[发明专利]天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心钻具及取心方法

说明书

天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心钻具及取心方法，取心钻具包括外管、内管总成及钻头，外管套设在内管总成外部；钻头设置在外管底部，内管总成包括捞矛头、螺杆、螺管、第一扭簧、弹卡、排气阀体、排气阀弹簧、排气阀芯、腔体管保温层、内保温层、控制杆、翻板阀、第二扭簧、取心筒、岩心管、活阀、揽簧、切削齿、腔体管及回收管，本发明通过液压驱动螺杆实现旋转取心，取心过程中钻井液不与天然气水合物岩心接触，避免污染天然气水合物岩心；采用保温保压取样技术确保天然气水合物岩心的稳定性；以冷冻取样技术辅助保温保压取样技术，在保压失败时，通过低温相变液体的相变吸热作用将天然气水合物岩心冷冻到‑40℃确保天然气水合物不分解。

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心钻具及取心方法，尤其适用于深海天然气水合物的保真钻探取心。

背景技术

随着经济的快速发展，能源的消耗也日益增长，石油、煤、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，而天然气水合物的资源量极其丰富，且其燃烧后产生二氧化碳和水，是一种清洁能源，因此天然气水合物被视为未来的主要能源。天然气水合物存在于高压低温的环境下，当其温压平衡条件发生变化时，天然气水合物就会发生分解。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心钻具主要由两种设计思路：一种是保温保压取心钻具，一种是孔底冷冻取心钻具。

保温保压取样技术是目前应用较多的天然气水合物保真取样技术，该技术利用球阀或翻板阀在样品被卡断后和提升过程中对专门设计的保压样品管进行密封，同时通过保温材料或电子制冷的方式实现保温，通过保持储层的原位压力和温度获得高保真度的天然气水合物样品。但是，由于该技术对于球阀或者翻板阀的机械密封性能要求较高，在实际应用中的保压取心率低于60％；而且由于井眼孔径的要求，以及球阀保压机构的尺寸限制，样品直径相对较小，Φ168规格的保压取样钻具钻获的样品直径只有Φ50mm，不能完全满足地质测试分析要求。

现有的天然气水合物孔底冷冻取心钻具利用冲洗液压力或重力将冷冻剂注入到岩芯管周围环状密封的冷冻腔体内部，冷冻剂与天然气水合物岩心通过热交换实现对天然气水合物岩心的冷冻。这种通过冷冻的方式抑制天然气水合物分解的方式相对于保压结构来说较容易实现。但是采用这种方法会改变天然气水合物岩心原有的基础物理性质，导致天然气水合物岩心的声波及电阻率等测试数据发生变化。

综上所述，为了提高天然气水合物保真取样的效率，必须提高保压取心钻具的机械密封性，但这对于保压取心钻具的结构来说几乎无法完成；但是单纯使用冷冻取样方法又会对天然气水合物岩心后期的测试分析产生影响。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心钻具及取心方法，采用钻井液作为驱动力，驱动螺旋杆旋转结构实现旋转取心，并通过翻板阀机构实现天然气水合物岩心的保压取样；当保压取样失败时，采用冷冻取样保证天然气水合物岩心不分解。

为达到上述目的，本所发明采用如下的技术方案：