CN201417221Y - 干冰升华孔底冷冻保压取样器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种干冰升华孔底冷冻保压取样器。主要由悬挂差动机构、单动机构、控制机构、冷冻机构和保压机构构成。采用干冰为冷冻剂，酒精为助冷催化剂和载冷剂，利用低温酒精在孔底冷冻岩心；并通过关闭球阀进行岩样保压，从而抑制水合物岩心分解。取样时卸下上卡位管和钻头，卸下卡簧及卡簧座，将半合管连同岩心从岩心管内抽出，岩心样品用液氮储存罐或高压容器保存。钻进取心时外管和钻头回转，内管总成不回转，因而在较大程度上避免了因钻具回转产生的机械力对水合物岩心的破坏，更有效地提高了岩心采取率、完整度和代表性，既能单纯冷冻取样，也能冷冻取样和保压岩心，与现有技术相比工艺简单，操作简便，极大地降低了成本。

Description

干冰升华孔底冷冻保压取样器

技术领域：

本实用新型涉及一种钻探取样器具，尤其是用于海底或陆地永冻层保真的天然气水合物干冰升华孔底冷冻保压取样器具。

背景技术：

随着高油价时代的来临，催生各种可替代能源已经成为当务之急。目前全球海底天然气水合物中甲烷的碳总量相当于当前已知煤、石油和天然气等化石燃料总资源量的两倍。因而，天然气水合物成为世界各国在能源战略平衡发展中必须加以考虑的重要后备能源。钻探取样是识别天然气水合物最直接的方法，也是验证其他方法调查成果的必要手段。因此，钻探取样对于开发天然气水合物具有十分重要的意义。

现有的天然气水合物取样器主要以保压取样器为主，其设计思路是当水合物岩心进入保压岩心室后，通过球阀关闭岩心管底部使岩心保持初始压力，并利用压力补偿装置控制压力，以维持岩心压力在提离孔底的整个过程中保持不变，提到地表后再进行冷冻保存。孔内岩心的保温方法主要是采用保温材料实现被动式保温方法。这种通过机械式保压来抑制水合物分解，这对于整个取心器的强度，特别是球阀的强度和密封性的要求就相当高。如果球阀的密封性稍有些下降，那么岩心就不能保持初始压力，导致取心失败。而且当取样器的设计压力达到一定程度后，如果想再要增加压力，那么取样器的材料和和密封性能将需要做很大的提高，而且这并不容易做到。

发明内容：

本实用新型的目的就是针对现有技术中的不足，提供一种用于海底或陆地永冻层保真的天然气水合物干冰升华孔底冷冻保压取样器。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

采用干冰为冷冻剂，酒精为助冷催化剂和载冷剂，利用低温酒精在孔底冷冻岩心；并通过关闭球阀进行岩样保压，从而抑制水合物岩心分解。

天然气水合物干冰升华孔底冷冻保压取样器包括五个主要机构，即悬挂差动机构、单动机构、控制机构、冷冻机构和保压机构。

外接手1与上部钻杆螺纹连接，外接手1通过螺纹与外六方接手6连接，挡套2通过螺钉与外六方接手6螺纹连接，滑套5与外六方接手6间隙配合，挡套2限制滑套5不向外滑动，内六方接手7与外管12螺纹连接，外六方接手6与内六方接手7间通过六个棱面回转传动，钻杆将回转力传递给外六方接手6，通过六个棱面将回转力传递给内六方接手7，内六方接手7再将回转力传递给外管12，内六方接手7的六个棱面上径向方向均设有球套9，球套9外侧呈锥面，每个球套9中装有两个钢球8，球套9与外六方接手6紧密配合，滑套弹簧10上端由滑套5经挡套2支撑，滑套弹簧10下端由垫圈11坐在外六方接手6内孔的台阶上，内六方接手7和外六方接手6之间设有轴向中空距离200mm-210mm，限制内六方接手6向下移动的距离，内六方接手7连同外管12和钻头68推动球阀56向下运动至岩心管47的下端，使球阀56脱离开岩心管47的束缚，使球阀56翻转后密封岩心管47；

外六方接手6通过螺纹与轴13连接，轴13与接手14之间的单动是通过轴承来实现的，轴13回转，而接手14不回转，轴13通过垫圈15与接手14连接，接手14通过螺纹与活塞腔体18连接；活塞腔体18上端设置堵头16，堵头16通过螺纹与活塞腔体18连接，泄流弹簧17预压安装在泄流通道中，其上端由堵头16支撑，下端由钢球19支撑，活塞腔体18底端通过螺纹与接头22连接，活塞弹簧21预压安装在活塞腔体18中，其上端由活塞20支撑，下端由接头22支撑，控制杆25套装在活塞弹簧21的空腔中，确保活塞20在弹簧作用下始终处于上位，控制杆25的上端与活塞20通过螺母连接，下端与阀体28连接，活塞20与活塞腔体18滑动配合，活塞20带动控制杆25及阀体28移动，阀体28通过螺纹与控制杆25连接，活塞腔体18通过螺纹与酒精腔体24连接，酒精腔体活塞23的内外圈分别与酒精腔体24和控制杆25间用O型密封圈密封，洒精腔体24通过螺纹与酒精腔体连接件27连接，阀体28采用锥面和O型密封圈与酒精腔体连接件27密封，并通过螺母压紧，酒精腔体连接件27侧面设有螺塞26，装酒精时拧下螺塞26，酒精由此进入酒精腔体24，连接管29通过螺纹与酒精腔体连接件27连接，二者之间采用胶垫30压紧密封；

连接管29通过螺纹与干冰腔体上接手31连接，二者之间采用胶垫30压紧密封；干冰腔体上接手31与干冰腔体管37螺纹连接，单向排气阀42与干冰腔体上接手31通过螺纹连接，酒精注入管36与干冰腔体上接手31间紧密配合，干冰腔体管37与干冰腔体下接手41间螺纹连接。保温上盖33与干冰腔体上接手31静接触，保温上盖33与干冰腔体管37间隙配合。干冰保温衬管35与保温上盖33静接触，保温套34与干冰腔体管37间隙配合，保温套34与干冰保温衬管35间为胶粘接，干冰保温层38在干冰保温衬管35、干冰腔体管37及保温套34之间的环状空腔内，干冰保温层38与干冰保温衬管35、干冰腔体管37及保温套34间均为静接触。保温下盖39与干冰保温衬管35和保温套34间为静接触。保温下盖39与干冰腔体管37间隙配合。保温上盖33、保温下盖39与干冰保温衬管35之间的圆柱形空间为干冰存储仓。套40与保温下盖39间为静接触，套40与干冰腔体管37间隙配合，套40与干冰腔体下接手41间为静接触。装干冰时，将干冰腔体下接手41卸下，从干冰腔体管37内取出套40和保温下盖39，将干冰装入干冰存储仓。干冰腔体管37与干冰腔体下接手41螺纹连接。干冰腔体下接手41与岩心管47和衬管45螺纹连接，底盖63通过螺纹与衬管45连接，底盖63与岩心管47之间O形圈密封。胶垫61和底部保温套62通过底盖63与衬管45和岩心管47压紧，保温衬管57与干冰腔体下接手41和胶垫61为静接触，保温衬管57与衬管45间隙配合。干冰腔体下接手41、岩心管47、保温衬管46和胶垫50间的环状空间为酒精注入至干冰存储仓形成的低温酒精的储存空间。排水阀体55通过螺纹与干冰腔体下接手41连接，上保压弹簧64预压安装，下端通过钢球65支撑，上端通过干冰腔体下接手41支撑，岩心管47通过螺纹与卡簧座66连接，卡簧座66与卡簧67锥面接触，半合管59与岩心管47间隙配合，半合管58上端与干冰腔体下接手41静接触，半合管58下端通过卡簧座66内台阶支撑；

扩孔器60通过螺纹与外管12连接，上卡位管53通过螺纹与扩孔器60连接，上卡位管53的内突出部分与保压腔外壳54间的轴向距离为5-10mm，上卡位管53通过螺纹与下卡位管63连接，下卡位管63通过螺纹与钻头68连接，保压腔外壳54与底盖52间静接触，保压腔外壳54通过螺纹与球阀底盖64连接，球阀底盖64通过螺纹与防水罩65连接，密封环55压紧球阀56，密封环55坐在保压腔外壳54上紧密配合，保压腔球阀56通过螺纹与卡位销57连接，球阀轴59的一端通过平键58与球阀56连接，球阀轴59的另一端座在螺节螺母61内，扭簧60套在球阀轴59上，扭簧60一端与球阀56固定，另一端与调节螺母61固定，调节螺母61通过螺纹与保压腔外壳54连接，限位件62在保压腔外壳54和球阀56间的环状空间内，卡簧座66通过螺纹与岩心管47连接，卡簧67带有外锥面，卡簧座66带有内锥面，卡簧67通过锥面与卡簧座66配合连接。在上提取样器时，卡簧67抱紧岩心，并通过锥面位移拉断岩心，钻头68连接在下卡位管63上。

本实用新型的目的还可以通过以下技术方案实现：

滑套5下端的外表面设有环状槽，即能冷冻岩心还能保压岩心，滑套5的外表面无环状槽时，只能实现冷冻岩心而不能岩心保压；外六方接手6内的六个端面上均各设有至少一个径向过流通道；活塞腔体18内部设有三个径向过流通道；活塞腔体18内部设有三个径向泄流通道；干冰腔体上接手31上部设有三个轴向通孔；干冰腔体下接手41上部设有七个斜孔；采用三层保冷结构在井下保存干冰，即由内至外分别硬质聚氨酯干冰保温衬管35、泡沫聚氨酯干冰保温层38和保温漆；岩心管47采用肋片式换热器结构。

有益效果：本实用新型在钻进取心时外管和钻头回转，内管总成不回转，因而在较大程度上避免了因钻具回转产生的机械力对水合物岩心的破坏，更有效地提高了岩心采取率、完整度和代表性，并采用半合管式快速地表取样，可快速在地表获得岩心。取样器可实现单纯冷冻取样功能，也可同时实现冷冻取样和保压岩心功能，与现有技术相比工艺简单，操作简便，极大地降低了成本。

附图说明

图1为：干冰升华孔底冷冻保压取样器结构图；

图1a右端连接图1b左端，图1b的右端连接图1c左端，图1c右端连接图1d左端。

图2为：附图1中a图A-A截面俯视图

图3为：附图1中b图B-B截面俯视图

图4为：附图1中c图C-C截面俯视图

图5为：附图1中c图D-D截面俯视图

图6为：附图1中c图E-E截面俯视图

图7为：附图1中c图F-F截面俯视图

图8为：附图1中c图K-K截面俯视图

1外接手，2挡套，3钢球，4胶垫，5滑套，6外六方接手，7内六方接手，8钢球，9球套，10，滑套弹簧，11垫圈，12外管，13轴，14接手，15垫圈，16堵头，17泄流弹簧，18活塞腔体，19钢球，20活塞，21活塞弹簧，22接头，23酒精腔体活塞，24酒精腔体，25控制杆，26螺塞，27酒精腔体连接件，28阀体，29连接管，30-胶垫，31干冰腔体上接手，32单向排气阀，33保温上盖，34保温套，35干冰保温衬管，36酒精注入管，37干冰腔体管，38干冰保温层，39保温下盖，40套，41干冰腔体下接手，42上保压弹簧，43钢球，44排水阀体，45衬管，46保温衬管，47岩心管，48半合管，49扩孔器，50胶垫，51底部保温套，52底盖，53上卡位管，54保压腔外壳，55密封环，56球阀，57卡位销，58平键，59球阀轴，60扭簧，61调节螺母，62限位件，63下卡位管，64球阀底盖；65防水罩，66卡簧座，67卡簧，68钻头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

附图1中a图右端连接b图左端，b的右端连接c图左端，c的右端连接d的左端构成天然气水合物干冰升华孔底冷冻保压取样器整体结构图。

采用干冰为冷冻剂，酒精为助冷催化剂和载冷剂，利用低温酒精在孔底冷冻岩心；同时通过关闭球阀进行岩样保压，从而抑制水合物岩心分解。

天然气水合物干冰升华孔底冷冻保压取样器包括五个主要机构，即悬挂差动机构、单动机构、控制机构、冷冻机构和保压机构。

实施例1

悬挂差动机构：外接手1与上部钻杆螺纹连接，外接手1与外六方接手6螺纹连接，外六方接手6与内六方接手7之间通过内外六方传动，内六方接手7与外管12螺纹连接，挡套2通过螺钉与外六方接手6螺纹连接，挡套2限制滑套5不向外滑动。滑套5与外六方接手6滑动配合，垫圈11坐在外六方接手6内部孔的台阶上，滑套弹簧10预压安装，上下两端分别由垫圈11和滑套5支撑，钢球8装在球套9中，球套9外侧呈锥面，防止钢球8向外滑动，钢球8共有12件，分别安装球套9在外六方接手6的六个端面的径向孔中，球套9与外六方接手6紧密配合，内六方接手7和外六方接手6之间的中空部分轴向距离为205mm，因此内六方接手6向下移动的距离限制为205mm，此距离能保证内六方接手7连同外管12和钻头68推动保压机构球阀56向下运动至岩心管47的下端，使球阀56脱离开岩心管47的束缚，从而实现球阀56翻转后密封岩心管47。

当滑套5下端的外表面设有环状槽时，可实现冷冻岩心和保压岩心功能，当滑套5的外表面无环状槽时，只能实现单纯的冷冻岩心功能。给进力经钻杆传递给外接手1，经内六方接手7传递给外管12，最终传递至钻头68破碎岩石。回转力经钻杆传递至外接手1，外接手1传递回转扭矩至外六方接手6，经内外六方传递回转扭矩，将回转力传递至内六方接手7，回转扭矩经外管12传递至钻头68破碎岩石。通过钢球8实现内外六方轴向定位，从而实现内外六方接手之间的悬挂功能。内外六方接手之间在其六个端面方向上分别设置二个Φ12钢球8，钢球8共计12个。钢球8的一侧座在内六方接手7的环形锥槽内，另一端安装在球套9内。滑套5在滑套弹簧10的预紧力作用下，其下端的完整外圆表面始终与钢球8接触，因此钢球8不会向内侧移动，实现内限位。钢球的外侧伸出进入内六方接手7的环形锥槽内，因此会向外侧移动。钢球8内外两则均有限位，因此钢球8不会向两侧移动，从而实现内外六方接手之间的轴向悬挂功能。由于外侧钢球进入内六方接手7的环形切槽内5mm，实现内外六方的轴向限位，这样就保证内外六方之间无轴向相对运动，实现内六方的悬挂功能。当钻进一个回次，岩心充满岩心管后，从地表经钻杆内通道向取样器内投入钢球3，由于堵塞冲洗液正常循环通道，在冲洗液压力的作用下，滑套5向下移动24mm，使滑套5下端的环状切槽全部到达钢球8处，在内六方接手7以及外管12的重力作用下，还由于内六方接手7的环形锥面与钢球8接触，从而推动钢球8向内侧移动，这样钢球8的内限位消失。内外六方之间没有轴向限位，在外管12重力的作用下，内六方接手7向下移动，移动距离限制在205mm，在距离可保证岩心管47底部相对位移至距保压机构球阀56球面30mm，确保球阀56在扭力作用下无障碍关闭。若滑套5的外表面全部采用光滑圆面结构，那么滑套5在冲洗液压力向下移动的过程中，其外表面始终限制钢球8的移动，钢球8始终存在内限位，这样内外六方接手之间就无差动功能，从而不能实现取样器的保压功能。而只能实现取样器的冷冻功能。滑套5向下移动35mm后，外六方接手6的6个径向导流孔露出，冲洗液经此通道进入，进而实现后续的酒精注入功能及冷冻功能。

单动机构：外六方接手6与轴13之间螺纹连接，轴13与接手14之间通过轴承支撑。接手14与活塞腔体18之间螺纹连接。外六方接手6带动轴13回转，在推力球轴承的作用下，实现内外管总成分动功能，即单动功能。在钻进取样回转时，外接手1、外六方接手6、轴13回转，接手14不回转。而接手14与下部内管总成连接，从而实现内管总成不回转。

控制机构：控制杆25的上端与控制活塞20通过圆螺母固定，接头22依靠螺纹连接于活塞腔体18底端。控制活塞弹簧21属压缩弹簧，预压安装在活塞腔体18中，其上下两端由活塞20和接头22支撑，确保活塞20在弹簧弹力的作用下始终处于上位。活塞20与活塞腔体18滑动配合。

酒精腔体24与活塞腔体18螺纹连接，酒精腔体活塞23的内外圈分别与酒精腔体24和控制杆25间用O型密封圈接触密封。洒精腔体24与酒精腔体连接件27螺纹连接。阀体28通过螺纹与控制杆25连接，阀体28采用锥面和O型密封圈与酒精腔体连接件27密封，通过螺母压紧，防止酒精溢出。酒精腔体连接件27侧面设置螺塞26，安装酒精时拧下螺塞26，酒精经此孔进入至酒精腔体24内。控制杆25上端与活塞20连接，经接头22中孔，穿过酒精腔体活塞23中间孔，酒精腔体连接件27中间孔，最终其下端与阀体28连接。通过活塞20的移动带动控制杆25以及阀体28移动。连接管30与酒精腔体连接件27螺纹连接，二者之间采用胶垫30压紧密封。活塞腔体18上端设置堵头16，堵头16与活塞腔体18螺纹连接，泄流弹簧17预压分别安装三个泄流孔中，其上下两端分别由堵头16和钢球19支撑。酒精预先储存在酒精腔体活塞23与阀体28之间的酒精腔体24中。冲洗液经单动机构流入控制机构后，推动活塞20下行，并带动控制杆25下行，当他们下行15mm时，阀体28打开，阀体28脱离酒精腔体连接件27，酒精依靠自重流出。由于井底液柱压力，酒精无法全部依靠自重进入干冰层，必须采用压入方式使酒精压入干冰层。因此，设计酒精腔体活塞23，当活塞20继续下行25mm时，即下行距离达到40mm时，活塞腔体18的三个径向导流孔打开，冲洗液经此流至酒精腔体活塞23，由于酒精腔体活塞23的内外圈分别用O型密封圈与支撑面接触密封，酒精腔体活塞23在冲洗液压力作用下在酒精腔体24内向下滑动压出酒精，注入至干冰层，确保酒精不会因活塞向下移动而向上溢出。当酒精全部从酒精腔体24中压出时，酒精腔体活塞23下行至酒精腔体连接件27，冲洗液充满活塞腔体18与酒精腔体连接件27之间的腔体。此时，冲洗液的压力继续增大，当增大至2MPa时，冲洗液经三个泄流孔流至钢球19，泄流弹簧17被打开，冲洗液经活塞腔体18外侧的三个出水口流出，达到卸压目的。此时地表水泵压力会从较大压力值恢复至正常压力值，表明酒精已经全部压出。即在地表通过观察水泵压力即可知道酒精是否全部注入至干冰层。

冷冻机构：连接管29通过螺纹与干冰腔体上接手31连接，二者之间采用胶垫30压紧密封；干冰腔体上接手31与干冰腔体管37螺纹连接，单向排气阀42与干冰腔体上接手31通过螺纹连接，酒精注入管36与干冰腔体上接手31间紧密配合，干冰腔体管37与干冰腔体下接手41间螺纹连接。保温上盖33与干冰腔体上接手31静接触，保温上盖33与干冰腔体管37间隙配合。干冰保温衬管35与保温上盖33静接触，保温套34与干冰腔体管37间隙配合，保温套34与干冰保温衬管35间为胶粘接，干冰保温层38在干冰保温衬管35、干冰腔体管37及保温套34之间的环状空腔内，干冰保温层38与干冰保温衬管35、干冰腔体管37及保温套34间均为静接触。保温下盖39与干冰保温衬管35和保温套34间为静接触。保温下盖39与干冰腔体管37间隙配合。保温上盖33、保温下盖39与干冰保温衬管35之间的圆柱形空间为干冰存储仓。套40与保温下盖39间为静接触，套40与干冰腔体管37间隙配合，套40与干冰腔体下接手41间为静接触。装干冰时，将干冰腔体下接手41卸下，从干冰腔体管37内取出套40和保温下盖39，将干冰装入干冰存储仓。干冰腔体管37与干冰腔体下接手41螺纹连接。干冰腔体下接手41与岩心管47和衬管45螺纹连接，底盖63通过螺纹与衬管45连接，底盖63与岩心管47之间O形圈密封。胶垫61和底部保温套62通过底盖63与衬管45和岩心管47压紧，保温衬管57与干冰腔体下接手41和胶垫61为静接触，保温衬管57与衬管45间隙配合。干冰腔体下接手41、岩心管47、保温衬管46和胶垫50间的环状空间为酒精注入至干冰存储仓形成的低温酒精的储存空间。排水阀体55通过螺纹与干冰腔体下接手41连接，上保压弹簧64预压安装，下端通过钢球65支撑，上端通过干冰腔体下接手41支撑，岩心管47通过螺纹与卡簧座66连接，卡簧座66与卡簧67锥面接触，半合管59与岩心管47间隙配合，半合管58上端与干冰腔体下接手41静接触，半合管58下端通过卡簧座66内台阶支撑；

为提高干冰在井下的保存时间，采用三层保冷结构在井下保冷干冰。在干冰存储仓外围有三层保冷结构，由内至外分别是：硬质聚氨酯干冰保温衬管35、泡沫聚氨酯干冰保温层38和保温漆。同时，在干冰存储仓的上下两端分别设有材料为硬质聚氨酯的保温上盖33和保温下盖39，以进一步提高干冰在井下的保存时间。

为增强岩心管47的导热性，其材料采用黄铜材料。其表面有拉槽，即采用肋片式换热器结构。

为实现在地表快速获取岩心，设置半合管48。在取样器提取地表后，不必卸下沉重的外管12，而只需在上卡位管53和扩孔器49连接处卸下上卡位管，并连同保压机构和钻头68一并卸下，卸下卡簧座66和卡簧67，即可将半合管48连同岩心样品一并从岩心管47内快速抽出，从而减少水合物岩心的地表处理停留时间，进一步提高岩心保真程度。

保压机构：扩孔器49与外管12之间螺纹连接，上卡位管53与扩孔器49间螺纹连接，上卡位管53的内突出部分与保压腔外壳54间的轴向距离为5mm。上卡位管53与下卡位管63螺纹连接，下卡位管63与钻头68螺纹连接。保压腔外壳54与干冰衬管底盖41无连接。保压腔外壳54与球阀底盖64螺纹连接，球阀底盖64与防水罩65螺纹连接，密封环55压紧球阀56，密封环55坐在保压腔外壳54上紧密配合，保压腔球阀56与卡位销57螺纹连接。球阀56与球阀轴59通过平键58连接。球阀轴59的另一端座在调节螺母61内。扭簧60套在球阀轴59上，扭簧60一端与球阀56固定，另一端与调节螺母61连接。调节螺母61与保压腔外壳54螺纹连接。限位件62装在保压腔外壳54与球阀56间的环状空间内。卡簧座55通过螺纹与岩心管47连接，卡簧56带有外锥面，卡簧座55带有内锥面，卡簧56通过锥面与卡簧座55锥面配合。在上提取样器时，卡簧56抱紧岩心，并通过锥面位移拉断岩心。钻头68连接在下卡位管63上。

在地表调节保压机构球阀的过程：即先将保压机构的底盖64卸下，然后用手转动球阀56，使球阀的开口正好对准岩心管47，使球阀56在扭簧60的作用下产生预紧力，然后将球阀56连同保压机构整体套进岩心管47，也就是将球阀56中通孔穿入岩心管47。然后安装限位件62和球阀底盖64，限位件62是两个半圆片，附在保压腔外壁上，其作用是限制球阀56翻转角度为90度。当球阀56脱离开岩心管47的束缚后，球阀56在扭簧力的作用下发生翻转，也就是破劲的过程。如果不限位，那么球阀56在完全破劲后就不能正好使球阀56的非孔面密封住岩心管47的底部。因此，在球阀56上安有卡位销57，当球阀翻转90度后，卡位销57的突出部分正好卡在限位件62上，从而球阀56不能继续翻转，而只能翻转90度，使球阀56的非孔面密封住岩心管47的底部，从而实现底部保压。

实施例2

悬挂差动机构：外接手1与上部钻杆螺纹连接，外接手1与外六方接手6螺纹连接，外六方接手6与内六方接手7之间通过内外六方传动，内六方接手7与外管12螺纹连接，挡套2通过螺钉与外六方接手6螺纹连接，挡套2限制滑套5不向外滑动。滑套5与外六方接手6滑动配合，垫圈11坐在外六方接手6内部孔的台阶上，滑套弹簧10预压安装，上下两端分别由垫圈11和滑套5支撑，钢球8装在球套9中，球套9外侧呈锥面，防止钢球8向外滑动，钢球8共有12件，分别安装球套9在外六方接手6的六个端面的径向孔中，球套9与外六方接手6紧密配合，内六方接手7和外六方接手6之间的中空部分轴向距离为210mm，因此内六方接手6向下移动的距离限制为210mm，此距离能保证内六方接手7连同外管12和钻头68推动保压机构球阀56向下运动至岩心管47的下端，使球阀56脱离开岩心管47的束缚，从而实现球阀56翻转后密封岩心管47。

当滑套5下端的外表面设有环状槽时，可实现冷冻岩心和保压岩心功能，当滑套5的外表面无环状槽时，只能实现单纯的冷冻岩心功能。给进力经钻杆传递给外接手1，经内六方接手7传递给外管12，最终传递至钻头68破碎岩石。回转力经钻杆传递至外接手1，外接手1传递回转扭矩至外六方接手6，经内外六方传递回转扭矩，将回转力传递至内六方接手7，回转扭矩经外管12传递至钻头68破碎岩石。通过钢球8实现内外六方轴向定位，从而实现内外六方接手之间的悬挂功能。内外六方接手之间在其六个端面方向上分别设置二个Φ12钢球8，钢球8共计12个。钢球8的一侧座在内六方接手7的环形锥槽内，另一端安装在球套9内。滑套5在滑套弹簧10的预紧力作用下，其下端的完整外圆表面始终与钢球8接触，因此钢球8不会向内侧移动，实现内限位。钢球的外侧伸出进入内六方接手7的环形锥槽内，因此会向外侧移动。钢球8内外两则均有限位，因此钢球8不会向两侧移动，从而实现内外六方接手之间的轴向悬挂功能。由于外侧钢球进入内六方接手7的环形切槽内5mm，实现内外六方的轴向限位，这样就保证内外六方之间无轴向相对运动，实现内六方的悬挂功能。当钻进一个回次，岩心充满岩心管后，从地表经钻杆内通道向取样器内投入钢球3，由于堵塞冲洗液正常循环通道，在冲洗液压力的作用下，滑套5向下移动24mm，使滑套5下端的环状切槽全部到达钢球8处，在内六方接手7以及外管12的重力作用下，还由于内六方接手7的环形锥面与钢球8接触，从而推动钢球8向内侧移动，这样钢球8的内限位消失。内外六方之间没有轴向限位，在外管12重力的作用下，内六方接手7向下移动，移动距离限制在210mm，在距离可保证岩心管47底部相对位移至距保压机构球阀56球面30mm，确保球阀56在扭力作用下无障碍关闭。若滑套5的外表面全部采用光滑圆面结构，那么滑套5在冲洗液压力向下移动的过程中，其外表面始终限制钢球8的移动，钢球8始终存在内限位，这样内外六方接手之间就无差动功能，从而不能实现取样器的保压功能。而只能实现取样器的冷冻功能。滑套5向下移动35mm后，外六方接手6的6个径向导流孔露出，冲洗液经此通道进入，进而实现后续的酒精注入功能及冷冻功能。

单动机构：外六方接手6与轴13之间螺纹连接，轴13与接手14之间通过轴承支撑。接手14与活塞腔体18之间螺纹连接。外六方接手6带动轴13回转，在推力球轴承的作用下，实现内外管总成分动功能，即单动功能。在钻进取样回转时，外接手1、外六方接手6、轴13回转，接手14不回转。而接手14与下部内管总成连接，从而实现内管总成不回转。

控制机构：控制杆25的上端与控制活塞20通过圆螺母固定，接头22依靠螺纹连接于活塞腔体18底端。控制活塞弹簧21属压缩弹簧，预压安装在活塞腔体18中，其上下两端由活塞20和接头22支撑，确保活塞20在弹簧弹力的作用下始终处于上位。活塞20与活塞腔体18滑动配合。

酒精腔体24与活塞腔体18螺纹连接，酒精腔体活塞23的内外圈分别与酒精腔体24和控制杆25间用O型密封圈接触密封。洒精腔体24与酒精腔体连接件27螺纹连接。阀体28通过螺纹与控制杆25连接，阀体28采用锥面和O型密封圈与酒精腔体连接件27密封，通过螺母压紧，防止酒精溢出。酒精腔体连接件27侧面设置螺塞26，安装酒精时拧下螺塞26，酒精经此孔进入至酒精腔体24内。控制杆25上端与活塞20连接，经接头22中孔，穿过酒精腔体活塞23中间孔，酒精腔体连接件27中间孔，最终其下端与阀体28连接。通过活塞20的移动带动控制杆25以及阀体28移动。连接管30与酒精腔体连接件27螺纹连接，二者之间采用胶垫30压紧密封。活塞腔体18上端设置堵头16，堵头16与活塞腔体18螺纹连接，泄流弹簧17预压分别安装三个泄流孔中，其上下两端分别由堵头16和钢球19支撑。酒精预先储存在酒精腔体活塞23与阀体28之间的酒精腔体24中。冲洗液经单动机构流入控制机构后，推动活塞20下行，并带动控制杆25下行，当他们下行15mm时，阀体28打开，阀体28脱离酒精腔体连接件27，酒精依靠自重流出。由于井底液柱压力，酒精无法全部依靠自重进入干冰层，必须采用压入方式使酒精压入干冰层。因此，设计酒精腔体活塞23，当活塞20继续下行25mm时，即下行距离达到40mm时，活塞腔体18的三个径向导流孔打开，冲洗液经此流至酒精腔体活塞23，由于酒精腔体活塞23的内外圈分别用O型密封圈与支撑面接触密封，酒精腔体活塞23在冲洗液压力作用下在酒精腔体24内向下滑动压出酒精，注入至干冰层，确保酒精不会因活塞向下移动而向上溢出。当酒精全部从酒精腔体24中压出时，酒精腔体活塞23下行至酒精腔体连接件27，冲洗液充满活塞腔体18与酒精腔体连接件27之间的腔体。此时，冲洗液的压力继续增大，当增大至2MPa时，冲洗液经三个泄流孔流至钢球19，泄流弹簧17被打开，冲洗液经活塞腔体18外侧的三个出水口流出，达到卸压目的。此时地表水泵压力会从较大压力值恢复至正常压力值，表明酒精已经全部压出。即在地表通过观察水泵压力即可知道酒精是否全部注入至干冰层。

冷冻机构：连接管29通过螺纹与干冰腔体上接手31连接，二者之间采用胶垫30压紧密封；干冰腔体上接手31与干冰腔体管37螺纹连接，单向排气阀42与干冰腔体上接手31通过螺纹连接，酒精注入管36与干冰腔体上接手31间紧密配合，干冰腔体管37与干冰腔体下接手41间螺纹连接。保温上盖33与干冰腔体上接手31静接触，保温上盖33与干冰腔体管37间隙配合。干冰保温衬管35与保温上盖33静接触，保温套34与干冰腔体管37间隙配合，保温套34与干冰保温衬管35间为胶粘接，干冰保温层38在于冰保温衬管35、干冰腔体管37及保温套34之间的环状空腔内，干冰保温层38与干冰保温衬管35、干冰腔体管37及保温套34间均为静接触。保温下盖39与干冰保温衬管35和保温套34间为静接触。保温下盖39与干冰腔体管37间隙配合。保温上盖33、保温下盖39与干冰保温衬管35之间的圆柱形空间为干冰存储仓。套40与保温下盖39间为静接触，套40与干冰腔体管37间隙配合，套40与干冰腔体下接手41间为静接触。装干冰时，将干冰腔体下接手41卸下，从干冰腔体管37内取出套40和保温下盖39，将干冰装入干冰存储仓。干冰腔体管37与干冰腔体下接手41螺纹连接。干冰腔体下接手41与岩心管47和衬管45螺纹连接，底盖63通过螺纹与衬管45连接，底盖63与岩心管47之间O形圈密封。胶垫61和底部保温套62通过底盖63与衬管45和岩心管47压紧，保温衬管57与干冰腔体下接手41和胶垫61为静接触，保温衬管57与衬管45间隙配合。干冰腔体下接手41、岩心管47、保温衬管46和胶垫50间的环状空间为酒精注入至干冰存储仓形成的低温酒精的储存空间。排水阀体55通过螺纹与干冰腔体下接手41连接，上保压弹簧64预压安装，下端通过钢球65支撑，上端通过干冰腔体下接手41支撑，岩心管47通过螺纹与卡簧座66连接，卡簧座66与卡簧67锥面接触，半合管59与岩心管47间隙配合，半合管58上端与干冰腔体下接手41静接触，半合管58下端通过卡簧座66内台阶支撑；

为提高干冰在井下的保存时间，采用三层保冷结构在井下保冷干冰。在干冰存储仓外围有三层保冷结构，由内至外分别是：硬质聚氨酯干冰保温衬管35、泡沫聚氨酯干冰保温层38和保温漆。同时，在干冰存储仓的上下两端分别设有材料为硬质聚氨酯的保温上盖33和保温下盖39，以进一步提高干冰在井下的保存时间。

为增强岩心管47的导热性，其材料采用黄铜材料。其表面有拉槽，即采用肋片式换热器结构。

为实现在地表快速获取岩心，设置半合管48。在取样器提取地表后，不必卸下沉重的外管12，而只需在上卡位管53和扩孔器49连接处卸下上卡位管，并连同保压机构和钻头68一并卸下，卸下卡簧座66和卡簧67，即可将半合管48连同岩心样品一并从岩心管47内快速抽出，从而减少水合物岩心的地表处理停留时间，进一步提高岩心保真程度。

保压机构：扩孔器49与外管12之间螺纹连接，上卡位管53与扩孔器49间螺纹连接，上卡位管53的内突出部分与保压腔外壳54间的轴向距离为10mm。上卡位管53与下卡位管63螺纹连接，下卡位管63与钻头68螺纹连接。保压腔外壳54与干冰衬管底盖41无连接。保压腔外壳54与球阀底盖64螺纹连接，球阀底盖64与防水罩65螺纹连接，密封环55压紧球阀56，密封环55坐在保压腔外壳54上紧密配合，保压腔球阀56与卡位销57螺纹连接。球阀56与球阀轴59通过平键58连接。球阀轴59的另一端座在调节螺母61内。扭簧60套在球阀轴59上，扭簧60一端与球阀56固定，另一端与调节螺母61连接。调节螺母61与保压腔外壳54螺纹连接。限位件62装在保压腔外壳54与球阀56间的环状空间内。卡簧座55通过螺纹与岩心管47连接，卡簧56带有外锥面，卡簧座55带有内锥面，卡簧56通过锥面与卡簧座55锥面配合。在上提取样器时，卡簧56抱紧岩心，并通过锥面位移拉断岩心。钻头68连接在下卡位管63上。

Claims (8)

1、一种天然气水合物干冰升华孔底冷冻保压取样器，其特征在于，外接手(1)与上部钻杆螺纹连接，外接手(1)通过螺纹与外六方接手(6)连接，挡套(2)通过螺钉与外六方接手(6)螺纹连接，滑套(5)与外六方接手(6)间隙配合，挡套(2)限制滑套(5)不向外滑动，内六方接手(7)与外管(12)螺纹连接，外六方接手(6)与内六方接手(7)间通过六个棱面回转传动，钻杆将回转力传递给外六方接手(6)，通过六个棱面将回转力传递给内六方接手(7)，内六方接手(7)再将回转力传递给外管(12)，内六方接手(7)的六个棱面上径向方向均设有球套(9)，球套(9)外侧呈锥面，每个球套(9)中装有两个钢球(8)，球套(9)与外六方接手(6)紧密配合，滑套弹簧(10)上端由滑套(5)经挡套(2)支撑，滑套弹簧(10)下端由垫圈(11)坐在外六方接手(6)内孔的台阶上，内六方接手(7)和外六方接手(6)之间设有轴向中空距离200mm-210mm，限制内六方接手(6)向下移动的距离，内六方接手(7)连同外管(12)和钻头(68)推动球阀(56)向下运动至岩心管(47)的下端，使球阀(56)脱离开岩心管(47)的束缚，使球阀(56)翻转后密封岩心管(47)；

外六方接手(6)通过螺纹与轴(13)连接，轴(13)与接手(14)之间的单动是通过轴承来实现的，轴(13)回转，而接手(14)不回转，轴(13)通过垫圈(15)与接手(14)连接，接手(14)通过螺纹与活塞腔体(18)连接；活塞腔体(18)上端设置堵头(16)，堵头(16)通过螺纹与活塞腔体(18)连接，泄流弹簧(17)预压安装在泄流通道中，其上端由堵头(16)支撑，下端由钢球(19)支撑，活塞腔体(18)底端通过螺纹与接头(22)连接，活塞弹簧(21)预压安装在活塞腔体(18)中，其上端由活塞(20)支撑，下端由接头(22)支撑，控制杆(25)套装在活塞弹簧(21)的空腔中，确保活塞(20)在弹簧作用下始终处于上位，控制杆(25)的上端与活塞(20)通过螺母连接，下端与阀体(28)连接，活塞(20)与活塞腔体(18)滑动配合，活塞(20)带动控制杆(25)及阀体(28)移动，阀体(28)通过螺纹与控制杆(25)连接，活塞腔体(18)通过螺纹与酒精腔体(24)连接，酒精腔体活塞(23)的内外圈分别与酒精腔体(24)和控制杆(25)间用O型密封圈密封，洒精腔体(24)通过螺纹与酒精腔体连接件(27)连接，阀体(28)采用锥面和O型密封圈与酒精腔体连接件(27)密封，并通过螺母压紧，酒精腔体连接件(27)侧面设有螺塞(26)，连接管(29)通过螺纹与酒精腔体连接件(27)连接，二者之间采用胶垫(30)压紧密封；

连接管(29)通过螺纹与干冰腔体上接手(31)连接，二者之间采用胶垫(30)压紧密封；干冰腔体上接手(31)与干冰腔体管(37)螺纹连接，单向排气阀(42)与干冰腔体上接手(31)通过螺纹连接，酒精注入管(36)与干冰腔体上接手(31)间紧密配合，干冰腔体管(37)与干冰腔体下接手(41)间螺纹连接，保温上盖(33)与干冰腔体上接手(31)静接触，保温上盖(33)与干冰腔体管(37)间隙配合，干冰保温衬管(35)与保温上盖(33)静接触，保温套(34)与干冰腔体管(37)间隙配合，保温套(34)与干冰保温衬管(35)间为胶粘接，干冰保温层(38)在干冰保温衬管(35)、干冰腔体管(37)及保温套(34)之间的环状空腔内，干冰保温层(38)与干冰保温衬管(35)、干冰腔体管(37)及保温套(34)间均为静接触，保温下盖(39)与干冰保温衬管(35)和保温套(34)间为静接触，保温下盖(39)与干冰腔体管(37)间隙配合，保温上盖(33)、保温下盖(39)与干冰保温衬管(35)之间的圆柱形空间为干冰存储仓，套(40)与保温下盖(39)间为静接触，套(40)与干冰腔体管(37)间隙配合，套(40)与干冰腔体下接手(41)间为静接触，干冰腔体管(37)与干冰腔体下接手(41)螺纹连接，干冰腔体下接手(41)与岩心管(47)和衬管(45)螺纹连接，底盖(63)通过螺纹与衬管(45)连接，底盖(63)与岩心管(47)之间O形圈密封，胶垫(61)和底部保温套(62)通过底盖(63)与衬管(45)和岩心管(47)压紧，保温衬管(57)与干冰腔体下接手(41)和胶垫(61)为静接触，保温衬管(57)与衬管(45)间隙配合，干冰腔体下接手(41)、岩心管(47)、保温衬管(46)和胶垫(50)间的环状空间为酒精注入至干冰存储仓形成的低温酒精的储存空间，排水阀体(55)通过螺纹与干冰腔体下接手(41)连接，上保压弹簧(64)预压安装，下端通过钢球(65)支撑，上端通过干冰腔体下接手(41)支撑，岩心管(47)通过螺纹与卡簧座(66)连接，卡簧座(66)与卡簧(67)锥面接触，半合管(59)与岩心管(47)间隙配合，半合管(58)上端与干冰腔体下接手(41)静接触，半合管(58)下端通过卡簧座(66)内台阶支撑；扩孔器(60)通过螺纹与外管(12)连接，上卡位管(53)通过螺纹与扩孔器(60)连接，上卡位管(53)的内突出部分与保压腔外壳(54)间的轴向距离为5-10mm，上卡位管(53)通过螺纹与下卡位管(63)连接，下卡位管(63)通过螺纹与钻头(68)连接，保压腔外壳(54)与底盖(52)间静接触，保压腔外壳(54)通过螺纹与球阀底盖(64)连接，球阀底盖(64)通过螺纹与防水罩(65)连接，密封环(55)压紧球阀(56)，密封环(55)坐在保压腔外壳(54)上紧密配合，保压腔球阀(56)通过螺纹与卡位销(57)连接，球阀轴(59)的一端通过平键(58)与球阀(56)连接，球阀轴(59)的另一端座在螺节螺母(61)内，扭簧(60)套在球阀轴(59)上，扭簧(60)一端与球阀(56)固定，另一端与调节螺母(61)固定，调节螺母(61)通过螺纹与保压腔外壳(54)连接，限位件(62)在保压腔外壳(54)和球阀(56)间的环状空间内，卡簧座(66)通过螺纹与岩心管(47)连接，卡簧(67)带有外锥面，卡簧座(66)带有内锥面，卡簧(67)通过锥面与卡簧座(66)配合连接，在上提取样器时，卡簧(67)抱紧岩心，并通过锥面位移拉断岩心，钻头(68)连接在下卡位管(63)上。

2、按照权利要求1所述的干冰升华孔底冷冻保压取样器，其特征在于，滑套(5)下端的外表面设有环状槽，即能冷冻岩心还能保压岩心。

3、按照权利要求1所述的干冰升华孔底冷冻保压取样器，其特征在于，外六方接手(6)内的六个端面上均各设有至少一个径向过流通道。

4、按照权利要求1所述的干冰升华孔底冷冻保压取样器，其特征在于，活塞腔体(18)内部设有三个径向过流通道。

5、按照权利要求1所述的干冰升华孔底冷冻保压取样器，其特征在于，活塞腔体(18)内部设有三个径向泄流通道。

6、按照权利要求1所述的干冰升华孔底冷冻保压取样器，其特征在于，干冰腔体上接手(31)上部设有三个轴向通孔，干冰腔体下接手(41)上部设有七个斜孔。

7、按照权利要求1所述的干冰升华孔底冷冻保压取样器，其特征在于，采用三层保冷结构在井下保存干冰，即由内至外分别硬质聚氨酯干冰保温衬管(35)、泡沫聚氨酯干冰保温层(38)和保温漆。

8、按照权利要求1所述的干冰升华孔底冷冻保压取样器，其特征在于，岩心管(47)采用肋片式换热器结构。

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