CN109113613A - 天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心钻具及取心方法 - Google Patents
天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心钻具及取心方法 Download PDFInfo
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Abstract
天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心钻具及取心方法，取心钻具包括外管、内管总成及钻头，外管套设在内管总成外部；钻头设置在外管底部，内管总成包括捞矛头、螺杆、螺管、第一扭簧、弹卡、排气阀体、排气阀弹簧、排气阀芯、腔体管保温层、内保温层、控制杆、翻板阀、第二扭簧、取心筒、岩心管、活阀、揽簧、切削齿、腔体管及回收管，本发明通过液压驱动螺杆实现旋转取心，取心过程中钻井液不与天然气水合物岩心接触，避免污染天然气水合物岩心；采用保温保压取样技术确保天然气水合物岩心的稳定性；以冷冻取样技术辅助保温保压取样技术，在保压失败时，通过低温相变液体的相变吸热作用将天然气水合物岩心冷冻到‑40℃确保天然气水合物不分解。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心钻具及取心方法，尤其适用于深海天然气水合物的保真钻探取心。
背景技术
随着经济的快速发展，能源的消耗也日益增长，石油、煤、天然气等常规能源大量消耗，从其剩余储量来看，常规能源已经无法继续长期支撑现代工业，而天然气水合物的资源量极其丰富，且其燃烧后产生二氧化碳和水，是一种清洁能源，因此天然气水合物被视为未来的主要能源。天然气水合物存在于高压低温的环境下，当其温压平衡条件发生变化时，天然气水合物就会发生分解。获取更高保真度的天然气水合物样品，是国内外钻探工作者共同面临的问题。目前国内外的天然气水合物保真取心钻具主要由两种设计思路：一种是保温保压取心钻具，一种是孔底冷冻取心钻具。
保温保压取样技术是目前应用较多的天然气水合物保真取样技术，该技术利用球阀或翻板阀在样品被卡断后和提升过程中对专门设计的保压样品管进行密封，同时通过保温材料或电子制冷的方式实现保温，通过保持储层的原位压力和温度获得高保真度的天然气水合物样品。但是，由于该技术对于球阀或者翻板阀的机械密封性能要求较高，在实际应用中的保压取心率低于60％；而且由于井眼孔径的要求，以及球阀保压机构的尺寸限制，样品直径相对较小，Φ168规格的保压取样钻具钻获的样品直径只有Φ50mm，不能完全满足地质测试分析要求。
现有的天然气水合物孔底冷冻取心钻具利用冲洗液压力或重力将冷冻剂注入到岩芯管周围环状密封的冷冻腔体内部，冷冻剂与天然气水合物岩心通过热交换实现对天然气水合物岩心的冷冻。这种通过冷冻的方式抑制天然气水合物分解的方式相对于保压结构来说较容易实现。但是采用这种方法会改变天然气水合物岩心原有的基础物理性质，导致天然气水合物岩心的声波及电阻率等测试数据发生变化。
综上所述，为了提高天然气水合物保真取样的效率，必须提高保压取心钻具的机械密封性，但这对于保压取心钻具的结构来说几乎无法完成；但是单纯使用冷冻取样方法又会对天然气水合物岩心后期的测试分析产生影响。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心钻具及取心方法，采用钻井液作为驱动力，驱动螺旋杆旋转结构实现旋转取心，并通过翻板阀机构实现天然气水合物岩心的保压取样；当保压取样失败时，采用冷冻取样保证天然气水合物岩心不分解。
为达到上述目的，本所发明采用如下的技术方案：
天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心钻具，包括外管、内管总成及钻头，所述外管套设在内管总成外部；所述钻头设置在外管底部，其特征在于，所述内管总成包括：捞矛头、螺杆、螺管、第一扭簧、弹卡、支撑座、排气阀体、排气阀弹簧、排气阀芯、腔体管保温层、内保温层、控制杆、翻板阀、第二扭簧、取心筒、岩心管、活阀、揽簧、切削齿、腔体管及回收管，所述捞矛头位于控制杆上方并与控制杆同轴布置，捞矛头与控制杆之间通过第一弹性销连接，且第一弹性销固定在捞矛头的内孔中；所述螺杆套在捞矛头外部，螺杆与捞矛头之间具有环状间隙，螺杆的上部坐在外管内壁上部的台阶上，螺杆下部的外表面具有螺旋形的滑轨；所述螺管套设在螺杆下部，螺管内壁具有螺旋形的滑道，在钻井液压力的作用下螺管相对于螺杆向下旋转移动；所述弹卡的数量为两个，两个弹卡的一端通过第二弹性销铰接在一起，同时两个弹卡通过第二弹性销固定在控制杆上，两个弹卡的下部坐于支撑座上，且支撑座通过第三弹性销与控制杆连接，两个弹卡的顶部顶靠在内保温层上部；所述第一扭簧用于使得两个弹卡的上部彼此远离呈张开状态；所述腔体管、岩心管及切削齿自上而下顺次螺纹连接，腔体管、岩心管及切削齿均套设在控制杆外部，腔体管通过内保温层分为两个腔室，分别为冷源腔和压力室，腔体管的内壁上设置有腔体管保温层，腔体管保温层上部的内径小于腔体管保温层下部的内径；所述内保温层设置在控制杆外部并位于冷源腔内；所述排气阀体通过螺纹与内保温层连接；所述排气阀弹簧和排气阀芯均设置在排气阀体内部，排气阀芯由排气阀弹簧的预紧力顶在排气阀体的通孔上；所述翻板阀的一侧安装在腔体管内侧壁上，翻板阀通过第二扭簧控制其翻转状态，当控制杆上行带动取心筒进入压力室后，翻板阀在第二扭簧的驱动下将压力室的下部密封，翻板阀朝向压力室的一侧设置有翻板阀上保温层；所述取心筒位于岩心管内部；所述活阀设置在取心筒内部，并与控制杆底部连接；所述揽簧固定在取心筒下部；所述回收管设置在控制杆上，当捞矛头向上移动，回收管用于压缩第一扭簧使得两个弹卡合并。
天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心，该方法采用所述的天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心钻具进行取心，具体包括以下步骤：
①地表准备阶段：在进行天然气水合物钻进取心之前，首先将排气阀体、排气阀弹簧及排气阀芯自内保温层上拆下；向冷源腔内注入液氮，对冷源腔内的内保温层及腔体管保温层进行预冷，冷源腔内的温度达到-100℃时结束预冷，预冷结束后向冷源腔内注入低温相变液体，低温相变液体作为冷源的注入量为冷源腔总体积的80％；
②孔内准备阶段：冷源填装结束后将内管总成投入外管中，内管总成到达孔底工作位置；螺杆的上部坐在外管内壁上部的台阶上，内管总成整体悬挂于外管内部，切削齿下部与天然气水合物所钻地层间保持2mm～4mm距离；此时，弹卡顶在内保温层上部保证冷源腔在压力室的上部，确保在取心过程中冷源不会自冷源腔内流出；
③钻进取心阶段：内管总成到达工作位置后，开泵循环钻井液，钻井液自捞矛头与螺杆之间的环状间隙进入内管总成，然后经螺杆上的钻井液入口进入螺杆与螺管之间，随着静水压力的升高，推动螺管旋转向下移动，带动岩心管和切削齿旋转进入天然气水合物地层；
④保压岩心阶段：取心结束后投入打捞器，打捞器与捞矛头连接，上提钻具，捞矛头向上移动，回收管压缩第一扭簧，使两个弹卡合并，冷源腔在压力室内的背压作用下保持原来的位置；控制杆向上移动带动活阀向上移动，进而带动取心筒向上移动进入压力室；当取心筒进入压力室内部时，翻板阀在第二扭簧的作用下翻转，将压力室下部密封，此时压力室内的压力为天然气水合物地层的原始压力；冷源腔在压力室内压力的作用下保持在压力室的上部；
⑤冷冻岩心阶段：在上提钻具过程中，当压力室内的压力低于1MPa时，压力室内的压力无法支撑冷源腔自身的重力，冷源腔的内保温层向下移动，到达一定位置时，内保温层下端的外径小于腔体管保温层下部的内径，冷源腔与压力室连通，冷源腔内的冷源进入腔体管保温层与取心筒之间的环状间隙，将取心筒内的天然气水合物岩心冷冻到-40℃以下，确保天然气水合物不分解；
⑥继续钻进阶段：将内管总成提至孔口后获得天然气水合物岩心，然后开泵，旋转外管带动钻头继续向下钻进至已获取天然气水合物岩心的地层；然后重复以上步骤继续进行取心钻进。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明将天然气水合物保温保压取样技术、冷冻取样技术和螺杆旋转取样技术用于天然气水合物钻探取心；通过液压驱动螺杆实现旋转取心，取心过程中钻井液不会与天然气水合物岩心接触，避免污染天然气水合物岩心；采用保温保压取样技术确保天然气水合物岩心的稳定性；以冷冻取样技术辅助保温保压取样技术，在保压失败时，通过低温相变液体的相变吸热作用将天然气水合物岩心冷冻到-40℃确保天然气水合物不分解；综合以上技术可提高天然气水合物沉积物的取心成功率。
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为本发明实施例中天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心钻具的结构示意图。
图2为图1的局部放大图。
图中各标记如下：1-捞矛头，2-螺杆，3-螺管，4-外管，5-第一弹性销，6-第一扭簧，7-弹卡，8-第二弹性销，9-支撑座，10-第三弹性销，11-排气阀体，12-排气阀弹簧，13-排气阀芯，14-腔体管保温层，15-内保温层，16-控制杆，17-翻板阀上保温层，18-翻板阀，19-第二扭簧，20-取心筒，21-岩心管，22-活阀，23-揽簧，24-切削齿，25-钻头，26-腔体管，27-回收管。
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”及“第三”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。
本发明采用低温相变液体作为冷源，低温相变液体采用温度为0℃～-120℃的酒精-干冰混合物、温度为0℃～-130℃的丙酮-干冰混合物或温度为-197℃的液氮等能够气化吸热的低温流体；
如图1及图2，天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心钻具，包括外管4、内管总成及钻头25，所述外管4套设在内管总成外部；所述钻头25设置在外管4底部，其特征在于，所述内管总成包括：捞矛头1、螺杆2、螺管3、第一扭簧6、弹卡7、支撑座9、排气阀体11、排气阀弹簧12、排气阀芯13、腔体管保温层14、内保温层15、控制杆16、翻板阀18、第二扭簧19、取心筒20、岩心管21、活阀22、揽簧23、切削齿24、腔体管26及回收管27，所述捞矛头1位于控制杆16上方并与控制杆16同轴布置，捞矛头1与控制杆16之间通过第一弹性销5连接，且第一弹性销5固定在捞矛头1的内孔中，并能够在在控制16杆的槽内上下移动；所述螺杆2套在捞矛头1外部，螺杆2与捞矛头1之间具有环状间隙，螺杆2的上部坐在外管4内壁上部的台阶上，螺杆2下部的外表面具有螺旋形的滑轨；所述螺管3套设在螺杆2下部，螺管3内壁具有螺旋形的滑道，在钻井液压力的作用下螺管3相对于螺杆2向下旋转移动；所述弹卡7的数量为两个，两个弹卡7的一端通过第二弹性销8铰接在一起，同时两个弹卡7通过第二弹性销8固定在控制杆16上，两个弹卡7的下部坐于支撑座9上，且支撑座9通过第三弹性销10与控制杆16连接，两个弹卡7的顶部顶靠在内保温层15上部；所述第一扭簧6用于使得两个弹卡7的上部彼此远离呈张开状态，第一扭簧6保证弹卡7保持张开状态，弹卡7上部顶在内保温层15的上部，将冷源腔固定在压力室的上部；所述腔体管26、岩心管21及切削齿24自上而下顺次螺纹连接，腔体管26、岩心管21及切削齿24均套设在控制杆16外部，岩心管21与切削齿24相连接，通过螺管3与螺杆2之间的旋转作用，岩心管21带动切削齿24进入天然气水合物地层，获取天然气水合物岩心；腔体管26通过内保温层15分为两个腔室，分别为冷源腔和压力室，腔体管26的内壁上设置有腔体管保温层14，保证与外界的绝热，腔体管保温层14上部的内径小于腔体管保温层14下部的内径；所述内保温层15设置在控制杆16外部并位于冷源腔内；所述排气阀体11通过螺纹与内保温层15连接；所述排气阀弹簧12和排气阀芯13均设置在排气阀体11内部，排气阀芯13由排气阀弹簧12的预紧力顶在排气阀体11的通孔上，保证当冷源腔内的气体压力过大时，通过排气调节腔体内的压力；所述翻板阀18的一侧安装在腔体管26内侧壁上，翻板阀18在第二扭簧19作用下处于翻转状态，但是由于控制杆16的作用，使翻板阀18在未工作情况下压在控制杆16上；当控制杆16上行带动取心筒20进入压力室后，翻板阀18在第二扭簧19的驱动下将压力室的下部密封，翻板阀18朝向压力室的一侧设置有翻板阀上保温层17，腔体管保温层14与翻板阀上保温层17保证在保压过程或冷冻过程中天然气水合物岩心不会与外界发生大量换热；所述取心筒20位于岩心管21内部；所述活阀22设置在取心筒20内部，并与控制杆16底部连接；所述揽簧23固定在取心筒20下部，保证天然气水合物岩心不会自取心筒20内掉出；所述回收管27设置在控制杆16上，当捞矛头1向上移动，回收管27用于压缩第一扭簧6使得两个弹卡7合并。
天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心，该方法采用所述的天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心钻具进行取心，具体包括以下步骤：
①地表准备阶段：在进行天然气水合物钻进取心之前，首先需要向冷源腔内注入冷源；将排气阀体11、排气阀弹簧12及排气阀芯13自内保温层15上拆下；向冷源腔内注入液氮，对冷源腔内的内保温层15及腔体管保温层14进行预冷，不断注入液氮，当冷源腔内的温度达到-100℃时，说明已经达到预冷要求，结束预冷，结束结束后，向冷源腔内注入选择的低温相变液体，低温相变液体作为冷源的注入量为冷源腔总体积的80％；由于内保温层15及腔体管保温层14的隔热作用及前期液氮的预冷，因此在注入冷源后，冷源可在冷源腔内长期保存；
②孔内准备阶段：冷源填装结束后将内管总成投入外管4中，内管总成到达孔底工作位置；螺杆2的上部坐于外管4内壁上部台阶上，内管总成整体悬挂于外管4内部，切削齿24下部与天然气水合物所钻地层间保持2mm～4mm距离；此时，弹卡7顶在内保温层15上部保证冷源腔在压力室的上部，确保在取心过程中冷源不会自冷源腔内流出；
③钻进取心阶段：内管总成到达工作位置后，开泵循环钻井液，钻井液自捞矛头1与螺杆2之间的环状间隙进入内管总成，然后经螺杆2上的钻井液入口进入螺杆2与螺管3之间，随着静水压力的升高，推动螺管3旋转向下移动，带动岩心管21和切削齿24旋转进入天然气水合物地层，获取天然气水合物岩心；
④保压岩心阶段：取心结束后投入打捞器，打捞器与捞矛头1连接，上提钻具，捞矛头1向上移动，下部的回收管27压缩第一扭簧6，使两个弹卡7合并，此时弹卡7不再为冷源腔提供支撑，冷源腔在压力室内的背压作用下保持原来的位置；控制杆16向上移动带动活阀22向上移动，进而带动取心筒20向上移动进入压力室；当取心筒20上行进入压力室内部时，翻板阀18在第二扭簧19的作用下翻转，将压力室下部密封，此时压力室内的压力为天然气水合物地层的原始压力；冷源腔在压力室内压力的作用下保持在压力室的上部；
⑤冷冻岩心阶段：在上提钻具过程中，当翻板阀18的密封性能下降致使压力室内的压力低于1MPa时，压力室为冷源腔提供的背压减小，无法支撑冷源腔自身的重力，冷源腔的内保温层15向下移动，到达一定位置时，内保温层15下端的外径小于外保温层14下部的内径，冷源腔与压力室连通，导致冷源腔内的冷源进入腔体管保温层14与取心筒20之间的环状间隙，通过低温相变液体的相变吸热作用将取心筒20内的天然气水合物岩心冷冻到-40℃以下，确保天然气水合物不分解；由于腔体管保温层14及翻板阀上保温层17的隔热作用，冷源在冷冻天然气水合物岩心的过程中不会损失冷量；
⑥继续钻进阶段：将内管总成提至孔口后获得天然气水合物岩心，然后开泵，旋转外管4带动钻头25继续向下钻进至已获取天然气水合物岩心的地层；然后重复以上步骤继续进行取心钻进。
Claims (2)
1.天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心钻具，包括外管(4)、内管总成及钻头(25)，所述外管(4)套设在内管总成外部；所述钻头(25)设置在外管(4)底部，其特征在于，所述内管总成包括：捞矛头(1)、螺杆(2)、螺管(3)、第一扭簧(6)、弹卡(7)、支撑座(9)、排气阀体(11)、排气阀弹簧(12)、排气阀芯(13)、腔体管保温层(14)、内保温层(15)、控制杆(16)、翻板阀(18)、第二扭簧(19)、取心筒(20)、岩心管(21)、活阀(22)、揽簧(23)、切削齿(24)、腔体管(26)及回收管(27)，所述捞矛头(1)位于控制杆(16)上方并与控制杆(16)同轴布置，捞矛头(1)与控制杆(16)之间通过第一弹性销(5)连接，且第一弹性销(5)固定在捞矛头(1)的内孔中；所述螺杆(2)套在捞矛头(1)外部，螺杆(2)与捞矛头(1)之间具有环状间隙，螺杆(2)的上部坐在外管(4)内壁上部的台阶上，螺杆(2)下部的外表面具有螺旋形的滑轨；所述螺管(3)套设在螺杆(2)下部，螺管(3)内壁具有螺旋形的滑道，在钻井液压力的作用下螺管(3)相对于螺杆(2)向下旋转移动；所述弹卡(7)的数量为两个，两个弹卡(7)的一端通过第二弹性销(8)铰接在一起，同时两个弹卡(7)通过第二弹性销(8)固定在控制杆(16)上，两个弹卡(7)的下部坐于支撑座(9)上，且支撑座(9)通过第三弹性销(10)与控制杆(16)连接，两个弹卡(7)的顶部顶靠在内保温层(15)上部；所述第一扭簧(6)用于使得两个弹卡(7)的上部彼此远离呈张开状态；所述腔体管(26)、岩心管(21)及切削齿(24)自上而下顺次螺纹连接，腔体管(26)、岩心管(21)及切削齿(24)均套设在控制杆(16)外部，腔体管(26)通过内保温层(15)分为两个腔室，分别为冷源腔和压力室，腔体管(26)的内壁上设置有腔体管保温层(14)，腔体管保温层(14)上部的内径小于腔体管保温层(14)下部的内径；所述内保温层(15)设置在控制杆(16)外部并位于冷源腔内；所述排气阀体(11)通过螺纹与内保温层(15)连接；所述排气阀弹簧(12)和排气阀芯(13)均设置在排气阀体(11)内部，排气阀芯(13)由排气阀弹簧(12)的预紧力顶在排气阀体(11)的通孔上；所述翻板阀(18)的一侧安装在腔体管(26)内侧壁上，翻板阀(18)通过第二扭簧(19)控制其翻转状态，当控制杆(16)上行带动取心筒(20)进入压力室后，翻板阀(18)在第二扭簧(19)的驱动下将压力室的下部密封，翻板阀(18)朝向压力室的一侧设置有翻板阀上保温层(17)；所述取心筒(20)位于岩心管(21)内部；所述活阀(22)设置在取心筒(20)内部，并与控制杆(16)底部连接；所述揽簧(23)固定在取心筒(20)下部；所述回收管(27)设置在控制杆(16)上，当捞矛头(1)向上移动，回收管(27)用于压缩第一扭簧(6)使得两个弹卡(7)合并。
2.天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心，该方法采用权利要求1所述的天然气水合物旋转式冷冻保压绳索取心钻具进行取心，具体包括以下步骤：
①地表准备阶段：在进行天然气水合物钻进取心之前，首先将排气阀体(11)、排气阀弹簧(12)及排气阀芯(13)自内保温层(15)上拆下；向冷源腔内注入液氮，对冷源腔内的内保温层(15)及腔体管保温层(14)进行预冷，冷源腔内的温度达到-100℃时结束预冷，预冷结束后向冷源腔内注入低温相变液体，低温相变液体作为冷源的注入量为冷源腔总体积的80％；
②孔内准备阶段：冷源填装结束后将内管总成投入外管(4)中，内管总成到达孔底工作位置；螺杆(2)的上部坐在外管(4)内壁上部的台阶上，内管总成整体悬挂于外管(4)内部，切削齿(24)下部与天然气水合物所钻地层间保持2mm～4mm距离；此时，弹卡(7)顶在内保温层(15)上部保证冷源腔在压力室的上部，确保在取心过程中冷源不会自冷源腔内流出；
③钻进取心阶段：内管总成到达工作位置后，开泵循环钻井液，钻井液自捞矛头(1)与螺杆(2)之间的环状间隙进入内管总成，然后经螺杆(2)上的钻井液入口进入螺杆(2)与螺管(3)之间，随着静水压力的升高，推动螺管(3)旋转向下移动，带动岩心管(21)和切削齿(24)旋转进入天然气水合物地层；
④保压岩心阶段：取心结束后投入打捞器，打捞器与捞矛头(1)连接，上提钻具，捞矛头(1)向上移动，回收管(27)压缩第一扭簧(6)，使两个弹卡(7)合并，冷源腔在压力室内的背压作用下保持原来的位置；控制杆(16)向上移动带动活阀(22)向上移动，进而带动取心筒(20)向上移动进入压力室；当取心筒(20)进入压力室内部时，翻板阀(18)在第二扭簧(19)的作用下翻转，将压力室下部密封，此时压力室内的压力为天然气水合物地层的原始压力；冷源腔在压力室内压力的作用下保持在压力室的上部；
⑤冷冻岩心阶段：在上提钻具过程中，当压力室内的压力低于1MPa时，压力室内的压力无法支撑冷源腔自身的重力，冷源腔的内保温层(15)向下移动，到达一定位置时，内保温层(15)下端的外径小于腔体管保温层(14)下部的内径，冷源腔与压力室连通，冷源腔内的冷源进入腔体管保温层(14)与取心筒(20)之间的环状间隙，将取心筒(20)内的天然气水合物岩心冷冻到-40℃以下，确保天然气水合物不分解；
⑥继续钻进阶段：将内管总成提至孔口后获得天然气水合物岩心，然后开泵，旋转外管(4)带动钻头(25)继续向下钻进至已获取天然气水合物岩心的地层；然后重复以上步骤继续进行取心钻进。
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