[发明专利]海洋天然气水合物相变制冷绳索取心钻具及取心方法

摘要

海洋天然气水合物相变制冷绳索取心钻具及取心方法，本发明采用相变流体作为冷冻剂通过快速排气机构将相变流体气化产生的气体从钻具内部排出，解决由于冷冻剂相变产生的气体在深海静水压力作用下无法排出，致使腔体内的压力过大，达到流体的相变压力临界点，流体不再相变吸热，导致钻具的制冷量不足的问题；在取心结束后，向钻具内投入钢球，堵住钻井液循环通道，通过钻井液压力为快速排气机构提供动力，并且实现冷冻剂注入孔底冷冻机构的过程。将绳索取心与孔底冷冻结合，实现不提钻快速取心；钻进时内管总成不回转，因而在较大程度上避免了因钻具回转产生的机械力对天然气水合物岩心的破坏，更有效地提高了岩心采取率、完整度和代表性。

主权项

1.海洋天然气水合物相变制冷绳索取心钻具，由打捞器、内管总成和外管总成组成，其特征在于，内管总成包括悬挂机构、调节机构、快速排气机构、冷源存储机构和孔底冷冻机构，所述打捞器包括钢丝绳(1)、固定套(2)、连接轴(4)、第一上轴承座(5)、第一轴承(6)、第二圆螺母(7)、第一下轴承座(8)、紧固螺钉(9)、第一弹簧(10)、打捞钩(11)、第一弹性销(12)与轴套(13)，钢丝绳(1)的端部通过固定套(2)压紧在连接轴(4)上部；第一上轴承座(5)与第一下轴承座(8)通过螺纹连接；第一轴承(6)安装在第一上轴承座(5)的内孔中，并通过第二圆螺母(7)与连接轴(4)之间的螺纹连接固定第一轴承(6)；第一下轴承座(8)与轴套(13)通过紧固螺钉(9)连接；第一弹簧(10)通过打捞钩(11)上的凸起压紧在连接轴(4)上；打捞钩(11)的一端与连接轴(4)通过第一弹性销(12)连接，打捞钩(11)的另一端卡在捞矛头(14)上；所述悬挂机构包括捞矛头(14)、悬挂环(16)及座环(17)，捞矛头(14)与悬挂环(16)通过螺纹连接；悬挂环(16)的外径大于座环(17)的外径，悬挂环(16)坐在座环(17)上，二者为接触式连接；座环(17)与第一外管(15)通过螺纹连接，使内管总成整体悬挂在外管总成内，内管总成底部与钻头(84)之间具有2mm～4mm的间隙；所述调节机构包括第二上轴承座(18)、第二轴承(20)、第二下轴承座(21)、第三轴承(23)、第二弹簧(24)、挡环(25)、第三圆螺母(27)、连接管(28)及第一密封圈(29)；第二上轴承座(18)通过螺纹与捞矛头(14)连接，第二轴承(20)由第二上轴承座(18)与第二下轴承座(21)配合固定在第二上轴承座(18)的外径上；第二上轴承座(18)的外径与第二下轴承座(21)的内径之间具有空隙用于确保在第二轴承(20)的作用下，第二上轴承座(18)和第二下轴承座(21)实现单动；第三轴承(23)位于第二上轴承座(18)与第二下轴承座(21)之间，第三轴承(23)与第二轴承(20)一起来实现第二上轴承座(18)与第二下轴承座(21)之间的单动；第三轴承(23)的下部与第二弹簧(24)的上部接触，第二弹簧(24)的下部坐在挡环(25)上，挡环(25)用于为第二弹簧(24)提供预紧力；第三圆螺母(27)与第二上轴承座(18)之间通过螺纹连接；连接管(28)与第二上轴承座(18)通过螺纹连接；第一密封圈(29)用于实现连接管(28)与位于其下部的机构的密封；在卡断岩心时，卡簧(82)带动内卡簧座(83)下移压缩第二弹簧(24)；内卡簧座(83)置于钻头(84)的内部台阶上，进而将拔断岩心的力传递到外管上，保证内管在整个取心过程中不受力；所述快速排气机构包括排气阀座(30)、钢球(31)、第一排气阀芯(32)、第三弹簧(33)、弹性挡环(34)、第二排气阀芯(35)、第四弹簧(36)、第一钻井液出口(37)、第二钻井液出口(38)、第一换气阀(39)及第二换气阀(41)，排气阀座(30)与第二下轴承座(21)之间通过螺纹连接；钢球(31)在取心过程时不投入钻具的中心孔内，取心结束后将钢球(31)投入钻具的中心孔内，堵塞第一排气阀芯(32)的钻井液通道；第一排气阀芯(32)与第二排气阀芯(35)通过螺纹连接；第三弹簧(33)上部与第一排气阀芯(32)接触为其提供预紧力，第三弹簧(33)下部抵靠在第二排气阀芯(35)上；弹性挡环(34)位于排气阀座(30)与第二排气阀芯(35)之间；第四弹簧(36)的上部与第二排气阀芯(35)接触并为其提供预紧力，第四弹簧(36)的下部抵靠在排气阀座(30)上；第一换气阀(39)通过螺纹与排气阀座(30)连接，第二换气阀(41)与第二排气阀芯(35)通过螺纹连接，在取心过程中，通过第一换气阀(39)与第二换气阀(41)之间的抽吸作用将储冷腔内的气体排出；第一钻井液出口(37)开设在第一排气阀芯(32)；第二钻井液出口(38)开设在排气阀座(30)；所述冷源存储机构包括第二密封圈(42)、控制阀体(43)、控制阀芯(45)、第一保温套(46)、扶正套(47)、储冷腔外管(48)、储冷腔内管(49)、控制杆保温套(51)、控制杆(52)、下保温垫(54)、第三密封圈(55)、第五弹簧(56)、止动阀体(57)、保温套管(58)、扭簧(60)、弹卡(61)、第四密封圈(62)、弹卡座(63)、第二弹性销(64)、止动阀杆(65)、第三弹性销(66)及止动阀座(67)；整个冷源存储机构上部采用第二密封圈(42)密封；控制阀体(43)与控制杆(52)通过螺纹连接，控制阀体(43)的上部与第二排气阀芯(35)的下部接触，当第二排气阀芯(35)向下移动推动控制阀体(43)一起向下移动；控制阀体(43)与第一保温套(46)通过螺纹连；控制阀芯(45)设置在控制阀体(43)内部，控制阀芯(45)与控制杆(52)连接；扶正套(47)套设在控制杆保温套(51)外部；控制杆保温套(51)套设在控制杆(52)外部；储冷腔外管(48)与控制阀体(43)通过螺纹连接；储冷腔外管(48)与储冷腔内管(49)同轴布置，储冷腔外管(48)与储冷腔内管(49)之间设置有储冷腔保温层(50)；下保温垫(54)设置在储冷腔底部；第三密封圈(55)与第四密封圈(62)分别设置在位于止动阀体(57)上部和下部的环槽内；第五弹簧(56)上部与止动阀杆(65)接触为其提供预紧力，弹卡座(63)用于支撑第五弹簧(56)；止动阀杆(65)与控制杆(52)之间通过螺纹连接；保温套管(58)位于止动阀体(57)内部；扭簧(60)用于使弹卡(61)保持张开状态；弹卡(61)与止动阀杆(65)通过第二弹性销(64)连接；止动阀座(67)与止动阀杆(65)之间通过第三弹性销(66)连接，止动阀座(67)用于使得弹卡(61)张开预定角度；所述孔底冷冻机构包括分流块(68)、连接手(69)、第五密封圈(70)、第二保温套(71)、止动阀球(72)、止动阀芯(73)、冷冻腔外管(74)、岩心管(75)、半合管(77)、冷冻腔内管(78)、外卡簧座(81)、卡簧(82)及内卡簧座(83)；分流块(68)固定在连接手(69)上部，分流块(68)用于将冷冻剂的流道分开，使冷冻剂直接注入到连接手(69)的孔内；第五密封圈(70)用于实现整个冷冻腔腔体的密封；第二保温套(71)位于孔底冷冻机构上部的空腔内；止动阀芯(73)与连接手(69)之间通过螺纹连接，止动阀球(72)坐在止动阀芯(73)之上；冷冻腔外管(74)与连接手(69)通过螺纹连接；冷冻腔内管(78)与冷冻腔外管(74)同轴布置，冷冻腔内管(78)与冷冻腔外管(74)之间设置有冷冻腔保温层(76)；岩心管(75)与连接手(69)通过螺纹连接，岩心管(75)内部设置有半合管(77)，半合管(77)将整根岩心管(75)从轴向剖开；外卡簧座(81)与冷冻腔外管(74)通过螺纹连接；内卡簧座(83)与岩心管(75)通过螺纹连接；卡簧(82)坐于内卡簧座(83)上，卡簧(82)用于卡断岩心；所述外管总成包括第一外管(15)、第二外管(19)、第一扶正环(40)、第一扩孔器(44)、第三外管(53)、第四外管(59)、第二扶正环(79)、第二扩孔器(80)、钻头(84)和第五外管(85)，第二外管(19)的上端与第一外管(15)通过螺纹连接，第二外管(19)的下端通过螺纹与第一扩孔器(44)连接；第一扶正环(40)位于第二外管(19)的环槽内，并由第一扩孔器(44)夹紧；第一扩孔器(44)通过螺纹与第三外管(53)连接；第四外管(59)的上端与第三外管(53)通过螺纹连接，第四外管(59)的下端与第五外管(85)通过螺纹连接；第五外管(85)与第二扩孔器(80)通过螺纹连接；第二扶正环(79)位于第五外管(85)的环槽内，并由第二扩孔器(80)夹紧；第二扩孔器(80)通过螺纹与钻头(84)连接。