CN113530485B - 化学保温保压取芯方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化学保温保压取芯方法，岩芯取至保压舱后，利用吸热反应使岩芯保持低温。吸热反应的反应物包括固态药品，所述固态药品固态药品为固态氢氧化钡与固态氯化铵的混合物，遇水可发生吸热反应；固态药品预装在药品舱内，药品舱设于取芯器内；当需要进行所述吸热反应时，向所述药品舱中添加水。本发明通过化学反应来实现低温环境，可用于天然气水合物的取样；本发明中化学反应的触发依靠中心杆原本的动作以及机械阀门来实现，不仅无需排布导线，可降低能耗；而且使得化学反应与岩芯进入保压舱几乎同时进行。其结构设计巧妙、科学合理，操作也十分方便。

Description

化学保温保压取芯方法

技术领域

本发明涉及取芯装置技术领域，尤其涉及化学保温保压取芯方法。

背景技术

天然气水合物是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。形成可燃冰有三个基本条件：温度、压力和原材料。首先，低温：可燃冰在0—10℃时生成，超过20℃便会分解。海底温度一般保持在2—4℃左右；

其次，高压：可燃冰在0℃时，只需30个大气压即可生成，而以海洋的深度，30个大气压很容易保证，并且气压越大，水合物就越不容易分解。

最后，充足的气源：海底的有机物沉淀，其中丰富的碳经过生物转化，可产生充足的气源。海底的地层是多孔介质，在温度、压力、气源三者都具备的条件下，可燃冰晶体就会在介质的空隙间中生成。

专利文献CN209228327U公开了一种取岩芯装置，这也是目前比较成熟的保压取芯器。其通过各部件的相互协同配合，实现岩芯的钻进、抓取及移送至取芯保真舱，能高稳定、高性能、高效率地完成岩芯的钻取。然而，专利文献CN209228327U公开的取岩芯装置未设置冷冻装置，无法使钻取的岩心处于低温环境，不能用于钻取可燃冰。

专利文献CN210118109U公开的保真取芯装置，CN201327453Y公开的天然气水合物孔底冷冻取样器，其冷冻剂均采用的液氮。

由于取芯的整个过程分为：（1）取芯器下放；（2）可燃冰钻取；（3）取芯器提升三个步骤。而可燃冰的环境温度变化仅发生在第三个步骤（取芯器提升）中。采用液氮作为冷冻剂，其冷冻时间段为整个取芯过程，可能会出现在进入第三个步骤之前，液氮温度就上升的情况。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供化学保温保压取芯方法。

本发明通过下述技术方案实现：

化学保温保压取芯方法，岩芯取至保压舱后，利用吸热反应或放热反应使岩芯保温。

优选地，化学反应的反应物包括固态药品，所述固态药品遇水可发生吸热反应或放热反应。

进一步优选地，固态药品为固态氢氧化钡与固态氯化铵的混合物。固态氢氧化钡与固态氯化铵的混合物遇水会发生吸热反应。

或者，固态药品为氧化钙或铁粉，氧化钙或铁粉遇水会发生放热反应。

进一步的，将所述固态药品预装在药品舱内，药品舱设于取芯器内，药品舱设有进液口；

当需要进行所述吸热反应或放热反应时，向所述药品舱中添加水。

进一步的，所述药品舱为与所述取芯器同轴的筒形。

进一步的，在取芯器的钻机外筒的筒壁内设置夹层来作为所述药品舱。

进一步的，药品舱的进液口安装单向阀，单向阀的进液口设触发阀门，触发阀门用于阻挡取芯器内部的液体进入所述单向阀；

当需要进行所述吸热反应或放热反应时，开启触发阀门，取芯器内部的液体经所述触发阀、单向阀进入所述夹层，固态药品遇水发生吸热反应或放热反应。

进一步的，所述触发阀门包括触发活塞，阀门关闭时，所述触发活塞的一端伸到触发阀的外部；

在取芯器的中心杆上设有用于触发所述触发活塞的凸起部，通过向上提升中心杆，使所述凸起部推动所述触发活塞向内移动来开启所述触发阀。

进一步的，凸起部的端部有引导面。

进一步的，当中心杆相对于钻机外筒移动至上止点时，触发阀门开启，取芯器的岩心筒位于所述夹层内围。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1，本发明通过化学反应来使岩芯保持低温或高温，可用于天然气水合物的取样；相比于采用液氮，低温酒精等冷冻液制冷方式，本发明保温的时间段是可控的；避免了液氮在发挥冷冻作用之前温度上升的问题；

2，本发明中化学反应的触发依靠中心杆原本的动作来实现，使得保温时间段与取芯器提升同步进行，操作方便；

3，本发明在提芯的时候，中心杆触发阀门，使水进入药品舱，吸热反应开始，可保持可燃冰岩芯的温度不会升高，防止分解。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施方式的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施方式的限定。

图1是中心杆未提升时化学保温保压取芯器的结构示意图；

图2是图1中A1处的局部放大图；

图3是图2中A2处的局部放大图；

图4是图3中C处的局部放大图；

图5是图2中B处的局部放大图；

图6是本发明中组合阀的三维图；

图7是本发明中组合阀的端面视图；

图8是触发活塞位于第一位置时组合阀的剖视图；

图9是触发活塞位于第二位置时组合阀的剖视图；

图10是中心杆提升至上止点时化学保温保压取芯器的结构示意图；

图11是图10中A3处的局部放大图；

图12是图11中C1处的局部放大图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

本发明公开的化学保温保压取芯方法，当岩芯取至保压舱后，利用吸热反应或放热反应使岩芯保温。

化学反应的反应物包括固态药品，固态药品遇水可发生吸热或放热反应。

实施例一

本实施例中固态药品选用固态氢氧化钡与固态氯化铵的混合物。固态氢氧化钡与固态氯化铵的混合物混合在一起不会发生化学反应，当遇水后会才会发生反应。

将所述固态药品预装在药品舱内，药品舱设于取芯器内，药品舱设有进液口。当需要进行所述吸热反应时，向所述药品舱中添加水即可。

药品舱为与所述取芯器同轴的筒形为宜。当中心杆相对于钻机外筒移动至上止点时，取芯器的岩心筒位于所述药品舱内围，可增强冷冻效果。

实施例二

本实施例中固态药品选用氧化钙或铁粉。氧化钙或铁粉与水反应可放热。

实施例三

如图1、2、3、4所示，本实施例公开一种可用于实现上述化学保温保压取芯方法的化学保温保压取芯器。该化学保温保压取芯器包括中心杆3、钻机外筒1和岩心筒4，钻机外筒1下部设有保压阀5。钻机外筒1的筒壁内设有夹层13，夹层13位于保压阀5的上方。

夹层13有进液口，夹层的进液口处装有单向阀，单向阀的入口与触发阀的出口相连，触发阀包括触发活塞24，阀门关闭时，触发活塞24的一端伸到触发阀的外部。

中心杆3上有用于触发触发活塞24的凸起部31，当向上提升中心杆3至一定高度，凸起部31可推动触发活塞24向内移动继而打开触发阀，使得取芯器内的液体可经触发阀、单向阀进入夹层13，从而使得反应物16与水发生吸热反应或放热反应，达到冷冻或加热的目的。

本实施例方式中，单向阀与触发阀的阀体一体制造。如图4、6、7、8、9所示，阀体21为与钻机外筒1适配的圆筒状，阀体21装在钻机外筒1内壁的环形槽中；阀体21的中心孔道构成主流道20，阀体21的侧壁内设有至少一个分流道，分流道包括第一流道211和第二流道212，在第二流道212中装有单向阀芯构成单向阀，单向阀芯只允许介质从第一流道211流向第二流道212；

第一流道211的进口与阀体21的主流道20连通，第二流道212的进口213与第一流道211连通，第二流道212的出口与夹层13连通，将触发活塞24装在第一流道211中构成触发阀。

如图4、8所示，当触发活塞24位于第一位置时，触发活塞24封闭住第一流道211的进口和/或密封住第二流道212的进口213；

如图9、11、12所示，当触发活塞24位于第二位置时，第一流道211的进口和第二流道212的进口213均打开，液体可经第一流道211流入第二流道212；

如图8、9所示，当触发活塞24位于第一位置时，触发活塞24的一端外凸于主流道20的侧壁；当向上提升中心杆3至一定高度，凸起部31可推动触发活塞24从第一位置移动至第二位置。

本实施方式中触发活塞24可径向移动。触发活塞24的端部有引导面241，使得当沿阀体21的轴向给引导面241一个外力时，可使触发活塞24径向向外移动。

本实施方式中，第一流道211为阶梯孔，阶梯孔的小端与主流道20贯通；触发活塞24为与第一流道211匹配的阶梯状。为能实现触发活塞24的安装，第二流道212的径向贯穿阀体21的内外侧壁，从而可从阀体21外侧将触发活塞24装进第一流道211。触发活塞24的长度不大于阀体21的壁厚为宜。

触发活塞24的大端与第一流道211间设有两道密封圈22；当触发活塞24位于第一位置时，第二流道212的进口213位于两道密封圈22之间，使得液体无法从第一流道211进入第二流道212；当触发活塞24位于第二位置时，两道密封圈22位于第二流道212的进口213的外侧，使得液体可从第一流道211的内端进入第二流道212。

本实施方式中单向阀芯包括球体23和轴向的弹簧25，球体23在弹簧25的作用下堵住第二流道212的进口213。

第二流道212的出口安装有控制阀26，控制阀26上有流道控制孔261，控制阀26与阀体21可拆卸连接。流道控制孔261的大小根据需要设置。实际运用中，可制作多种规格的控制阀26，不同规格的控制阀26的流道控制孔261大小不同。需要改变流量时，只需换上对应规格的控制阀26即可。

分流道的数量根据需要设置，在阀体21的侧壁内设有至少两个分流道为宜。

如图6、7所示，本实施方式中阀体21的侧壁内设有四个分流道。四个分流道沿阀体21的圆周方向等间隔设置。

钻机外筒1包括同轴的内筒12与外筒13，内筒12与外筒13的环空构成夹层13。夹层13的外侧设有保温层14，保温层附着于外筒13的筒壁上。内筒12与外筒13为金属材质。

内筒12上端与外筒13之间环空的上端口由可打开的单向阀封堵，环空的下端口由密封装置15密封，继而在内筒12与外筒13之间构成用于装反应物的夹层13。

外筒13的上端超出内筒12的上端，组合阀2的阀体21装于外筒13内，在阀体21的外侧壁与外筒13的内侧壁之间设有密封圈22。阀体21下端与内筒12上端面接触，阀体21的内径等于内筒12的内径。

以下结合图1-12说明本发明的工作原理：

随着取芯钻头的钻进，岩芯进入岩芯筒4，停钻后，向上提拉中心杆3，中心杆3带动岩芯筒4及岩芯一起向上移动；这是本领域的常规技术，此处不再赘述；

当中心杆3上的凸起部31移动至触发活塞24处时，触发活塞24收到凸起部31的作用力而沿第一流道211径向向外移动，随着中心杆3的继续提升，触发活塞24从第一位置移动至第二位置，取芯器内部的液体经第一流道211流入第二流道212，流进夹层13中，与夹层13中的反应物16发生吸热反应或放热反应。

当中心杆3提升至一定高度后，保压阀5自动关闭，实现保压取芯；这是本领域的常规技术，此处不再赘述。

当中心杆3继续提升至上止点时，岩心筒4正好上移至夹层13内围区域，夹层13内发生的吸热反应或放热反应，正好可对岩心筒4内的岩芯进行冷冻或加热处理，使岩芯处于低温环境或高温环境。

在另一个实施方式中，单向阀与触发阀的阀体为独立部件。相当于将阀体21上下分成两部分，一部分作为单向阀的阀体，另一部分作为触发阀的阀体。

本发明通过化学反应来实现低温环境或高温环境；化学反应的触发依靠中心杆原本的动作以及机械阀门来实现，不仅无需排布导线，可降低能耗；而且使得化学反应与岩芯进入保压舱几乎同时进行。其结构设计巧妙、科学合理，操作也十分方便。本发明尤其适用于可燃冰的钻取。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.化学保温保压取芯方法，其特征在于：岩芯取至保压舱后，利用吸热反应或放热反应使岩芯保温；

化学反应的反应物包括固态药品，所述固态药品遇水可发生吸热反应或放热反应；

将所述固态药品预装在药品舱内，药品舱设于取芯器内，药品舱设有进液口；

当需要进行所述吸热反应或放热反应时，向所述药品舱中添加水；

在取芯器的钻机外筒的筒壁内设置夹层来作为所述药品舱，药品舱的进液口安装单向阀，单向阀的进液口设触发阀门，触发阀门用于阻挡取芯器内部的液体进入所述单向阀；

当需要进行所述吸热反应或放热反应时，开启触发阀门，取芯器内部的液体经所述触发阀、单向阀进入所述夹层，固态药品遇水发生吸热反应或放热反应；

所述触发阀门包括触发活塞，阀门关闭时，所述触发活塞的一端伸到触发阀的外部；

在取芯器的中心杆上设有用于触发所述触发活塞的凸起部，通过向上提升中心杆，使所述凸起部推动所述触发活塞向内移动来开启所述触发阀。

2.根据权利要求 1所述的化学保温保压取芯方法，其特征在于：固态药品为固态氢氧化钡与固态氯化铵的混合物，或固态药品为氧化钙，或固态药品为铁粉。

3.根据权利要求1或2所述的化学保温保压取芯方法，其特征在于：所述药品舱为与所述取芯器同轴的筒形。

4.根据权利要求1所述的化学保温保压取芯方法，其特征在于：凸起部的端部有引导面。

5.根据权利要求1所述的化学保温保压取芯方法，其特征在于：当中心杆相对于钻机外筒移动至上止点时，触发阀门开启，取芯器的岩心筒位于所述夹层内围。

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