CN108952611B - 一种海洋孔底冷冻绳索取心钻具及方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本发明涉及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，尤其适用于海洋天然气水合物钻探取心。
背景技术
随着经济的高速发展以及经济全球化的快速推进，能源的消耗也在不断的增长，石油、煤炭，天然气等常规能源在近现代工业中扮演着极为重要的作用，然而从常规能源的可开采储量方面来看，常规能源难以支撑现代工业的长远发展。天然气水合物储量巨大，被视为一种高效清洁的未来替代能源，天然气水合物赋存于高压、低温的储藏环境，因此获得高保真度的天然气水合物是勘探开采的急需解决的技术难题。目前国内外天然气水合物勘探所采用的取样器主要根据两种思路进行设计：一种是采取孔底保温保压取心工艺，另一种是孔底冷冻取心工艺。
孔底保温保压取心是对孔底需开采的岩心进行保温保压措施，主要利用球阀以及孔底翻板对岩心进行密封，同时利用压力补偿装置来保持孔底岩心原压力，再通过保温材料保持孔底取心原温度，从而达到原位取样的目的。由于海洋开采的环境比较复杂，孔底钻头的保压板能够正常工作进行孔底密封保压提取岩心的成功率并不是很高。
孔底冷冻取心主要是利用冷源对岩心管进行冷冻处理，使孔底钻进过程中钻取的岩心冷冻成固态，岩心管中的岩心被不断钻进，直至岩心管中充满岩心，再提钻获得冷冻获取的岩心，完成一个回次的钻进进程。
虽然两种取样方法有着各自的优点，但由于孔底保温保压开采成功率不高以及孔底冷冻取心岩心管上部的混合液体不能及时排出造成岩样变形的缺点，两种取样技术都存在一定程度的不足。
海域天然气水合物开采集中在浅海地区，钻进过程中孔底所承受的压力一般在理想的范围内，但是在深部天然气水合物的取芯过程中，由于过大的孔底压力，导致钻井液在循环过程中内外管之间的静水压力作用，对于岩心管上部取芯过程钻井液与海水的混合物排液以及冷源在升温过程中排气比较困难，当液体与气体压力集中到一定程度超过钻具的极限强度时，就会导致钻具损坏，降低取心成功率，从而增大施工成本。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，采用孔底冷冻取心技术，同时设计混合冷源的集气装置以及岩心管上部液体的收集装置，将钻具的不同结构进行了整合改进，从而得到一种适用于海洋天然气水合物孔底保压冷冻取心钻具及方法。
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、捞矛头基座以及回收管，捞矛头通过第一弹簧销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连接，捞矛头基座的底部与弹卡座通过螺纹进行连接，同时捞矛头基座的底部与弹卡座通过第三弹簧销固定，回收管与第一外管螺纹连接，回收管用于容纳捞矛头及捞矛头基座；
所述弹卡定位机构包括弹簧、弹卡、弹卡座、弹卡架以及阀体，弹簧的端部通过设置在弹卡上的固定凹槽固定在弹卡上；弹卡的上部凸出部分与第一外管接触，弹卡的数量为两个，两个弹卡的下部通过第四弹簧销铰接构成弹卡钳，且弹卡钳置于弹卡座上，弹卡座的上部与下部各开设有四个用于供钻井液循环的斜孔；阀体与弹卡之间通过焊接钢管形成整体，阀体与弹卡架的内壁静压接触，阀体与中空环通过焊接钢管静压接触；弹卡架用于支撑弹卡，同时弹卡架内壁与中空环静压接触；
所述悬挂机构包括座环以及悬挂环，悬挂环通过螺纹设置在第一外管的内壁上，座环在下放钻具之前放入位于第一外管内壁上的悬挂环之上，座环与悬挂环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内部；
所述控制机构包括控制轴承座、控制弹簧外腔、控制弹簧、活塞杆、内固定支座、活塞阀座以及活塞，控制轴承座置于控制弹簧外腔内部，控制轴承座的上部与控制弹簧外腔之间通过螺纹连接，控制轴承座的下部与活塞杆的上部螺纹连接；控制弹簧的一部分套设在控制轴承座上，控制弹簧的另一部分套设在活塞杆上，控制弹簧的顶部抵靠在控制轴承座上，控制弹簧的底部抵靠在上轴承座上；内固定支座的上端与上轴承座螺纹连接，内固定支座的下端与下轴承座螺纹连接，活塞阀座的上部与上轴承座螺纹连接，活塞阀座的下部与冷源外腔螺纹连接，活塞设置在活塞杆底部，活塞与活塞杆之间螺纹连接，装冷源过程中，将活塞与活塞杆之间拧紧；
所述冷源存储机构包括冷源保温层、冷源外腔、控制密封塞以及控制塞弹簧，冷源外腔与活塞阀座螺纹连接，且在冷源外腔的内壁上覆盖有冷源保温层；冷源外腔的底部由控制密封塞以及控制塞弹簧进行密封，控制密封塞与控制塞弹簧铰接，控制塞弹簧与集液罐外腔静压接触；
所述集液机构包括集液罐外腔、集液罐、集液罐接头、集液内管、集液内接手及集液下腔，集液罐外腔的上部与冷源外腔螺纹连接，集液罐外腔的下部与集液罐接头螺纹连接；集液罐置于集液罐外腔内部，集液罐与集液内管的上部螺纹连接，集液内管与集液下腔连通；集液内接手的上部与内管外接手螺纹连接，集液内接手的下部与岩心内管螺纹连接；集液下腔与内岩心管通过螺纹进行静压接触连接；
所述集气机构包括集气室、内管外接手、螺旋塞、液位计、集气弹簧以及集气弹簧塞，集气室的上部与集液罐接头之间通过螺纹进行连接，集气室的下部与内管外接手通过螺纹连接，并在二者之间设置有密封垫，在集气室的下部设置四个对称且呈倾斜布置的集气管道；内管外接手的一侧开有一带螺纹的圆孔，螺旋塞与该圆孔通过螺纹进行连接；集气弹簧固定在集气室的内壁上，集气弹簧与集气室的末端静压接触，集气弹簧将集气室与冷源流通通道相互隔离；液位计设置在集气室的上部，形成一个密闭的集气腔室，集气弹簧塞与集气室内壁铰接；
所述冷冻机构包括密封垫、硅胶环垫、中空环接头、内岩心管、岩心保温层、固定座、岩心内管、卡簧以及卡簧座，密封垫设置在内管外接手与集液内接手之间，内岩心管与集液下腔之间设置有两层硅胶环垫，两层硅胶环垫呈上下布置，且上层位于中空环接头的上部与集液内接手之间，并与中空环接头与集液内接手静压接触，下层位于中空环接头的下部与岩心保温层之间，并与中空环接头与岩心保温层静压接触；岩心保温层贴设在岩心内管的内壁上；中空环接头上下部分分别与集液内接手、集液下腔进行连接；固定座位于外接手与岩心内管之间，固定座与岩心内管之间通过螺纹进行连接使得岩心内管上部的冷冻机构得以固定；卡簧与卡簧座设置在内岩心管的底端，岩心充满内岩心管时，上提钻具，使得轴承弹簧压缩，带有弧度的卡簧卡住岩心，通过拉力将岩心拉断上返至地表；
所述保压机构包括钢球以及集液弹簧，钢球以及集液弹簧设置在集液下腔内部，钢球与集液弹簧静压接触连接；
所述单动机构包括上轴承座、第一轴承、下轴承座及第二轴承，上轴承座与控制弹簧外腔之间通过螺纹方式进行连接，上轴承座与活塞之间设置有2mm～3mm的环空间隙；第一轴承的上端与上轴承座通过静压力接触，第一轴承的下端与下轴承座通过静压力接触；下轴承座与弹簧室之间螺纹连接；第二轴承的下部与轴承弹簧静压接触，钻进过程中第一轴承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、轴承弹簧、螺母垫片、转换接头及调节螺母，轴承弹簧套设在上轴承座上；螺母垫片分别与轴承弹簧的下部以及调节螺母的上部静压接触；转换接头通过螺纹将弹簧室与冷源外腔相连接；调节螺母与上轴承座之间螺纹连接，调节螺母、螺母垫片及轴承弹簧之间静压接触；岩心内管在钻具转动过程中并不随其转动；固定座与钻头之间保持着一定的距离，钻进中固定座与钻头的距离在0mm～30mm之间变化，通过拧动调节螺母使固定座与钻头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、第二外管、第三外管、第四外管、弹卡挡头、上扩孔器、下扩孔器以及钻头，弹卡挡头、第一外管、第二外管、第三外管、第四外管及钻头顺次螺纹连接；上扩孔器与第二外管螺纹连接；下扩孔器与第四外管螺纹连接。
进一步，所述控制轴承座的上部套设有密封胶圈。
所述上轴承座与控制弹簧之间设置有垫片。
在所述环空间隙内填装有润滑油。
所述活塞中部部位设置有用于提高冷源储存腔的密封性的硅胶垫。
所述冷源保温层采用聚四氟乙烯泡沫材料。
所述集液罐接头分别与集液罐外腔和集气室之间用硅胶圈连接。
所述螺旋塞和集气室的内壁上均涂覆有防腐蚀性的涂料。
一种海洋孔底冷冻绳索取心方法，其特征在于，该方法采用所述的海洋孔底冷冻绳索取心钻具，具体包括如下步骤：
a、在海洋海底钻进之前，在地表组装内管总成；
b、将内管总成通过钻杆柱送至孔底，同时观察泥浆泵压力表，送至孔底后阀体压缩堵住泥浆泵流通斜孔，泵压突然升高时停止下放内管总成，内管总成送至孔底后开钻钻进取心；
c、钻进过程中岩心管上部的气水化合物混合物压缩集液弹簧将混合物通过集液通道输送至集液罐中；
d、回次结束，投入打捞器与捞矛头连接后上提，弹卡与外管接触后活塞杆压缩活塞将冷源压入带岩心保温层的岩心内管中，冷冻岩心10分钟～20分钟；
e、混合冷源对所取得的岩心进行冷冻，将内管总成通过打捞器打捞至地表，在冷冻岩心和运移过程中混合冷源中干冰升华的CO2气体通过集液内接手的腔体中，压缩集气弹簧塞将CO2气体与集气室中预先注入的NaOH溶液反应，平衡钻具内管总成中的压力；将打捞至地表的岩心通过半合管快速取出，放入液氮储存罐或放置于高压储存容器中，打开钻具，同时将集液罐中取得的气水化合物混合物一并放入储存容器中。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明在海洋进行孔底冷冻绳索取心过程中，设置集气室对干冰、酒精与液氮的混合冷源在冷冻岩心过程中由于交换热升华出来的CO2气体进行处理，使CO2气体与集气室中储存的NaOH溶液进行快速反应，防止钻具内部由于压力过大导致钻具破坏甚至取心失败。设计集液罐及集液通道对钻进过程中岩心管内的气水化合物混合物进行收集，保证内岩心管的压力正常同时对收集的混合物进行取样用于科学研究。对绳索取心的内管总成进行设计改进，将调节机构与内管保护机构合并，设计出内管保护调节机构，加快钻具装配进程。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明实施例中海洋孔底冷冻绳索取心钻具的整体结构图；
图2是图1的上段部分放大示意图；
图3是图1的中段部分放大示意图；
图4是图1的下段部分放大示意图；
图5是图1的C-C剖面图；
图6是图1的B-B剖面图；
图7是图1的A-A剖面图。
图中各标记如下：1-捞矛头；2-弹卡挡头；3-回收管；4-第一弹簧销；5-第二弹簧销；6-第三弹簧销；7-弹簧；8-弹卡；9-上扩孔器；10-弹卡座；11-第一外管；12-第四弹簧销；13-座环；14-悬挂环；15-阀体；16-弹卡架；17-第二外管；18-控制轴承座；19-密封胶圈；20-控制弹簧外腔；21-控制弹簧；22-活塞杆；23-垫片；24-上轴承座；25-第一轴承；26-下轴承座；27-环空间隙；28-内固定支座；29-第二轴承；30-弹簧室；31-轴承弹簧；32-螺母垫片；33-转换接头；34-调节螺母；35-活塞阀座；36-活塞；37-第三外管；38-硅胶垫；39-冷源保温层；40-冷源外腔；41-控制密封塞；42-控制塞弹簧；43-集液罐外腔；44-集液罐；45-硅胶圈；46-集液罐接头；47-集气室；48-螺旋塞；49-液位计；50-集液内管；51-内管外接手；52-集气弹簧；53-集气弹簧塞；54-密封垫；55-集液内接手；56-硅胶环垫；57-中空环接头；58-集液弹簧；59-钢球；60-集液下腔；61-内岩心管；62-岩心保温层；63-第四外管；64-外接手；65-固定座；66-下扩孔器；67-岩心内管；68-卡簧；69-卡簧座；70-钻头；71-中空环。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程及元件并没有详细的叙述。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”及“第四”并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6及图7所示，本实施例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，
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；钻具下放过程中打捞机构将内管总成放至孔底，当内管总成到达孔底时，打捞机构持续向下施加压力，此时弹卡8与弹簧7继续向下压缩阀体15使阀体15所控制的中空环71也向下运动，当阀体15已经压缩到位时，中空环71刚好将位于弹卡座10下部的四个斜孔完全堵住，使钻井液的流通通道闭合，导致泵压急剧升高实现到位报信功能。
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，上轴承座24与控制弹簧21之间设置有垫片23，且为静压接触，由此起到减震的作用；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；活塞36中部部位设置有硅胶垫38用于提高冷源储存腔的密封性。
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，冷源保温层39采用聚四氟乙烯泡沫材料实现保温功能；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；取心过程中控制机构通过压缩控制轴承弹簧31从而使活塞36下移，压力达到一定程度，控制塞弹簧42向下运移，使冷源通过控制密封塞41周围空隙流入集液内管50外腔中；活塞阀座35、活塞36、控制密封塞41以及附有冷源保温层39的冷源外腔40共同形成储存冷源的腔室。
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；集液罐接头46与集气室47通过螺纹进行连接，集液罐接头46分别与集液罐外腔43和集气室47之间用硅胶圈45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；孔底天然气水合物岩心在钻探过程中，由于海洋静水压力过大，岩心管与岩心之间的气水化合物混合物质无法排出，通过集液机构将其收集起来，一方面缓解岩心管与岩心之间压力防止岩样爆裂取心失败，另一方面通过集液罐44收集岩心管与岩心之间的气水化合物与海水的混合物，用于科研研究。
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，集气室47与内管外接手51之间设置有密封垫54，用于提高集气机构的密封性，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；螺旋塞48和集气室47的内壁上均涂覆有防腐蚀性的涂料，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；本发明采用的是混合冷源制冷，混合冷源采用酒精、干冰与液氮混合，活塞36将冷源存储机构中的冷源通过通道注入到冷冻机构中，钻进过程中由于干冰的升华作用会生成大量的CO2气体，深海孔底静水压力过大导致钻具内无法使用压力阀将CO2气体排出内管总成中，造成短时间内管总成中升华大量CO2气体，压力达到一定程度足以引起内管的变形破坏，使钻具达不到取心要求，降低取心成功率。液位计49设置在集气室47的上腔，打开螺旋塞48通过圆孔将浓度50％的NaOH溶液注入到集气室47内，通过观察集气室47上部的液位计49的读数确定注入的NaOH溶液含量，利用冷源的混合比例进行计算获得所需要的NaOH溶液含量，运用化学方法使NaOH溶液与CO2气体进行反应，从而快速解决钻具内产生的高压的问题。
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环垫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；孔底岩心钻进过程中，由于上部岩心快速冷却成固态，岩心管与岩心之间产生大的压力，内岩心管61与集液下腔60螺纹连接，内岩心管61与集液下腔60中间设置有与二者静压接触的硅胶环垫56，钢球59与集液弹簧58静压接触连接使内岩心管61与集液通道保持连通，将内岩心管61与岩心之间的气水化合物排至集液通道内，维持岩心管内的压力，保证岩心钻进的正常进行。
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，在该环空间隙27处内填装有润滑油，减小活塞36上下往复运动的摩擦阻力；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，方便钻井液的循环，同时在快速下放钻具的过程中，钻具下放到孔底过程中巨大冲击力使轴承弹簧31压缩起到缓震作用，从而对内管总成起到保护的作用。
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。
具体海洋孔底冷冻绳索取心方法，包括以下步骤：
a、在海洋海底钻进之前，在地表将集气室47组装完毕，打开螺旋塞48，向集气室47中注入与混合冷源相匹配的NaOH溶液，观察液位计49变化，确定NaOH溶液的注入量，NaOH溶液注入完毕后，拧紧螺旋塞48，在内管外接手51上套上密封垫54，通过螺纹将内管外接手51与集气室47拧紧，将集液罐44与集液内管50的上部螺纹连接，检查钢球59与集液弹簧58的密封性，将集液罐外腔43套上硅胶圈45并与集液罐接头46通过螺纹拧紧；检查控制塞弹簧42与集液罐外腔43的密封性，将冷源外腔40与集液罐外腔43之间通过螺纹进行连接，将液位计49卡在带有卡槽的集液内接手上55内壁处，随后向带有冷源保温层39的冷源外腔40内注入足量能够将岩心冷冻的酒精、干冰与液氮的混合冷源，将与活塞杆22相连的活塞36上套上硅胶垫38，通过螺纹将活塞阀座35与冷源外腔40拧紧，拧动调节螺母34调节好卡簧68与外钻头70之间的距离在2mm～4mm之间，将该处内管总成的上部组装好，检查弹卡8处弹簧7是否固定好，此时组装完毕内管总成；
b、使用打捞器或者直接将内管总成通过钻杆柱送至孔底，经过长时间运移后，观察泥浆泵压力表，送至孔底后阀体15压缩堵住泥浆泵流通斜孔，泵压突然升高停止下放，内管总成送至孔底后开钻钻进取心；
c、钻进过程中岩心管上部的气水化合物混合物压缩集液弹簧58将混合物通过集液通道输送至集液罐44中；
d、回次结束，投入打捞器与捞矛头1连接后上提，弹卡8与外管接触后活塞杆22压缩活塞36将冷源压制带岩心保温层62的岩心内管67中，冷冻岩心10分钟～20分钟；
e、混合冷源对所取得的岩心进行冷冻，将内管总成通过打捞器打捞至地表，在冷冻岩心和长时间运移过程中混合冷源中干冰升华的CO2气体通过集液内接手55的腔体中，压缩集气弹簧塞53将CO2气体与集气室47中预先注入的NaOH溶液快速反应，降低内管总成中的压力，从而平衡钻具内管总成中的压力；将打捞至地表的岩心通过半合管快速取出，放入液氮储存罐或放置于高压储存容器中，打开钻具，将集液罐44中取得的气水化合物混合物也一并放入储存容器中。
本发明所述的冷冻机构上方设计混合冷源干冰升华所需的集气机构，解决海洋孔底冷冻绳索取心过程内管中CO2气体由于水压过大无法排出的问题。集气机构内注入50％的NaOH溶液，使混合冷源中的干冰与其反应，快速平衡钻具内管中的压力，保证钻具的正常工作。
本发明的内岩心管61上方设计保压机构以及收集气水化合物混合物的集液机构，设计真空环状集液罐44和集气室47将气体与液体分开收集，利用集液罐44将气水化合物混合物收集起来保证钻具内部压力并将气水化合物混合物收集至地表用于科学研究。
本发明将内管保护机构与调节机构功能综合起来，设计出内管保护调节机构，简化钻具设计，提高钻具组装与拆卸效率。
本发明可根据岩心冷冻所需的混合冷源的量来确定所需在集气机构中注入50％的NaOH溶液的量，液位计49可通过观测NaOH溶液注入集气机构的注入情况。
综上，本发明主要目的在于可在深部海底进行钻探并进行冷冻取心，随后提钻将内管总成提至地表获得高保真的天然气水合物岩心。采用干冰、酒精和液氮混合冷源，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；设计了海洋内岩心管61的集液机构，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；将绳索取心钻具中内管保护机构与调节机构进行简化设计，设计出内管保护调节机构，简化钻具组装拆卸程序；设计出针对海洋的内管到位报信机构，准确获知海洋长时间下放钻具到位的信息。
Claims (9)
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环垫(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。
2.根据权利要求1所述的海洋孔底冷冻绳索取心钻具，其特征在于，所述控制轴承座(18)的上部套设有密封胶圈(19)。
3.根据权利要求1所述的海洋孔底冷冻绳索取心钻具，其特征在于，所述上轴承座(24)与控制弹簧(21)之间设置有垫片(23)。
4.根据权利要求1所述的海洋孔底冷冻绳索取心钻具，其特征在于，在所述环空间隙(27)内填装有润滑油。
5.根据权利要求1所述的海洋孔底冷冻绳索取心钻具，其特征在于，所述活塞(36)中部部位设置有用于提高冷源储存腔的密封性的硅胶垫(38)。
6.根据权利要求1所述的海洋孔底冷冻绳索取心钻具，其特征在于，所述冷源保温层(39)采用聚四氟乙烯泡沫材料。
7.根据权利要求1所述的海洋孔底冷冻绳索取心钻具，其特征在于，所述集液罐接头(46)分别与集液罐外腔(43)和集气室(47)之间用硅胶圈(45)连接。
8.根据权利要求1所述的海洋孔底冷冻绳索取心钻具，其特征在于，所述螺旋塞(48)和集气室(47)的内壁上均涂覆有防腐蚀性的涂料。
9.一种海洋孔底冷冻绳索取心方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-8中任意一项所述的海洋孔底冷冻绳索取心钻具，具体包括如下步骤：
a、在海洋海底钻进之前，在地表组装内管总成；
b、将内管总成通过钻杆柱送至孔底，同时观察泥浆泵压力表，送至孔底后阀体(15)压缩堵住泥浆泵流通斜孔，泵压突然升高时停止下放内管总成，内管总成送至孔底后开钻钻进取心；
c、钻进过程中岩心管上部的气水化合物混合物压缩集液弹簧(58)将混合物通过集液通道输送至集液罐(44)中；
d、回次结束，投入打捞器与捞矛头(1)连接后上提，弹卡(8)与外管接触后活塞杆(22)压缩活塞(36)将冷源压入带岩心保温层(62)的岩心内管(67)中，冷冻岩心10分钟～20分钟；
e、混合冷源对所取得的岩心进行冷冻，将内管总成通过打捞器打捞至地表，在冷冻岩心和运移过程中混合冷源中干冰升华的CO2气体通过集液内接手(55)的腔体中，压缩集气弹簧塞(53)将CO2气体与集气室(47)中预先注入的NaOH溶液反应，平衡钻具内管总成中的压力；将打捞至地表的岩心通过半合管快速取出，放入液氮储存罐或放置于高压储存容器中，打开钻具，同时将集液罐(44)中取得的气水化合物混合物一并放入储存容器中。
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