一种用于深海天然气水合物现场多点位取样的装置及方法

本发明涉及深海天然气水合物开发取样的技术领域的一种海底多点位取样的装置和方法，尤其是一种用于深海天然气水合物现场多点位取样的装置及方法。

背景技术：

作为煤炭、石油等常规化石能源的未来接替性洁净能源，天然气水合物对全球未来能源格局及世界各国能源构成、战略储备具有重要意义。在自然环境下，天然气水合物是由水和天然气在合适的高压低温条件中结合形成的有极强燃烧力的白色冰状固体物质，广泛分布于大陆边缘海底沉积物与永久冻土带环境中。据估算，海洋天然气水合物储量是陆地储量的100倍以上。

随着我国“深海进入”、“深海探测”和“深海开发”战略计划的实施，围绕进入深海—认知深海—探查深海—开发深海的主线，突破制约深海探测能力的核心关键技术，进军深海科学和技术制高点。但天然气水合物的赋存环境极其严格，需要同时满足低温和高压条件，给固态天然气水合物的勘探和开发带来巨大的挑战。保真、高效的现场原位取样，成为研究天然气水合物特性和探索开采工艺的重要前提，为我国率先实现海洋天然气水合物商业化开采技术提供关键支撑。由于海洋环境的多样性和地质过程的复杂性，造成不同地域的天然气水合物含量及其与土体颗粒的结合形态均不同，具有显著的不均匀性性；甚至相距数十米的两个区域，其性质和储层形态也可能差异明显。现有水合物取样技术主要进行单钻井取样，每次进行一个点位的取样；对于不同地域取样需移动海上操作平台重新定位，耗资较大。在深海天然气水合物取样时，取样机构一次释放和回收过程中如何进行水合物的保真、多点位、经济快捷获取原状样品，是目前实现海洋水合物取样探测和特性研究的关键支撑和有效途径。

因此，在天然气水合物稳定取样的基础上，能够满足深海天然气水合物定位准确、温压保真、一次多点位取样的技术方法亟待解决。

技术实现要素：

针对现有技术手段的不足，本发明的目的在于提供一种用于深海天然气水合物现场多点位取样的装置及方法。在利用现有取样技术的基础上，使取样机构可以通过自动移动与定位、多次取样、远程伺服控制密封，便捷、保真、高效地实现现场多点位取样工作。

为实现上述目标，本发明通过以下技术方案实现：

本发明包括移动驱动机构、取样机构、自动密封机构、定位机构、释放及回收机构；定位机构、取样机构和自动密封机构安装在移动驱动机构上，自动密封机构位于取样机构的下方，取样机构、自动密封机构经释放及回收机构和外部的控制器连接。

所述的移动驱动机构包括耐高压车轮、底板和支撑架；支撑架安装在底板上，底板底部安装有耐高压车轮；所述取样机构包括取样钻具、位移测量装置、升降电机、反力板、传动套管、旋转轴、竖直丝杠滑轨结构、喷嘴、簧圈和多节式储样器；支撑架的两侧内壁安装有竖直丝杠滑轨结构，两侧内壁的竖直丝杠滑轨结构之间连接安装有反力板，反力板在竖直丝杠滑轨结构的作用下上下升降移动；反力板上安装有升降电机，升降电机的输出轴颈和旋转轴同步连接转动进而带动旋转轴升降，旋转轴下端和传动套管固定连接，传动套管下端穿过反力板的通孔后和取样钻具的上端固定连接；取样钻具内设有中间的试样通道和位于试样通道周围的高压水输送通道，高压水输送通道顶部开设注入口，底部安装喷嘴；试样通道的内顶部安装位移测量装置，试样通道的底部开口，多节式储样器装在试样通道内，多节式储样器底部周围安装簧圈；取样钻具正下方的底板上开设有限位孔；限位孔侧方的底板上安装有自动密封机构，所述自动密封机构包括旋转电机、电磁环、连接杆、密封底座、信号线、底盘、从动齿轮ⅱ、主动齿轮ⅱ；底板上安装有旋转电机，旋转电机上方布置有底盘，从动齿轮ⅱ和主动齿轮ⅱ布置在底盘上，旋转电机的输出轴朝上穿过底盘后和主动齿轮ⅱ同步转动连接，主动齿轮ⅱ和从动齿轮ⅱ啮合，从动齿轮ⅱ经连接杆和密封底座固定连接，密封底座外绕制布置有电磁环；电磁环经信号线和外部的电路连接。

所述的底板上还布置有定位机构。

所述释放及回收机构包括绳索及高压水软管，绳索及高压水软管布置在支撑架的顶部；高压水软管经注入口连通到高压水输送通道，用于给高压水输送通道输送高压水；绳索经支撑架顶部钩环连接到取样装置上，用于牵引取样装置升降；

还包括电缆线，电缆线布置在支撑架的顶部。

每个耐高压车轮处的底板上安装有驱动电机，驱动电机的输出轴和主动齿轮ⅰ连接，从动齿轮ⅰ和主动齿轮ⅰ啮合形成第一齿轮副，从动齿轮ⅰ和耐高压车轮同轴连接。

所述发明的步骤和原理如下：

步骤一、装置释放：将下放取样机构中至海底，通过定位机构控制移动驱动机构至预定位置；

步骤二、钻具取样：控制升降电机，通过竖直丝杠滑轨结构带动取样钻具穿过限位孔后下降，取样钻具穿过限位孔至天然水合物冰层，在接触到冰层后，通过注入口向取样钻具的高压水输送通道输送高压水，高压水经喷嘴喷出提供切割动力，进行切割钻孔取样；

步骤三、钻具复位：取样钻具中传动套管下表面的位移测量装置感知每次取样的长度，当位移测量装置测量到位移为零时，带动取样钻具上升信号，移动至密封底座上方以上的安全距离；

步骤四、试样密封：控制旋转电机转动连接杆，带动密封底座旋转到取样钻具正下方的位置时，关闭旋转电机并对电磁环通电，取样钻具中的多节式储样器底部被磁性吸附到和封闭底座接触，密封试样；

步骤五、取样定位：通过定位机构寻找下一个取样点位，再次控制移动驱动机构移动到下一个取样点位，然后停止向电磁环通电，控制旋转电机转动连接杆，带动密封底座旋转到远离取样钻具；

步骤六、多点取样：重复步骤二～步骤五，完成多次取样工作，多节式储样器从上至下依次为按时间先后取到的样品，按照样品长度区分出不同取样点位位号的样品，至此，顺利完成多取样点位取样工作；

步骤七、装置回收：通过顶部的绳索及高压水软管将取样机构拉回海面上，取出取样钻具底部的簧圈将装有试样的多节式储样器取出。

本发明解决了目前天然气水合物取样机构无法定位和多点位取样的问题，实现了自动移动与定位、多次取样、远程伺服控制密封，便捷、保真、高效地实现现场多点位取样的目的。

综上，本发明的有益效果是：

1)提供了一种可以自动移动，多次取样的深海天然气水合物现场多点位取样的装置，钻具中的多节式储样器可以存放不少于三个天然气水合物试样。

2)通过远程伺服控制电磁环对多节式储样器进行密封，电磁阀结构的设置可以按需求对已采集试样进行密封，方便现场取样工作的进行。

3)对于海域不同点位的天然气水合物，该取样机构一次释放和回收就可以完成任务，经济快捷地获得高保真度的天然气水合物原状样品，有效促进了高校实验室对深海天然气水合物的科研研究。

附图说明

图1为本发明装置结构的总体示意图；

图2为本发明装置内部工作状态的平面图；

图3为图1的a部的侧视放大图；

图4为图2的初始状态图。

图中：旋转电机1、喷嘴2、簧圈3、高压水输送通道4、试样5、多节式储样器6、注入口7、位移测量装置8、传动套管9、旋转轴10、防护机壳11、升降电机12、限位孔13、定位机构14、从主动齿轮ⅰ15、主动齿轮ⅰ16、驱动电机17、取样钻具18、反力板19、绳索及高压水软管20、电缆线21、支撑架22、竖直丝杠滑轨结构23、底板24、耐高压车轮25、密封底座26、连接杆27、从动齿轮ⅱ28、主动齿轮ⅱ29、底盘30、信号线31、电磁环32。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。

如图1所示，包括移动驱动机构、取样机构、自动密封机构、定位机构、释放及回收机构；定位机构、取样机构和自动密封机构安装在移动驱动机构上，自动密封机构位于取样机构的下方，取样机构、自动密封机构经释放及回收机构和外部的控制器连接。

如图1所示，移动驱动机构包括耐高压车轮25、底板24和支撑架22；支撑架22安装在底板24上，底板24底部四角安装有耐高压车轮25；

每个耐高压车轮25处的底板24上安装有驱动电机17，驱动电机17的输出轴和主动齿轮ⅰ16连接，从动齿轮ⅰ15和主动齿轮ⅰ16啮合形成第一齿轮副，从动齿轮ⅰ15和耐高压车轮25同轴连接。驱动电机17工作经第一齿轮副带动耐高压车轮25旋转滚动，进而带动移动驱动机构在平面上移动。

如图1所示，取样机构包括取样钻具18、位移测量装置8、升降电机12、反力板19、传动套管9、旋转轴10、竖直丝杠滑轨结构23、喷嘴2、簧圈3和多节式储样器6；支撑架22的两侧内壁竖直安装有竖直丝杠滑轨结构23，两侧内壁的竖直丝杠滑轨结构23之间连接安装有反力板19，反力板19在竖直丝杠滑轨结构23的作用下上下升降移动；反力板19上安装有升降电机12，升降电机12的输出轴颈锥齿轮的传功结构和旋转轴10同步连接转动进而带动旋转轴10小幅升降，升降电机12和旋转轴10外设置防护机壳11，防护机壳11罩在升降电机12和旋转轴10外，旋转轴10下端和传动套管9固定连接，传动套管9下端穿过反力板19的通孔后和取样钻具18的上端固定连接；取样钻具18内设有中间的试样通道和位于试样通道周围的高压水输送通道4，多节式储样器6内收集形成试样5，高压水输送通道4顶部开设注入口7，底部安装喷嘴2；试样通道的内顶部安装位移测量装置8，位移测量装置8用于检测多节式储样器6内试样5的高度，试样通道的底部开口，多节式储样器6装在试样通道内，多节式储样器6底部周围安装簧圈3，簧圈3用于和电磁环32配合磁性吸附；

如图2和图3所示，取样钻具18正下方的底板24上开设有和取样钻具18外轮廓形状相同的限位孔13；限位孔13侧方的底板24上安装有自动密封机构，自动密封机构包括旋转电机1、电磁环32、连接杆27、密封底座26、信号线31、底盘30、从动齿轮ⅱ28、主动齿轮ⅱ29；底板24上安装有旋转电机1，旋转电机1上方布置有底盘30，从动齿轮ⅱ28和主动齿轮ⅱ29铰接安装布置在底盘30上，旋转电机1的输出轴朝上穿过底盘30后和主动齿轮ⅱ29同步转动连接，主动齿轮ⅱ29和从动齿轮ⅱ28啮合，从动齿轮ⅱ28经连接杆27和密封底座26固定连接，密封底座26外绕制布置有电磁环32；电磁环32经信号线31和外部控制器的电路连接。

在密封操作时，通过对电磁环32进行通电，使得电磁环32产生磁场，进而磁性吸附取样钻具18下降到密封底座26上。

自动密封机构为可以绕旋转电机1旋转的电磁阀结构，在需要密封时，向电磁环32通电，使密封底座26带磁获得吸附多节式储样器6的功能和效果。

底板24上还布置有定位机构14。定位机构14采用gps等，通过计算机显示屏，可以获取取样机构的位置，并由此进行控制，移动取样机构到达目的地。

释放及回收机构包括绳索及高压水软管20，绳索及高压水软管20布置在支撑架22的顶部，通过调节装置顶部绳索及高压水软管20长度达到释放和回收目的；高压水软管20经注入口7连通到高压水输送通道4，用于给高压水输送通道4输送高压低温水；绳索经支撑架22顶部钩环连接到取样装置上，用于牵引取样装置升降；

高压水软管一端与注入口7相接，使3℃的高压低温水注入到高压输送水通道4中；为了便于操作，将高压水软管依附在顶部绳索上并捆绑到一起。

具体实施还包括电缆线21，电缆线21布置在支撑架22的顶部；各个电机和电磁环32通过电缆线21与海面上计算机相连，用于传送和接收信号，从而控制取样机构操作和移动。

取样钻具18中的多节式储样器6沿纵向排列可储存不少于三个点位的试样，通过位移测量装置8计算每个试样5的长度，试样5数量优选为四个。

位移测量装置8安装在传动套管9的下表面，用于测量取样钻具18中试样5的长度，优选但不限于激光位移计。本发明装置可取不同点位的天然水合物样品，位移测量装置8通过提前计算每个样品的长度然后在计算机上进行反向设置，使显示屏上在开始显示的数字为即将要取样的长度，当位移为零时，表示该试样5取样完毕。

升降电机12通过计算机控制开关，作为优选，将“显示屏上的位移显示为零”作为触发升降电机12开关的信号，即每当位移显示零，触发升降电机12工作。

如图4所示，在初始状态时，旋转电机1连接的密封底座26远离限位孔13和取样钻具18，需要密封时再转至限位孔13处，并位于取样钻具18下方。作为优选，初始状态时，连接杆27垂直于主动齿轮ⅱ29和限位孔13中心的连线，密封底座26处于如图4中的状态。

如图2所示，工作时，旋转电机1运行带动密封底座26绕从动齿轮ⅱ28的中心轴旋转，密封底座26运动至限位孔13的中心c点，此时密封底座26对准取样钻具18中的多节式储样器6底部。

密封底座26为实心铁柱体，环绕在其周围的电磁环32通过信号线31与电缆线21相接，当密封底座26到达图2中的c点位置时，关闭旋转电机1并对电磁环32通电，使中间的密封底座26带磁，控制升降电机12下降取样钻具18，多节式储样器6底部与密封底座26接触并吸附，达到密封试样的效果。

本发明的具体实施例步骤和过程如下：

步骤一、装置释放：将下放取样机构中至海底，通过定位机构14控制移动驱动机构至预定位置；

步骤二、钻具取样：控制升降电机12，通过竖直丝杠滑轨结构23带动取样钻具18穿过限位孔13后下降，取样钻具18穿过限位孔13至天然水合物冰层，在接触到冰层后，通过注入口7向取样钻具18的高压水输送通道4输送高压水，高压水经喷嘴2喷出提供切割动力，进行切割钻孔取样；

步骤三、钻具复位：取样钻具18中传动套管9下表面的位移测量装置8感知每次取样的长度，当位移测量装置8测量到位移为零时，带动取样钻具18上升信号，移动至密封底座26上方以上的安全距离，至此取样顺利完成；

步骤四、试样密封：通过计算机控制旋转电机1转动连接杆27，带动密封底座26旋转到取样钻具18正下方的c点位置时，关闭旋转电机1并对电磁环32通电，取样钻具18中的多节式储样器6底部被磁性吸附到和封闭底座26接触，密封试样；

步骤五、取样定位：通过定位机构14寻找下一个取样点位，再次通过计算机控制移动驱动机构移动到下一个取样点位，然后停止向电磁环32通电，控制旋转电机1转动连接杆27，带动密封底座26旋转到远离取样钻具18，如图4所示的位置；

步骤六、多点取样：重复步骤二～步骤五，完成多次取样工作，多节式储样器6从上至下依次为按时间先后取到的样品，按照样品长度区分出不同取样点位位号的样品，至此，顺利完成多取样点位取样工作；

步骤七、装置回收：通过顶部的绳索及高压水软管20将取样机构拉回海面上，取出取样钻具18底部的簧圈3将装有试样5的多节式储样器6取出。

由此实施可见，本发明解决了目前天然气水合物取样机构无法定位和多点位取样的问题，实现了自动移动与定位、多次取样、远程伺服控制密封，便捷、保真、高效地实现现场多点位取样的目的。

需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。