[发明专利]天然气水合物冷冻保压取样钻具及取样方法

权利要求书

1.天然气水合物冷冻保压取样钻具，包括钻具外管（2）、钻具内管总成及钻头（23），所述钻具外管（2）套设在钻具内管总成的外部，钻具外管（2）与钻具内管总成之间具有环状空隙；所述钻头（23）设置在钻具外管（2）底部，其特征在于，所述钻具内管总成包括控制杆（1）、密封环（4）、排气阀弹簧（5）、排气阀体（6）、排气阀芯（7）、冷源腔体管（8）、冷源腔体保温层（9）、电磁开关（10）、继电器（11）、压力传感器（12）、保压腔体管（13）、保压腔保温层（14）、翻板阀上保温层（15）、翻板阀（16）、扭簧（17）、取心筒（18）、岩心管（19）、活塞（20）、揽簧（21）及切削齿（22），所述控制杆（1）的上部为中空结构，控制杆（1）上设置有与其上部中空结构连通的钻井液进口（3），控制杆（1）上部设置有凸台，该凸台直径大于钻具外管（2）上部凹台的内径，控制杆（1）悬挂在钻具外管（2）的凹台上；所述密封环（4）设置在冷源腔体管（8）和钻具外管（2）之间，并且密封环（4）与冷源腔体管（8）通过螺纹连接；所述排气阀体（6）安装在冷源腔体管（8）的冷源入口处，并与冷源腔体管（8）螺纹连接；所述排气阀弹簧（5）设置在排气阀体（6）内部，排气阀弹簧（5）的上部与排气阀体（6）内顶部连接，排气阀弹簧（5）的下部与排气阀芯（7）接触，排气阀弹簧（5）提供的预紧力将排气阀芯（7）堵在冷源腔体管（8）的排气口处；所述冷源腔体管（8）、保压腔体管（13）、岩心管（19）及切削齿（22）均套设在控制杆（1）上，且冷源腔体管（8）、保压腔体管（13）、取心筒（18）及切削齿（22）自上而下顺次通过螺纹连接，其中冷源腔体管（8）的内壁设置有冷源腔体保温层（9），保压腔体管（13）的内壁设置有保压腔保温层（14）；所述岩心管（19）设置在取心筒（18）内部，且岩心管（19）的内径小于切削齿（22）的内径；所述揽簧（21）的上部与岩心管（19）连接，揽簧（21）的下部与切削齿（22）连接；所述活塞（20）设置在岩心管（19）内部，且活塞（20）的上部与控制杆（1）连接；所述电磁开关（10）的上部设在冷源腔体管（8）的冷源出口处，电磁开关（10）的下部与保压腔体管（13）内部相连通；所述压力传感器（12）位于保压腔体管（13）的内部，压力传感器（12）与继电器（11）通信连接；所述继电器（11）与电磁开关（10）通信连接，继电器（11）用于根据压力传感器（12）发送的压力数据确定电磁开关（10）的打开或关闭状态；所述扭簧（17）的下端固定在取心筒（18）上部的凹槽内，扭簧（17）的上端与翻板阀（16）连接；所述翻板阀（16）在扭簧（17）的作用下压在控制杆（1）上，且翻板阀（16）朝向保压腔体管（13）的一侧设置有翻板阀上保温层（15）。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物冷冻保压取样钻具，其中，所述继电器（11）的型号为JZX-22F(D)/2Z+CZY08A小型继电器。

3.天然气水合物冷冻保压取样方法，其特征在于，该取样方法采用权利要求1或2所述的天然气水合物冷冻保压取样钻具进行取样，具体包括如下步骤：

①地表准备阶段：在进行钻进取心之前，首先将冷源腔体管（8）上部的排气阀体（6）、排气阀弹簧（5）及排气阀芯（7）拆下；然后向冷源腔体管（8）内注入液氮对其进行预冷，冷源腔体管（8）内部温度降至-100℃时，预冷结束；将相变液体作为冷源注入冷源腔体管（8）内；完成冷源注入后，将排气阀体（6）、排气阀弹簧（5）及排气阀芯（7）重新安装到冷源腔体管（8）上；预先设置电磁开关（10）的开启信号，即当压力传感器（12）检测到保压腔体管（13）内的压力达到设定值时，继电器（11）根据压力传感器（12）发送的压力数据向电磁开关（10）发射信号使电磁开关（10）打开；

②初始阶段：完成步骤①后，将钻具内管总成投入钻具外管（2）中，控制杆（1）上部的凸台坐在钻具外管（2）的凹台上，钻具内管总成悬空，切削齿（22）与孔底之间保持2mm～4mm距离；冷源存储在冷源腔体管（8）内部；翻板阀（16）在扭簧（17）的作用下压在控制杆（1）上；电磁开关（10）处于关闭状态；活塞（20）处于岩心管（19）的下部并将其密封；

③钻进取心阶段：开泵，开始循环钻井液，钻井液自控制杆（1）上部的通孔进入钻具内管总成内部，然后经钻井液进口（3）进入控制杆（1）、钻具外管（2）、密封环（4）及冷源腔体管（8）围成的空间内；由于密封环（4）将钻具外管（2）与钻具内管总成间的环状空隙封死，钻井液无法向下流动，因此冷源腔体管（8）上方的静水压力逐渐升高，推动钻具内管总成向下移动，切削齿（22）在静水压力的作用下切削天然气水合物地层；此时由于有钻具外管（2）的阻碍控制杆（1）无法向下移动，导致活塞（20）相对于岩心管（19）逐渐上升；在切削齿（22）作用下获得天然气水合物岩心；然后在活塞（20）相对于岩心管（19）向上移动时产生的抽吸作用使天然气水合物岩心逐渐进入到岩心管（19）中，在此过程中揽簧（21）阻碍钻取的天然气水合物岩心从岩心管（19）内掉出；当切削齿（22）带动岩心管（19）完全压入天然气水合物地层后，天然气水合物岩心填满岩心管（19），活塞（20）到达岩心管（19）的最上部，钻进取心阶段结束；

④保压岩心阶段：钻进取心结束后，投入打捞器，打捞器的打捞钩卡在控制杆（1）上部的凹槽内，上提打捞器，打捞器带动控制杆（1）向上移动，同时活塞（20）带动岩心管（19）向上移动；钻具内管总成其他部分在自身重力作用下相对于控制杆（1）向下移动，岩心管（19）逐渐进入保压腔体管（13），岩心管（19）完全进入保压腔体管（13）后，翻板阀（16）在扭簧（17）的作用下将保压腔体管（13）的下部封死，此时保压腔体管（13）内的压力为天然气水合物储层的原始压力；压力传感器（12）实时监测保压腔体管（13）内的压力变化，在保压腔体管（13）内的压力未达到设定值时，电磁开关（10）始终保持关闭状态，冷源始终存储在冷源腔体管（8）内；

⑤冷冻岩心阶段：当压力传感器（12）检测到保压腔体管（13）内的压力低于设定值，继电器（11）向电磁开关（10）发出信号，电磁开关（10）打开，冷源自冷源腔体管（8）内流出，经电磁开关（10）进入岩心管（19）与保压腔体管（13）内壁间的环状空隙内，冷源气化吸热将天然气水合物岩心冷冻至-40℃以下，确定天然气水合物岩心不发生分解；

⑥继续钻进阶段：在将天然气水合物岩心提到孔口后，需要继续向下钻进天然气水合物地层，继续钻取天然气水合物岩心，首先要循环钻井液，在不投入钻具内管总成的情况下旋转钻具外管（2）带动钻头（23）向下钻进至天然气水合物地层；然后停钻，重复进行以上步骤，获取天然气水合物岩心。