CN206627305U - 海底冷冻保压式重力活塞取样器 - Google Patents

Abstract

海底冷冻保压式重力活塞取样器。本实用新型的所述取样器由重力取样管、冷冻机构、保压机构三部分组成。取样管由外管、内管、活塞、活塞杆、配重接头组成，外管和内管之间的空腔构成冷冻腔，配重接头上端安装有储冷机构。取样管内设置有保压机构，保压机构由撞击块、定位钢球、定位弹簧、推动杆、推力弹簧、摇杆、连杆、保压球阀组成。本实用新型一方面降低了天然气水合物的临界分解压力，另一方面增强了天然气水合物的自保护效应，从而减少了天然气的分解，降低了对天然气水合物保压机构的要求。

Description

海底冷冻保压式重力活塞取样器

技术领域

本实用新型涉及一种海底取样器及取样方法，尤其涉及一种海底沉积物和海底天然气水合物取样用的冷冻保压式重力活塞取样器。

背景技术

天然气水合物是一种储量丰富、能量密度高、无污染的绿色能源。据估算，世界上天然气水合物总资源量相当于全球已知煤、石油和天然气的两倍，可满足人类千年的能源需求。天然气水合物主要分布在大陆架和岛屿边缘的海洋沉积层，其存在环境具有压力高、温度低的特点。

如何勘探海底的天然气水合物已成为当前的研究热点。对海底天然气水合物进行勘探的方法有很多种，例如地球物理方法、流体地球化学方法、海底视像方法、海底微地貌勘测、海底钻探取心方法。其中最直接的方法是海底钻探取心方法，该方法能够直观、真实、有效的反映水合物的赋存状态。重力活塞取样器是海底钻探取心最常用的取心方法之一，该方法具有操作简单、取样时间短、设备轻便、花费少等一系列优点。天然气水合物会随着温度的升高或者压力的降低出现分解，改变了天然气水合物原有的状态和性质。因此在天然气水合物的取样过程中应该保持低温、高压的状态，但常规的重力活塞取样器很难满足天然气水合物勘探以及后续相关研究的要求。

实用新型内容

本实用新型就是针对现有技术的不足，提供一种通过外部冷源降低天然气水合物岩心温度，通过保压机构维持岩心压力，从而实现抑制水合物分解的海底冷冻保压式重力活塞取样器。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现：

海底冷冻保压式重力活塞取样器，包括重锤、重锤缆绳、固定板、缓冲夹具、平衡杆、取样管、爪簧和管靴，重锤缆绳的上下两端分别连接重锤和平衡杆，固定板与平衡杆通过铰链连接，固定板与缓冲夹具通过刚性连接杆相连，缓冲夹具外壳的上端与主缆绳相连，平衡杆可绕着铰链做旋转运动，取样管上端有挂环挂在平衡杆前端的挂钩上，其特征在于：

取样管由外管、内管、活塞、活塞杆、配重接头组成，其中管靴和配重接头通过螺纹与内管和外管相连，外管和内管之间的空腔构成冷冻腔，配重接头可增加取样器重量以提高贯入深度；活塞安装在内管中并可沿着取样器内管进行上下移动，活塞杆与活塞通过螺纹连接，活塞杆上端与释放绳相连，重锤未释放时取样管上端的挂环挂在挂钩上；

配重接头上端安装有储冷机构，储冷机构由储冷腔外壳、储冷腔内壳(、储冷腔、储冷腔活塞、储冷腔活塞杆、储冷腔活塞控制杆、活塞限位弹簧、活塞限位杆、活塞控制杆支架组成，储冷腔外壳和储冷腔内壳通过螺纹与配重接头连接，活塞控制杆支架焊接在储冷腔内壳上，活塞限位弹簧安装在活塞控制杆支架上，储冷腔活塞控制杆与活塞控制杆支架铰接，并可绕活塞控制杆支架旋转30°～45°，使储冷腔活塞控制杆插入或脱离储冷腔活塞杆凹槽，配重接头垂直方向上有冷源注入通道，冷源注入通道的下端口有单向阀，在储冷腔内注入冷源，冷源上方为空气，在海水压力与储冷腔冷源上方空气压力差的作用下，储冷腔活塞向下运动，推动冷源进入冷冻腔；

取样管内设置有保压机构，保压机构由撞击块、定位钢球、定位弹簧、推动杆、推力弹簧、摇杆、连杆、保压球阀组成，在配重接头上加工有推力弹簧圆孔、定位弹簧圆孔，预紧螺栓通过螺纹与定位弹簧圆孔连接，将定位弹簧、定位钢球安装在定位弹簧圆孔中，两个定位钢球间的距离小于推力弹簧的直径，推力弹簧安装在推力弹簧圆孔中，推动杆安装在配重接的径向孔中，并可做径向移动；推动杆和配重接头之间用O型密封圈进行密封，防止海水进入到冷冻腔，推动杆一侧加工有斜面，在取样器工作过程中与撞击块相配合，撞击块通过螺纹与活塞杆相连，连杆安装在冷冻腔中，可沿着冷冻腔进行上下移动，连杆上端与定位钢球相接触，下端与摇杆铰接，摇杆与保压球阀铰接。

本实用新型通过重力活塞取样器在海底将重力势能转化动能，实现对海底天然气水合物的取样；取样结束后，通过海水将配置好的特定温度的冷源从储冷腔注入到冷冻腔，实现冷冻岩心；通过推力弹簧推动球阀旋转，关闭阀门，实现保压功能。在冷冻和保压两种作用下，减少水合物的分解。冷冻过程结束后，通过海洋钻探船上的绞车将取样器回收到船上。将取样器拆卸后，将岩心样品放到液氮储存罐或者高压容器保存。

本实用新型通过向冷冻腔注入冷源冷冻岩心，一方面降低了天然气水合物的临界分解压力，另一方面增强了天然气水合物的自保护效应，从而减少了天然气的分解，降低了对天然气水合物保压机构的要求。

附图说明

图1为海底冷冻保压式重力活塞取样器结构图。

图2为附图1中A-A截面俯视图。

图例

1、主缆绳，2、缓冲夹具弹簧，3、缓冲夹具活塞，4、刚性连接杆，5、固定板，6、释放缆绳，7、取样器上盖，8、活塞限位杆，9、储冷腔活塞，10、储冷腔外壳，11、储冷腔内壳，12、储冷腔，13、冷源注入通道，14、单向阀钢球，15、调压弹簧，16、冷冻腔，17、活塞杆，18、活塞，19、缓冲夹具外壳，20、挂钩，21、平衡杆，22、挂环，23、储冷腔活塞控制杆， 24、储冷腔活塞杆，25、活塞限位弹簧，26、活塞控制杆支架，27、配重接头，28、推力弹簧，29、定位钢球，30、推动杆，31、连杆，32、撞击块， 33、取样器内管，34、取样器外管，35、重锤缆绳，36、保压球阀，37、摇杆，38、铰链，39、爪簧，40、管靴，41、重锤，42、预紧螺栓，43、定位弹簧，44、定位弹簧圆孔，45、推力弹簧圆孔，46、空气，47、冷源。

具体实施方式

释放机构的重锤缆绳35的上下两端分别连接重锤41和平衡杆21，平衡杆21与挂钩20通过螺纹连接，固定板5与挂钩20通过铰链连接，挂钩20 可绕着铰链做旋转运动。固定板5与缓冲夹具通过刚性连接杆4相连，缓冲夹具由缓冲夹具外壳19、缓冲夹具弹簧2、缓冲夹具活塞3组成。缓冲夹具活塞3的下端与释放缆绳6相连，缓冲夹具外壳19的上端与主缆绳1相连。当重锤41触碰到海底时，重锤缆绳35由绷紧状态变为放松状态，平衡杆21 倾斜，使得挂钩20放开释放缆绳6，此时重力活塞取样器在重力的作用和海水的阻力下做匀加速直线运动。当自由下落产生的动能大于取样器贯入天然气水合物层所需的能量时，多余的能量会被缓冲夹具内的缓冲夹具弹簧2所吸收，减轻对主缆绳1的损坏；

管靴40和配重接头27通过螺纹与取样筒内管33和取样器外管34相连，配重接头27可增加取样器重量以提高贯入深度，活塞18与取样器内管33之间通过O型密封圈进行密封，活塞18在取样过程开始前，处于取样器最下端，并可沿着取样器内管33进行上下移动。活塞杆17与活塞18通过螺纹连接，活塞杆17上端与主缆绳1相连，当管靴40碰到海底天然气水合物层时，主缆绳1处于绷紧状态。取样器继续向下运动，在主缆1的拉力作用下，活塞 18保持不动，即相对于取样器做向上运动。由于活塞18和取样器内管33之间既有良好的密封作用，使得在活塞18和岩心之间形成局部真空，有利于将岩心吸入到取样器内管33中。

储冷腔外壳10和储冷腔内壳11通过螺纹与配重接头27连接，活塞控制杆支架26焊接在储冷腔内壳11上，储冷腔活塞控制杆23与活塞控制杆支架 26铰接，并可绕活塞控制杆支架26旋转30°～45°，使活塞控制杆23插入或脱离储冷腔活塞杆24的凹槽，活塞限位弹簧25安装在活塞控制杆支架26 上。在配重接头27上加工有三个冷源注入通道13，在冷源注入通道13下方安装单向阀，单向阀由调压弹簧15和单向阀钢球14组成；在冷冻腔外侧即取样器外管内壁、储冷腔外壳和储冷腔内壳上均涂有保温涂层，减少冷量的损失；当取样器处于下放过程中，活塞限位弹簧25使活塞控制杆23位于储冷腔活塞杆24的凹槽内，使储冷腔活塞9运动到活塞限位杆8处。当取样过程开始时，在释放缆绳6的作用下活塞杆17运动到最上端，活塞杆17上端碰撞储冷腔活塞控制杆23的一端，使储冷腔活塞控制杆23绕着铰链进行旋转。储冷腔活塞控制杆23压缩活塞限位弹簧25，并从储冷腔活塞杆24的凹槽中滑出。在海水压力与储冷腔12冷源47上方空气46压力差的作用下，储冷腔活塞9向下运动。当冷源47对单向阀钢球14压力大于调压弹簧15的弹簧力时，推动单向阀钢球14向下运动，流通通道打开，冷源47流入到冷冻腔16内，冷冻岩心；

在配重接头27上加工有推力弹簧圆孔45、定位弹簧圆孔44、冷源注入通道13。预紧螺栓42通过螺纹与定位弹簧圆孔44连接，将定位弹簧43、定位钢球29安装在定位弹簧圆孔44中。两个定位钢球29间的距离小于推力弹簧28的直径，推力弹簧28压缩安装在推力弹簧圆孔45中。推动杆30安装在配重接头27的径向孔中，并可做径向移动，推动杆30和配重接头27之间用O型密封圈进行密封，防止海水进入到冷冻腔16。推动杆30一侧加工有斜面，在取样器工作过程中撞击块32挤压推动杆30调整两个定位钢球29间的距离，撞击块32通过螺纹与活塞杆17相连。连杆31安装在冷冻腔16中，可沿着冷冻腔16进行上下移动；连杆31上端与定位钢球29相接触，下端与摇杆37铰接。摇杆37与保压球阀36铰接，保压球阀36为中空，在推力弹簧28和连杆31的作用下，摇杆37可推动保压球阀36绕铰链38进行旋转；在取样过程中，当两个定位钢球29间的距离小于推力弹簧28的直径，连杆 31、摇杆37、保压球阀36等处于原位。当取样过程结束时，撞击块32撞击推动杆30的锥面，推动杆30沿着径向运动，使得两定位钢球29的距离增大，压缩定位弹簧43，当两定位钢球29的距离大于推力弹簧28的直径时，推力弹簧28推动连杆31向下运动，摇杆37带动保压球阀36旋转90度，将取样器内管33封闭，实现保压功能。

Claims (2)

1.海底冷冻保压式重力活塞取样器，包括重锤(41)、重锤缆绳(35)、固定板(5)、缓冲夹具、平衡杆(21)、取样管、爪簧(39)和管靴(40)，重锤缆绳(35)的上下两端分别连接重锤(41)和平衡杆(21)，固定板(5)与平衡杆(21)通过铰链连接，固定板(5)与缓冲夹具通过刚性连接杆(4)相连，缓冲夹具外壳(19)的上端与主缆绳(1)相连，平衡杆(21)可绕着铰链做旋转运动，取样管上端有挂环(22)挂在平衡杆(21)前端的挂钩(20)上，其特征在于：

取样管由外管(34)、内管(33)、活塞(18)、活塞杆(17)、配重接头(27)组成，其中管靴(40)和配重接头(27)通过螺纹与内管(33)和外管(34)相连，外管(34)和内管(33)之间的空腔构成冷冻腔(16)，配重接头(27)可增加取样器重量以提高贯入深度；活塞(18)安装在内管(33)中并可沿着取样器内管(33)进行上下移动，活塞杆(17)与活塞(18)通过螺纹连接，活塞杆(17)上端与释放绳(6)相连，重锤(41)未释放时取样管上端的挂环(22)挂在挂钩(20)上；

配重接头(27)上端安装有储冷机构，储冷机构由储冷腔外壳(10)、储冷腔内壳(11)、储冷腔(12)、储冷腔活塞(9)、储冷腔活塞杆(24)、储冷腔活塞控制杆(23)、活塞限位弹簧(25)、活塞限位杆(8)、活塞控制杆支架(26)组成，储冷腔外壳(10)和储冷腔内壳(11)通过螺纹与配重接头(27)连接，活塞控制杆支架(26)焊接在储冷腔内壳(11)上，活塞限位弹簧(25)安装在活塞控制杆支架(26)上，储冷腔活塞控制杆(23)与活塞控制杆支架(26)铰接，并可绕活塞控制杆支架(26)旋转30°～45°，使储冷腔活塞控制杆(23)插入或脱离储冷腔活塞杆(24)凹槽，配重接头(27)垂直方向上有冷源注入通道(13)，冷源注入通道(13)的下端口有单向阀，在储冷腔(12)内注入一定量的冷源(47)，冷源上方为空气(46)，在海水压力与储冷腔(12)冷源(47)上方空气(46)压力差的作用下，储冷腔活塞(9)向下运动，推动冷源(47)进入冷冻腔(16)；

取样管内设置有保压机构，保压机构由撞击块(32)、定位钢球(29)、定位弹簧(43)、推动杆(30)、推力弹簧(28)、摇杆(37)、连杆(31)、保压球阀(36)组成，在配重接头(27)上加工有推力弹簧圆孔(45)、定位弹簧圆孔(44)，预紧螺栓(42)通过螺纹与定位弹簧圆孔(44)连接，将定位弹簧(43)、定位钢球(29)安装在定位弹簧圆孔(44)中，两个定位钢球(29)间的距离小于推力弹簧(28)的直径，推力弹簧(28)安装在推力弹簧圆孔(45)中，推动杆(30)安装在配重接头27的径向孔中，并可做径向移动；推动杆(30)和配重接头(27)之间用O型密封圈进行密封，防止海水进入到冷冻腔，推动杆(30)一侧加工有斜面，在取样器工作过程中与撞击块(32)相配合，撞击块(32)通过螺纹与活塞(17)杆相连，连杆(31)安装在冷冻腔(16)中，可沿着冷冻腔(16)进行上下移动，连杆(31)上端与定位钢球(29)相接触，下端与摇杆(37)铰接，摇杆(37)与保压球阀(36)铰接。

2.根据权利要求1所述的海底冷冻保压式重力活塞取样器，其特征在于缓冲夹具由缓冲夹具外壳(19)、缓冲夹具弹簧(2)和缓冲夹具活塞(3)组成，缓冲夹具活塞(3)的下端与释放缆绳(6)相连。