[发明专利]一种海洋孔底冷冻绳索取心钻具及方法

摘要

一种海洋孔底冷冻绳索取心钻具及方法，属于天然气水合物孔底冷冻绳索取心领域，由内管总成与外管总成两大部分组成，内管总成包括捞矛机构、弹卡定位机构、悬挂机构、控制机构、单动机构、内管保护调节机构、冷冻机构、冷源存储机构、集气机构、保压机构及集液机构，本发明钻进结束提钻利用冷源将岩心冷冻并提至地表；采用化学吸收方法设计混合冷源集气机构，解决海洋冷源中干冰升华排不出钻具导致内管压力升高损坏钻具的问题；集液机构收集岩心管上部未冷冻的气水化合物，防止内管压力升高并将为未冷冻的气水化合物提至地表用于科学研究；内管保护调节机构简化钻具组装拆卸程序；同时能够准确获知海洋长时间下放钻具到位的信息。

主权项

1.一种海洋孔底冷冻绳索取心钻具，由内管总成与外管总成两大部分组成，其特征在于，内管总成包括捞矛机构、弹卡定位机构、悬挂机构、控制机构、单动机构、内管保护调节机构、冷冻机构、冷源存储机构、集气机构、保压机构及集液机构，所述捞矛机构包括捞矛头(1)、捞矛头基座以及回收管(3)，捞矛头(1)通过第一弹簧销(4)与捞矛头基座顶部连接，捞矛头基座分为上下两部分，捞矛头基座上下两部分通过第二弹簧销(5)连接，捞矛头基座的底部与弹卡座(10)通过螺纹进行连接，同时捞矛头基座的底部与弹卡座(10)通过第三弹簧销(6)固定，回收管(3)与第一外管(11)螺纹连接，回收管(3)用于容纳捞矛头(1)及捞矛头基座；所述弹卡定位机构包括弹簧(7)、弹卡(8)、弹卡座(10)、弹卡架(16)以及阀体(15)，弹簧(7)的端部通过设置在弹卡(8)上的固定凹槽固定在弹卡(8)上；弹卡(8)的上部凸出部分与第一外管(11)接触，弹卡(8)的数量为两个，两个弹卡(8)的下部通过第四弹簧销(12)铰接构成弹卡钳，且弹卡钳置于弹卡座(10)上，弹卡座(10)的上部与下部各开设有四个用于供钻井液循环的斜孔；阀体(15)与弹卡(8)之间通过焊接钢管形成整体，阀体(15)与弹卡架(16)的内壁静压接触，阀体(15)与中空环(71)通过焊接钢管静压接触；弹卡架(16)用于支撑弹卡(8)，同时弹卡架(16)内壁与中空环(71)静压接触；所述悬挂机构包括座环(13)以及悬挂环(14)，悬挂环(14)通过螺纹设置在第一外管(11)的内壁上，座环(13)在下放钻具之前放入位于第一外管(11)内壁上的悬挂环(14)之上，座环(13)与悬挂环(14)之间通过静压接触连接，使得内管总成克服自身重力悬挂在第一外管(11)内部；所述控制机构包括控制轴承座(18)、控制弹簧外腔(20)、控制弹簧(21)、活塞杆(22)、内固定支座(28)、活塞阀座(35)以及活塞(36)，控制轴承座(18)置于控制弹簧外腔(20)内部，控制轴承座(18)的上部与控制弹簧外腔(20)之间通过螺纹连接，控制轴承座(18)的下部与活塞杆(22)的上部螺纹连接；控制弹簧(21)的一部分套设在控制轴承座(18)上，控制弹簧(21)的另一部分套设在活塞杆(22)上，控制弹簧(21)的顶部抵靠在控制轴承座(18)上，控制弹簧(21)的底部抵靠在上轴承座(24)上；内固定支座(28)的上端与上轴承座(24)螺纹连接，内固定支座(28)的下端与下轴承座(26)螺纹连接，活塞阀座(35)的上部与上轴承座(24)螺纹连接，活塞阀座(35)的下部与冷源外腔(40)螺纹连接，活塞(36)设置在活塞杆(22)底部，活塞(36)与活塞杆(22)之间螺纹连接，装冷源过程中，将活塞(36)与活塞杆(22)之间拧紧；所述冷源存储机构包括冷源保温层(39)、冷源外腔(40)、控制密封塞(41)以及控制塞弹簧(42)，冷源外腔(40)与活塞阀座(35)螺纹连接，且在冷源外腔(40)的内壁上覆盖有冷源保温层(39)；冷源外腔(40)的底部由控制密封塞(41)以及控制塞弹簧(42)进行密封，控制密封塞(41)与控制塞弹簧(42)铰接，控制塞弹簧(42)与集液罐外腔(43)静压接触；所述集液机构包括集液罐外腔(43)、集液罐(44)、集液罐接头(46)、集液内管(50)、集液内接手(55)及集液下腔(60)，集液罐外腔(43)的上部与冷源外腔(40)螺纹连接，集液罐外腔(43)的下部与集液罐接头(46)螺纹连接；集液罐(44)置于集液罐外腔(43)内部，集液罐(44)与集液内管(50)的上部螺纹连接，集液内管(50)与集液下腔(60)连通；集液内接手(55)的上部与内管外接手(51)螺纹连接，集液内接手(55)的下部与岩心内管(67)螺纹连接；集液下腔(60)与内岩心管(61)通过螺纹进行静压接触连接；所述集气机构包括集气室(47)、内管外接手(51)、螺旋塞(48)、液位计(49)、集气弹簧(52)以及集气弹簧塞(53)，集气室(47)的上部与集液罐接头(46)之间通过螺纹进行连接，集气室(47)的下部与内管外接手(51)通过螺纹连接，并在二者之间设置有密封垫(54)，在集气室(47)的下部设置四个对称且呈倾斜布置的集气管道；内管外接手(51)的一侧开有一带螺纹的圆孔，螺旋塞(48)与该圆孔通过螺纹进行连接；集气弹簧(52)固定在集气室(47)的内壁上，集气弹簧(52)与集气室(47)的末端静压接触，集气弹簧(52)将集气室(47)与冷源流通通道相互隔离；液位计(49)设置在集气室(47)的上部，形成一个密闭的集气腔室，集气弹簧塞(53)与集气室(47)内壁铰接；所述冷冻机构包括密封垫(54)、硅胶环垫(56)、中空环接头(57)、内岩心管(61)、岩心保温层(62)、固定座(65)、岩心内管(67)、卡簧(68)以及卡簧座(69)，密封垫(54)设置在内管外接手(51)与集液内接手(55)之间，内岩心管(61)与集液下腔(60)之间设置有两层硅胶垫(56)，两层硅胶环垫(56)呈上下布置，且上层位于中空环接头(57)的上部与集液内接手(55)之间，并与中空环接头(57)与集液内接手(55)静压接触，下层位于中空环接头(57)的下部与岩心保温层(62)之间，并与中空环接头(57)与岩心保温层(62)静压接触；岩心保温层(62)贴设在岩心内管(67)的内壁上；中空环接头(57)上下部分分别与集液内接手(55)、集液下腔(60)进行连接；固定座(65)位于外接手(64)与岩心内管(67)之间，固定座(65)与岩心内管(67)之间通过螺纹进行连接使得岩心内管(67)上部的冷冻机构得以固定；卡簧(68)与卡簧座(69)设置在内岩心管(61)的底端，岩心充满内岩心管(61)时，上提钻具，使得轴承弹簧(31)压缩，带有弧度的卡簧(68)卡住岩心，通过拉力将岩心拉断上返至地表；所述保压机构包括钢球(59)以及集液弹簧(58)，钢球(59)以及集液弹簧(58)设置在集液下腔(60)内部，钢球(59)与集液弹簧(58)静压接触连接；所述单动机构包括上轴承座(24)、第一轴承(25)、下轴承座(26)及第二轴承(29)，上轴承座(24)与控制弹簧外腔(20)之间通过螺纹方式进行连接，上轴承座(24)与活塞(36)之间设置有2mm～3mm的环空间隙(27)；第一轴承(25)的上端与上轴承座(24)通过静压力接触，第一轴承(25)的下端与下轴承座(26)通过静压力接触；下轴承座(26)与弹簧室(30)之间螺纹连接；第二轴承(29)的下部与轴承弹簧(31)静压接触，钻进过程中第一轴承(25)以上内管总成部件跟着外管总成一起转动，实现双管单动；所述内管保护调节机构包括弹簧室(30)、轴承弹簧(31)、螺母垫片(32)、转换接头(33)及调节螺母(34)，轴承弹簧(31)套设在上轴承座(24)上；螺母垫片(32)分别与轴承弹簧(31)的下部以及调节螺母(34)的上部静压接触；转换接头(33)通过螺纹将弹簧室(30)与冷源外腔(40)相连接；调节螺母(34)与上轴承座(24)之间螺纹连接，调节螺母(34)、螺母垫片(32)及轴承弹簧(31)之间静压接触；岩心内管(67)在钻具转动过程中并不随其转动；固定座(65)与钻头(70)之间保持着一定的距离，钻进中固定座(65)与钻头(70)的距离在0mm～30mm之间变化，通过拧动调节螺母(34)使固定座(65)与钻头(70)在钻进过程中始终保持在2mm～4mm之间；所述外管总成包括第一外管(11)、第二外管(17)、第三外管(37)、第四外管(63)、弹卡挡头(2)、上扩孔器(9)、下扩孔器(66)以及钻头(70)，弹卡挡头(2)、第一外管(11)、第二外管(17)、第三外管(37)、第四外管(63)及钻头(70)顺次螺纹连接；上扩孔器(9)与第二外管(17)螺纹连接；下扩孔器(66)与第四外管(63)螺纹连接。