CN107503700A - 酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具及取心方法 - Google Patents
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Abstract
一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具及取心方法，钻具由外管总成和内管总成组成。其采用酒精与液氮混合制冷的方式，其中酒精作为载冷剂，液氮作为冷冻剂；在钻进时液氮持续流入铜管不断挥发对酒精进行预冷，酒精对岩心进行冷冻，利用岩心充满岩心管后产生的上顶力打开液氮腔与冷冻腔通道，使剩余液氮与酒精的混合形成低温酒精对岩心进行冷冻。预冷过程中氮气经过酒精后温度有一定升高，降低了冻孔的可能性；增强了冷冻效果，提高了液氮的利用率，降低了液氮与酒精的温度差，使后续液氮与酒精混合的混合过程更加温和。本发明易于获取天然气水合物岩心；本发明将孔底冷冻与绳索取心方式相结合，能够实现不提钻快速取心。
Description
技术领域
本发明涉及一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具及取心方法，尤其适用于海洋与陆地冻土带的天然气水合物钻探取心。
背景技术
天然气水合物是在特定温度和压力下由轻烃、二氧化碳等小分子气体与水相互作用形成的一种白色、淡黄色的似冰雪状笼型晶体物质，也被称为“可燃冰”。天然气水合物是国际公认的具有商业开发前景的新型清洁能源，其储量巨大，地球上天然气水合物中总有机碳的储量约为石油、天然气和煤炭三者总和的两倍。天然气水合物通常赋存于高压、低温环境，打破平衡条件会导致水合物发生分解。如何获取具有高保真度的水合物样品一直是天然气水合物勘探开发领域的难点。目前国内外的天然气水合物保真取样器主要分两类，一类是孔底保温保压取样器，另一类是孔底冷冻取样器。
目前国内外现有的天然气水合物保真取样器以保温保压取样器为主。其工作原理是当天然气水合物岩心进入岩心管(保压岩心室)后，通过设置在岩心管底部的球阀或者翻板阀关闭保压岩心室，从而使岩心保持初始压力，同时利用压力补偿装置控制压力，保证岩心管中压力在提离孔底的过程中保持不变，最终提至地表冷冻保存岩心。孔内岩心保温方法采用被动式保温方法，通过在岩心管周围设置保温材料达到保温目的。这种保压方式属于机械式被动保压方式，要求球阀与翻板阀的具有很高的强度与良好的密封性能，否则会造成保压失败，从而导致取心失败。
孔底冷冻取样器的设计思路是当天然气水合物取样钻进回次结束后，水合物岩心充满岩心管(岩心管周围设置有环状密封的冷冻腔)，通过冲洗液产生的压力或者冷冻剂的自重将冷冻剂注入到冷冻腔，达到冷冻水合物岩心的目的。现有的孔底冷冻取样器采用的冷冻剂主要分为干冰(干冰为固体，采用酒精作为载冷剂)与液氮。冷冻剂采用干冰时，干冰先与酒精混合，形成低温酒精后再注入至冷冻腔对水合物岩心进行冷冻，酒精带走很多冷量，造成冷冻效果不理想；取样器既要分别存储干冰与酒精，又要实现两者的混合，使得取样器内部结构更加复杂化。冷冻剂采用液氮时可有效改善冷冻效果、简化取样器结构，但液氮会在注入过程中大量气化，浪费巨大，降低了液氮的使用效率，且液氮可能在钻进时就已经完全挥发导致取样失败；若加大液氮用量，则需设计更大尺寸的取样器，这加大了取样器重量、降低了其适用性。
发明内容
针对上述现有天然气水合物保真取样器的不足，本发明的目的在于提供一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具及取心方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
采用液氮作为冷冻剂，酒精作为载冷剂。在钻进过程中，液氮流经限流阀不断注入到的铜管中(液氮流量很小，铜管缠绕在岩心管外部冷冻腔内)；冷冻腔内存储着酒精，液氮流经铜管时不断挥发对酒精进行预冷，酒精对岩心进行冷冻，产生的氮气经铜管终点处单项阀排出；岩心充满岩心管后，岩心产生的上顶力打开液氮腔与冷冻腔连通通道，剩余液氮与冷冻腔内酒精混合形成低温酒精对岩心进行冷冻。
本发明之一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具包括外管总成和内管总成。外管总成包括弹卡挡头、弹卡室、第一座环、上扩孔器、外管、下扩孔器和钻头；其中弹卡挡头、弹卡室、上扩孔器、外管、下扩孔器和钻头顺次通过螺纹进行连接，第一座环通过螺纹连接在弹卡室下端。内管总成由七大机构组成，分别为：捞矛机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、缓冲机构、冷源存储机构和孔底冷冻机构。
捞矛机构由捞矛头、第一弹簧销与回收管组成。取心时投入打捞器于钻杆内，下放至内管总成上端，打捞钩与捞矛头连接，上提打捞器可使回收管上移，回收管压缩弹卡使其收拢，内管总成脱离于外管总成，最终把内管总成提离孔内。
弹卡定位机构由弹卡、弹卡销、弹卡挡头、弹卡架、扭簧、第二弹簧销和回收管组成。弹卡通过弹卡销与弹卡架固定连接，弹卡架与回收管通过第二弹簧销形成可动连接(第二弹簧销与弹卡架为可动连接，第二弹簧销与回收管为固定连接，回收管能够竖直移动固定距离)；扭簧给弹卡提供张力，弹卡两翼贴附在弹卡室内壁上，使其被弹卡挡头卡住，防止钻进过程中内管向上窜动。
悬挂机构由内接手、弹卡架、悬挂环与第一座环组成。内接手与弹卡架螺纹连接，悬挂环与内接手螺纹连接，第一座环与弹卡室螺纹连接，悬挂环外径稍大于第一座环内径，内接手上下分别开有四个均匀分布的斜孔；当内管总成下降到外管总成的弹卡室位置时，悬挂环坐落在第一座环上，使卡环座与钻头内台阶保持2～4毫米间隙，以保证内管单动性，且此时泥浆从内接手上部斜孔流入，从下部斜孔流出，保证泥浆循环通道不堵塞。
单动机构由上轴承座、下轴承座、油嘴、第一推力轴承与第二推力轴承组成。上轴承座与内接手通过螺纹进行连接，第一推力轴承上下面分别与上轴承座与下轴承座接触，同时第一推力轴承承受岩心充满岩心管后产生的上顶力，并将力传递给上轴承座；第二推力轴承上部与下轴承座接触，防止下轴承座下移；油嘴与下轴承座螺纹连接，通过加入润换油对轴承进行润滑；第一推力轴承和第二推力轴承使内管在钻进时不随外管转动，保证了内管总成的单动性。
缓冲机构由上轴承座、弹簧、挡环、螺母与垫片组成。弹簧上下面分别与第二推力轴承与挡环接触，弹簧为第二推力轴承提供支撑力以支撑下轴承座；垫片上下面分别与挡环和螺母接触，挡环同时与上轴承座接触，螺母与上轴承座螺纹连接并为弹簧提供上顶力；下放内管总成时，内管总成下部机构会因惯性向下运动，弹簧可起到缓冲作用；拉断岩心时，压缩弹簧，卡簧座下移至钻头内台阶上，从而将拉断岩心的力传递至外管，起到保护内管的作用。
冷源存储机构由排气接手、储冷腔体管、排气阀弹簧、排气阀体、排气阀球、密封圈、颈管、外壳、液氮腔体管、侧面支撑、液氮注入管与底部支撑座组成。排气接手与下轴承座通过螺纹连接，储冷腔体管与排气接手通过螺纹连接，排气阀体与排气接手通过螺纹连接，排气阀弹簧上部与排气接手接触，并将排气阀球预紧在排气阀体上部，排气阀体、排气阀弹簧与排气阀球组成的排气阀起到辅助排气的作用，液氮腔体管中储有液氮，当液氮腔体管中内部压力大于一定值时氮气流经颈管排出液氮腔；颈管与排气阀体插接，插接处布置有密封圈，防止氮气外溢；外壳分别与颈管和底部支撑座焊接，液氮腔体管也分别与颈管和底部支撑座焊接，外壳的侧面与储冷腔体管接触且布置有抽气嘴，在装入液氮前通过抽气嘴进行抽真空，达到保冷、减缓液氮气化的目的；侧面支撑布置在外壳与液氮腔体管之间，提高稳定性；液氮注入管分别与底部支撑座与三通道接手插接，并设有密封圈(防止液氮外溢)，底部支撑座开有三个液氮通道，液氮腔中液氮流经底部支撑座通道与液氮注入管后进入三通道接手的内部通道(液氮上通道与液氮限流通道)。
孔底冷冻机构由三通道接手、冷冻腔体管、冷冻腔保温层、岩心管、限流阀、铜管、单向阀体、单向阀弹簧、单向阀球、排水阀体、排水阀弹簧、排水阀球、卡簧与卡簧座组成；其中三通道接手由液氮上通道、液氮中通道、液氮下通道、液氮限流通道、密封圈、钢活塞与第二座环组成。三通道接手与储冷腔体管通过螺纹连接，冷冻腔体管与三通道接手通过螺纹连接，冷冻腔保温层与冷冻腔保温管接触连接，三通道接手、冷冻腔保温层与岩心管构成了冷冻腔，冷冻腔保温层由导热系数极低的材料构成，有效减少冷动能量的损失；钢活塞与三通道接手接触，三通道接手下部与钢活塞接触处设有密封圈，防止泥浆渗入；排水阀体与钢活塞通过螺纹连接，排水阀弹簧上部与钢活塞接触并将排水阀球预紧在排水阀体上部，在钻进时泥浆顶开排水阀球流经钢活塞泄流口与三通道接手泄流通道后排出，同时保证泥浆不回流；钢活塞泄流口内径较三通道接手泄流通道内径大，保证钢活塞在竖直移动的过程中，泥浆能持续的排出至内管总成与外管环状间隙；第二座环与三通道接手通过螺纹连接，钢活塞与第二座环接触，防止钻进时钢活塞受重力作用向下滑离三通道接手；液氮限流通道末端出口处接有限流阀，限流阀末端接有铜管，铜管缠绕在岩心管外部冷冻腔内，冷冻腔存储着酒精，在钻进时液氮流经限流阀以很小的流量不断注入到铜管中，液氮流经铜管时不断挥发对酒精进行预冷，酒精会对岩心进行冷冻，但钻进时泥浆循环流速快，不会把泥浆冻住；卡簧座与冷冻腔体管通过螺纹连接，单向阀体与卡簧座通过螺纹连接，单向阀弹簧将单向阀球预紧在卡簧座排气口，单向阀体、单向阀弹簧与单向阀球组成了单向阀，铜管中氮气最终从单向阀排出，铜管与卡簧座排气口插接并设有密封圈，起到防止氮气泄露的作用；钢活塞上端与液氮上通道接触处设有密封圈，防止钻进时液氮流入液氮中通道；钢活塞下端为薄壁圆环(由于内管总成的单动性，保证了在钻进过程中钢活塞不会与三通道接手产生相对旋转)，钻进时，岩心逐渐进入到岩心管的上部与薄壁圆环接触，随后岩心给薄壁圆环提供上顶力，上顶力使钢活塞竖直向上运动，使液氮上通道、液氮中通道与液氮下通道连通，液氮腔中剩余液氮流入冷冻腔，液氮与冷冻腔内酒精混合对岩心进行冷冻。卡簧与卡簧座锥形面接触，钻进时岩心充满岩心管后，停钻上提内管总成，卡簧卡紧岩心，卡簧座下移至钻头内台阶上，最终卡断岩心。
本发明的取心方法包括以下顺序和步骤：
1)在地表将三通道接手卸下，将排水阀体、排水阀弹簧、排水阀球安装到钢活塞中；安装钢活塞与第二座环，下拉薄壁圆环直到钢活塞与第二座环接触。
2)在三通道接手的液氮限流通道末端安装限流阀，铜管上接限流阀后缠绕岩心管，铜管末端插接至安装在卡簧座的单向阀上。
3)将底部支撑座放至三通道接手上部，插接好液氮注入管，通过抽气嘴进行抽真空，随后采用液氮或低温氮气对液氮腔进行预冷。
4)预冷结束后往液氮腔注入一定量的液氮(液氮用量根据孔深与消耗系数进行估算)，将排气阀体、排气阀弹簧与排气阀球安装到排气接手，后将排气接手安装至颈管。
5)将内管总成投入至孔内，开钻。在钻进时，液氮流经限流阀以很小的流量不断注入到铜管中，液氮在流经铜管时不断挥发对酒精进行预冷，酒精对岩心进行冷冻。
6)在钻进过程中，当岩心充满岩心管后，岩心产生的上顶力使钢活塞上移，使液氮上通道、液氮中通道与液氮下通道连通，液氮腔中剩余液氮流入冷冻腔中，并与冷冻腔内酒精混合形成低温酒精对岩心进行冷冻。
7)停钻，投入打捞器于钻杆内，打捞器抓住捞矛头后上提内管总成，卡断岩心，将内管总成至距离孔底1m的距离，冷冻10分钟后提离孔内。
8)在地表取下岩心后，将其保存到高压低温的容器中。
本发明具有的有益效果：
本发明采用酒精与液氮混合制冷的冷冻取样方式(酒精作为载冷剂，液氮作为冷冻剂)，在钻进时液氮持续流入铜管不断挥发对酒精进行预冷，酒精对岩心进行冷冻，利用岩心充满岩心管后产生的上顶力打开液氮腔与冷冻腔通道，实现剩余液氮与酒精的混合过程，最终形成低温酒精对岩心进行冷冻。预冷过程中氮气经过酒精后温度有一定升高，降低了冻孔的可能性；这种预冷酒精的方式增强了冷冻效果，提高了液氮的利用率，降低了液氮与酒精的温度差，使后续液氮与酒精混合的混合过程更加温和。本发明之一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具具有结构简单、方法简单和工作稳定性高的特点，易于获取天然气水合物岩心；同时，本发明将绳索取心方式与孔底冷冻相结合，能够实现不提钻快速取心。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明上段部分示意图。
图3为本发明中段部分示意图。
图4为本发明下段部分示意图。
其中：1.弹卡挡头，2.捞矛头，3.第一弹簧销，4.回收管，5.弹卡架，6.第二弹簧销，7.扭簧，8.弹卡，9.弹卡销，10.弹卡室，11.内接手，12.悬挂环，13.第一座环，14.上轴承座，15.上扩孔器，16.第一推力轴承，17.油嘴，18.下轴承座，19.第二推力轴承，20.弹簧，21.挡环，22.垫片，23.螺母，24.排气接手，25.排气阀弹簧，26.排气阀球，27.排气阀体，28.密封圈，29.颈管，30.外壳，31.抽气嘴，32.液氮腔，33.液氮腔体管，34.侧面支撑，35.储冷腔体管，36.底部支撑座，37.液氮注入管，38.液氮上通道，39.液氮中通道，40.三通道接手，41.液氮下通道，42.钢活塞，43.液氮限流通道，44.排水阀弹簧，45.排水阀球，46.排水阀体，47.限流阀，48.第二座环，49.外管，50.冷冻腔体管，51.岩心管，52.铜管，53.液氮腔保温层，54.单向阀球，55.单向阀弹簧，56.单向阀体，57.下扩孔器，58.卡簧，59.卡簧座，60.钻头。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明之一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具由外管总成和内管总成组成。
所述外管总成包括弹卡挡头1、弹卡室10、第一座环13、上扩孔器15、外管49、下扩孔器57和钻头60；其中弹卡挡头1、弹卡室10、上扩孔器15、外管49、下扩孔器57和钻头60顺次通过螺纹进行连接，第一座环13通过螺纹连接在弹卡室10下端；
内管总成包括捞矛机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、缓冲机构、冷源存储机构和孔底冷冻机构；
捞矛机构由捞矛头2、第一弹簧销3与回收管4组成，取心时投入打捞器于钻杆内，下放至内管总成上端，打捞钩与捞矛头2连接，上提打捞器可使回收管4上移，回收管4压缩弹卡8使其收拢，内管总成脱离于外管总成，最终把内管总成提离孔内。
弹卡定位机构由弹卡8、弹卡销9、弹卡挡头1、弹卡架5、扭簧7、第二弹簧销6和回收管4组成。弹卡8通过弹卡销9与弹卡架5固定连接，弹卡架5与回收管4通过第二弹簧销6形成可动连接(第二弹簧销6与弹卡架5为可动连接，第二弹簧销6与回收管4为固定连接，回收管4能够竖直移动固定距离)；扭簧7给弹卡8提供张力，弹卡8两翼贴附在弹卡室10内壁上，使其被弹卡挡头1卡住，防止钻进过程中内管向上窜动。
悬挂机构由内接手11、弹卡架5、悬挂环12与第一座环13组成。内接手11与弹卡架5螺纹连接，悬挂环12与内接手11螺纹连接，第一座环13与弹卡室10螺纹连接，悬挂环12外径稍大于第一座环13内径，内接手11上下分别开有四个均匀分布的斜孔；当内管总成下降到外管总成的弹卡室10位置时，悬挂环12坐落在第一座环13上，使卡簧座59与钻头60内台阶保持2～4毫米间隙，以保证内管单动性，且此时泥浆从内接手11上部斜孔流入，从下部斜孔流出，保证泥浆循环通道不堵塞。
单动机构由上轴承座14、下轴承座18、油嘴17、第一推力轴承16与第二推力轴承19组成。上轴承座14与内接手11通过螺纹进行连接，第一推力轴承16上下面分别与上轴承座14与下轴承座18接触，同时第一推力轴承16承受岩心充满岩心管51后产生的上顶力，并将力传递给上轴承座14；第二推力轴承19上部与下轴承座18接触，防止下轴承座18下移；油嘴17与下轴承座18螺纹连接，通过加入润换油对轴承进行润滑；第一推力轴承16和第二推力轴承19使内管在钻进时不随外管转动，保证了内管总成的单动性。
缓冲机构由上轴承座14、弹簧20、挡环21、螺母23与垫片22组成。弹簧20上下面分别与第二推力轴承19与挡环21接触，弹簧20为第二推力轴承19提供支撑力以支撑下轴承座18；垫片22上下面分别与挡环21和螺母23接触，挡环21同时与上轴承座14接触，螺母23与上轴承座14螺纹连接并为弹簧20提供上顶力；下放内管总成时，内管总成下部机构会因惯性向下运动，弹簧20可起到缓冲作用；拉断岩心时，压缩弹簧20，卡簧座59下移至钻头60内台阶上，从而将拉断岩心的力传递至外管，起到保护内管的作用。
冷源存储机构由排气接手24、储冷腔体管35、排气阀弹簧25、排气阀体27、排气阀球26、密封圈28、颈管29、外壳30、液氮腔体管33、侧面支撑34、液氮注入管37与底部支撑座36组成。排气接手24与下轴承座18通过螺纹连接，储冷腔体管35与排气接手24通过螺纹连接，排气阀体27与排气接手24通过螺纹连接，排气阀弹簧25上部与排气接手24接触，并将排气阀球26预紧在排气阀体27上部，排气阀体27、排气阀弹簧25与排气阀球26组成的排气阀起到辅助排气的作用，液氮腔体管33中储有液氮，当液氮腔体管33中内部压力大于一定值时氮气流经颈管29排出液氮腔32；颈管29与排气阀体27插接，插接处布置有密封圈28，防止氮气外溢；外壳30分别与颈管29和底部支撑座36焊接，液氮腔体管33也分别与颈管29和底部支撑座36焊接，外壳30的侧面与储冷腔体管35接触且布置有抽气嘴31，在装入液氮前通过抽气嘴31进行抽真空，达到保冷、减缓液氮气化的目的；侧面支撑34布置在外壳30与液氮腔体管33之间，提高稳定性；液氮注入管37分别与底部支撑座36与三通道接手40插接，并设有密封圈28(防止液氮外溢)，底部支撑座36开有三个液氮通道，液氮腔32中液氮流经底部支撑座36通道与液氮注入管37后进入三通道接手40的内部通道(液氮上通道38与液氮限流通道43)。
孔底冷冻机构由三通道接手40、冷冻腔体管50、冷冻腔保温层53、岩心管51、限流阀47、铜管52、排水阀体46、排水阀弹簧44、排水阀球45、单向阀体56、单向阀弹簧55、单向阀球54、卡簧58与卡簧座59组成；其中三通道接手40由液氮上通道38、液氮中通道39、液氮下通道41、液氮限流通道43、密封圈28、钢活塞42与第二座环48组成。三通道接手40与储冷腔体管35通过螺纹连接，冷冻腔体管50与三通道接手40通过螺纹连接，冷冻腔保温层53与冷冻腔体管50接触连接，三通道接手40、冷冻腔保温层53与岩心管51构成了冷冻腔，冷冻腔保温层53由导热系数极低的材料构成，有效减少冷动能量的损失；钢活塞42与三通道接手40接触，三通道接手40下部与钢活塞42接触处设有密封圈28，防止泥浆渗入；排水阀体46与钢活塞42通过螺纹连接，排水阀弹簧44上部与钢活塞42接触并将排水阀球45预紧在排水阀体46上部，在钻进时泥浆顶开排水阀球45流经钢活塞42泄流口与三通道接手40泄流通道后排出，同时保证泥浆不回流；钢活塞42泄流口内径较三通道接手40泄流通道内径大，保证钢活塞42在竖直移动的过程中，泥浆能持续的排出至内管总成与外管环状间隙；第二座环48与三通道接手40通过螺纹连接，钢活塞42与第二座环48接触，防止钻进时钢活塞42受重力作用向下滑离三通道接手40；液氮限流通道43末端出口处接有限流阀47，限流阀47末端接有铜管52，铜管52缠绕在岩心管51外部冷冻腔内，冷冻腔存储着酒精，在钻进时液氮流经限流阀47以很小的流量不断注入到铜管52中，液氮流经铜管52时不断挥发对酒精进行预冷，酒精会对岩心进行冷冻，但钻进时泥浆循环流速快，不会把泥浆冻住；卡簧座59与冷冻腔体管50通过螺纹连接，单向阀体56与卡簧座59通过螺纹连接，单向阀弹簧55将单向阀球54预紧在卡簧座59排气口，单向阀体56、单向阀弹簧55与单向阀球54组成了单向阀，铜管52中氮气最终从单向阀排出，铜管52与卡簧座59排气口插接并设有密封圈28，起到防止氮气泄露的作用；钢活塞42上端与液氮上通道38接触处设有密封圈，防止钻进时液氮流入液氮中通道39；钢活塞42下端为薄壁圆环(由于内管总成的单动性，保证了在钻进过程中钢活塞42不会与三通道接手40产生相对旋转)，钻进时，岩心逐渐进入到岩心管51的上部与薄壁圆环接触，随后岩心给薄壁圆环提供上顶力，上顶力使钢活塞42竖直向上运动，使液氮上通道38、液氮中通道39与液氮下通道41连通，液氮腔32中剩余液氮流入冷冻腔，液氮与冷冻腔内酒精混合对岩心进行冷冻。卡簧58与卡簧座59锥形面接触，钻进时岩心充满岩心管51后，停钻上提内管总成，卡簧58卡紧岩心，卡簧座59下移至钻头60内台阶上，最终卡断岩心。
本发明的取心方法包括以下顺序和步骤：
1)在地表将三通道接手40卸下，将排水阀体46、排水阀弹簧44、排水阀球45安装到钢活塞42中；安装钢活塞42与第二座环48，下拉薄壁圆环直到钢活塞42与第二座环48接触。
2)在三通道接手40的液氮限流通道43末端安装限流阀47，铜管52上接限流阀47后缠绕岩心管51，铜管52末端插接至安装在卡簧座59的单向阀上。
3)将底部支撑座36放至三通道接手40上部，插接好液氮注入管37，通过抽气嘴31进行抽真空，随后采用液氮或低温氮气对液氮腔32进行预冷。
4)预冷结束后往液氮腔32注入一定量的液氮(液氮用量根据孔深与消耗系数进行估算)，将排气阀体27、排气阀弹簧25与排气阀球26安装到排气接手24，后将排气接手24安装至颈管29。
5)将内管总成投入至孔内，开钻。在钻进时，液氮流经限流阀47以很小的流量不断注入到铜管52中，液氮在流经铜管52时不断挥发对酒精进行预冷，酒精对岩心进行冷冻。
6)在钻进过程中，当岩心充满岩心管51后，岩心产生的上顶力使钢活塞42上移，使液氮上通道38、液氮中通道39与液氮下通道41连通，液氮腔32中剩余液氮流入冷冻腔中，并与冷冻腔内酒精混合形成低温酒精对岩心进行冷冻。
7)停钻，投入打捞器于钻杆内，打捞器抓住捞矛头2后上提内管总成，卡断岩心，将内管总成至距离孔底1m的距离，冷冻10分钟后提离孔内。
8)在地表取下岩心后，将其保存到高压低温的容器中。
Claims (3)
1.一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具，其特征在于：由外管总成和内管总成组成；
所述外管总成包括弹卡挡头(1)、弹卡室(10)、第一座环(13)、上扩孔器(15)、外管(49)、下扩孔器(57)和钻头(60)；其中弹卡挡头(1)、弹卡室(10)、上扩孔器(15)、外管(49)、下扩孔器(57)和钻头(60)顺次通过螺纹进行连接，第一座环(13)通过螺纹连接在弹卡室(10)下端；
所述内管总成包括捞矛机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、缓冲机构、冷源存储机构和孔底冷冻机构；
捞矛机构由捞矛头(2)、第一弹簧销(3)与回收管(4)组成，取心时投入打捞器于钻杆内，下放至内管总成上端，打捞钩与捞矛头(2)连接，上提打捞器可使回收管(4)上移，回收管(4)压缩弹卡(8)使其收拢，内管总成脱离于外管总成，最终把内管总成提离孔内；
弹卡定位机构由弹卡(8)、弹卡销(9)、弹卡挡头(1)、弹卡架(5)、扭簧(7)、第二弹簧销(6)和回收管(4)组成；弹卡(8)通过弹卡销(9)与弹卡架(5)固定连接，弹卡架(5)与回收管(4)通过第二弹簧销(6)形成可动连接；扭簧(7)给弹卡(8)提供张力，弹卡(8)两翼贴附在弹卡室(10)内壁上，使其被弹卡挡头(1)卡住，防止钻进过程中内管向上窜动；
悬挂机构由内接手(11)、弹卡架(5)、悬挂环(12)与第一座环(13)组成；内接手(11)与弹卡架(5)螺纹连接，悬挂环(12)与内接手(11)螺纹连接，第一座环(13)与弹卡室(10)螺纹连接，悬挂环(12)外径稍大于第一座环(13)内径，内接手(11)上下分别开有四个均匀分布的斜孔；当内管总成下降到外管总成的弹卡室(10)位置时，悬挂环(12)坐落在第一座环(13)上，使卡簧座(59)与钻头(60)内台阶保持2～4毫米间隙，以保证内管单动性，且此时泥浆从内接手(11)上部斜孔流入，从下部斜孔流出，保证泥浆循环通道不堵塞；
单动机构由上轴承座(14)、下轴承座(18)、油嘴(17)、第一推力轴承(16)与第二推力轴承(19)组成；上轴承座(14)与内接手(11)通过螺纹进行连接，第一推力轴承(16)上下面分别与上轴承座(14)与下轴承座(18)接触，同时第一推力轴承(16)承受岩心充满岩心管(51)后产生的上顶力，并将力传递给上轴承座(14)；第二推力轴承(19)上部与下轴承座(18)接触，防止下轴承座(18)下移；油嘴(17)与下轴承座(18)螺纹连接，通过加入润换油对轴承进行润滑；第一推力轴承(16)和第二推力轴承(19)使内管在钻进时不随外管转动，保证了内管总成的单动性；
缓冲机构由上轴承座(14)、弹簧(20)、挡环(21)、螺母(23)与垫片(22)组成；弹簧(20)上下面分别与第二推力轴承(19)与挡环(21)接触，弹簧(20)为第二推力轴承(19)提供支撑力以支撑下轴承座(18)；垫片(22)上下面分别与挡环(21)和螺母(23)接触，挡环(21)同时与上轴承座(14)接触，螺母(23)与上轴承座(14)螺纹连接并为弹簧(20)提供上顶力；下放内管总成时，内管总成下部机构会因惯性向下运动，弹簧(20)可起到缓冲作用；拉断岩心时，压缩弹簧(20)，卡簧座(59)下移至钻头(60)内台阶上，从而将拉断岩心的力传递至外管，起到保护内管的作用；
冷源存储机构由排气接手(24)、储冷腔体管(35)、排气阀弹簧(25)、排气阀体(27)、排气阀球(26)、密封圈(28)、颈管(29)、外壳(30)、液氮腔体管(33)、侧面支撑(34)、液氮注入管(37)与底部支撑座(36)组成；排气接手(24)与下轴承座(18)通过螺纹连接，储冷腔体管(35)与排气接手(24)通过螺纹连接，排气阀体(27)与排气接手(24)通过螺纹连接，排气阀弹簧(25)上部与排气接手(24)接触，并将排气阀球(26)预紧在排气阀体(27)上部，排气阀体(27)、排气阀弹簧(25)与排气阀球(26)组成的排气阀起到辅助排气的作用，液氮腔体管(33)中储有液氮，当液氮腔体管(33)中内部压力大于一定值时氮气流经颈管(29)排出液氮腔(32)；颈管(29)与排气阀体(27)插接，插接处布置有密封圈(28)，防止氮气外溢；外壳(30)分别与颈管(29)和底部支撑座(36)焊接，液氮腔体管(33)也分别与颈管(29)和底部支撑座(36)焊接，外壳(30)的侧面与储冷腔体管(35)接触且布置有抽气嘴(31)，在装入液氮前通过抽气嘴(31)进行抽真空，达到保冷、减缓液氮气化的目的；侧面支撑(34)布置在外壳(30)与液氮腔体管(33)之间，提高稳定性；液氮注入管(37)分别与底部支撑座(36)与三通道接手(40)插接，并设有密封圈(28)，底部支撑座(36)开有三个液氮通道，液氮腔(32)中液氮流经底部支撑座(36)通道与液氮注入管(37)后进入三通道接手(40)的内部通道，液氮上通道(38)与液氮限流通道(43)；
孔底冷冻机构由三通道接手(40)、冷冻腔体管(50)、冷冻腔保温层(53)、岩心管(51)、限流阀(47)、铜管(52)、排水阀体(46)、排水阀弹簧(44)、排水阀球(45)、单向阀体(56)、单向阀弹簧(55)、单向阀球(54)、卡簧(58)与卡簧座(59)组成；三通道接手(40)由液氮上通道(38)、液氮中通道(39)、液氮下通道(41)、液氮限流通道(43)、密封圈(28)、钢活塞(42)与第二座环(48)组成；三通道接手(40)与储冷腔体管(35)通过螺纹连接，冷冻腔体管(50)与三通道接手(40)通过螺纹连接，冷冻腔保温层(53)与冷冻腔体管(50)接触连接，三通道接手(40)、冷冻腔保温层(53)与岩心管(51)构成了冷冻腔，冷冻腔保温层(53)由导热系数极低的材料构成，有效减少冷动能量的损失；钢活塞(42)与三通道接手(40)接触，三通道接手(40)下部与钢活塞(42)接触处设有密封圈(28)，防止泥浆渗入；排水阀体(46)与钢活塞(42)通过螺纹连接，排水阀弹簧(44)上部与钢活塞(42)接触并将排水阀球(45)预紧在排水阀体(46)上部，在钻进时泥浆顶开排水阀球(45)流经钢活塞(42)泄流口与三通道接手(40)泄流通道后排出，同时保证泥浆不回流；钢活塞(42)泄流口内径较三通道接手(40)泄流通道内径大，保证钢活塞(42)在竖直移动的过程中，泥浆能持续的排出至内管总成与外管环状间隙；第二座环(48)与三通道接手(40)通过螺纹连接，钢活塞(42)与第二座环(48)接触，防止钻进时钢活塞(42)受重力作用向下滑离三通道接手(40)；液氮限流通道(43)末端出口处接有限流阀(47)，限流阀(47)末端接有铜管(52)，铜管(52)缠绕在岩心管(51)外部冷冻腔内，冷冻腔存储着酒精，在钻进时液氮流经限流阀(47)以很小的流量不断注入到铜管(52)中，液氮流经铜管(52)时不断挥发对酒精进行预冷，酒精会对岩心进行冷冻，但钻进时泥浆循环流速快，不会把泥浆冻住；卡簧座(59)与冷冻腔体管(50)通过螺纹连接，单向阀体(56)与卡簧座(59)通过螺纹连接，单向阀弹簧(55)将单向阀球(54)预紧在卡簧座(59)排气口，单向阀体(56)、单向阀弹簧(55)与单向阀球(54)组成了单向阀，铜管(52)中氮气最终从单向阀排出，铜管(52)与卡簧座(59)排气口插接并设有密封圈(28)，起到防止氮气泄露的作用；钢活塞(42)上端与液氮上通道(38)接触处设有密封圈，防止钻进时液氮流入液氮中通道(39)；钢活塞(42)下端为薄壁圆环，钻进时，岩心逐渐进入到岩心管(51)的上部与薄壁圆环接触，随后岩心给薄壁圆环提供上顶力，上顶力使钢活塞(42)竖直向上运动，使液氮上通道(38)、液氮中通道(39)与液氮下通道(41)连通，液氮腔(32)中剩余液氮流入冷冻腔，液氮与冷冻腔内酒精混合对岩心进行冷冻；卡簧(58)与卡簧座(59)锥形面接触，钻进时岩心充满岩心管(51)后，停钻上提内管总成，卡簧(58)卡紧岩心，卡簧座(59)下移至钻头(60)内台阶上，最终卡断岩心。
2.根据权利要求(1)所述的一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具，其特征在于：所述弹卡架(5)与回收管(4)通过第二弹簧销(6)形成可动连接，第二弹簧销(6)与弹卡架(5)为可动连接，第二弹簧销(6)与回收管(4)为固定连接，回收管(4)能够竖直移动固定距离。
3.权利要求(1)所述的酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具的取心方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在地表将三通道接手(40)卸下，将排水阀体(46)、排水阀弹簧(44)、排水阀球(45)安装到钢活塞(42)中；安装钢活塞(42)与第二座环(48)，下拉薄壁圆环直到钢活塞(42)与第二座环(48)接触；
2)在三通道接手(40)的液氮限流通道(43)末端安装限流阀(47)，铜管(52)上接限流阀(47)后缠绕岩心管(51)，铜管(52)末端插接至安装在卡簧座(59)的单向阀上；
3)将底部支撑座(36)放至三通道接手(40)上部，插接好液氮注入管(37)，通过抽气嘴(31)进行抽真空，随后采用液氮或低温氮气对液氮腔(32)进行预冷；
4)预冷结束后往液氮腔(32)注入一定量的液氮(液氮用量根据孔深与消耗系数进行估算)，将排气阀体(27)、排气阀弹簧(25)与排气阀球(26)安装到排气接手(24)，后将排气接手(24)安装至颈管(29)；
5)将内管总成投入至孔内，开钻；在钻进时，液氮流经限流阀(47)以很小的流量不断注入到铜管(52)中，液氮在流经铜管(52)时不断挥发对酒精进行预冷，酒精对岩心进行冷冻；
6)在钻进过程中，当岩心充满岩心管(51)后，岩心产生的上顶力使钢活塞(42)上移，使液氮上通道(38)、液氮中通道(39)与液氮下通道(41)连通，液氮腔(32)中剩余液氮流入冷冻腔中，并与冷冻腔内酒精混合形成低温酒精对岩心进行冷冻；
7)停钻，投入打捞器于钻杆内，打捞器抓住捞矛头(2)后上提内管总成，卡断岩心，将内管总成至距离孔底1m的距离，冷冻10分钟后提离孔内；
8)在地表取下岩心后，将其保存到高压低温的容器中。
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