[发明专利]海洋天然气水合物相变制冷绳索取心钻具及取心方法

说明书

海洋天然气水合物相变制冷绳索取心钻具及取心方法，本发明采用相变流体作为冷冻剂通过快速排气机构将相变流体气化产生的气体从钻具内部排出，解决由于冷冻剂相变产生的气体在深海静水压力作用下无法排出，致使腔体内的压力过大，达到流体的相变压力临界点，流体不再相变吸热，导致钻具的制冷量不足的问题；在取心结束后，向钻具内投入钢球，堵住钻井液循环通道，通过钻井液压力为快速排气机构提供动力，并且实现冷冻剂注入孔底冷冻机构的过程。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天然气水合物岩心的破坏，更有效地提高了岩心采取率、完整度和代表性。

技术领域

本发明涉及一种海洋天然气水合物相变制冷绳索取心钻具及取心方法，尤其适用于深海含天然气水合物沉积物钻探取心。

背景技术

天然气水合物作为一种潜在能源，具有分布范围广、资源量大、埋藏浅、能量密度高、洁净等特点，是国际公认的最具商业开发前景的新型清洁能源，也是石油天然气最理想的接替能源。要想真正的认识天然气水合物，必须获得高保真的天然气水合物样品。钻探取心是获取天然气水合物样品最直接的方法，也是验证其他方法调查成果的必要手段。由于天然气水合物赋存的不稳定性，只能存在于温度低于0℃～10℃，压力高于10MPa的条件下，一旦温度升高或压力降低，甲烷气体则会逸出，固体天然气水合物便会分解；因此，在进行天然气水合物钻探取样时，伴随温度压力的改变，天然气水合物很容易从固态变为气态，很难获得原状没有分解的天然气水合物保真样品。

目前针对海洋天然气水合物的取样方法一种可行思路是通过制冷剂将天然气水合物岩心冷冻至常压时的临界温度值以下，确保天然气水合物岩心处在相平衡的稳定区域，抑制天然气水合物分解。但是由于常规的冷冻剂很难实现将天然气水合物岩心快速冷冻至要求的低温。因此提出采用相变流体：液氮、酒精-干冰混合物、液氨、丙酮-干冰混合物等，采用具有较大汽化潜热的相变流体作为冷冻剂通过相变吸热实现天然气水合物岩心的快速冷冻；然而，在实际应用中由于孔底的静水压力较大，例如我国南海天然气水合物的储层位于海面1400米以下，静水压力大于14Mpa，在静水压力的作用下，制冷剂相变产生的气体无法通过简单的排气机构排出，导致钻具内的压力升高达到制冷剂的相平衡临界点以上，此时制冷剂停止气化吸热，导致提供的冷冻能量不足以将天然气水合物岩心冷冻至要求的温度，导致冷冻天然气水合物岩心失败。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种结构简单、能够实现在孔底高压下将冷冻剂气化产生的气体从钻具内排出的天然气水合物相变制冷绳索取心钻具及取心方法。

为达到上述目的，本所发明采用如下的技术方案：

海洋天然气水合物相变制冷绳索取心钻具，由打捞器、内管总成和外管总成组成，其特征在于，内管总成包括悬挂机构、调节机构、快速排气机构、冷源存储机构和孔底冷冻机构，

所述打捞器包括钢丝绳、固定套、连接轴、第一上轴承座、第一轴承、第二圆螺母、第一下轴承座、紧固螺钉、第一弹簧、打捞钩、第一弹性销与轴套，钢丝绳的端部通过固定套压紧在连接轴上部；第一上轴承座与第一下轴承座通过螺纹连接；第一轴承安装在第一上轴承座的内孔中，并通过第二圆螺母与连接轴之间的螺纹连接固定第一轴承；第一下轴承座与轴套通过紧固螺钉连接；第一弹簧通过打捞钩上的凸起压紧在连接轴上；打捞钩的一端与连接轴通过第一弹性销连接，打捞钩的另一端卡在捞矛头上；

所述悬挂机构包括捞矛头、悬挂环及座环，捞矛头与悬挂环通过螺纹连接；悬挂环的外径不大于座环的外径，悬挂环坐在座环上，二者为接触式连接；座环与第一外管通过螺纹连接，使内管总成整体悬挂在外管总成内，内管总成底部与钻头之间具有2mm～4mm的间隙；