天然气水合物孔底冷冻双弹卡绳索取心钻具及取心方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具及取心方法，尤其适用于深海和陆地永冻层的天然气水合物钻探取心。
【背景技术】
[0002]随着经济的快速发展，能源的消耗也日益增长，石油、煤、天然气等常规能源大量消耗，从其剩余储量来看，常规能源已经无法继续长期支撑现代工业，而天然气水合物的资源量极其丰富，且其燃烧后产生二氧化碳和水，是一种清洁能源，因此天然气水合物被视为未来的主要能源。天然气水合物形成和赋存在高压低温的环境下，当温度或者压力条件变化超过平衡条件，就会导致天然气水合物分解。怎样才能获取更高保真度的天然气水合物样品，是国内外钻探工作者共同面临的问题。目前国内外的天然气水合物保真取样器主要由两种设计思路:一种是孔底保温保压取样器，一种是孔底冷冻取样器。
[0003]保温保压取样器是通过球阀或翻板阀关闭岩心管底部使水合物岩芯处于密封的保压岩心室内，利用压力补偿装置控制压力使岩心保持初始压力，并通过保温材料来实现被动式保温，提到地表后再进行冷冻保存。这种保压方式对球阀或翻板阀的强度和密封性的要求是很高的，如果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当钻进回次结束，水合物岩心充满岩心管后，利用冲洗液压力将冷冻剂压入到岩心管周围密封的冷冻腔体内部，冷冻剂与水合物岩心通过铜质的岩心管发生热交换，实现对水合物岩心的冷冻。根据天然气水合物温压特性曲线，其分解压力随着温度的降低而降低。
[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芯管周围环装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芯的冷冻。这种冷源注入的方法可行性较差，并且通过改变钻具的机械结构来利用冲洗液压力作为动力使冷源注入到岩心管周围，并对岩心进行冷冻是很难实现的，并且可靠性无法保证。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种结构简单、动作容易实现、可靠性高、冷冻效果好的天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具。
[0006]本发明可以根据不同的现场需求采用不同的冷源来实现天然气水合物孔底冷冻取样。采用与弹卡机构相连接的控制阀来控制冷源注入岩心管周围的过程，通过低温冷源降低水合物岩心的温度，进而抑制天然气水合物的分解。
[0007]本发明所述的天然气水合物孔底冷冻双弹卡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、活动弹卡机构、单动机构、调节机构、冷源存储机构和孔底冷冻机构。
[0008]打捞机构由捞矛头、第一弹性销和第一弹卡回收管组成，捞矛头与第一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芯管向上移动，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、第一弹性销、第一弹卡回收管、第一弹卡架、第二弹性销、第一扭簧、第一弹卡和第三弹性销。第一弹卡回收管与第一弹卡架通过第一弹性销铰接，第一弹性销与第一弹卡架的连接为可动连接，第一弹性销与第一弹卡回收管之间为固定连接，第一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。第一弹卡为两片通过第二弹性销形成可转动的连接，第一扭簧保持第一弹卡在第一弹卡架内保持张开，第一弹卡回收管与第一弹卡架通过第三弹性销形成固定连接，两片第一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]悬挂机构由第一弹卡架、内接手、悬挂环、座环和第二弹卡回收管组成。内接手与第一弹卡架通过螺纹连接，内接手通过螺纹与悬挂环连接，内接手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，原本从内管总成与外管之间间隙流动的泥浆通道被堵死，泥浆通过内接手上部的斜孔进入，从内接手下部的斜孔流出完成泥浆循环。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岩心管的通水性能。
[0011]活动弹卡机构由第二弹卡回收管、第二弹卡架、第二扭簧、第二弹卡、第四弹性销、第一弹簧、控制阀、上轴承座和第一密封圈组成。第二弹卡回收管通过螺纹与内接手连接，第二弹卡架位于第二弹卡回收管内部并且可上下移动。第二弹卡为两片通过第四弹性销形成可转动的连接，第二扭簧保持第二弹卡在第二弹卡架内保持张开。第一弹簧上部与第二弹卡架连接并为其提供上顶力，下部与上轴承座连接。控制阀与第二弹卡架通过螺纹连接。钻进过程中第二弹卡保持张开状态，钻进结束后，上提钻具，内管总成带动第二弹卡上行，第二弹卡卡在座环下部，此时第二弹卡停止上行，内管总成继续上行导致第二弹卡带动控制阀相对于内管总成下行，控制阀将酒精腔内的酒精压入到干冰腔内，与干冰混合后进入冷冻机构内对岩心进行冷冻，从而实现冷源的注入过程，第一密封圈在此过程中气密封保压的作用。
[0012]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。第二弹卡回收管与上轴承座通过螺纹连接，第一轴承上部与上轴承座接触，并随上轴承座转动，第一轴承下部与下轴承座接触保持不动，当岩芯在岩芯管内卡住时，第一轴承作为易损件承受上顶力，第二轴承上部与下轴承座接触，第二轴承下部与上轴承座接触，第二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轴承和第二轴承起到润滑、散热和防水的作用。第一轴承与第二轴承实现了岩心管、冷源存储机构和孔底冷冻机构的单动功能，保证在钻进过程中岩心管中的水合物岩心不会受到扰动。
[0013]调节机构上轴承座、第二弹簧、挡环、放松垫片、圆螺母和连接管。第二弹簧上部与第二轴承接触并提供上顶力使第二轴承能够保持下轴承座不动，第二弹簧下部与档环接触，档环与上轴承座接触，防松垫片上部与档环连接，第二弹簧下部与圆螺母连接，圆螺母为第二弹簧提供上顶力，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连接管连接；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，第一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第二弹簧，卡簧座座与钻头内的台阶上，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。
[0014]冷源存储机构由酒精腔上接手、酒精腔体管、酒精腔下接手、控制阀球、控制阀座、排气阀座、第三弹簧、排气阀球、第四弹簧、干冰腔保温层、第二密封圈和岩心腔上接手组成。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下接手通过螺纹连接，酒精腔上接手、酒精腔体管和酒精腔下接手共同组成酒精存储腔。控制阀球上部与酒精腔下接手接触，下部为第三弹簧；第三弹簧上部与控制阀球接触并通过一定的预紧力将其压紧在酒精腔下接手上，下部座于控制阀座内；控制阀座与酒精腔下接手通过螺纹连接，酒精腔下接手、控制阀球、控制阀座和具有一定预紧力的第三弹簧组成单向阀，在钻进过程中，单向阀将酒精腔下接手上的酒精流动通道堵死，确保在钻进过程中酒精不会流出。当酒精腔内部的压力升高到一定值时，液体压力使单向阀打开，酒精流出。排气阀座通过螺纹与酒精腔下接手连接，第四弹簧座于排气阀座内，并通过预紧力将排气阀球顶在酒精腔下接手上，排气阀座、排气阀球、第四弹簧和酒精腔下接手组成排气阀，当冷源腔内的气体压力升高时将排气阀顶开，气体排出。酒精腔下接手与岩心腔上接手通过螺纹连接，冷源腔保温层位于酒精腔下接手内部，保温层具有很小的导热系数保证冷源在存储过程中的“冷量”不会散失。
[0015]孔底冷冻机构由第二密封圈、岩心腔上接手、止逆阀球、止逆阀座、冷冻腔体管、冷冻腔保温层、岩心管、保温垫片、卡簧和卡簧座组成。岩心腔上接手与冷冻腔体管通过螺纹连接，岩心管通过螺纹与岩心腔上接手连接，冷冻腔体管与岩心管之间的环状间隙为冷冻腔，当钻进结束后将冷源注入到冷冻腔内，冷源与水合物岩心之间通过岩心管进行换热，从而冷冻水合物岩心，冷冻腔体管的内壁包裹有冷冻腔保温层，保证在冷冻过程中冷源的“冷量”不浪费。岩心腔上接手与止逆阀座通过螺纹连接，止逆阀球位于止逆阀座上部，岩心腔上接手、止逆阀座和止逆阀球组成止逆阀，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。卡簧座与冷冻腔体管通过螺纹连接，卡簧座于卡簧座内，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]外管总成由弹卡挡头、第一外管、第一扩孔器、第二外管、