CN101532922A - 天然气水合物孔底冷冻取样器及其取样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钻探取样器和取样方法，尤其是用于海底或陆地永冻层天然气水合物保真取芯取样器及其取样方法。天然气水合物孔底冷冻取样器是由制冷部分、低温控制部分和冷冻保温样品三部分构成。采用液氮为冷冻剂，乙二醇为载冷剂在孔底冷冻水合物样品，液氮预先储存在取样器中，低温控制模块控制液氮注入载冷剂的时间，使载冷剂温度始终保持低于－30℃以下抑制水合物样品分解。解决了目前水合物取样器单纯主动式保压取芯的缺陷，通过外部冷源在孔底降低水合物样品温度来抑制水合物分解，采用主动式降温的方法降低水合物临界分解压力，无需保压，实现被动式降压维持水合物的稳定性，方法简单，易获得保真程度较高的天然气水合物芯样。

Description

天然气水合物孔底冷冻取样器及其取样方法
技术领域：
本发明涉及一种钻探取样器和取样方法，尤其是用于海底或陆地永冻层天然气水合物保真取芯器具及取样方法。
背景技术：
随着高油价时代的来临，催生各种可替代能源已经成为当务之急。目前全球海底天然气水合物中甲烷的碳总量相当于当前已知煤、石油和天然气等化石燃料总资源量的两倍。因而，天然气水合物成为世界各国在能源战略平衡发展中必须加以考虑的重要后备能源。我国仅南海天然气水合物的总资源量大约相当于我国陆上和近海石油天然气总资源量的一半。因此，天然气水合物作为一种可替代的能源，其开发和利用日益被人们所重视。天然气水合物主要分布在大洋边缘海底沉积物和陆上高寒长年永冻层中。钻探取样是识别天然气水合物最直接的方法，也是验证其他方法调查成果的必要手段。因此，钻探取样对于开发天然气水合物具有十分重要的意义。
天然气水合物是在低温高压下形成的，这种特殊条件对钻探取样的要求很高。目前国内外的天然气水合物取样器以保压取样器为主，其设计思路是当水合物岩芯进入保压岩芯室后，通过球阀关闭岩芯管底部使岩芯保持初始压力，并利用压力补偿装置控制压力，以维持岩芯压力在提离孔底的整个过程中保持不变，提到地表后再进行冷冻保存。孔内岩芯的保温方法主要是采用保温材料实现被动式保温方法。这种通过机械式保压来抑制水合物分解，这对于整个取芯器的强度，特别是球阀的强度和密封性的要求就相当高。如果球阀的密封性稍有些下降，那么岩芯就不能保持初始压力，导致取芯失败。而且当取样器的设计压力达到一定程度后，如果想再要增加压力，那么取样器的材料和和密封性能将需要做很大的提高，而且这并不容易做到。
发明内容：
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种通过外部冷源在孔底降低水合物岩芯温度来抑制水合物分解，采用主动式降温的方法降低水合物临界分解压力，无需保压，就能实现被动式降压维持水合物稳定的天然气水合物孔底冷冻取样器。
本发明的另一目的提供一种天然气水合物孔底冷冻取样方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
采用液氮为冷冻剂，乙二醇为载冷剂在孔底冷冻岩芯，液氮预先储存在取样器中，低温控制模块控制液氮注入至载冷剂中的时间，使载冷剂始终低于-30℃以下，这样就可以保证岩芯在钻探过程、冷冻岩芯过程和岩芯提升过程始终保持-30℃以下的低温状态，从而抑制水合物岩芯分解。
天然气水合物孔底冷冻取样器是由制冷部分、低温控制部分和冷冻保温样品三部分构成。
天然气水合物孔底冷冻取样方法，包括以下次序和步骤：
a、在地面将载冷剂装入载冷剂空腔16，三通道接手12盖于其上，同时将温度传感器15和温度传感器信号线13随温度传感器保护管14、液氮注入管23下入载冷剂中，开关传感器9和开关传感器信号线10与低温控制模块8连接，三通道接手12上面为制冷蓄能罐5，液氮注入其中，温控电磁阀20和液氮注入管23通入其中，制冷蓄能罐5上面通过螺纹盖有上接手3，装好后，通过绳索取芯机构1将天然气水合物孔底冷冻取样器下入孔底；
b、钻进时，天然气水合物芯样随着进尺的深度进入岩芯管腔26，当进尺达到或芯样充满岩芯管腔26的长度提钻取样时，打捞器从孔口下放，打捞器下部打捞钩与绳索取芯机构1的矛头卡紧后，带动绳索取芯机构1向上提取天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成一段距离，使开关传感器9经过磁铁环6产生开关信号，开关信号经开关传感器信号线10送给低温控制模块8，启动低温控制模块8工作；
c、向上提取天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成一段距离，能够使低温控制模块8开始工作后，停止提取。同时，内管总成带动岩芯管24底部装有的卡簧28向上运动，通过卡簧座27的楔面加紧芯样，将芯样拔断。载冷剂对芯样开始冷冻保护，当载冷剂温度高于-30℃时，温度传感器15通过温度传感器信号线13将信号送给低温控制模块8，低温控制模块8通过温控信号线19将指令传给温控电磁阀20，温控电磁阀20启动，通过螺旋形液氮注入管23将液氮送入载冷剂空腔16降低载冷剂的温度，换热后液氮变成气，通过排气阀21排入岩芯管腔26，岩芯管腔26中的液体经排水阀11排入环状间隙；
d、冷冻一段时间(20～30min)后，打捞器下部打捞钩通过绳索取芯机构1的矛头把天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成和岩芯从孔内捞取上来一同提升到地面，打开卡簧28将半合管25和芯样一同从岩芯管24中抽出。
本发明的目的还可以通过以下技术方案实现：
制冷部分：是由上接手3通过螺纹与制冷蓄能罐5连接组成。
低温控制部分：是由温度传感器15通过温度传感器信号线13、低温控制模块8、温控信号线19与温控电磁阀20连接，开关传感器9通过开关传感器信号线10与低温控制模块8连接，磁铁环6嵌装在外管2的内壁上，通过在温度传感器15和温度传感器信号线13的外部设有温度传感器保护管14，低温控制模块8嵌装在三通道接手12的中部，密封盖7盖在其上，密封盖7通过螺纹与三通道接手12连接。
冷冻保温样品部分是由载冷剂底盖17下端通过螺纹连接保温衬管22的下部，保温衬管22的上部通过螺纹与三通道接手12连接构成载冷剂空腔16，载冷剂空腔16的中部贯通设有岩芯管腔26，岩芯管腔26与载冷剂空腔16之间为岩芯管24和半合管25，液氮注入管23的上端通过温控电磁阀20与制冷蓄能罐5连接，液氮注入管23的中段呈螺旋型置于载冷剂空腔16中，并与设在岩芯管腔26上部的排气阀21连通。
载冷剂为乙二醇，液氮为冷冻剂。
有益效果：本发明解决了目前水合物取样器单纯主动式保压取芯的缺陷，通过外部冷源在孔底降低水合物岩芯温度来抑制水合物分解，采用主动式降温的方法降低水合物临界分解压力，无需保压，实现被动式降压维持水合物的稳定性，方法简单，易获得保真程度较高的天然气水合物芯样。
附图说明
图1：天然气水合物孔底冷冻取样器结构图。
图2：低温控制框图。
1 绳索取芯机构，2 外管，3 上接手，4 环状间隙，5 液氮制冷蓄能罐，6 磁铁环，7 密封盖，8 低温控制模块，9 开关传感器，10 开关传感器信号线，11 排水阀，12 三通道接手，13 温度传感器信号线，14 温度传感器保护管，15 温度传感器，16 载冷剂空腔，17 载冷剂底盖，18 钻头，19 温控信号线，20 温控电磁阀，21 排气阀，22 保温衬管，23 液氮注入管，24 岩芯管，25 半合管，26 岩芯管腔，27 卡簧座，28 卡簧。
具体实施方式
下面结合附图和实施例作进一步详细说明：
采用液氮为冷冻剂，乙二醇为载冷剂在孔底冷冻岩芯，液氮预先储存在取样器中，低温控制电路控制液氮注入至载冷剂中的时间，使载冷剂始终低于-30℃以下，这样就可以保证岩芯在钻探过程、冷冻岩芯过程和岩芯提升过程始终保持-30℃以下的低温状态，从而抑制水合物岩芯分解。
天然气水合物孔底冷冻取样器是由制冷部分、低温控制部分和冷冻保温样品三部分构成。
天然气水合物孔底冷冻取样方法，包括以下次序和步骤：
a、在地面将载冷剂装入载冷剂空腔16，三通道接手12盖于其上，同时将温度传感器15和温度传感器信号线13随温度传感器保护管14、液氮注入管23下入载冷剂中，开关传感器9和开关传感器信号线10与低温控制模块8连接，三通道接手12上面为制冷蓄能罐5，液氮注入其中，温控电磁阀20和液氮注入管23通入其中，制冷蓄能罐5上面通过螺纹盖有上接手3，装好后，通过绳索取芯机构1将天然气水合物孔底冷冻取样器下入孔底；
b、钻进时，天然气水合物芯样随着进尺的深度进入岩芯管腔26，当进尺达到或芯样充满岩芯管腔26的长度提钻取样时，打捞器从孔口下放，打捞器下部打捞钩与绳索取芯机构1的矛头卡紧后，带动绳索取芯机构1向上提取天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成一段距离，使开关传感器9经过磁铁环6产生开关信号，开关信号经开关传感器信号线10送给低温控制模块8，启动低温控制模块8工作；
c、向上提取天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成一段距离，能够使低温控制模块8开始工作后，停止提取。同时，内管总成带动岩芯管24底部装有的卡簧28向上运动，通过卡簧座27的楔面加紧芯样，将芯样拔断。载冷剂对芯样开始冷冻保护，当载冷剂温度高于-30℃时，温度传感器15通过温度传感器信号线13将信号送给低温控制模块8，低温控制模块8通过温控信号线19将指令传给温控电磁阀20，温控电磁阀20启动，通过螺旋形液氮注入管23将液氮送入载冷剂空腔16降低载冷剂的温度，换热后液氮变成气，通过排气阀21排入岩芯管腔26，岩芯管腔26中的液体经排水阀11排入环状间隙；
d、冷冻一段时间20min后，打捞器下部打捞钩通过绳索取芯机构1的矛头把天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成和岩芯从孔内捞取上来一同提升到地面，打开卡簧28将半合管25和芯样一同从岩芯管24中抽出。
制冷部分是由上接手3通过螺纹与储冷蓄能罐5连接组成。
低温控制部分：由温度传感器15通过温度传感器信号线13、低温控制模块8、温控信号线19与温控电磁阀20连接，开关传感器9通过开关传感器信号线10与低温控制模块8连接，磁铁环6嵌装在外管2的内壁上，通过在温度传感器15和温度传感器信号线13的外部设有温度传感器保护管14，低温控制模块8嵌装在三通道接手12的中部，密封盖7盖在其上，密封盖7通过螺纹与三通道接手12连接。
冷冻保温样品部分：是由载冷剂底盖14通过螺纹连接保温衬管22下部，保温衬管22的上部通过螺纹与三通道接手12连接构成载冷剂空腔16，载冷剂空腔16的中部贯通设有岩芯管腔26，岩芯管腔26与载冷剂空腔16之间为岩芯管24和半合管25，液氮注入管23的上端通过温控电磁阀20与制冷蓄能罐5连接，液氮注入管23的中段呈螺旋型置于载冷剂空腔16中，并与设在岩芯管腔26上部的排气阀21连通；三通道接手12的中部设有排水阀12和排水管，并与外管2与内管之间构成的总成环状间隙4相通。
载冷剂为乙二醇，液氮为冷冻剂。
卡簧28和卡簧座27装在管靴上，管靴通过螺纹与岩芯管24连接，半合管25与其外侧的岩芯管24滑动配合，载冷剂底盖17通过密封圈与岩芯管24紧密配合连接，载冷剂底盖17通过螺纹与保温衬管22连接，保温衬管22上端通过螺纹与三通道接手12连接，三通道接手12通过密封圈与岩芯管24紧密配合连接，三通道接手12与载冷剂底盖17之间为载冷剂空腔16，三通道接手12中部设有排水阀11和排水管，并与总成环状间隙4相通，磁铁环6嵌装在外管2的内壁上，三通道接手12上装有开关传感器9通过开关传感器信号线10与低温控制模块8连接，三通道接手12的一侧装有温度传感器保护管14，温度传感器保护管14内装有温度传感器15和温度传感器信号线13，温度传感器保护管14的下端插入载冷剂空腔16，上端与低温控制模块8相连，三通道接手12的另一侧装有液氮注入管23，液氮注入管23的中段螺旋型插入载冷剂空腔16，液氮注入管23下端与排气阀21相连，上端与温控电磁阀20相连，并与制冷蓄能罐5相连通，温控电磁阀20通过温控信号线19与低温控制模块8连接，密封盖7通过螺纹与三通道接手12连接，盖在低温控制模块8之上，三通道接手12上凸出端设有的外螺纹与内管内螺纹连接，内管上端设有的内螺纹与上接手3设有的外螺纹连接，三通道接手12与上接手3之间的空间为制冷蓄能罐5，制冷蓄能罐5储存液氮，可保证液氮不与外界发生热交换，使液氮在罐中呈高压状态。上接手3的外凸出端通过螺纹与绳索取芯机构1连接。外管2通过螺纹与钻头18连接。
低温控制：低温控制模块8接收到由开关传感器9经开关传感器信号线10传来的开关信号后，低温控制模块开始工作。由温度传感器15测定载冷剂温度，及时将温度参数通过温度传感器信号线13送给低温控制模块8，低温控制模块8根据预先设定的参数-30℃控制温控电磁阀20开启或关闭，当载冷剂温度高于-30℃时温度传感器15及时将这一温度参数通过温度传感器信号线13送给低温控制模块8，低温控制模块8发出开启温控电磁阀20的指令，液氮就通过液氮注入管23送入载冷剂空腔16降低载冷剂的温度。低温控制模块8为通用电路图。
当载冷剂温度低于-30℃时温度传感器15及时将这一温度参数通过温度传感器信号线13送给低温控制模块8，低温控制模块8发出关闭温控电磁阀20的指令，就停止向载冷剂空腔16注入液氮。
钻进时，天然气水合物芯样随着进尺的深度进入岩芯管腔26，当进尺达到或芯样充满岩芯管腔26的长度提钻取样时，打捞器从孔口下放，打捞器下部打捞钩与绳索取芯机构1的矛头卡紧后，带动绳索取芯机构1向上提取天然气水合物孔底冷冻取样器一段距离，使开关传感器9经过磁铁环6产生开关信号，开关信号经开关传感器信号线10送给低温控制模块8，启动低温控制模块8工作。
向上提取天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成一段距离，能够使低温控制模块8开始工作后，停止提取，开始冷冻。同时，内管总成带动岩芯管24底部装有的卡簧28向上运动，通过卡簧座27的楔面加紧芯样，将芯样拔断。载冷剂对芯样开始冷冻保护，当载冷剂温度高于-30℃时，温度传感器15通过温度传感器信号线13将信号送给低温控制模块8，低温控制模块8通过温控信号线19将指令传给温控电磁阀20，温控电磁阀20启动，通过螺旋形液氮注入管23将液氮送入载冷剂空腔16降低载冷剂的温度，换热后液氮变成气，通过排气阀21排入岩芯管腔26，岩芯管腔26中的液体经排水阀11排入环状间隙。冷冻20分钟后继续提取，打捞器下部打捞钩通过绳索取芯机构1的矛头把天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成和岩芯从孔内捞取上来，打开卡簧28将半合管25和芯样一同从岩芯管24中抽出，从而实现不提钻取芯。绳索取芯机构1上部弹卡贴附在外管2内壁上。绳索取芯机构1具有单动功能，可保证在钻进取样时制冷部分、低温控制部分和冷冻保温样品部分不回转，避免对水合物岩芯的搅动。
开关传感器9电源采用9V直流电池，且在钻进的过程中始终工作。温控电磁阀20、低温控制模块8、温度传感器15的电源采用24V直流电池，钻进取样的过程中不工作。
当进尺达到或芯样充满岩芯管腔26的长度提钻取样时，打捞器从孔口下放，打捞器下部打捞钩与绳索取芯机构1的矛头卡紧后，带动绳索取芯机构1向上提取天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成一段距离，使开关传感器9经过磁铁环6产生开关信号，经开关传感器信号线10输入24V直流电，启动低温控制元件7、温控电磁阀17和温度传感器12开始工作，开始冷冻水合物样品。

Claims (7)

1、一种天然气水合物孔底冷冻取样器，包括打捞器、绳索取芯机构，其特征在于，是由制冷部分、低温控制部分和冷冻保温样品三部分构成。
2、按照权利要求1所述的天然气水合物孔底冷冻取样器，其特征在于，制冷部分是由上接手(3)通过螺纹与制冷蓄能罐(5)连接组成。
3、按照权利要求1所述的天然气水合物孔底冷冻取样器，其特征在于，低温控制部分是由温度传感器(15)通过温度传感器信号线(13)、低温控制模块(8)、温控信号线(19)与温控电磁阀(20)连接，开关传感器(9)通过开关传感器信号线(10)与低温控制模块(8)连接，磁铁环(6)嵌装在外管(2)的内壁上，温度传感器(15)和温度传感器信号线(13)的外部设有温度传感器保护管(14)，低温控制模块(8)嵌装在三通道接手(12)的中部，密封盖(7)盖在其上，密封盖(7)通过螺纹与三通道接手(12)连接。
4、按照权利1要求所述的天然气水合物孔底冷冻取样器，其特征在于，冷冻保温样品部分是由载冷剂底盖(17)下端通过螺纹连接保温衬管(22)的下部，保温衬管(22)的上部通过螺纹与三通道接手(12)连接构成载冷剂空腔(16)，载冷剂空腔(16)的中部贯通设有岩芯管腔(26)，岩芯管腔(26)与载冷剂空腔(16)之间为岩芯管(24)和半合管(25)，液氮注入管(23)的上端通过温控电磁阀(20)与制冷蓄能罐(5)连接，液氮注入管(23)的中段呈螺旋型置于载冷剂空腔(16)中，并与设在岩芯管腔(26)上部的排气阀(21)连通。
5、按照权利2要求所述的天然气水合物孔底冷冻取样器，其特征在于，三通道接手(12)的中部设有排水阀(11)，并与外管(2)与内管之间构成的环状间隙(4)相通。
6、按照权利要求4所述的天然气水合物孔底冷冻取样器，其特征在于，载冷剂为乙二醇，冷冻剂为液氮。
7、按照权利要求1所述的天然气水合物孔底冷冻取样方法，其特征在于包括以下次序和步骤：
a、在地面将载冷剂装入载冷剂空腔(16)，三通道接手(12)盖于其上，同时将温度传感器(15)和温度传感器信号线(13)随温度传感器保护管(14)、液氮注入管(23)下入载冷剂中，开关传感器(9)和开关传感器信号线(10)与低温控制模块(8)连接，三通道接手(12)上面为制冷蓄能罐(5)，液氮注入其中，温控电磁阀(20)和液氮注入管(23)通入其中，制冷蓄能罐(5)上面通过螺纹盖有上接手(3)，装好后，通过绳索取芯机构(1)将天然气水合物孔底冷冻取样器下入孔底；
b、钻进时，天然气水合物芯样随着进尺的深度进入岩芯管腔(26)，当进尺达到或芯样充满岩芯管腔(26)的长度提钻取样时，打捞器从孔口下放，打捞器下部打捞钩与绳索取芯机构(1)的矛头卡紧后，带动绳索取芯机构(1)向上提取天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成一段距离，使开关传感器(9)经过磁铁环(6)产生开关信号，开关信号经开关传感器信号线(10)送给低温控制模块(8)，启动低温控制模块(8)工作；
c、向上提取天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成一段距离，能够使低温控制模块(8)开始工作后，停止提取。同时，内管总成带动岩芯管(24)底部装有的卡簧(28)向上运动，通过卡簧座(27)的楔面加紧芯样，将芯样拔断。载冷剂对芯样开始冷冻保护，当载冷剂温度高于-30℃时，温度传感器(15)通过温度传感器信号线(13)将信号送给低温控制模块(8)，低温控制模块(8)通过温控信号线(19)将指令传给温控电磁阀(20)，温控电磁阀(20)启动，通过螺旋形液氮注入管(23)将液氮送入载冷剂空腔(16)降低载冷剂的温度，换热后液氮变成气，通过排气阀(21)排入岩芯管腔(26)，岩芯管腔(26)中的液体经排水阀(11)排入环状间隙；
d、冷冻一段时间(20～30min)后，打捞器下部打捞钩通过绳索取芯机构(1)的矛头把天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成和岩芯从孔内捞取上来一同提升到地面，打开卡簧(28)将半合管(25)和芯样一同从岩芯管(24)中抽出。
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