[发明专利]冷源外置式天然气水合物孔底冷冻绳索取样器

摘要

本发明公开供一冷源外置式天然气水合物孔底冷冻绳索取样器及取样方法，是由打捞器、内管总成和外管总成三大部分组成，其中打捞器包括：打捞机构、冷源存储机构、连接定位与锁定机构、连接阀机构；内管总成包括连接阀机构、弹卡提升机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、调节机构、岩心机构。本发明的运载冷源的打捞器可在井下与内管总成密封连接，用连接定位与锁定机构和连接阀机构控制低温冷源由冷源存储腔向岩心冷冻腔的注入，并利用低温冷源与岩心之间的热传导完成冷冻岩心的过程。打捞器与内管总成密封连接是受到控制的，连接准确、稳定。本发明不是依靠打捞器撞击时的惯性力实现储冷腔与井下钻具的密封连接。

主权项

1.一种冷源外置式天然气水合物孔底冷冻绳索取样器，其特征在于：由打捞器、内管总成和外管总成三大部分组成，其中打捞器包括打捞机构、冷源存储机构、连接定位与锁定机构、连接阀机构；内管总成包括弹卡提升机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、调节机构和岩心机构；打捞机构由连绳器（1）、第一轴承座（2）、第一轴承（3）、轴套（4）、第一止动垫圈（5）、第一圆螺母（6）、接手（7）、第一脱卡管（20）、打捞钩连接管（21）、打捞钩（29）组成，连绳器（1）穿过第一轴承座（2）与第一圆螺母（6）通过螺纹连接且中间依次有第一轴承（3）、轴套（4）、第一止动垫圈（5），第一轴承座（2）、接手（7）、第一脱卡管（20）、打捞钩连接管（21）、打捞钩（29）依次通过螺纹连接；打捞器下入孔内后与打捞弹卡（39）连接，通过打捞器与弹卡提升机构的连接实现提升内管总成的功能；冷源存储机构由储冷腔管（19）、储冷腔弹卡座（12）、进液口塞（10）、接头外套（11）、上阀座（24）、上阀芯（23）组成，接头外套（11）与储冷腔弹卡座（12）通过螺纹连接并将插入储冷腔弹卡座（12）的进液口塞（10）固定，储冷腔管（19）与储冷腔弹卡座（12）通过螺纹连接，上阀座（24）与储冷腔管（19）通过螺纹连接，上阀芯（23）与上阀座（24）为滑动连接，以储冷腔管（19）、储冷腔弹卡座（12）、上阀座（24）围成的腔体为存储冷源的场所，腔体的腔壁上粘有第一保温层（18），打开进液口塞（10）即可填装冷源，打开上阀芯（23）即可流出冷源，预先在储冷腔中充入高压氮气可加速冷源流出的过程；连接定位与锁定机构由第一定位弹卡（17）、第一扭簧（14）、第一扭簧销（15）、第一脱卡管（20）、锁定弹卡（13）、储冷腔弹卡座（12）、拉簧（9）、拉簧连接环（8）组成，拉簧（9）上端焊接在拉簧连接环（8）上，下端焊接在储冷腔弹卡座（12）上，可悬吊冷源存储机构和连接机构上半部分；第一扭簧（14）通过第一扭簧销（15）安装在第一定位弹卡（17）侧面的槽中，第一定位弹卡（17）有两个，均通过第一弹卡销（16）对称安装在储冷腔弹卡座（12）上，能绕第一弹卡销（16）转动；打捞器投入孔底后，第一定位弹卡（17）在第一扭簧（14）的推动下穿过第一脱卡管（20）管壁上的方形孔与弹卡挡头（22）接触连接，第一定位弹卡（17）与弹卡挡头（22）的接触连接能阻止冷源存储机构和连接阀机构的上半部分向上移动，为连接机构的连接过程提供支反力，第一定位弹卡（17）与弹卡挡头（22）的接触连接在锁定弹卡（13）发挥作用后被第一脱卡管（20）解除；第一扭簧（14）通过第一扭簧销（15）安装在锁定弹卡（13）侧面的槽中，锁定弹卡（13）有两个，均通过第一弹卡销（16）对称安装在储冷腔弹卡座（12）上，能绕第一弹卡销（16）转动；连接阀机构的连接过程结束后，锁定弹卡（13）在第一扭簧（14）的推动下与第一脱卡管（20）下部的环槽接触连接，锁定弹卡（13）与第一脱卡管（20）下部的环槽接触连接能阻碍连接阀机构的上半部分和下半部分相对分离和锁定连接阀机构的连接状态；连接阀机构由上阀座（24）、上阀芯（23）、上定位销（26）、上锁环（25）、下阀座（34）、下阀芯（31）、解锁管（30）、下定位销（33）、下锁环（32）、注液管（36）、冷冻腔上接手（63）组成，上阀座（24）环向设有定位销孔，上阀座（24）设有呼吸孔，上阀芯（23）为桶状结构，上阀芯（23）靠近底部沿径向设有通孔，上阀芯（23）桶身外表面有限位环槽，上阀芯（23）与上阀座（24）滑动连接，上定位销（26）与上阀座（24）滑动连接、与上阀芯（23）接触连接并可锁定上阀芯（23）的位置，上锁环（25）与上阀座（24）滑动连接并可锁定上定位销（26）的位置；下阀座（34）、下阀芯（31）、下定位销（33）、下锁环（32）的连接方式与上阀座（24）、上阀芯（23）、上定位销（26）、上锁环（25）的连接方式相同，解锁管（30）与下阀座（34）通过螺纹连接，注液管（36）与下阀座（34）通过螺纹连接；提升内管总成时，连接阀机构上半部分被固定，下半部分随内管总成向上移动，连接过程为：首先，下阀芯（31）将与上阀座（24）滑动连接，与此同时上阀座（24）推开下锁环（32）并解锁下阀芯（31）；然后下阀芯（31）与下阀座（34）相对滑动，下侧封闭的通道被打开，与此同时，解锁管（30）推开上锁环（25）并解锁上阀芯（23）；最后，上阀芯（23）与上阀座（24）相对滑动，上侧封闭的通道被打开；至此，储冷机构中的低温冷源可流经连接机构最终流入岩心冷冻腔；弹卡提升机构由打捞弹卡座（38）、打捞弹卡（39）、第二弹卡销（40）、第二扭簧（42）、第二扭簧销（41）、第二脱卡管（45）、定位环（43）组成，第二扭簧（42）通过第二扭簧销（41）安装在打捞弹卡（39）侧面的槽中，打捞弹卡（39）有四个，均通过第二弹卡销（40）安装在打捞弹卡座（38）上，打捞弹卡（39）在第二扭簧（42）的推动下保持张开状态，第二脱卡管（45）与打捞弹卡座（38）通过螺纹连接，定位环（43）通过螺纹与定位弹卡座（44）连接；打捞器下入孔内后，打捞钩（29）与定位弹卡接触连接，提升过程中，定位环（43）与第二脱卡管（45）发生接触连接，可实现提升内管总成；至此，冷源存储机构中的低温冷源可流经连接阀机构最终流入岩心冷冻腔；弹卡定位机构由定位弹卡座（44）、第二定位弹卡（46）、第三弹卡销（47）、第三扭簧（48）、第三扭簧销（49）、第二脱卡管（45）组成；第三扭簧（48）通过第三扭簧销（49）安装在第二定位弹卡（46）侧面的槽中，第二定位弹卡（46）有四个，均通过第三弹卡销（47）安装在定位弹卡座（44）上，并在第三扭簧（48）的推动下保持张开状态，第二脱卡管（45）与第二弹卡座滑动连接；第二定位弹卡（46）穿过第二弹卡回收管管壁上的方形孔与第二外管（28）接触连接，避免了内管总成在钻进过程中因上顶力而发生“飞管”事故；悬挂机构由悬挂环（51）、内接手（50）、座环（52）组成，内接手（50）与定位弹卡座（44）通过螺纹连接，内接手（50）与悬挂环（51）通过螺纹连接，内接手（50）环向分布有多组斜孔，每组斜孔对称于悬挂环（51），悬挂环（51）与座环（52）接触后，泥浆能从内接手（50）上部的斜孔流入、下部的斜孔流出，保证泥浆能够向下流动；悬挂环（51）与座环（52）接触式连接，悬挂环（51）与座环（52）接触式连接能使内管总成克服重力悬挂在外管总成内，使卡簧座（77）与钻头（79）之间留有间隙，既能防止损坏钻头（79），又能形成泥浆流动的通道；单动机构由第二轴承座（54）、第二轴承（55）、第三轴承座（56）、第三轴承（58）、油嘴（57）组成；第二轴承座（54）与内接手（50）通过螺纹连接，第二轴承（55）上部与第二轴承座（54）接触，并随之转动，第二轴承（55）与第三轴承座（56）接触保持静止，第三轴承（58）上部与第三轴承座（56）接触并保持静止，第三轴承（58）下部与第二轴承座（54）接触并保持转动，第三轴承（58）为第三轴承座（56）提供向上的支撑力，油嘴（57）与第三轴承座（56）通过螺纹连接，能通过油嘴（57）向第二轴承座（54）与第三轴承座（56）之间添加润滑油；单动机构机构能保证第三轴承座（56）及其下部的岩心管（74）在钻进过程中不转动，避免岩心被磨损；调节机构由第三轴承座（56）、弹簧（59）、挡环（60）、第二止动垫片（61）、第二圆螺母（62）组成，弹簧（59）、挡环（60）、第二止动垫片（61）、第二圆螺母（62）依次套装在第二轴承座（54）上，第二圆螺母（62）与第二轴承座（54）通过螺纹连接，第二圆螺母（62）通过弹簧（59）对第三轴承（58）及第三轴承座（56）提供支撑力；卡取岩心时，卡簧（78）和卡簧座（77）向钻头（79）方向相对移动，弹簧（59）被压缩，直到卡簧座（77）靠在钻头（79）上，避免了内管承受拔断岩心的力；岩心冷冻机构由冷冻腔上接手（63）、冷冻腔管（64）、岩心管（74）、卡簧（78）、卡簧座（77）、扶正环（68）、止逆阀座（69）、止逆阀（71）、钢球（70）、排液管（67）组成；冷冻腔上接手（63）与第三轴承座（56）通过螺纹连接，冷冻腔上接手（63）与注液管（36）通过螺纹连接，冷冻腔管（64）与冷冻腔上接手（63）通过螺纹连接，冷冻腔管（64）内壁粘有第二保温层（65），卡簧座（77）与冷冻腔管（64）通过螺纹连接，岩心管（74）与卡簧座（77）通过螺纹连接，止逆阀座（69）与岩心管（74）通过螺纹连接，止逆阀（71）与止逆阀座（69）通过螺纹连接，钢球（70）与止逆阀（71）接触连接，扶正环（68）与止逆阀座（69）滑动连接并保证岩心管（74）与冷冻腔管（64）的同心度，排液管（67）与止逆阀座（69）滑动连接，排液管（67）与冷冻腔上接手（63）滑动连接；冷冻腔上接手（63）上有两个斜孔，分别可将注液管（36）与冷冻腔联通、将排液管（67）与内管总成外的环状间隙联通；在岩心进入岩心管（74）的过程中，岩心管（74）中的泥浆能经由止逆阀（71）、排液管（67）、冷冻腔上接手（63）排出；卡断岩心时，卡簧（78）受岩心摩擦力作用而抱死岩心，卡簧座（77）座于钻头（79）上将岩心卡断；岩心卡断之后，将低温冷源注入到冷冻腔，低温冷源和岩心进行热传导，即可完成对岩心的冷冻；外管总成是由弹卡挡头（22）、第二外管（28）、第三外管（53）和钻头（79）组成，弹卡挡头（22）与第二外管（28）通过螺纹连接，第二外管（28）与第三外管（53）通过螺纹连接，钻头（79）与第三外管（53）通过螺纹连接。