气动循环冷冻式天然气水合物绳索取心钻具及取心方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种气动循环冷冻式天然气水合物绳索取心钻具及取心方法，尤其适用于海洋和陆地永冻层的天然气水合物钻探取心。
【背景技术】
[0002]在全球经济的飞速发展的形势下，石化能源的消耗量居高不下，就其已探明剩余储量来看，常规石化能源难以长期支持现代工业的生存和发展，而天然气水合物的资源量极其丰富，且是一种清洁能源，因此天然气水合物被视为未来的替代能源。天然气水合物形成和赋存在高压、低温的环境下，温压条件超过平衡条件会导致天然气水合物分解，所以获取高保真度的天然气水合物样品，是天然气水合物勘探领域的一大难题。目前国内外的天然气水合物保真取样器主要有两种设计思路:一种是孔底保温保压取样器，另一种是孔底冷冻取样器。
[0003]保温保压取样器通过球阀或翻板阀等对岩心管进行密封、加上压力补偿装置使岩心保持原位压力，再通过保温材料实现被动式保温以实现保真取样。这种保压方式对球阀或翻板阀密封效果的要求很高，只要球阀或翻板阀的密封性稍有些下降，就会导致取心失败。孔底冷冻取样器的思路是:钻进回次结束后，利用冷冻剂在孔底将岩心冷冻到水合物常压下可以稳定存在的温度后再进行提取。
[0004]现有的天然气水合物孔底冷冻取心钻具利用冲洗液压力或重力将冷冻剂注入到岩心管周围环状密封的冷冻腔体内部，冷冻剂与水合物岩心通过热交换实现对水合物岩心的冷冻。但由于岩心管外围的冷冻腔容积小，且其中的冷冻剂依靠与上部储冷腔中低温冷冻剂的自然对流换热来维持低温，因此冷冻效率低，可靠性无法保证。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种冷冻效率高、可靠性高的一种气动循环冷冻式天然气水合物绳索取心钻具及取心方法。
[0006]本发明采用排气阀、止逆阀和连通酒精腔、冷冻腔的内置管路，实现二氧化碳气体推动酒精沿酒精腔一储冷腔一冷冻腔一酒精腔循环流动，并以酒精为载冷剂，将冷冻能量由储冷腔冷持续传递至冷冻腔并冷冻岩心，以此提高取样器冷冻效率。
[0007]本发明之气动循环冷冻式天然气水合物绳索取心钻具由内管总成和外管总成两大部分组成，其中内管总成包括:打捞机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、调节机构、酒精存储机构、储冷机构、孔底冷冻机构和气动循环控制机构。
[0008]打捞机构由捞矛头、第一弹性销和弹卡回收管组成，捞矛头与弹卡回收管通过第一弹性销连接；打捞器下入孔内后与捞矛头连接，通过打捞器与打捞机构的连接实现将钻具内管总成放入孔内和回收的过程；同时通过打捞器提起打捞机构时带动岩心管向上移动，捞矛头可带动弹卡回收管向上移动，从而实现绳索取心的过程。
[0009]弹卡定位机构由弹卡挡头、弹卡回收管、弹卡架、第二弹性销、第一扭簧、弹卡和第三弹性销组成。弹卡回收管与弹卡架通过第二弹性销铰接，第二弹性销与弹卡架的连接为可动连接，第二弹性销与弹卡回收管之间为固定连接，弹卡回收管可在自身重力和打捞器拉力作用下延竖直方向移动固定的距离。弹卡为两片通过第二弹性销形成可转动的连接，第一扭簧保持弹卡在弹卡架内保持张开，弹卡回收管与弹卡架通过第三弹性销形成固定连接，两片弹卡卡在弹卡挡头上，保证在钻进过程中内管总成不会因为钻进时上顶力使内管总成向上移动造成“飞管”事故。
[0010]悬挂机构由弹卡架、第一连接管、悬挂环、座环和上轴承座组成。第一连接管与弹卡架通过螺纹连接，悬挂环与第一连接管通过螺纹连接，第一连接管上开有均匀分布的八个斜孔，分别位于悬挂环上部和下部相对的位置，当悬挂环与座环接触后，内管总成与外管之间的泥浆通道被堵死，泥浆通过第一连接管上部的斜孔进入，从第一连接管下部的斜孔流出实现泥浆向下流动。悬挂环与座环的连接方式为接触式连接，这种连接方式使内管总成克服自身重力悬挂在外管总成内，使卡簧座与钻头之间保持2-4毫米间隙，以防止损坏卡簧座和钻头，并保证岩心管不会因为与钻头接触而转动和堵塞泥浆通道。
[0011]单动机构由上轴承座、第一单动轴承、下轴承座、油嘴和第二单动轴承组成。第一连接管与上轴承座通过螺纹连接，第一单动轴承上部与上轴承座接触，并随上轴承座转动，第一单动轴承下部与下轴承座接触保持不动，当岩心在岩心管内卡住时，第一单动轴承作为易损件承受上顶力，第二单动轴承上部与下轴承座接触，第二单动轴承下部与上轴承座接触，第二单动轴承提供上顶力使下轴承座不向下移动，油嘴与下轴承座通过螺纹连接，每次钻进开始前通过油嘴上的小口将润滑油加入上轴承座和下轴承座的间隙内，润滑油可对转动的第一单动轴承和第二单动轴承起到润滑、散热和防水的作用。第一单动轴承与第二单动轴承实现了岩心管、储冷机构、孔底冷冻机构和循环控制机构的单动功能，保证在钻进过程中岩心管中的水合物岩心不会受到扰动。
[0012]调节机构上轴承座、弹簧、挡环、防松垫片、圆螺母和排气接手。弹簧上部与第二单动轴承接触并提供上顶力使第二单动轴承能够保持下轴承座不动，弹簧下部与档环接触，档环与上轴承座接触，防松垫片上部与挡环连接，弹簧下部与圆螺母连接，圆螺母为弹簧提供上顶力，将单动机构上部的机构与下部的机构连接起来；上轴承座通过螺纹与排气接手连接；在内管总成投入到孔内时，悬挂环坐落在座环上，内管总成下部的机构由于自身重力会向下移动，弹簧可起到缓冲作用；在卡断岩心时，卡簧带动卡簧座下移压缩弹簧，卡簧座坐于钻头内的台阶上，进而将拔断岩心的力传递到外管上，保证内管在整个取样过程中不受力。
[0013]酒精存储机构由酒精腔上接手、排气阀座、排气阀弹簧、排气阀球、酒精腔上保温垫片、酒精腔体管、酒精腔保温管、酒精腔下保温垫片、酒精腔端盖外套、酒精腔端盖体组成。酒精腔上接手通过螺纹与酒精腔体管连接，酒精腔体管与酒精腔端盖体接触连接，酒精腔端盖外套通过螺纹与酒精腔体管连接连接并压紧酒精腔端盖体，酒精腔上接手、酒精腔体管、酒精腔端盖体共同组成了酒精腔。排气阀座与酒精腔上接手通过螺纹连接，排气阀弹簧坐于排气阀座内并通过一定预紧力将排气阀球顶在酒精腔上接手上，酒精腔上接手、排气阀、排气阀球和有一定预紧力的排气阀弹簧组成排气阀，当酒精腔内压力大于一定值时排气阀被打开，将腔内气体排至钻井液中。酒精腔上保温垫片与酒精腔上接手接触连接，酒精腔下保温垫片与酒精腔端盖体接触连接，酒精腔保温管与酒精腔体管接触连接，酒精腔上保温垫片、酒精腔保温管和酒精腔下保温垫片共同组成了酒精腔保温系统，利用保温材料导热系数低的性质减少低温酒精循环过程中冷冻能量的散失。
[0014]储冷机构由储冷腔端盖体、单向阀球、单向阀弹簧、单向阀座、储冷腔端盖外套、储冷腔上保温垫片、储冷腔体管、储冷腔保温管、储冷腔下保温垫片、冷冻腔上接手组成。储冷腔端盖体与储冷腔体管接触连接，储冷腔端盖外套与储冷腔体管通过螺纹连接并压紧储冷腔端盖体，冷冻腔上接手与储冷腔体管通过螺纹连接，储冷腔端盖体、储冷腔体管和冷冻腔上接手共同组成储冷腔，用来存储冷源干冰。单向阀座与储冷腔端盖体通过螺纹连接，单向阀弹簧弹簧坐于单向阀座内并通过一定预紧力将单向阀球顶在储冷腔端盖体上，储冷腔端盖体、单向阀球、单向阀弹簧、单向阀座共同组成单向阀，允许酒精在由酒精腔进入储冷腔而阻止储冷腔中气体和液体经单向阀进入酒精腔。储冷腔上保温垫片与储冷腔端盖体接触连接，储冷腔下保温垫片与冷冻腔上接手接触连接，储冷腔保温管与储冷腔体管接触连接，储冷腔上保温垫片、储冷腔保温管和储冷腔下保温垫片共同组成了储冷腔保温系统，利用保温材料导热系数低的性质减少冷源存储和低温酒精循环循过程中冷冻能量的散失。
[0015]孔底冷冻机构由冷冻腔上接手、止逆阀球、止逆阀座、岩心管上接手、密封圈、限位螺钉、岩心管、冷冻腔保温管、卡簧、卡簧座组成，其中岩心管由岩心管内管、岩心管外管和岩心管底座组成，岩心管内管和岩心管外管分别与岩心管底座焊接。岩心管上接手与冷冻腔上接手插接，岩心管内管与岩心管上接手通过螺纹连接，岩心管外管与冷冻腔上接手插接，冷冻腔上接手、岩心管上接手、岩心管组成了冷冻腔，冷冻腔通过冷冻腔上接手上多个圆孔与储冷腔连通。止逆阀座与冷冻腔上接手通过螺纹连接，止逆阀球置于止逆阀座中，止逆阀座、止逆阀球和冷冻腔上接手共同组成止逆阀，在岩心进入到岩心管内的过程中，岩心管内的泥浆顶开止逆阀球经岩心腔上接手内部的泄流口流出，止逆阀同时保证泥浆不会流回岩心管内。限位螺钉与冷冻腔上接手通过螺纹连接，与岩心管接触连接，限位螺钉嵌入岩心管外管上部的环形凹槽中以防止钻进及取心过程中岩心管脱落。冷冻腔保温管与岩心管外管接触连接，利用保温材料导热系数低的性质减少低温酒精循环过程中冷冻能量的散失。卡簧座与岩心管座通过螺纹连接，卡簧坐于卡簧座内，钻进结束后，上提内管总成，卡簧由于自身重力和岩心的摩擦力作用下行将岩心抱死，卡簧座座于钻头内部的台阶上将岩心卡断，实现岩心的回收。
[0016]气动循环控制机构由第二连接管、球阀、开阀挡环、第三连接管、上连通管、第一快速接头、中连通管、第二快速接头、环隙密封接头、下连通管组成；其中球阀由阀座、阀体、阀心、阀座密封圈、启闭阀杆、密封