活塞47在活塞腔体49内 轴向滑动，活塞47通过螺母46固定在活塞杆48上端，活塞47内壁与活塞杆48外壁采用 “0”型圈密封，活塞杆48穿过活塞腔下接头50中心通道延伸到活塞腔下接头下部液氮腔58 内，活塞杆48与活塞腔下接头50中心通道为间隙配合，在活塞腔下接头50上端面设有排 气孔51下端面设有排气孔54，排气阀52装在排气孔51内，排气阀53装在排气孔54内；液氮腔体58上端通过内螺纹与活塞腔下接头50外螺纹连接，下端通过内螺纹与 岩心管接手65外螺纹连接，液氮罐59位于液氮腔体58内，液氮罐上支撑55支撑在液氮罐 59上端，液氮罐下支撑60支撑在液氮罐59下端，液氮罐59下端为球形端面，液氮罐上支撑 55、液氮罐下支撑60和液氮罐59上下端面间为静接触，使液氮罐59与液氮腔体58保持较 高的同轴度，液氮罐59外壁与液氮腔体58内壁设有4mm间隙；活塞杆48延伸到液氮罐59 上部，液氮活塞56通过螺母57固定在活塞杆48下端，液氮活塞56与液氮罐59内壁为间 隙配合，液氮活塞56外壁与液氮罐59内壁间隙采用“0”型圈密封，液氮活塞56内壁和活 塞杆48外壁间隙采用“0”型圈密封，在活塞杆48的推动下，液氮活塞56沿液氮罐59内壁 轴向运动，单向阀座62、单向阀钢球61、调压弹簧63和单向阀弹簧座64构成液氮单向阀， 液氮单向阀通过单向阀座50上部的螺纹连接到液氮59罐下端，单向阀弹簧座64下端与岩 心管接手65之间用橡胶垫静密封；冷冻腔体70上端与岩心管接手65螺纹连接，岩心管71上端与岩心管接手65螺 纹连接，冷冻腔体70下端与卡簧座75螺纹连接，岩心管71与冷冻腔体70内壁的环状空间 构成冷冻腔，半合管72衬于岩心管71内壁，上端与岩心管接手65静接触，下端坐于卡簧座 75内壁台阶上，止逆阀座69与止逆阀球68旋于岩心管接手65中心螺纹孔内；排气阀III 67 安装于岩心管接手65下端的排气孔66内，端盖78旋于冷冻腔体70下端，并用硅橡胶垫77 密封，构成一个封闭的冷冻腔，卡簧座75穿过端盖78，卡簧座75外壁与端盖78内壁间隙配 合，并采用“0”型圈密封，卡簧76坐于卡簧座75下部锥形内壁。孔底冷冻绳索取心方法包括以下顺序和步骤
a、当钻进接近达到天然气水合物层时，先将组装好的外管总成下入孔内，再将内 管总成，用打捞器通过钻杆将内管总成下入外管总成内，内管总成到达孔底之后开钻。b、当岩心管充满岩心，回次结束，停泵，提动钻杆，使取样器提离孔底100cm距离， 外花键24在外管总成的重力作用下向下滑动100mm，将内管总成与外管总成间的环状间隙 封死；c、开泵，由于内管总成与外管总成间的环状间隙被封死，冲洗液通过中空心轴27 的中心通道，到达控制接头37，推动控制活塞38下行到活塞通道周围的3个泄流通道40 内，冲洗液经泄流通道40进入到活塞腔体49，推动活塞47沿活塞腔体49下行，活塞47通 过活塞杆48推动液氮活塞56下行，液氮罐59内的液氮在液氮活塞56压力作用下，推开液 氮罐59底部的单向阀组合，经岩心管接手65设有的斜孔80与轴向孔81构成的通孔，进入 到岩心管71与冷冻腔体70间的环状空间内，液氮气化吸热，通过岩心管71及半合管72将 岩心冷冻到-20°C，液氮气化形成的氮气通过岩心管接手65)的排气阀67排出；d、在孔底冷冻5-10分钟后，在地表下入打捞器，将内管总成打捞至地表；e、卸下端盖78和卡簧座75，将半合管72连同岩心样品一同从岩心管71内抽出；f、将半合管72两端用胶塞密封，岩心样品连同半合管72用高压容器保存。
权利要求
一种孔底冷冻绳索取样器，包括外管总成和内管总成，其特征在于，内管总成包括矛头(1)通过销钉(5)与锥轴(4)铰接，定位钢球(3)与定位弹簧(2)安装在矛头(1)与锥轴(3)之间，锥轴(4)采用空心销钉Ⅰ(8)嵌套在提引套筒(6)上部，提引套筒(6)与弹卡座(9)同心，并且为间隙配合，提引套筒(6)沿轴向滑动，空心销钉Ⅱ(10)穿过弹卡座的销钉槽，两端铆固在提引套筒壁上，弹卡座(9)上的销钉槽通过限制空心销钉(10)的运动距离，限制提引套筒(6)的沿轴向上运动距离，弹卡(15)与铰链(11)采用铆钉(16)组成铰链式弹卡定位机构，弹卡(15)的固定端通过空心销钉Ⅲ(13)固定在弹卡座(9)上，弹卡座(9)通过铆钉(14)与主轴(22)连接，悬挂环(18)通过螺纹安装在主轴(22)上部台肩螺纹处，采用止退螺母(19)固紧，主轴(22)为中空结构，主轴(22)顶端侧壁设有4个Φ19的斜孔(20)，斜孔Ⅰ(20)中线与主轴轴线(22)成45°角，座环(21)下部的主轴(22)侧壁设有4个Φ19的斜孔Ⅱ(23)，斜孔Ⅱ(23)中线与主轴轴线成45°角，斜孔Ⅰ(20)与斜孔Ⅱ(23)均沿主轴外壁周向均布，中空心轴(27)通过螺纹与主轴(22)下部连接，并用固紧圆螺母(28)锁紧，心轴套(30)与中空心轴(27)为间隙配合，心轴套(30)上端为推力轴承(31)，下端为推力轴承(32)，推力轴承(31)坐于轴承挡盖(29)内部，推力轴承(32)由缓冲弹簧(33)压紧，然后采用挡圈(34)与螺母(35)将弹簧固定；连接短管(36)上端通过内螺纹与心轴套(30)外螺纹连接，下端通过内螺纹与控制接头(37)外螺纹连接，中空心轴(27)下端将插入到控制接头(37)上部孔内，之间为间隙配合，控制活塞(38)坐于控制接头(37)中心活塞通道内，控制弹簧(39)压在控制活塞(38)下部，挡片(45)将控制弹簧压紧，用紧定螺钉将挡片(45)固定在控制接头(37)上，泄流弹簧(42)、泄流阀钢球(43)和泄流阀(44)组成泄流阀组合，依次安装于泄流孔(41)内；活塞腔体(49)上端通过内螺纹与控制接头(37)外螺纹连接，下端通过内螺纹与活塞腔下接头(50)连接，活塞(47)位于活塞腔内上部，活塞(47)外壁与活塞腔体(49)内壁为同轴间隙配合，活塞(36)外壁和活塞腔体(49)内壁之间采用“O”型圈密封，活塞(47)在活塞腔体(49)内轴向滑动，活塞(47)通过螺母(46)固定在活塞杆(48)上端，活塞(47)内壁与活塞杆(48)外壁采用“O”型圈密封，活塞杆(48)穿过活塞腔下接头(50)中心通道延伸到活塞腔下接头下部液氮腔(58)内，活塞杆(48)与活塞腔下接头(50)中心通道为间隙配合，在活塞腔下接头(50)上端面设有排气孔Ⅰ(51)下端面设有排气孔Ⅱ(54)，排气阀Ⅰ(52)装在排气孔Ⅰ(51)内，排气阀Ⅱ(53)装在排气孔Ⅱ(54)内；液氮腔体(58)上端通过内螺纹与活塞腔下接头(50)外螺纹连接，下端通过内螺纹与岩心管接手(65)外螺纹连接，液氮罐(59)位于液氮腔体(58)内，液氮罐上支撑(55)支撑在液氮罐(59)上端，液氮罐下支撑(60)支撑在液氮罐(59)下端，液氮罐(59)下端为球形端面，液氮罐上支撑(55)、液氮罐下支撑(60)和液氮罐(59)上下端面间为静接触，使液氮罐(59)与液氮腔体(58)保持较高的同轴度，液氮罐(59)外壁与液氮腔体(58)内壁设有2-4mm间隙；活塞杆(48)延伸到液氮罐(59)上部，液氮活塞(56)通过螺母(57)固定在活塞杆(48)下端，液氮活塞(56)与液氮罐(59)内壁为间隙配合，液氮活塞(56)外壁与液氮罐(59)内壁间隙采用“O”型圈密封，液氮活塞(56)内壁和活塞杆(48)外壁间隙采用“O”型圈密封，在活塞杆(48)的推动下，液氮活塞(56)沿液氮罐(59)内壁轴向运动，单向阀座(62)、单向阀钢球(61)、调压弹簧(63)和单向阀弹簧座(64)构成液氮单向阀，液氮单向阀通过单向阀座(50)上部的螺纹连接到液氮(59)罐下端，单向阀弹簧座(64)下端与岩心管接手(65)之间用橡胶垫静密封；冷冻腔体(70)上端与岩心管接手(65)螺纹连接，岩心管(71)上端与岩心管接手(65)螺纹连接，冷冻腔体(70)下端与卡簧座(75)螺纹连接，岩心管(71)与冷冻腔体(70)内壁的环状空间构成冷冻腔，半合管(72)衬于岩心管(71)内壁，上端与岩心管接手(65)静接触，下端坐于卡簧座(75)内壁台阶上，止逆阀座(69)与止逆阀球(68)旋于岩心管接手(65)中心螺纹孔内；排气阀Ⅲ(67)安装于岩心管接手(65)下端的排气孔(66)内，端盖(78)旋于冷冻腔体(70)下端，并用硅橡胶垫(77)密封，构成一个封闭的冷冻腔，卡簧座(75)穿过端盖(78)，卡簧座(75)外壁与端盖(78)内壁间隙配合，并采用“O”型圈密封，卡簧(76)坐于卡簧座(75)下部锥形内壁；外管总成包括弹卡室(12)与弹卡挡头(7)螺纹连接，内花键短接(17)上部与弹卡室(12)螺纹连接，下端与内花键(25)螺纹连接，内花键(25)与外花键(24)通过花键配合，外花键(24)沿轴向滑动，内花键(25)内壁的台阶与外花键(24)外壁的台阶限制外花键(24)沿轴向的滑动距离，外花键(24)通过螺纹连接外管(27)，导正环(73)嵌于外管(26)下端内壁，扩孔器(74)连接到外管(26)下端螺纹上，将导正环(73)压紧，扩孔器(74)下端通过螺纹与钻头(79)连接，钻头(79)与卡簧座(75)之间设有4-6mm的间隙。
2.按照权利要求1所述的天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具，其特征在于，控制接 头(37)中心设有控制活塞通道，控制活塞(38)通过控制弹簧(39)压紧，将控制活塞通道 封死，当冲洗液压力达到0. 5MPa时，将控制活塞(38)推开。
3.按照权利要求1所述的天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具，其特征在于，控制接 头(37)设有的活塞通道周围设有三个直角形的泄流通道(40)，泄流通道(40)上端与活塞 通道相通，下端与活塞腔相通，当冲洗液将控制活塞(38)推开后，活塞通道与直角形的冲 洗液流通道贯通。
4.按照权利要求1所述的天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具，其特征在于，液氮罐 (59)和冷冻腔体(70)为双层真空绝热结构。
5.按照权利要求1所述的天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具，其特征在于，岩心管 接手(65)设有的斜孔(80)与轴向孔(81)构成通孔，液氮单向阀开启后，液氮经过该通孔 进入冷冻腔。
6.按照权利要求1所述的孔底冷冻绳索取心方法，其特征在于，包括以下顺序和步骤a当钻进接近达到天然气水合物层时，先将组装好的外管总成下入孔内，再将组装好的内管总成，用打捞器通过钻杆将内管总成下入外管总成内，内管总成到达孔底之后开钻。b、当岩心管充满岩心，回次结束，停泵，提动钻杆，使取样器提离孔底80-100cm距离， 外花键(24)在外管总成的重力作用下向下滑动80-100mm，将内管总成与外管总成间的环 状间隙封死；c、开泵，由于内管总成与外管总成间的环状间隙被封死，冲洗液通过中空心轴(27)的 中心通道，到达控制接头(37)，推动控制活塞(38)下行到活塞通道周围的3个泄流通道 (40)内，冲洗液经泄流通道(40)进入到活塞腔体(49)，推动活塞(47)沿活塞腔体(49)下 行，活塞(47)通过活塞杆(48)推动液氮活塞(56)下行，液氮罐(59)内的液氮在液氮活 塞(56)压力作用下，推开液氮罐(59)底部的单向阀组合，经岩心管接手(65)设有的斜孔 (80)与轴向孔(81)构成的通孔，进入到岩心管(71)与冷冻腔体(70)间的环状空间内，液氮气化吸热，通过岩心管(71)及半合管(72)将岩心冷冻到_20°C，液氮气化形成的氮气通 过岩心管接手(65)上的排气阀(67)排出；d、在孔底冷冻5-10分钟后，在地表下入打捞器，将内管总成打捞至地表；e、卸下端盖(78)和卡簧座(75)，将半合管(72)连同岩心样品一同从岩心管(71)内抽出；f、将半合管(72)两端用胶塞密封，岩心样品连同半合管(72)用液氮储存罐或者高压 容器保存。
全文摘要
本发明涉及一种孔底冷冻绳索取心钻具及其取心方法。用液氮作为冷冻剂，通过液氮气化吸热在孔底冷冻岩心，抑制天然气水合物的分解。钻具包括外管总成和内管总成。获取岩心时用打捞器将内管总成从外管总成中打捞上来，卸下端盖和卡簧座，将半合管连同岩心样品一同从岩心管内抽出，将半合管两端用胶塞密封，岩心样品连同半合管用液氮储存罐或者高压容器保存。可实现快速冷冻，冷冻效果好；将绳索取心与孔底冷冻结合，实现不提钻快速取心；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、完整度和代表性，并采用半合管式快速地表取样，可快速在地表获得岩心。
文档编号E21B25/08GK101864916SQ20101018404
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月27日 优先权日2010年5月27日
发明者孙友宏, 李国圣, 薛军, 贾瑞, 赵建国, 赵江鹏, 郭威, 陈晨 申请人:吉林大学