[发明专利]液氮天然气水合物孔底冷冻绳索取芯钻具

说明书

技术领域

本发明涉及一种孔底冷冻绳索取芯钻具，尤其适用于海洋及陆地冻土带天然气水合物钻探孔底冷冻取样。

背景技术

随着经济的高速发展，能源的消耗也日益增长，石油、煤和天然气等常规能源大量消耗，从其剩余储量来看，常规能源已经无法继续长期支撑现代工业。目前全球海底天然气水合物中甲烷的碳总量相当于当前已知煤、石油和天然气等化石燃料总资源量的两倍。因而，天然气水合物成为世界各国在能源战略平衡发展中必须加以考虑的重要后备能源。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，当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。怎样才能获取更高保真度的天然气水合物样品，是国内外钻探工作者共同面临的问题。目前国内外的天然气水合物保真取样器主要由两种设计思路：一种是孔底保温保压取样器，一种是孔底冷冻取样器。

孔底保温保压取样器的设计思路是当水合物岩芯进入保压岩芯室后，通过球阀或翻板阀关闭岩芯管底部使岩芯保持初始压力，并利用压力补偿装置控制压力，以维持岩芯压力在提离孔底的整个过程中保持不变，提到地表后再进行冷冻保存。对孔内岩芯的保温主要是通过保温材料来实现被动式保温。这种通过机械式被动保压的方式来抑制水合物分解对于整个取芯器的强度和实用性，特别是球阀或翻板阀的强度和密封性的要求是很高的。如果球阀或翻板阀的密封性稍有些下降，那么岩芯就不能保持初始压力，导致取芯失败。同时，在实际取芯过程中球阀和翻板阀实现翻转动作的翻转机构的可靠性不能保证。当取样器的设计压力达到一定程度后，如果想再要增加压力，那么取样器的材料和和密封性能将需要做很大的提高，以现在的工业水平是很难实现的，并且经济性较差。

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芯冷冻到-45摄氏度，即使压力小于一个大气压，也可以保证水合物岩芯不分解。孔底冷冻取样器的思路是当钻进回次结束，水合物岩芯充满岩芯管后，利用冲洗液压力或重力将冷冻剂注入到岩芯管周围环装密封的冷冻腔体内部，冷冻剂与水合物岩芯通过热交换实现对水合物岩芯的冷冻。现有的孔底冷冻取样器所采用的冷冻剂主要有两种：一种是采用干冰作为冷冻剂，酒精做为载冷剂；另一种是采用液氮作为冷冻剂。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。采用液氮作为冷冻剂虽然可以避免上述问题，但是在注入过程当中液氮会大量气化，导致液氮无法注入到冷冻腔内，在此过程中液氮大量浪费，这样就导致液氮的使用量加大，同时取样器的尺寸和重量增加。液氮注入过程中大量气化降低了液氮的使用效率，同时会导致对岩芯的冷冻不均匀，从而导致水合物岩芯部分分解。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种结构简单、动作容易实现、液氮使用率高、冷冻效果好的液氮天然气水合物孔底冷冻绳索取芯钻具。本发明使用液氮在孔底降低水合物岩芯温度来抑制天然气水合物分解。采用液氮为冷冻剂，当钻进结束后，将装有水合物岩芯的岩芯管提入装有液氮的储冷腔内，通过液氮气化吸热的方式在孔底冷冻岩芯，抑制天然气水合物的分解。

本发明是由内管总成和外管总成两部分组成，内管总成是由捞矛头、第一弹性销和弹卡回收管组成，捞矛头通过第一弹性销与弹卡回收管铰接，打捞机构通过打捞器与打捞机构的连接实现将钻具内管总成放入孔内和回收的过程；同时通过打捞器提起打捞机构时带动岩芯管向上移动，从而实现内管提拉的过程。

弹卡回收管与弹卡架通过第二弹性销铰接，第二弹性销与弹卡架的连接为可动连接，第二弹性销与弹卡回收管之间为固定连接，弹卡回收管可在自身重力和打捞器拉力作用下延竖直方向移动固定的距离。弹卡为两片通过第三弹性销形成可转动的连接，扭簧保持弹卡在弹卡架内保持张开，第三弹性销c与弹卡架通过第三弹性销形成固定连接，两片弹卡卡在弹卡挡头上，保证在钻进过程中内管总成不会因为岩芯进入岩芯管时产生的上顶力使内管总成向上移动造成“飞管”事故；同时弹卡机构的上定位功能保证内管不会在钻进过程中由于岩芯的上顶力而使岩芯管过早进入储冷机构中导致冷冻取芯失败。