[发明专利]一种泥页岩防碎裂自启动式冷冻取样器及其取样方法

权利要求书

1.一种泥页岩防碎裂自启动式冷冻取样器，其特征在于：是由异径接头(1)、分流接头(2)、调节单动机构(3)、外管(4)、岩心防碎及冷源启动取心机构(5)、扩孔器(6)、岩心卡断机构(7)和钻头(8)组成，异径接头(1)、分流接头(2)、调节单动机构(3)、岩心防碎及冷源启动取心机构(5)、岩心卡断机构(7)依次螺纹连接在一起，异径接头(1)、分流接头(2)、外管(4)、扩孔器(6)和钻头(8)依次螺纹连接在一起；

异径接头(1)上部与钻杆螺纹连接，下部与分流接头(2)螺纹连接；

分流接头(2)上部螺纹连接异径接头(1)，下部分别与单动轴(32)和外管(4)螺纹连接；

调节单动机构(3)包括调节螺母(31)、单动轴(32)、O型密封圈(33)、轴承上接头(34)、轴承(35)、轴承支套(36)、垫圈(37)、螺母(38)和轴承下接头(53)，调节螺母(31)旋入单动轴(32)上部螺纹中，单动轴(32)上部与分流接头(2)螺纹连接，O型密封圈(33)位于轴承上接头(34)内壁凹槽之中，轴承上接头(34)、轴承(35)、轴承支套(36)和垫圈(37)从上到下依次安装在单动轴(32)上，并通过螺母(38)将它们螺纹锁紧在单动轴(32)上，轴承上接头(34)与轴承下接头(53)螺纹连接；

外管(4)上部与分流接头(2)下部螺纹连接，下部与扩孔器(6)螺纹连接；

岩心防碎及冷源启动取心机构(5)包括冷源注入阀(51)、保温层(52)、轴承下接头(53)、冷冻腔堵塞头(54)、冷冻控制阀路(55)、缓冲气阀(56)、取心管(57)、隔热漆(571)和密封挡板(58)，冷冻控制阀路(55)包括定位螺母(551)、弹簧(552)、控制块(553)和启动阀(554)，冷源注入阀(51)位于轴承下接头(53)上部连接内外管环空和冷源储藏室(531)的孔内，保温层(52)覆盖在冷源储藏室(531)的外壁上，轴承下接头(53)下部与取心管(57)上部螺纹连接，冷冻腔堵塞头(54)位于取心管(57)上部内，与轴承下接头(53)螺纹连接，冷冻控制阀路(55)位于冷冻腔堵塞头(54)内部，定位螺母(551)与冷冻腔堵塞头(54)螺纹连接，将弹簧(552)和控制块(553)封闭在冷冻腔堵塞头(54)内部通道中，启动阀(554)位于冷冻腔堵塞头(54)下部通道内，取心管(57)上部与轴承下接头(53)下部螺纹连接，下部与卡簧座(71)螺纹连接，缓冲气阀(56)位于取心管(57)上部管壁开孔内，密封挡板(58)位于取心管(57)内部，使取心管(57)内部形成密封空间；

扩孔器(6)上部与外管(4)下部螺纹连接，下部与钻头(8)螺纹连接；

岩心卡取机构(7)包括卡簧座(71)、卡簧挡圈(72)和卡簧(73)，卡簧挡圈(72)和卡簧(73)从上到下依次位于卡簧座(71)内部，卡簧座(71)上部与取心管(57)下部螺纹连接；

钻头(8)上部与扩孔器(6)下部螺纹连接。

2.一种泥页岩防碎裂自启动式冷冻取样方法，具体取样方法如下：

一、一种防碎裂自启动式冷冻取样器在使用前，根据取心要求，选择适合尺寸的一种防碎裂自启动式冷冻取样器，先在地表将钻具组装好，调整调节螺母(31)的位置可以调整卡簧座(71)与钻头(8)之间的间隙，同时，通过冷源注入阀(51)向冷源储藏室(531)中注入冷源，冷源的冷冻量根据所取岩心类型、内管的尺寸以及其距离底部钻头的距离而定，根据所取岩心类型设置启动阀(554)的打开压力P₁，通过缓冲气阀(56)向取心管(57)内注入惰性气体，使其气压P₂等于钻孔底部的液柱压力，打开压力P₁与液柱压力P₂的压力差值Δp决定了取心管(57)中的气体压缩量，即为取心高度，受取心管(57中压力作用，密封挡板(58)被压在取心管(57)下部预设的台阶上；

二、钻具在下放过程中，孔内的钻井液充满卡簧座(71)，接触密封挡板(58)，下部钻井液的压力一直小于密封挡板(58)上部受到的压力，到达孔底时二者相等，因此密封挡板(58)一直处于原位置，钻具到达孔底后，启动泥浆泵，钻井液从钻杆内部，经异径接头(1)、分流通道(21)，进入调节单动机构(3)和内管与外管(4)的环空中，后经钻头(8)的水口喷出；

三、在钻进过程中，调节螺母(31)、单动轴(32)、O型密封圈(33)、轴承上接头(34)、轴承(35)、轴承支套(36)、垫圈(37)、螺母(38)和轴承下接头(53)构成了调节单动系统，既可以调节卡簧座(71)与钻头(8)之间的间隙，又可以使单动轴(32)及以上随钻杆回转，轴承上接头(34)及以下部分则保持静止不动；

四、同时，取心过程中，随着岩心不断进入，卡簧座(71)及取心管(57)内原有的钻井液从取心管(57)下部的孔(572)内被挤出，排出原有的钻井液，之后岩心上行压缩密封挡板(58)，密封挡板(58)在被压缩过程中上部气压不断增大，从而使岩心受到一个不断增大的围压，防止岩心的碎裂，当达到一定取心高度时，密封挡板(58)上部的压力值P₃超过启动阀(554)的打开压力P₁，打开启动阀(554)，气体进入控制阀路(55)内的通道，推动控制块(553)，压缩弹簧(552)，控制块(553)上的开孔(555)与冷源通道(59)接通，冷源下行，进入取心管(57)的内部环空中，冷冻岩心，由于隔热漆(571)的作用，岩心管(57)与外管(4)的环空不会被冻住，而卡簧座(71)与外管(4)的环空由于没有涂隔热漆(571)，钻井液会被冻住，上部钻井液无法下行，压力不断升高，地表泥浆泵示数升高，提示取心完成，进行提钻作业；

五、取样器提至地表后，只需融化卡簧座(71)与外管(4)环空之间的冰，即可卸下内管，获得冷冻岩心，便于进行后续操作。