CN102866037A

CN102866037A - 一种天然气水合物保压取样器

Info

Publication number: CN102866037A
Application number: CN2012103443002A
Authority: CN
Inventors: 蒋国盛; 卢春华; 吴翔; 张涛; 王荣璟
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-09-17
Also published as: CN102866037B

Abstract

本发明提供了一种天然气水合物保压取样器，至少包括外管总成、中间管总成、内管总成、打捞部件以及联动机构，外管总成安装于钻杆的底部，内管总成位于外管总成内，中间管总成位于外管总成和内管总成之间，打捞部件位于内管总成和中间管总成的上方且打捞部件的底部与内管总成的顶部和中间管总成的顶部均固定连接；本发明中内管总成用来装载岩心，当需要取样时，中间管总成的内部在上密封和下密封作用下形成一个密封的腔体，处于该密封腔体内的岩心样品压力保持不变，最后通过打捞器把除外管总成外的取样器提至地表。该取样器能够有效避免天然气水合物在提取过程中的分解。

Description

一种天然气水合物保压取样器

技术领域

本发明属于钻探领域，具体涉及一种天然气水合物保压取样器，主要应用于天然气水合物勘探开发过程中的保压取样，也可用于其它能源勘探开的保压取样。

背景技术

天然气水合物是由水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，它是一种新型高效能源，其成分与人们平时所使用的天然气成分相近，但更为纯净，使用方便，燃烧值高，清洁无污染。迄今为止，全球至少有30多个国家和地区在进行天然气水合物的研究与调查勘探。作为未来重要的新型能源矿藏，中国于2011年3月15日将天然气水合物纳入“十二五”能源发展规划，以加快加强勘探和科学研究，为未来开发利用奠定基础。对天然气水合物的研究，首先要进行取样，并对天然气水合物的岩样进行一系列的物性、力学及化学成分分析等试验，但天然气水合物必须在特定的高压条件下才能存在，压力降低后天然气水合物将分解成水和甲烷气体。因此，要想获取天然气水合物岩样，取样过程中必须始终保证岩样处于一定的高压状态下，常规取样器一般不具密闭性，不能够保压。目前有一些采样器在结构中设置了低温冷却装置，通过保持低温来减缓天然气水合物的分解，但是这些取样器的实施效果都不理想，因为天然气水合物的状态维持更依赖于高压环境，因此提供一种高密封性的保压取样器是本领域内急需解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于天然气水合物勘探开发取样的可以保压的取样器，该保压取样器解决了背景技术中的不足，在其开采及取样的过程中能够时刻保持高压环境，有效的避免了天然气水合物的分解。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种天然气水合物保压取样器，至少包括外管总成、中间管总成、内管总成、打捞部件以及联动机构，外管总成安装于钻杆的底部，内管总成位于外管总成内，中间管总成位于外管总成和内管总成之间，打捞部件位于内管总成和中间管总成的上方且打捞部件的底部与内管总成的顶部和中间管总成的顶部均固定连接；所述的外管总成由外管和安装于外管下方的外钻头组成，外管的内壁上设有弹卡槽；所述的内管总成至少包括由下至上依次连接的管靴、岩心管、球阀座、密封接头、分水接头、提升管和换向管，其中球阀座内安装有单向球阀，且球阀座与密封接头之间通过能够使球阀座自由旋转的轴承相连接，密封接头上套有起密封作用的密封圈A，分水接头上设有过水孔，换向管的底端朝内和朝外均设有凸缘，换向管的下部位于提升管内且提升管能够沿换向管向上滑动，换向管位于提升管内的部位上设有过水孔；所述的中间管总成至少包括由下至上依次连接的内钻头、岩心外管、过度接头以及悬挂接头，其中过度接头能够与密封圈A相接触实现上密封，悬挂接头上与外管的弹卡槽相对应的部位设有弹卡，弹卡位于弹卡槽内，悬挂接头上设有过水孔；所述的打捞部件由上接头和安装于上接头内的球夹器组成，上接头的底部与悬挂接头和换向管均固定连接；所述的联动机构位于岩心管与中间管总成之间，至少包括提升接头、滑套、密封球阀以及安装于滑套与密封球阀之间且能够带动密封球阀绕球铰旋转的连杆，提升接头套在岩心管上且其顶部设有朝内的凸台，滑套套在岩心管上且固定连接于提升接头的下方，密封球阀套在岩心管上且密封球阀与外钻头之间设有能够与密封球阀共同形成下密封的密封圈B。

球阀座的下部设有上宽下窄的开放的腔室，且球阀座上设有过水孔，所述的过水孔通向腔室的上部，所述的单向球阀为球体，球体位于腔室内。

所述的球夹器包括捞矛头、弹簧、卡爪以及位于卡爪内的钢球，其中弹簧、卡爪及钢球均位于上接头内，捞矛头穿过上接头与卡爪固定连接，弹簧套在捞矛头上且位于卡爪与上接头的顶盖之间。

所述的上接头上设有过水孔，上接头的底部与悬挂接头和换向管均通过螺纹固定连接。

所述的滑套的外表面上设有两个相对称的凸起，外钻头的内壁上与凸起相对应的部位朝上开有滑槽，滑套上的凸起位于滑槽内且能够沿着滑槽向上滑动。

本发明提供的天然气水合物保压取样器与现有技术相比有以下优点：本发明中当岩心管内装满岩心需要将岩心取出时，内管总成在冲洗液压力作用下会向上移动，密封接头上的密封圈A与过度接头相接触形成上密封；同时管靴向上移动带动提升接头向上移动，提升接头带动滑套向上移动，滑套通过连杆使密封球阀旋转90度后与密封圈B接触形成下密封。岩心在岩心管内处于密封的状态，时刻保持高压环境，因此在取样的过程中不会天然气水合物因为外界的压力变化而导致其分解。

附图说明

图1为本发明提供的天然气水合物保压取样器的整体结构示意图；

图2为联动机构的结构示意图；

图中：1-管靴，2-密封圈B，3-岩心管，4-球阀座，5-球体，6-轴承，7-密封圈A，8-密封接头，9-分水接头，10-提升管，11-换向管，12-上接头，13-钢球，14-弹簧，15-捞矛头，16-外钻头，17-内钻头，18-密封球阀，19-球铰，20-连杆，21-滑套，22-提升接头，23-岩心外管，24-过度接头，25-悬挂接头，26-外管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细具体的说明。

本发明提供的天然气水合物保压取样器的结构如图1所示，包括外管总成、中间管总成、内管总成、打捞部件以及联动机构，其中外管总成安装于钻杆的底部，内管总成位于外管总成内，中间管总成位于外管总成和内管总成之间，打捞部件位于内管总成和中间管总成的上方且打捞部件的底部与内管总成的顶部和中间管总成的顶部均固定连接。

所述的外管总成由外管26和安装于外管26下方的外钻头16组成，外管26的内壁上设有弹卡槽，外钻头16与外管26通过螺纹固定连接。

所述的内管总成包括由下至上依次连接的管靴1、岩心管3、球阀座4、密封接头8、分水接头9、提升管10和换向管11。管靴1、岩心管3和球阀座4均通过螺纹固定连接，管靴1的顶部朝外设有凸台。球阀座4内安装有单向球阀，球阀座4的下部设有上宽下窄的开放的腔室，且球阀座4上设有过水孔，所述的过水孔通向腔室的上部，所述的单向球阀为球体5，球体5位于腔室内。由于腔室呈上宽下窄状，因此冲洗液只允许从球阀座4的底部进入顶开球体5，然后从腔室上部的过水孔处流出。球阀座4与密封接头8之间通过轴承6连接，球阀座4在轴承6的作用下能够自由旋转。密封接头8上套有起密封作用的密封圈A7，分水接头9上设有过水孔，换向管11的底端朝内和朝外均设有凸缘，换向管11的下部位于提升管10内且提升管10能够沿换向管11向上滑动，换向管11位于提升管10内的部位上设有过水孔。

所述的中间管总成包括由下至上依次通过螺纹固定连接的内钻头17、岩心外管23、过度接头24以及悬挂接头25，其中过度接头24能够与密封圈A7相接触实现上密封，悬挂接头25上与外管26的弹卡槽相对应的部位设有弹卡，弹卡位于弹卡槽内，悬挂接头25上设有过水孔。本发明中内管总成、中间管总成、打捞部件以及联动机构均通过弹卡悬挂在外管总成中。

所述的打捞部件由上接头12和安装于上接头12内的球夹器组成，上接头12的底部与悬挂接头25和换向管11均通过螺纹固定连接，且上接头12上设有过水孔。球夹器包括捞矛头15、弹簧14、卡爪以及位于卡爪内的钢球13，其中弹簧14、卡爪及钢球13均位于上接头12内，捞矛头15穿过上接头12与卡爪固定连接，弹簧14套在捞矛头15上且位于卡爪与上接头12的顶盖之间，卡爪在弹簧14的弹力作用以及上接头12的束缚作用下向内收缩将钢球13限位在卡爪内。

所述的联动机构的结构如图2所示，其位于岩心管3与中间管总成之间，包括提升接头22、滑套21、密封球阀18以及安装于滑套21与密封球阀18之间且能够带动密封球阀18绕球铰19旋转的连杆20。其中提升接头22套在岩心管3上且其顶部设有朝内的凸台，滑套21套在岩心管3上且固定连接于提升接头22的下方，所述的滑套21的外表面上设有两个相对称的凸起，外钻头16的内壁上与凸起相对应的部位朝上开有滑槽，滑套21上的凸起位于滑槽内且能够沿着滑槽向上滑动。密封球阀18套在岩心管3上，且密封球阀18与外钻头16之间设有密封圈B2，密封球阀18能够在连杆20的带动下绕球铰19旋转，当密封球阀旋转90°时，能够与密封圈B2紧密接触共同形成下密封。

本发明提供的天然气水合物保压取样器的工作原理如下：首先按照图1所示把取样器组装好，其中外管总成通过钻杆先下入孔底，除外管总成的其余部件用打捞器通过钻杆内腔下入至外管总成内部，并由悬挂接头的弹卡悬挂在外管的弹卡槽内。

取样器下入孔底到位后便可进行正常钻进，具体过程如下：开动地表水泵和钻机，水泵将冲洗液沿钻杆内腔向内注入，冲洗液到达取样器后，经上接头的过水孔进入换向管和提升管内部，经分水接头和悬挂接头的过水孔进入内管总成、中间管总成及外管总成三者之间的环状间隙内直达孔底。与此同时，钻机通过钻杆带动保压取样器旋转，岩心进入管靴和岩心管内，岩心管内的冲洗液顶开球体进入内管总成与中间管总成之间的环状间隙内。由于球阀座和密封接头之间设有轴承，因此在岩心和岩心管之间摩擦力作用下，球阀座、岩心管及管靴之间不会产生相对旋转，这样可以避免对岩心的机械损伤，以此来尽可能的保证样品的原状性。当岩心管内装满岩心后便可进行取样操作。

取样过程如下：首先关闭地表钻机和水泵，从钻杆内下入打捞器，打捞器勾住球夹器上部的捞矛头后向上稍稍提动一下，此时卡爪会向上移动从而脱离上接头的束缚而张开，钢球将从卡爪中脱落，下落至换向管底部的凸缘处从而堵住中心通道。然后开启地表的水泵，此时冲洗液到达换向管内部时，由于中心通道被钢球堵住，冲洗液只能由换向管下部的过水孔进入由提升管和换向管所形成的腔体中，随着腔体内的液体压力不断升高，当压力升高到一定值后，提升管会带动其下部的内管总成沿换向管向上滑动。密封接头带动密封圈A向上运动，密封圈A进入过度接头后与过度接头配合形成上密封；与此同时管靴向上运动脱离密封球阀和滑套的内部后，管靴的顶部凸台碰到提升接头向内的凸台，从而带动提升接头向上运动，提升接头带动滑套向上运动，滑套通过连杆带动密封球阀围绕球铰旋转90°，密封球阀的球面与密封圈B形成下密封。这样以来，中间管总成的内部由上密封和下密封形成一个密封的腔体，处于该密封腔体内的岩心样品压力保持不变，该压力等于孔底冲洗液的液柱压力。最后通过打捞器把除外管总成外的取样器提至地表。

Claims

1.一种天然气水合物保压取样器，其特征在于：至少包括外管总成、中间管总成、内管总成、打捞部件以及联动机构，外管总成安装于钻杆的底部，内管总成位于外管总成内，中间管总成位于外管总成和内管总成之间，打捞部件位于内管总成和中间管总成的上方且打捞部件的底部与内管总成的顶部和中间管总成的顶部均固定连接；所述的外管总成由外管和安装于外管下方的外钻头组成，外管的内壁上设有弹卡槽；所述的内管总成至少包括由下至上依次连接的管靴、岩心管、球阀座、密封接头、分水接头、提升管和换向管，其中球阀座内安装有单向球阀，且球阀座与密封接头之间通过能够使球阀座自由旋转的轴承相连接，密封接头上套有起密封作用的密封圈A，分水接头上设有过水孔，换向管的底端朝内和朝外均设有凸缘，换向管的下部位于提升管内且提升管能够沿换向管向上滑动，换向管位于提升管内的部位上设有过水孔；所述的中间管总成至少包括由下至上依次连接的内钻头、岩心外管、过度接头以及悬挂接头，其中过度接头能够与密封圈A相接触实现上密封，悬挂接头上与外管的弹卡槽相对应的部位设有弹卡，弹卡位于弹卡槽内，悬挂接头上设有过水孔；所述的打捞部件由上接头和安装于上接头内的球夹器组成，上接头的底部与悬挂接头和换向管均固定连接；所述的联动机构位于岩心管与中间管总成之间，至少包括提升接头、滑套、密封球阀以及安装于滑套与密封球阀之间且能够带动密封球阀绕球铰旋转的连杆，提升接头套在岩心管上且其顶部设有朝内的凸台，滑套套在岩心管上且固定连接于提升接头的下方，密封球阀套在岩心管上且密封球阀与外钻头之间设有能够与密封球阀共同形成下密封的密封圈B。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物保压取样器，其特征在于：球阀座的下部设有上宽下窄的开放的腔室，且球阀座上设有过水孔，所述的过水孔通向腔室的上部，所述的单向球阀为球体，球体位于腔室内。

3.根据权利要求1所述的天然气水合物保压取样器，其特征在于：所述的球夹器包括捞矛头、弹簧、卡爪以及位于卡爪内的钢球，其中弹簧、卡爪及钢球均位于上接头内，捞矛头穿过上接头与卡爪固定连接，弹簧套在捞矛头上且位于卡爪与上接头的顶盖之间。

4.根据权利要求1或3所述的天然气水合物保压取样器，其特征在于：所述的上接头上设有过水孔，上接头的底部与悬挂接头和换向管均通过螺纹固定连接。

5.根据权利要求1所述的天然气水合物保压取样器，其特征在于：所述的滑套的外表面上设有两个相对称的凸起，外钻头的内壁上与凸起相对应的部位朝上开有滑槽，滑套上的凸起位于滑槽内且能够沿着滑槽向上滑动。