[发明专利]天然气水合物冷冻保压取样钻具及取样方法

说明书

天然气水合物冷冻保压取样钻具及取样方法，钻具包括钻具外管、钻具内管总成及钻头，钻具内管总成包括控制杆、密封环、排气阀弹簧、排气阀体、排气阀芯、冷源腔体管、冷源腔体保温层、电磁开关、继电器、压力传感器、保压腔体管、保压腔保温层、翻板阀上保温层、翻板阀、扭簧、取心筒、岩心管、活塞、揽簧及切削齿，将天然气水合物保压取样方法和冷冻取样方法通过天然气水合物冷冻保压取样钻具进行结合；采用翻板阀将取心筒密封，保持天然气水合物岩心的原始压力抑制其分解；当取心筒发生泄漏，其内部压力达到一定值时，相变液体作为冷源冷冻天然气水合物岩心至‑40℃；本发明采用冷冻保压双重作用提高天然气水合物岩心的保真程度和取心成功率。

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物冷冻保压取样方法及其配套的取样钻具，适用于海洋及陆地永冻层天然气水合物的钻探取样。

背景技术

我国常规油气资源已远远不能满足经济和社会发展的需求。天然气水合物主要赋存于世界海洋大陆边缘和高纬度冻土带，具有能源密度高、分布广、规模大、埋藏浅等特点，且产出的天然气能够满足能源、经济和环境的要求，是具有商业开发前景的新型清洁能源。天然气水合物只能存在于一定的温度和压力条件下，一般要求温度低于0℃～10℃，压力高于10MPa，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，因此如何获得高保真的天然气水合物岩心是水合物勘探开发的一大难题。

目前针对天然气水合物的保真取样主要有两种思路，一种是保持天然气水合物岩心的压力抑制天然气水合物的分解，主要是利用球阀和翻板阀等在天然气水合物岩心被卡断后和提升过程中对专门设计的保压岩心管进行封闭和密封，并采用保温材料实现被动式保温，即通过机械保压的方式保持天然气水合物储层的原位压力和温度来获得高保真度的天然气水合物岩心；但在其实际应用过程中由于机械保压机构结构复杂、不易操作；一旦机械保压机构的密封性稍有下降，那么天然气水合物岩心就不能保持初始压力，导致取心失败。孔内天然气水合物岩心的保温方法主要是采用保温材料实现被动式保温方法，在钻探取样的复杂热工况条件下，被动式的保温方法无法维持天然气水合物岩心的原始温度。由于受到地层条件及孔内温度和压力的影响，这类取样器在实际应用中钻获天然气水合物保真岩心的成功率低于60％。另一种思路是通过低温抑制天然气水合物的分解，采用可相变流体为冷源，将冷源存储在钻具的储冷腔内，钻进结束后，触发控制机构，将冷源注入到冷冻腔，通过冷源汽化吸热将岩心管内的天然气水合物冷冻到一个要求的低温区间，保证天然气水合物在取样过程中不分解。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，由于单纯的冷冻取样会导致天然气水合物岩心的原始基础物理性质发生变化，不利于后期的部分性质的分析测试；但是单纯的保压取样的成功率较低，不能满足天然气水合物钻探取样的要求；因此，如何既能保证天然气水合物岩心的原始性质又能提高天然气水合物取心的成功率是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种天然气水合物冷冻保压取样钻具及取样方法，通过将保压取样方法与冷冻取样方法有机结合，以保压取样为主，保证天然气水合物岩心的原始性质；采用冷冻取样为辅在保压失败的情况下，通过冷冻确保天然气水合物岩心不分解，提高取心率。

为达到上述目的，本所发明采用如下的技术方案：