CN111236873A - 海底天然气水合物保真绳索取芯钻具及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，包括外管总成、内管总成、保压总成、保温总成、跑钻监测总成、温度传感器、压力传感器；外管总成包括外管、扩孔器和钻头，外管与扩孔器连接，扩孔器与环形钻头连接；内管总成安装在外管总成内，内管总成包括弹卡机构、内管、岩芯管、卡簧和卡簧座，弹卡机构设置在外管内，弹卡机构与跑钻监测总成固定连接，跑钻监测总成与内管接头上端连接，内管接头下端与内管的上端连接，岩芯管套装在内管中，内管的下端与卡簧座连接，卡簧座上设有卡簧，卡簧座与保压总成连接；保温总成安装在内管总成外壁上；温度传感器、压力传感器安装在内管接头底部。本发明可对海底天然气水合物实施保真绳索取芯。

Description

海底天然气水合物保真绳索取芯钻具及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种海底天然气水合物保真绳索取芯钻具及其操作方法。

背景技术

海底钻机是海底矿产资源勘探的关键技术装备，利用海底钻机对海底天然气水合物矿区进行钻探取芯，准确获取该矿区内海底天然气水合物的分布状况、埋藏深度、品位、储量等信息，从而为矿区设计、开采方式选择、开采地质环境监测等提供技术支撑。

从海底天然气水合物温度—压力特性曲线可知，只有在一定的温度、压力条件下，海底天然气水合物才能稳定存在。当海底天然气水合物稳定存在的温度、压力条件被打破后，海底天然气水合物将会分解气化。因此，在对海底天然气水合物实施钻探取芯过程中，为了获取高质量的海底天然气水合物岩芯样品，必须使用保真（保压保温）取芯钻具。然而，现有的海底天然气水合物绳索取芯钻具，主要聚焦在如何对海底天然气水合物岩芯样品进行保压取芯这一方面。这就使得在利用现有海底天然气水合物保压绳索取芯钻具对海底天然气水合物开展钻探取芯后，海底天然气水合物保压绳索取芯钻具从海底提升至水面过程中，随着海水温度的升高，必将导致海底天然气水合物保压绳索取芯钻具内钻获的部分海底天然气水合物岩芯样品吸收热量而分解气化，从而影响对该矿区海底天然气水合物分布状况、品位、储量的精确分析。

与此同时，在海底天然气水合物钻探取芯过程中，岩芯在进入内管总成时，会与内管总成产生摩擦，岩芯将对内管总成施以向上的作用力，如果其作用力大于弹卡室对弹卡组件的支撑力时，弹卡组件将回缩，导致弹卡室对内管总成的限位失效，内管总成将沿外管总成向上运动造成跑钻事故。若跑钻事故未能得到及时处理，在后续钻探取芯时，钻获的岩芯将进入外管总成内，造成外管总成堵塞，不仅导致钻头因没有冷却液冷却而烧坏，而且由于外管总成内装有岩芯，使得下一次下放新的内管总成时无法下放到位，造成连续多根内管总成发生跑钻事故，进而导致该钻孔报废。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、可靠性高的海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，并提供其操作方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，包括外管总成、内管总成、保压总成、保温总成、跑钻监测总成、温度传感器、压力传感器；所述外管总成包括外管、扩孔器和钻头，外管底部与扩孔器顶部连接，扩孔器底部与环形钻头连接；所述内管总成安装在外管总成内，内管总成包括弹卡机构、内管、岩芯管、卡簧和卡簧座，弹卡机构设置在外管内顶部，弹卡机构底部与跑钻监测总成顶部固定连接，跑钻监测总成底部通过单动机构与内管接头上端连接，内管接头下端与内管的上端连接，岩芯管套装在内管中，内管的下端与卡簧座连接，卡簧座上设有卡簧，卡簧座与保压总成连接；所述保温总成安装在内管总成外壁上；所述温度传感器、压力传感器安装在内管接头底部。

上述海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，所述弹卡机构包括捞矛头、弹卡组件、收卡筒、弹卡支架，收卡筒固定在弹卡支架外侧上部，收卡筒上端与捞矛头固定连接，弹卡支架中部设有安装孔，所述弹卡组件由四块弹卡板首尾相连相互铰接而成，所述外管上部内壁上设有环形凹槽，环形凹槽所处空间形成弹卡室，所述弹卡组件外侧边缘卡设于弹卡室内，弹卡组件上部用固定销穿过安装孔铰接在弹卡支架上且可沿安装孔上下移动，弹卡组件下部用圆柱销铰接在弹卡支架上，弹卡支架与弹卡组件上部之间设有弹簧Ⅰ，弹卡组件底部固定有磁铁座，磁铁座上设有磁铁，弹卡支架底部连接跑钻监测总成。

上述海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，所述跑钻监测总成包括控制舱、电源、位置传感器、控制器、声信号发生器，所述控制舱顶部与弹卡支架底部固定连接，位置传感器、电源、声信号发生器、控制器放置在控制舱内，电源分别与位置传感器、声信号发生器、控制器连接，位置传感器的探测杆伸出控制舱并对应于磁铁设置，位置传感器与控制器连接，控制器与声信号发生器连接；所述控制舱外壁上设有挂环，外管中间内壁上设有用于对挂环进行限位的限位销。

上述海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，所述单动机构包括芯管连接轴、轴承、内管端盖及锁紧螺母，芯管连接轴的上端与控制舱底部固定连接，所述的内管端盖安装在内管接头的上端；芯管连接轴穿过内管端盖，芯管连接轴的下端设有锁紧螺母，内管端盖的下端面与锁紧螺母之间设有弹簧Ⅱ；芯管连接轴上部设有凸缘，凸缘通过轴承支撑在内管端盖上。

上述海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，所述内管总成还包括滑阀，滑阀安装在内管接头侧壁上，内管与内管接头连接处设有限位台，内管接头底部设有排水孔，排水孔与岩芯管连通，排水孔的上方和下方分别设有一O形密封圈Ⅰ。

上述海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，所述保压总成包括滑动套筒、保压筒、活塞及充气阀；保压筒内腔设有活塞，保压筒内活塞与保压筒底部之间的腔隙与充气阀连通，保压筒外壁上部设有多个位于同一水平面的钢珠孔，钢珠孔内分别放置有钢珠；所述保压筒内壁上还设有密封槽；滑动套筒套装在保压筒外壁上部，滑动套筒内壁与保压筒外壁之间设有弹簧Ⅲ，滑动套筒内壁上设有可收纳钢珠的半圆形凹槽。

上述海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，所述保温总成通过导热硅胶与内管总成外壁粘接，保温总成包括多级半导体制冷片、电线、电极座，半导体制冷片由导热板与散热片夹紧，且夹紧接触面之间涂有导热硅脂；导热板采用高导热率材料制造；半导体制冷片冷端通过导热板与内管总成外壁连接，半导体制冷片热端安装有散热片；每级半导体制冷片分别与各电极座连接，各电极座之间通过电线进行串联，电线通过水密电缆线与控制器连接。

上述海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，所述芯管连接轴与跑钻监测总成之间、所述芯管连接轴与内管端盖之间、所述内管端盖和内管接头之间、所述内管接头和内管之间、所述内管和卡簧座之间、所述位置传感器的探测杆与控制舱之间均设有密封圈。

上述海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，所述芯管连接轴上端与下端中心处分别设有一个水密接头，压力传感器连接水密电缆线I的一端，水密电缆线I的另一端穿过两个水密接头与控制器连接；温度传感器连接水密电缆线II的一端，水密电缆线II的另一端穿过两个水密接头与控制器连接；半导体制冷片冷端C连接水密电缆线III的一端，水密电缆线III的另一端穿过水密接头与控制器连接；半导体制冷片热端B连接水密电缆Ⅳ线的一端，水密电缆线Ⅳ的另一端穿过水密接头与控制器连接。

一种海底天然气水合物保真绳索取芯钻具的操作方法，包括以下步骤：

（1）在海底钻机下放入海之前，首先利用海底钻机上的接卸装置将保压总成与内管总成分离，保压总成暂存在海底钻机上的接卸装置内，内管总成放置在海底钻机的储管架上；然后，通过充气阀向保压总成的保压筒内腔预充0.25-0.3倍海底天然气水合物钻探点水深压力的惰性气体，使得活塞移动至保压筒的顶部位置；在钻具与海底钻机一同从水面下放至海底天然气水合物钻探点过程中，在外界海水压力的作用下活塞将向下运动，直至保压筒内腔的惰性气体压力与外部海水对应水深压力相等为止；

（2）海底钻机到达指定的海底天然气水合物钻探点后，利用海底钻机上的机械手从储管架上抓取内管总成并移动至钻孔孔口；利用绳索打捞绞车将内管总成下放至钻孔孔底的外管总成内，内管总成的挂环悬挂于外管总成的限位销上，弹卡组件在弹簧Ⅰ作用下张开并进入外管总成的弹卡室内并卡紧；

（3）取芯钻进时，通过海底钻机驱动外管总成旋转、外管总成底部的环形钻头旋切进入深海海底目标地层中，与此同时岩芯将经过外管总成的环形钻头逐渐进入内管总成，岩芯管内的海水通过排水孔向外排水；由于岩芯在进入内管总成过程中与内管总成产生摩擦，岩芯将对内管总成施以向上的作用力，当该向上的作用力大于弹卡室对弹卡组件的支撑力时，弹卡组件将回缩，导致弹卡室对内管总成的卡紧限位失效，内管总成沿着外管总成向上运动，从而造成跑钻事故；

当发生跑钻事故时，由于弹卡组件回缩，固定在弹卡板底部侧面的磁铁座及磁铁座上的磁铁顺时针旋转一个角度，此时磁铁与位置传感器的探测杆之间的距离缩短，进而促使磁铁触发位置传感器发出跑钻信号，控制器输入端接受来自位置传感器的跑钻信号，控制器输出端输出控制信号通过外管总成传递给钻机上的声信号接收器上，从而指导操作人员及时干预处理；

（4）取芯钻进结束后，利用海底钻机上绳索打捞绞车将内管总成提至孔口，弹卡室对弹卡组件的径向约束解除，收卡筒位置沿轴向下移动；通过压力传感器、温度传感器分别采集内管总成内的实时压力与温度，并反馈给控制器；利用海底钻机上的接卸装置将保压总成与卡簧座连接，配合保压总成中的密封圈，实现对内管总成下端的紧固连接；利用海底钻机上的机械手握紧滑阀并带动滑阀沿内管接头向下运动直至与限位座接触为止，滑阀处于关闭状态，配合内管接头侧壁上的排水孔的上方和下方的O形密封圈，完成内管总成上端部的保压密封；

（5）本发明在从海底回收至海面过程中，由于外界海水压力不断减小以及外界海水温度不断升高，压力传感器和温度传感器分别采集内管总成内的实时压力与温度，保压总成的保压筒内腔预充的惰性气体将推动活塞向上移动，以补偿内管总成内部的压力损失；与此同时，控制器输入端接受来自温度传感器的实时温度信号，控制器输出端输出控制信号，控制半导体制冷片中的工作电流来控制制冷功率，半导体制冷片冷端B通过导热板使保压筒内的温度一直保持指定深度的温度值，热端C通过散热片将热量转移到海水中。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的海底天然气水合物保真绳索取芯钻具设有保压总成和保温总成，可实现在保持海底原位压力与温度的情况下高质量获取海底天然气水合物保真岩芯样品。

2、本发明的海底天然气水合物保真绳索取芯钻具设有滑阀和保压总成，当海底天然气水合物保真绳索取芯钻具完成海底天然气水合物取样作业后，只需关闭滑阀和对接保压总成即可实现对所取样品的保压密封，操控方便可靠。

3、本发明的海底天然气水合物保真绳索取芯钻具可对跑钻事故进行实时自动报警，此时操作人员即可进行干预处理，有效避免因连续多根内管总成发生跑钻而导致钻孔报废的难题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的内管总成的结构示意图。

图3为图2中的A-A剖面视图。

图4为本发明的控制器电路图。

图5为本发明的内管接头的结构示意图。

图6为本发明的跑钻状态结构示意图。

图7是本发明的保压总成与内管总成紧固连接密封后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，包括外管总成2、内管总成30、保压总成43、保温总成33、跑钻监测总成11、温度传感器28、压力传感器29；所述外管总成2包括外管31、扩孔器34和钻头38，外管31底部与扩孔器34顶部连接，扩孔器34底部与环形钻头38连接；所述内管总成30安装在外管总成2内，内管总成30包括弹卡机构、内管3001、岩芯管32、卡簧37和卡簧座36，弹卡机构设置在外管31内顶部，弹卡机构底部与跑钻监测总成11顶部固定连接，跑钻监测总成11底部通过单动机构与内管接头24上端连接，内管接头24下端与内管3001的上端连接，岩芯管32套装在内管3001中，内管3001的下端与卡簧座36连接，卡簧座36上设有卡簧37，卡簧座36与保压总成43连接；所述保温总成33安装在内管总成30外壁上；所述温度传感器28、压力传感器29安装在内管接头24底部。

所述弹卡机构包括捞矛头1、弹卡组件7、收卡筒3、滑阀22、弹卡支架4，收卡筒3固定在弹卡支架4外侧上部，收卡筒3上端与捞矛头1固定连接，弹卡支架4中部设有安装孔，所述弹卡组件7由四块弹卡板首尾相连相互铰接而成，所述外管31上部内壁上设有环形凹槽，环形凹槽所处空间形成弹卡室101，所述弹卡组件7外侧边缘卡设于弹卡室101内，弹卡组件7上部（即位于上方的两块弹卡板的铰接点）用固定销6穿过安装孔铰接在弹卡支架4上且可沿安装孔上下移动，弹卡组件7下部（即位于下部的两块弹卡板701、702的铰接点）用圆柱销8铰接在弹卡支架4上，弹卡支架4与弹卡组件7上部之间设有弹簧Ⅰ5，弹卡组件7底部固定有磁铁座9，磁铁座9上设有磁铁10，弹卡支架4底部连接跑钻监测总成11。

所述跑钻监测总成11包括控制舱12、电源15、位置传感器13、控制器17、声信号发生器16，所述控制舱12顶部与弹卡支架4底部固定连接，位置传感器13、电源15、声信号发生器16、控制器17放置在控制舱12内，电源15分别与位置传感器13、声信号发生器16、控制器17连接，位置传感器13的探测杆伸出控制舱12并对应于磁铁10设置，位置传感器13通过电线Ⅰ14与控制器17连接，控制器17与声信号发生器16连接；所述控制舱12外壁上设有挂环18，外管31中间内壁上设有用于对挂环18进行限位的限位销19。

所述单动机构包括芯管连接轴39、轴承20、内管端盖21及锁紧螺母25，芯管连接轴39的上端与控制舱12底部固定连接，所述的内管端盖21安装在内管接头24的上端；芯管连接轴39穿过内管端盖21，芯管连接轴39的下端设有锁紧螺母25，内管端盖21的下端面与锁紧螺母25之间设有弹簧Ⅱ23；芯管连接轴39上部设有凸缘，凸缘通过轴承20支撑在内管端盖21上。

所述滑阀22安装在内管接头24侧壁上，内管3001与内管接头24连接处设有限位台3002，内管接头24底部设有排水孔26，排水孔26通过回水球阀27与岩芯管32连通，排水孔26的上方和下方分别设有一O形密封圈Ⅰ2401。

所述保压总成43包括滑动套筒41、保压筒4305、活塞45及充气阀44；保压筒4305内腔设有活塞45，保压筒4305内活塞45与保压筒4305底部之间的腔隙与充气阀44连通，保压筒4305外壁上部设有多个位于同一水平面的钢珠孔4301，钢珠孔4301内分别放置有钢珠4302；所述保压筒4305内壁上还设有密封槽4303；滑动套筒41套装在保压筒4305外壁上部，滑动套筒41内壁与保压筒4305外壁之间设有弹簧Ⅲ42，滑动套筒41内壁上设有可收纳钢珠4302的半圆形凹槽4101。

所述保温总成33通过导热硅胶与内管总成30外壁粘接，保温总成33包括多级半导体制冷片3301、电线3302、电极座3303，半导体制冷片3301由导热板40与散热片3304夹紧，且夹紧接触面之间涂有导热硅脂；导热板40采用高导热率材料制造；半导体制冷片3301冷端B通过导热板40与内管总成30外壁连接，半导体制冷片3301热端C安装有散热片3304；每级半导体制冷片3301分别与各电极座3303连接，各电极座3303之间通过电线3302进行串联，电线3302通过水密电缆线Ⅳ1404与控制器17连接。

所述芯管连接轴39与跑钻监测总成11之间设有密封圈3901；所述芯管连接轴39与内管端盖21之间设有密封圈2102；所述内管端盖21和内管接头24之间设有密封圈2101；所述内管接头24和内管3001之间设有密封圈2402；所述内管3001和卡簧座36之间设有密封圈3601；所述位置传感器13的探测杆与控制舱12之间设有密封圈1301；所述活塞45与保压筒4305内腔之间设有密封圈4501；所述密封槽4303内均设有密封圈4304。

所述芯管连接轴39上端与下端中心处分别设有一个水密接头35，压力传感器29连接水密电缆线Ⅰ1401的一端，水密电缆线Ⅰ1401的另一端穿过两个水密接头35与控制器17连接；温度传感器28连接水密电缆线Ⅱ1402的一端，水密电缆线Ⅱ1402的另一端穿过两个水密接头35与控制器17连接；半导体制冷片3301冷端B连接水密电缆线Ⅲ1403的一端，水密电缆线Ⅲ1403的另一端穿过水密接头35与控制器17连接；半导体制冷片3301热端C连接水密电缆Ⅳ线的一端，水密电缆线Ⅳ的另一端穿过水密接头35与控制器17连接。

如图4所示，所述的控制器的主控芯片的型号是STC89C51，主控芯片的管脚P1.0为位置传感器13信号入口，P1.1为温度传感器28信号入口，P1.2为压力传感器29信号入口。P2.3作为电流增大输出端，P2.4作为电流减少输出端。端口K1，K2，K3作为按键SET、按键DOWN、按键UP的输入，可以自动控制脉冲发送频率，经单片机处理后转化为相应的脉冲信号来控制半导体制冷片3301的工作电流，进而控制制冷功率，达到制冷效果。P1.1测得的实际温度信号与单片机给出的温度信号进行比较，通过PID控制调整半导体制冷片3301的工作电流。当发生跑钻事故后，管脚P1.0将接收来自位置传感器13的跑钻信号，经控制器17处理后转化为相应的脉冲信号来控制声信号发生器16发出跑钻声信号。

本发明的使用方法如下：

（1）在海底钻机下放入海之前，首先利用海底钻机上的接卸装置将本发明的保压总成43与内管总成30分离，保压总成43暂存在海底钻机上的接卸装置内，内管总成30放置在海底钻机的储管架上。然后，通过充气阀44向保压总成43的保压筒4305内腔预充0.25-0.3倍海底天然气水合物钻探点水深压力的惰性气体，使得活塞45移动至保压筒4305的顶部位置。在本发明与海底钻机一同从水面下放至海底天然气水合物钻探点过程中，在外界海水压力的作用下活塞45将向下运动，直至保压筒4305内腔的惰性气体压力与外部海水对应水深压力相等为止。

（2）海底钻机到达指定的海底天然气水合物钻探点后，利用海底钻机上的机械手从储管架上抓取内管总成30并移动至钻孔孔口；利用绳索打捞绞车将内管总成30下放至钻孔孔底的外管总成2内，内管总成30的挂环18悬挂于外管总成2的限位销19上，弹卡组件7在弹簧Ⅰ5作用下张开并进入外管总成2的弹卡室101内并卡紧；

（3）取芯钻进时，通过海底钻机驱动外管总成2旋转、外管总成2底部的环形钻头38旋切进入深海海底目标地层中，与此同时岩芯将经过外管总成2的环形钻头38逐渐进入内管总成30，岩芯管32内的海水通过排水孔26向外排水；由于岩芯在进入内管总成30过程中与内管总成30产生摩擦，岩芯将对内管总成30施以向上的作用力，当该向上的作用力大于弹卡室101对弹卡组件7的支撑力时，弹卡组件7将回缩，导致弹卡室101对内管总成30的卡紧限位失效，内管总成30沿着外管总成2向上运动，从而造成跑钻事故；

当发生跑钻事故时，由于弹卡组件7回缩，固定在弹卡板底部侧面的磁铁座9及磁铁座9上的磁铁10顺时针旋转一个角度，此时磁铁10与位置传感器13的探测杆之间的距离缩短，进而促使磁铁10触发位置传感器13发出跑钻信号，控制器17输入端接受来自位置传感器13的跑钻信号，控制器17输出端输出控制信号通过外管总成2传递给钻机上的声信号接收器上，从而指导操作人员及时干预处理；

（4）取芯钻进结束后，利用海底钻机上绳索打捞绞车将内管总成30提至孔口，弹卡室101对弹卡组件7的径向约束解除，收卡筒3位置沿轴向下移动；通过压力传感器29、温度传感器28分别采集内管总成30内的实时压力与温度，并反馈给控制器17；利用海底钻机上的接卸装置将保压总成43与卡簧座36连接，配合保压总成43中的密封圈，实现对内管总成30下端的紧固连接；利用海底钻机上的机械手握紧滑阀22并带动滑阀22沿内管接头24向下运动直至与限位座接触为止，滑阀22处于关闭状态，配合内管接头24侧壁上的排水孔26的上方和下方的O形密封圈，完成内管总成30上端部的保压密封；

（5）本发明在从海底回收至海面过程中，由于外界海水压力不断减小以及外界海水温度不断升高，压力传感器29和温度传感器28分别采集内管总成30内的实时压力与温度，保压总成43的保压筒4305内腔预充的惰性气体将推动活塞45向上移动，以补偿内管总成30内部的压力损失；与此同时，控制器17输入端接受来自温度传感器28的实时温度信号，控制器17输出端输出控制信号，控制半导体制冷片3301中的工作电流来控制制冷功率，半导体制冷片3301冷端B通过导热板40使保压筒4305内的温度一直保持指定深度的温度值，热端C通过散热片3304将热量转移到海水中。

Claims (10)

1.一种海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，其特征在于：包括外管总成、内管总成、保压总成、保温总成、跑钻监测总成、温度传感器、压力传感器；所述外管总成包括外管、扩孔器和钻头，外管底部与扩孔器顶部连接，扩孔器底部与环形钻头连接；所述内管总成安装在外管总成内，内管总成包括弹卡机构、内管、岩芯管、卡簧和卡簧座，弹卡机构设置在外管内顶部，弹卡机构底部与跑钻监测总成顶部固定连接，跑钻监测总成底部通过单动机构与内管接头上端连接，内管接头下端与内管的上端连接，岩芯管套装在内管中，内管的下端与卡簧座连接，卡簧座上设有卡簧，卡簧座与保压总成连接；所述保温总成安装在内管总成外壁上；所述温度传感器、压力传感器安装在内管接头底部。

2.根据权利要求1所述的海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，其特征在于：所述弹卡机构包括捞矛头、弹卡组件、收卡筒、弹卡支架，收卡筒固定在弹卡支架外侧上部，收卡筒上端与捞矛头固定连接，弹卡支架中部设有安装孔，所述弹卡组件由四块弹卡板首尾相连相互铰接而成，所述外管上部内壁上设有环形凹槽，环形凹槽所处空间形成弹卡室，所述弹卡组件外侧边缘卡设于弹卡室内，弹卡组件上部用固定销穿过安装孔铰接在弹卡支架上且可沿安装孔上下移动，弹卡组件下部用圆柱销铰接在弹卡支架上，弹卡支架与弹卡组件上部之间设有弹簧Ⅰ，弹卡组件底部固定有磁铁座，磁铁座上设有磁铁，弹卡支架底部连接跑钻监测总成。

3.根据权利要求2所述的海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，其特征在于：所述跑钻监测总成包括控制舱、电源、位置传感器、控制器、声信号发生器，所述控制舱顶部与弹卡支架底部固定连接，位置传感器、电源、声信号发生器、控制器放置在控制舱内，电源分别与位置传感器、声信号发生器、控制器连接，位置传感器的探测杆伸出控制舱并对应于磁铁设置，位置传感器与控制器连接，控制器与声信号发生器连接；所述控制舱外壁上设有挂环，外管中间内壁上设有用于对挂环进行限位的限位销。

4.根据权利要求3所述的海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，其特征在于：所述单动机构包括芯管连接轴、轴承、内管端盖及锁紧螺母，芯管连接轴的上端与控制舱底部固定连接，所述的内管端盖安装在内管接头的上端；芯管连接轴穿过内管端盖，芯管连接轴的下端设有锁紧螺母，内管端盖的下端面与锁紧螺母之间设有弹簧Ⅱ；芯管连接轴上部设有凸缘，凸缘通过轴承支撑在内管端盖上。

5.根据权利要求1所述的海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，其特征在于：所述内管总成还包括滑阀，滑阀安装在内管接头侧壁上，内管与内管接头连接处设有限位台，内管接头底部设有排水孔，排水孔与岩芯管连通，排水孔的上方和下方分别设有一O形密封圈Ⅰ。

6.根据权利要求1所述的海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，其特征在于：所述保压总成包括滑动套筒、保压筒、活塞及充气阀；保压筒内腔设有活塞，保压筒内活塞与保压筒底部之间的腔隙与充气阀连通，保压筒外壁上部设有多个位于同一水平面的钢珠孔，钢珠孔内分别放置有钢珠；所述保压筒内壁上还设有密封槽；滑动套筒套装在保压筒外壁上部，滑动套筒内壁与保压筒外壁之间设有弹簧Ⅲ，滑动套筒内壁上设有可收纳钢珠的半圆形凹槽。

7.根据权利要求1所述的海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，其特征在于：所述保温总成通过导热硅胶与内管总成外壁粘接，保温总成包括多级半导体制冷片、电线、电极座，半导体制冷片由导热板与散热片夹紧，且夹紧接触面之间涂有导热硅脂；导热板采用高导热率材料制造；半导体制冷片冷端通过导热板与内管总成外壁连接，半导体制冷片热端安装有散热片；每级半导体制冷片分别与各电极座连接，各电极座之间通过电线进行串联，电线通过水密电缆线与控制器连接。

8.根据权利要求4所述的海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，其特征在于：所述芯管连接轴与跑钻监测总成之间、所述芯管连接轴与内管端盖之间、所述内管端盖和内管接头之间、所述内管接头和内管之间、所述内管和卡簧座之间、所述位置传感器的探测杆与控制舱之间均设有密封圈。

9.根据权利要求8所述的海底天然气水合物保真绳索取芯钻具，其特征在于：所述芯管连接轴上端与下端中心处分别设有一个水密接头，压力传感器连接水密电缆线I的一端，水密电缆线I的另一端穿过两个水密接头与控制器连接；温度传感器连接水密电缆线II的一端，水密电缆线II的另一端穿过两个水密接头与控制器连接；半导体制冷片冷端C连接水密电缆线III的一端，水密电缆线III的另一端穿过水密接头与控制器连接；半导体制冷片热端B连接水密电缆Ⅳ线的一端，水密电缆线Ⅳ的另一端穿过水密接头与控制器连接。

10.一种根据权利要求9所述的海底天然气水合物保真绳索取芯钻具的操作方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）在海底钻机下放入海之前，首先利用海底钻机上的接卸装置将保压总成与内管总成分离，保压总成暂存在海底钻机上的接卸装置内，内管总成放置在海底钻机的储管架上；然后，通过充气阀向保压总成的保压筒内腔预充0.25-0.3倍海底天然气水合物钻探点水深压力的惰性气体，使得活塞移动至保压筒的顶部位置；在钻具与海底钻机一同从水面下放至海底天然气水合物钻探点过程中，在外界海水压力的作用下活塞将向下运动，直至保压筒内腔的惰性气体压力与外部海水对应水深压力相等为止；

（2）海底钻机到达指定的海底天然气水合物钻探点后，利用海底钻机上的机械手从储管架上抓取内管总成并移动至钻孔孔口；利用绳索打捞绞车将内管总成下放至钻孔孔底的外管总成内，内管总成的挂环悬挂于外管总成的限位销上，弹卡组件在弹簧Ⅰ作用下张开并进入外管总成的弹卡室内并卡紧；

（3）取芯钻进时，通过海底钻机驱动外管总成旋转、外管总成底部的环形钻头旋切进入深海海底目标地层中，与此同时岩芯将经过外管总成的环形钻头逐渐进入内管总成，岩芯管内的海水通过排水孔向外排水；由于岩芯在进入内管总成过程中与内管总成产生摩擦，岩芯将对内管总成施以向上的作用力，当该向上的作用力大于弹卡室对弹卡组件的支撑力时，弹卡组件将回缩，导致弹卡室对内管总成的卡紧限位失效，内管总成沿着外管总成向上运动，从而造成跑钻事故；

当发生跑钻事故时，由于弹卡组件回缩，固定在弹卡板底部侧面的磁铁座及磁铁座上的磁铁顺时针旋转一个角度，此时磁铁与位置传感器的探测杆之间的距离缩短，进而促使磁铁触发位置传感器发出跑钻信号，控制器输入端接受来自位置传感器的跑钻信号，控制器输出端输出控制信号通过外管总成传递给钻机上的声信号接收器上，从而指导操作人员及时干预处理；

（4）取芯钻进结束后，利用海底钻机上绳索打捞绞车将内管总成提至孔口，弹卡室对弹卡组件的径向约束解除，收卡筒位置沿轴向下移动；通过压力传感器、温度传感器分别采集内管总成内的实时压力与温度，并反馈给控制器；利用海底钻机上的接卸装置将保压总成与卡簧座连接，配合保压总成中的密封圈，实现对内管总成下端的紧固连接；利用海底钻机上的机械手握紧滑阀并带动滑阀沿内管接头向下运动直至与限位座接触为止，滑阀处于关闭状态，配合内管接头侧壁上的排水孔的上方和下方的O形密封圈，完成内管总成上端部的保压密封；

（5）本发明在从海底回收至海面过程中，由于外界海水压力不断减小以及外界海水温度不断升高，压力传感器和温度传感器分别采集内管总成内的实时压力与温度，保压总成的保压筒内腔预充的惰性气体将推动活塞向上移动，以补偿内管总成内部的压力损失；与此同时，控制器输入端接受来自温度传感器的实时温度信号，控制器输出端输出控制信号，控制半导体制冷片中的工作电流来控制制冷功率，半导体制冷片冷端B通过导热板使保压筒内的温度一直保持指定深度的温度值，热端C通过散热片将热量转移到海水中。

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