[发明专利]天然气水合物孔底冷冻取样器及其取样方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种钻探取样器和取样方法，尤其是用于海底或陆地永冻层天然气水合物保真取芯器具及取样方法。

背景技术：

随着高油价时代的来临，催生各种可替代能源已经成为当务之急。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。我国仅南海天然气水合物的总资源量大约相当于我国陆上和近海石油天然气总资源量的一半。因此，天然气水合物作为一种可替代的能源，其开发和利用日益被人们所重视。天然气水合物主要分布在大洋边缘海底沉积物和陆上高寒长年永冻层中。钻探取样是识别天然气水合物最直接的方法，也是验证其他方法调查成果的必要手段。因此，钻探取样对于开发天然气水合物具有十分重要的意义。

天然气水合物是在低温高压下形成的，这种特殊条件对钻探取样的要求很高。目前国内外的天然气水合物取样器以保压取样器为主，其设计思路是当水合物岩芯进入保压岩芯室后，通过球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。孔内岩芯的保温方法主要是采用保温材料实现被动式保温方法。这种通过机械式保压来抑制水合物分解，这对于整个取芯器的强度，特别是球阀的强度和密封性的要求就相当高。如果球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。而且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，而且这并不容易做到。

发明内容：

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种通过外部冷源在孔底降低水合物岩芯温度来抑制水合物分解，采用主动式降温的方法降低水合物临界分解压力，无需保压，就能实现被动式降压维持水合物稳定的天然气水合物孔底冷冻取样器。

本发明的另一目的提供一种天然气水合物孔底冷冻取样方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

采用液氮为冷冻剂，乙二醇为载冷剂在孔底冷冻岩芯，液氮预先储存在取样器中，低温控制模块控制液氮注入至载冷剂中的时间，使载冷剂始终低于-30℃以下，这样就可以保证岩芯在钻探过程、冷冻岩芯过程和岩芯提升过程始终保持-30℃以下的低温状态，从而抑制水合物岩芯分解。

天然气水合物孔底冷冻取样器是由制冷部分、低温控制部分和冷冻保温样品三部分构成。

天然气水合物孔底冷冻取样方法，包括以下次序和步骤：

a、在地面将载冷剂装入载冷剂空腔16，三通道接手12盖于其上，同时将温度传感器15和温度传感器信号线13随温度传感器保护管14、液氮注入管23下入载冷剂中，开关传感器9和开关传感器信号线10与低温控制模块8连接，三通道接手12上面为制冷蓄能罐5，液氮注入其中，温控电磁阀20和液氮注入管23通入其中，制冷蓄能罐5上面通过螺纹盖有上接手3，装好后，通过绳索取芯机构1将天然气水合物孔底冷冻取样器下入孔底；

b、钻进时，天然气水合物芯样随着进尺的深度进入岩芯管腔26，当进尺达到或芯样充满岩芯管腔26的长度提钻取样时，打捞器从孔口下放，打捞器下部打捞钩与绳索取芯机构1的矛头卡紧后，带动绳索取芯机构1向上提取天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成一段距离，使开关传感器9经过磁铁环6产生开关信号，开关信号经开关传感器信号线10送给低温控制模块8，启动低温控制模块8工作；

c、向上提取天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成一段距离，能够使低温控制模块8开始工作后，停止提取。同时，内管总成带动岩芯管24底部装有的卡簧28向上运动，通过卡簧座27的楔面加紧芯样，将芯样拔断。载冷剂对芯样开始冷冻保护，当载冷剂温度高于-30℃时，温度传感器15通过温度传感器信号线13将信号送给低温控制模块8，低温控制模块8通过温控信号线19将指令传给温控电磁阀20，温控电磁阀20启动，通过螺旋形液氮注入管23将液氮送入载冷剂空腔16降低载冷剂的温度，换热后液氮变成气，通过排气阀21排入岩芯管腔26，岩芯管腔26中的液体经排水阀11排入环状间隙；

d、冷冻一段时间(20～30min)后，打捞器下部打捞钩通过绳索取芯机构1的矛头把天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成和岩芯从孔内捞取上来一同提升到地面，打开卡簧28将半合管25和芯样一同从岩芯管24中抽出。

本发明的目的还可以通过以下技术方案实现：

制冷部分：是由上接手3通过螺纹与制冷蓄能罐5连接组成。