CN113622853B - 一种可燃冰取芯装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可燃冰取芯装置及方法，其中，一种可燃冰取芯装置，包括：取芯器，所述取芯器包括用于存储可燃冰的取芯仓；温度传感器，所述温度传感器设于所述取芯仓上方；导热盘管，所述导热盘管包括输入口和输出口，所述导热盘管围设于所述取芯仓的外侧壁；冷料输送管，所述冷料输送管包括输入管和输出管，所述输入管与所述输入口连通；所述输出管的与所述输出口连通；流量控制阀，所述流量控制阀与所述冷料输送管连接，且与所述温度传感器通信连接。通过在取芯过程中，通过监测并及时通入冷料进行热交换，保证所述取芯仓内的温度保持在原位温度，进而避免原位温度散失。

Description

一种可燃冰取芯装置及方法

技术领域

本发明涉及海洋技术领域，尤其涉及一种可燃冰取芯装置及方法。

背景技术

天然气水合物是水和天然气在高压、低温等条件下形成的一种“笼型化合物”，因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”。

压力在一定程度上维持了可燃冰的赋存状态，但在取芯过程中的热量交换导致了可燃冰原位温度散失，对可燃冰岩芯赋存状态、信息维持、储量评估等都具有重大影响，难以建立深海可燃冰原位物理力学性质与勘探开发理论技术框架。

因此，现有技术还有待提升。

发明内容

为了解决现有技术中可燃冰在取芯过程中原位温度散失，难以建立深海可燃冰原位物理力学性质与勘探开发理论技术框架的问题，本发明提出一种可燃冰取芯装置及方法，通过在取芯过程中，通过监测并及时通入冷料进行热交换，保证所述取芯仓内的温度保持在原位温度，进而避免原位温度散失。

本发明通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明提供一种可燃冰取芯装置，包括：

取芯器，所述取芯器包括用于存储可燃冰的取芯仓；

温度传感器，所述温度传感器设于所述取芯仓上方；

导热盘管，所述导热盘管包括输入口和输出口，所述导热盘管围设于所述取芯仓的外侧壁；

冷料输送管，所述冷料输送管包括输入管和输出管，所述输入管与所述输入口连通；所述输出管的与所述输出口连通；

流量控制阀，所述流量控制阀与所述冷料输送管连接，且与所述温度传感器通信连接。

通过设置所述取芯器对可燃冰进行取芯并存储在所述取芯仓中，通过设置所述温度传感器设于所述取芯仓上方用于对所述取芯仓的温度进行检测，并在所述取芯仓的外侧壁设置所述导热盘管，且所述导热盘管的输入口以及输出口与所述冷料输送管的输入管以及所述输出管连接，所述流量控制阀与所述冷料输送管连接用于控制所述冷料输送管的流量，且所述流量控制阀与所述温度传感器通信连接，当所述温度传感器检测到所述取芯仓的温度基于原位温度发生变化时，所述流量控制阀基于所述温度传感器检测结果控制所述冷料输送管的流量，进而控制所述导热盘管内的冷料流量，平衡取芯过程中的热量交换，进而达到保证取芯过程中取芯仓保持原位温度，使得建立深海可燃冰原位物理力学性质与勘探开发理论技术框架更加便利。

在本发明的其中一种实施方案中，所述导热盘管的输入口以及输出口设于所述导热盘管的同一端。

通过设置所述输入盘管的所述输入口以及所述输出口设于所述导热盘管的同一端，配合所述取芯器在下放和上提步骤的进行，使得整体结构设置更加合理，同时可以减少所述冷料输送管的用料。

在本发明的其中一种实施方案中，所述输入口与所述输出口设于同一水平面。

在本发明的其中一种实施方案中，所述流量控制阀与所述输入管连接。

通过设置所述流量控制阀与所述输入管连接，使得所述流量控制阀的控制更加合理。

在本发明的其中一种实施方案中，还包括滚珠轴承，所述滚珠轴承包括外圈和内圈，所述内圈与所述取芯器的外壁连接且与所述取芯器联动，所述外圈与所述导热盘管和/或所述冷料输送管连接实现限位。

通过设置滚珠轴承，且所述滚珠轴承的内圈与所述取芯器的外壁连接且与所述取芯器联动，所述滚珠轴承的外圈与所述导热盘管和/或所述冷料输送管连接限位，用于实现对导热盘管以及所述冷料输送管的限位、实现所述导热盘管、所述冷料输送管与所述取芯器之间的限位，同时避免了所述取芯器的转动对所述导热盘管与所述冷料输送管之间造成联动影响。

在本发明的其中一种实施方案中，所述滚珠轴承设有两个，分别为第一滚珠轴承和第二滚珠轴承，所述第一滚珠轴承设于所述导热盘管设有输出口和输入口的一端，所述第一滚珠轴承的滚珠轴承的外圈与所述冷料输送管连接，所述第二滚珠轴承设于与导热管盘上所述第二滚珠轴承相对的一端，所述第二滚珠轴承的外圈与所述导热管盘连接。

通过设置两个滚珠轴承，且分别设于所述导热盘管的两端，使得所述滚珠轴承的限位更加稳固。

在本发明的其中一种实施方案中，所述导热盘管为金属盘管，和/或，所述冷料输送管为软管。

通过设置所述导热盘管为金属盘管，使得所述导热盘管的导热性更强，对所述取芯仓的保温效果更好，通过设置所述冷料输送管为软管，在实现输料的同时，使得所述冷料管的收放更加方便。

在本发明的其中一种实施方案中，还包括液氮泵，所述液氮泵与所述流量控制阀连接。

通过设置所述液氮泵，且设置所述液氮泵与所述流量控制阀连接，用于提供冷料并为冷料在所述导热盘管以及所述冷料输送管内流动提供动力。

在本发明的其中一种实施方案中，还包括提拉中心杆，所述提拉中心杆与所述取芯器连接。

通过设置所述提拉中心杆且与所述取芯器连接，对所述取芯器进行提放。

第二方面，本发明还提供一种可燃冰取芯方法，用于如上述任一项所述的可燃冰取芯装置，包括步骤：

获取可燃冰原位温度；

监测取芯仓的温度，当监测到所述取芯仓温度基于所述原位温度发生温度变化时；

基于所述温度变化调整流量控制阀的流量。

通过获取所述可燃冰原位温度，以所述原位温度为基准监测所述取芯仓的温度变化，并基于所述取芯仓的温度变化通过所述流量控制阀调整围设于所述取芯仓外侧壁的导热盘管内的冷料流量，避免取芯仓在取芯过程中由于取芯热量交换或者取芯完成上升过程中温度变化造成所述原位温度散失，对可燃冰岩芯赋存状态、信息维持、储量评估等造成影响进而造成难以建立深海可燃冰原位物理力学性质与勘探开发理论技术框架。

本发明的有益效果在于：

一种可燃冰取芯装置及方法，通过设置所述取芯器对可燃冰进行取芯并存储在所述取芯仓中，通过设置所述温度传感器设于所述取芯仓上方用于对所述取芯仓的温度进行检测，并在所述取芯仓的外侧壁设置所述导热盘管，且所述导热盘管的输入口以及输出口与所述冷料输送管的输入管以及所述输出管连接，所述流量控制阀与所述冷料输送管连接用于控制所述冷料输送管的流量，且所述流量控制阀与所述温度传感器通信连接，当所述温度传感器检测到所述取芯仓的温度基于原位温度发生变化时，所述流量控制阀基于所述温度传感器检测结果控制所述冷料输送管的流量，进而控制所述导热盘管内的冷料流量，平衡取芯过程中的热量交换，进而达到保证取芯过程中取芯仓保持原位温度，使得建立深海可燃冰原位物理力学性质与勘探开发理论技术框架更加便利。

附图说明

图1是本发明一种可燃冰取芯装置结构示意图；

图2是图1中A的放大结构示意图；

图3是图1中B的放大结构示意图；

图4是本发明可燃冰取芯方法流程图。

图中：1、取芯器，10、取芯仓，2、温度传感器，3、导热盘管，30、输入口，31、输出口，4、冷料输送管，40、输入管，41、输出管，5、流量控制阀， 60、第一滚珠轴承，61、第二滚珠轴承，7、液氮泵。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

可燃冰已成为世界各国能源战略平衡发展必须考虑的重要因素，对可燃冰岩芯的研究是获取可燃冰原位赋存信息、揭示深海层理结构、探明海洋资源储量、探索海底微生物奥秘的主要信息来源。国内外可燃冰取样技术蓬勃发展，但如何基于主被动保温耦合保压实现可燃冰取芯技术仍是世界难题。

由于可燃冰储层成藏机理和地质背景极为复杂，失去原位温度、压力等条件时极易相变，造成岩芯赋存状态及原位信息和品质丧失，难以建立深海可燃冰原位物理力学性质与勘探开发理论技术框架等深海科学领域的核心共性基础科学问题。因此，可燃冰原位保温保压取芯原理与技术的开发势在必行。

压力在一定程度上维持了可燃冰的赋存状态，但取芯过程中的热量交换导致了可燃冰原位温度散失，对可燃冰岩芯赋存状态、信息维持、储量评估等都具有重大影响。因此，国内外也正开展保温保压取芯技术研发。日本JOGMEC首次发展了保温保压取芯器PTCS(Pressure Temperature Core Sampler)，利用绝缘内管作为被动保温，预期在30MPa的压力下工作。我国国家海洋局第一海洋研究所研发了可燃冰深水浅孔保温保压取芯钻具，利用双层真空结构达到保温目的。

可见对于保温取芯，目前主要停留在使用绝热涂层、真空夹层等方式实现被动保温，难以避免取芯提钻过程中的热量交换和损失。

为此本发明提出一种可燃冰取芯装置及方法，通过导热盘管从地面向孔底(取芯器的取芯端部)输送液氮，利用液氮的高效制冷效果和导热盘管提供的大传热面积以及高导热率实现对孔底可燃冰的原位温度保持，盘管液氮制冷方案配合温度控制模块可实现智能控温，提高温度控制的精度，延长保温的时间。

具体实施方案如下：

参见图1、图2和图3，本发明提供一种可燃冰取芯装置，包括：取芯器1、温度传感器2、导热盘管3、冷料输送管4、流量控制阀5，所述取芯器1包括用于存储可燃冰的取芯仓10；所述温度传感器2设于所述取芯仓10上方；所述导热盘管3包括输入口30和输出口31，所述导热盘管3围设于所述取芯仓10 的外侧壁；所述冷料输送管4包括输入管40和输出管41，所述输入管40与所述输入口30连通；所述输出管41的与所述输出口31连通；所述流量控制阀5与所述冷料输送管4连接，且与所述温度传感器2通信连接。

通过设置所述取芯器1对可燃冰进行取芯并存储在所述取芯仓10中，通过设置所述温度传感器2设于所述取芯仓10上方用于对所述取芯仓10的温度进行检测，并在所述取芯仓10的外侧壁设置所述导热盘管3，且所述导热盘管3 的输入口30以及输出口31与所述冷料输送管4的输入管40以及所述输出管41 连接，所述流量控制阀5与所述冷料输送管4连接用于控制所述冷料输送管4 的流量，且所述流量控制阀5与所述温度传感器2通信连接，当所述温度传感器2检测到所述取芯仓10的温度基于原位温度发生变化时，所述流量控制阀5 基于所述温度传感器2检测结果控制所述冷料输送管4的流量，进而控制所述导热盘管3内的冷料流量，平衡取芯过程中的热量交换，进而达到保证取芯过程中取芯仓10保持原位温度，使得建立深海可燃冰原位物理力学性质与勘探开发理论技术框架更加便利。

进一步的，在上述实施方案的基础上，所述导热盘管3为金属盘管，所述冷料输送管4为软管。

通过设置所述导热盘管3为金属盘管，使得所述导热盘管3的导热性更强，对所述取芯仓10的保温效果更好，通过设置所述冷料输送管4为软管，在实现输料的同时，使得所述冷料管的收放更加方便。

进一步的，在上述实施方案的基础上，还包括提拉中心杆，所述提拉中心杆与所述取芯器1连接。通过设置所述提拉中心杆且与所述取芯器1连接，对所述取芯器1进行提放。

具体的，所述提拉中心杆与所述取芯器1的另一端连接，所述提拉中心杆与所述取芯钻头相对设与所述取芯仓10的两端。

具体的，所述岩芯仓10在取芯器1内部，所述取芯器1的一端部设有取芯钻头，在取芯过程中，所述取芯器1下钻取芯，取芯仓10随取芯钻头向下插入岩芯，到达设定位置后，向上提拉所述提拉中心杆，岩芯取芯仓10带动岩芯随提拉中心杆上移，拉断岩芯，并将岩芯拉入取芯仓10中，取芯器和取芯仓属于成熟设计，可以根据实际需求设置不同的类型。

具体的，所述温度传感器2设于所述取芯仓10的上部，也可以设于所述提拉中心杆的内部且靠近所述取芯仓10的一端，可以根据使用环境、压力耐受等条件因素对所述温度传感器2进行设定，所述温度传感器2根据安装的位置可以进一步调整所述温度传感器2的初始温度，比如，所述温度传感器2设于比较靠近所述取芯仓10时，所述温度传感器2检测的温度与所述可燃冰的原位温度比较接近，初始值为0，当所述温度传感器2设于比较远离取芯仓10时，可以根据调试结果等将温度传感器2的初始温度设为负值等，以便对距离差做温度补偿。

进一步的，在上述实施方案的基础上，所述导热盘管3的输入口30以及输出口31设于所述导热盘管3的同一端。通过设置所述输入盘管的所述输入口30 以及所述输出口31设于所述导热盘管3的同一端，配合所述取芯器1在下放和上提步骤的进行，使得整体结构设置更加合理，同时可以减少所述冷料输送管4的用料。

具体的，所述输入口30以及所述输出口31可以设置多个，所述输入管40 与所述输出管41与之相对应，若所述输入管40和所述输出管41分别对应所述输入口30以及所述输出口31设有多个时，所述流量控制阀5也可以根据需求设置多个，或者还设有一总管与所述输出管41或者所述输入管40连接，然后通过所述流量控制阀5与该总管连接实现流量统一控制，具体可以更具实际需求进行调整。

进一步的，在本实施方案中，所述流量控制阀5与所述输入管40连接。通过设置所述流量控制阀5与所述输入管40连接，使得所述流量控制阀5的控制更加合理。在本发明的其他实施方案中，所述流量控制阀5也可以与所述输出管41连接，用于实现对所述导热盘管3的流量控制。

具体的，在本实施方案中，所述输入口30以及所述输出口31分别设有一个，且所述输入口30与所述输出口31设于同一水平面。冷料从所述导热盘管3 的输入口30进入从所述输出口31输出，在所述导热盘管3内流动带走热量。

进一步的，在上述实施方案的基础上，还包括滚珠轴承，所述滚珠轴承包括外圈和内圈，所述内圈与所述取芯器1的外壁连接且与所述取芯器1联动，所述外圈与所述导热盘管3和/或所述冷料输送管4连接限位。

通过设置滚珠轴承，且所述滚珠轴承的内圈与所述取芯器1的外壁连接且与所述取芯器1联动，所述滚珠轴承的外圈与所述导热盘管3和/或所述冷料输送管4连接限位，用于实现对导热盘管3以及所述冷料输送管4的限位、实现所述导热盘管3、所述冷料输送管4与所述取芯器1之间的限位，同时避免了所述取芯器1的转动对所述导热盘管3与所述冷料输送管4之间造成联动影响。

具体的，所述内圈与所述取芯器1的外壁可以通过卡接、焊接、螺栓固定等方式实现连接，所述外圈与所述导热盘管3和/或所述冷料输送管4也可通过卡接、螺栓固定等方式实现连接。

进一步的，在上述实施方案的基础上，所述滚珠轴承设有两个，分别为第一滚珠轴承60和第二滚珠轴承61，所述第一滚珠轴承60设于所述导热盘管3 设有输出口31和输入口30的一端，所述第一滚珠轴承60的滚珠轴承的外圈与所述冷料输送管4连接，所述第二滚珠轴承61设于与导热管盘上所述第二滚珠轴承61相对的一端，所述第二滚珠轴承61的外圈与所述导热管盘连接。通过设置两个滚珠轴承，且分别设于所述导热盘管3的两端，使得所述滚珠轴承的限位更加稳固。

具体的，在本发明的其他实施方案中，所述滚珠轴承也可以只设有一个或者设有三个或者四个，可以根据使用环境以及进行设定，本发明不做具体的限定。

进一步的，在上述实施方案的基础上，所述可燃冰取芯装置还包括液氮泵7，所述液氮泵7与所述流量控制阀5连接。通过设置所述液氮泵7，且设置所述液氮泵7与所述流量控制阀5连接，用于提供冷料并为冷料在所述导热盘管3以及所述冷料输送管4内流动提供动力。

进一步的，在上述实施方案的基础上，还包括处理器，所述处理器与所述温度传感器2以及所述流量控制阀5以及所述液氮泵7连接，所述处理器用于接受所述温度传感器2的数据并处理控制所述流量控制阀5以及所述液氮泵7 的流量。

参见图4,在上述实施方案的基础上，本发明还提供一种可燃冰取芯方法，用于上述任一项实施方案所述的可燃冰取芯装置，包括：

步骤S100:获取可燃冰原位温度。

步骤S200:监测取芯仓10的温度，当监测到所述取芯仓10温度基于所述原位温度发生温度变化时。

步骤S300:基于所述温度变化调整流量控制阀5的流量。

具体的，获取可燃冰的原位温度可以通过所述温度传感器2进行采集，当所述取芯器1下放到可燃冰取芯位置时，所述温度传感器2采集原位温度，并将所述原位温度传输到处理器。检测所述取芯仓10的当所述处理器接收到所述原位温度时，控制所述温度传感器2监测所述取芯仓10的温度变化，当监测到所述取芯仓10的温度基于所述原位温度变大或者变小时，所述流量控制阀5基于所述温度变化进行流量调整，比如，当检测到所述取芯仓10的温度大于所述原位温度时，所述流量控制阀5加大冷料的流量，当检测到所述取芯仓10的温度小于所述原位温度时，所述流量控制阀5减小或关闭冷料的流量。

通过获取所述可燃冰原位温度，以所述原位温度为基准监测所述取芯仓10 的温度变化，并基于所述取芯仓10的温度变化通过所述流量控制阀5调整围设于所述取芯仓10外侧壁的导热盘管3内的冷料流量，避免取芯仓10在取芯过程中由于取芯热量交换或者取芯完成上升过程中温度变化造成所述原位温度散失，对可燃冰岩芯赋存状态、信息维持、储量评估等造成影响进而造成难以建立深海可燃冰原位物理力学性质与勘探开发理论技术框架。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM (EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM (SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM (DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种可燃冰取芯装置，其特征在于，包括：

取芯器，所述取芯器包括用于存储可燃冰的取芯仓；

温度传感器；

导热盘管，所述导热盘管包括输入口和输出口，所述导热盘管围设于所述取芯仓的外侧壁；

冷料输送管，所述冷料输送管包括输入管和输出管，所述输入管与所述输入口连通；所述输出管的与所述输出口连通；

流量控制阀，所述流量控制阀与所述冷料输送管连接，且与所述温度传感器通信连接；

还包括提拉中心杆，所述提拉中心杆与所述取芯器连接；

所述温度传感器设于所述提拉中心杆的内部且靠近所述取芯仓的一端；

所述温度传感器根据安装的位置调整所述温度传感器的初始温度；

还包括滚珠轴承，所述滚珠轴承包括外圈和内圈，所述内圈与所述取芯器的外壁连接且与所述取芯器联动，所述外圈与所述导热盘管或所述冷料输送管连接实现限位；

所述滚珠轴承设有两个，分别为第一滚珠轴承和第二滚珠轴承，所述第一滚珠轴承设于所述导热盘管设有输出口和输入口的一端，所述第一滚珠轴承的滚珠轴承的外圈与所述冷料输送管连接，所述第二滚珠轴承设于与导热管盘上所述第二滚珠轴承相对的一端，所述第二滚珠轴承的外圈与所述导热管盘连接。

2.根据权利要求1所述的可燃冰取芯装置，其特征在于，所述导热盘管的输入口以及输出口设于所述导热盘管的同一端。

3.根据权利要求2所述的可燃冰取芯装置，其特征在于，所述输入口与所述输出口设于同一水平面。

4.根据权利要求1所述的可燃冰取芯装置，其特征在于，所述流量控制阀与所述输入管连接。

5.根据权利要求1所述的可燃冰取芯装置，其特征在于，所述导热盘管为金属盘管，和/或，所述冷料输送管为软管。

6.根据权利要求1所述的可燃冰取芯装置，其特征在于，还包括液氮泵，所述液氮泵与所述流量控制阀连接。

7.一种可燃冰取芯方法，其特征在于，用于如权利要求1-6任一项所述的可燃冰取芯装置，包括步骤：

获取可燃冰原位温度；

监测取芯仓的温度，当监测到所述取芯仓温度基于所述原位温度发生温度变化时；

基于所述温度变化调整流量控制阀的流量。