專利名稱：冰封式保壓保溫取樣器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種鉆探取樣機(jī)具，尤其是天然氣水合物鉆探取樣用的保壓保溫 取樣鉆具。
背景技術(shù)：
天然氣水合物具有分布廣、儲量巨大、能量密度高等特點(diǎn)，是人類未來的潛在潔凈 新能源，對全球環(huán)境和海洋鉆井生產(chǎn)安全有重要影響。專家初步估算我國天然氣水合物蘊(yùn) 含的總能量約為境內(nèi)已知石油、天然氣和煤炭能量之和的1倍以上，勘探開發(fā)天然氣水合 物意義重大。天然氣水合物的特殊形態(tài)決定了其穩(wěn)定存在需要高壓低溫條件，要求鉆探取樣鉆 具具有保壓保溫功能。國內(nèi)外現(xiàn)有保壓鉆具采用球閥或板閥等機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)閉取樣鉆具下部 端口，從而實(shí)現(xiàn)保壓功能，存在的突出問題是，球閥或板閥常常難以正常關(guān)閉，從而不能正 常發(fā)揮保壓功能，發(fā)揮保壓功能的次數(shù)占總?cè)哟螖?shù)的比例不到60%，可靠性差；而且，球 閥或板閥在設(shè)計上占用較大的徑向尺寸，因而天然氣水合物巖心直徑較小而容易被破壞， 造成巖心采取率較低，往往不到50 %，不能很好地滿足天然氣水合物勘探要求和科學(xué)研究 需要。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有良好保壓保溫 功能的冰封式保壓保溫取樣器。本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的冰封式保壓保溫取樣器，是由鉆進(jìn)/取樣切換機(jī)構(gòu)、冷凍液循環(huán)系統(tǒng)、泥漿冰閥和 巖心閥原位生成機(jī)構(gòu)、巖心容納管單動機(jī)構(gòu)和通道I、II、III、IV、V、VI構(gòu)成；鉆進(jìn)/取樣切換機(jī)構(gòu)是由異徑接頭1通過螺紋與分流閥座2連接，分流閥座2通 過螺紋與折返接頭8連接，折返接頭8通過螺紋與外管17連接，分流閥閥心6插入分流閥 座2并通過擋圈3和分流閥彈簧7定位；冷凍液循環(huán)系統(tǒng)是由外缸14插入折返接頭8內(nèi)并用密封圈密封，外缸14通過螺 紋與外泵體20連接，下缸蓋16、缸體13、上缸蓋12、射流元件11及墊片10自下而上依次插 入外缸14中并在需要位置用密封圈密封，潛孔錘上接頭9通過螺紋連接到外缸14的最上 部，潛孔錘活塞15沿缸體13、下缸蓋16、外泵體20內(nèi)壁滑動形成滑動副，往復(fù)泵活塞18與 外泵體20間用密封圈密封，內(nèi)泵體22、排液閥閥座25、進(jìn)液閥閥座28自上而下依次插入外 泵體20中并通過外泵體20的凸臺進(jìn)行定位，排液閥閥心24插入到排液閥閥座25中形成 滑動副，進(jìn)液閥閥心27插入到進(jìn)液閥閥座28中形成滑動副，冷凍液保溫容器32通過螺紋 連接到外泵體20上，吸液管30通過螺紋連接到進(jìn)液閥閥座28上，上外循環(huán)管29、上內(nèi)循環(huán) 管31通過螺紋連接到外泵體20上；泥漿冰閥和巖心閥原位生成機(jī)構(gòu)是由上部冰閥生成機(jī)構(gòu)，巖心容納管上部的排水桿34插入帶有內(nèi)部環(huán)槽的循環(huán)管接頭33中，并通過螺紋連接，且在循環(huán)管接頭與排水桿 用密封圈密封；下部“巖心閥”生成機(jī)構(gòu)，下外循環(huán)管40、下內(nèi)循環(huán)管41通過螺紋連接到循 環(huán)管接頭33上，下端蓋44通過螺紋連接到下外循環(huán)管40上，且其與巖心容納管下端42連 接處用密封圈密封；巖心容納管單動機(jī)構(gòu)是由推力軸承37套在排水桿上，并由球閥座39和巖心容納 管上接頭36固定，球閥座與排水桿下端通過螺紋連接，且在巖心容納管上接頭內(nèi)側(cè)用Yx密 封圈密封。本發(fā)明的目的還可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)通道I是由分流閥座2貫通孔道與折返接頭8內(nèi)通道，外管17與相鄰循環(huán)管夠成 的環(huán)狀間隙組成。通道II 由分流閥座2的貫通孔道及潛孔錘上接頭9和墊片10的中心孔道組成。通道III 由內(nèi)泵體22的徑向通孔，外泵體20的貫通孔道，上內(nèi)循環(huán)管31和冷凍 液保溫容器32構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管接頭33的內(nèi)環(huán)狀內(nèi)腔和貫通孔道，下內(nèi)循環(huán)管41 和巖心容納管42構(gòu)成的環(huán)狀間隙組成。通道IV 由進(jìn)液閥閥座28的貫通孔道，外泵體20的貫通孔道，上外循環(huán)管29和 上內(nèi)循環(huán)管31構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管接頭33的貫通孔道，下外循環(huán)管40和下內(nèi)循環(huán)管 41構(gòu)成的環(huán)狀間隙組成。通道V 由排水桿34的中心孔道和循環(huán)管接頭33的徑向通孔組成。通道VI 由折返接頭8的徑向通孔組成。有益效果本發(fā)明改變現(xiàn)有的保壓取樣鉆具的設(shè)計思路，以凍結(jié)生成的冰閥和巖 心閥代替球閥或板閥等機(jī)械閥門關(guān)閉取樣鉆具上下部端口，不需要精密的配合表面，關(guān)閉 過程不受孔內(nèi)固體雜質(zhì)的影響，可靠性高，解決了現(xiàn)有機(jī)械閥門啟動困難、配合表面精密度 高、容易被孔內(nèi)雜物卡塞而不易關(guān)閉等問題，提高了保壓可靠性和成功率，且徑向尺寸可以 較小，有利于獲得較大直徑的巖心，從而有利于提高水合物巖心采取率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，冰 閥可以可靠實(shí)現(xiàn)25MPa的密封，因此采用冰閥結(jié)構(gòu)適用于孔內(nèi)液柱達(dá)2500米的水合物鉆 孔，完全可以滿足在我國海洋和陸地永凍帶水合物鉆井取樣對密封壓力的要求。在地面制 作低溫冷凍液并將其存放于鉆具中的冷凍液保溫容器中，當(dāng)需要保壓取樣時，啟動潛孔往 復(fù)泵驅(qū)動冷凍液循環(huán)，冷凍液流經(jīng)循環(huán)管接頭下部環(huán)槽時，對巖心容納管上部排水桿內(nèi)的 泥漿有冷卻作用，逐漸將其凍結(jié)形成泥漿冰閥，冷凍液繼續(xù)下行在巖心容納管下端通過換 熱窗口冷卻巖心根部一小段，將其與泥漿凍結(jié)形成巖心閥，從而實(shí)現(xiàn)密封保壓，免去了干冰 在鉆具內(nèi)的存放和與酒精的混合過程，有利于騰出徑向尺寸增大巖心直徑；冷凍液的存放 可以充分利用鉆具的軸向尺寸，存放量容易做到完全充足，保證制作做夠長、溫度足夠低的 泥漿冰閥和巖心閥需要；冷凍液循環(huán)時間可控并且可多次啟動和中止循環(huán)，可保證泥漿冰 閥和巖心閥從孔底到地面始終可靠存在和有效密封，所有這些特點(diǎn)可以有效保證天然氣水 合物保壓取樣的成功率和巖心采取率。采用液動潛孔錘驅(qū)動往復(fù)泵，充分利用了泥漿作為 動力介質(zhì)，避免了采用電氣結(jié)構(gòu)帶來的復(fù)雜性，簡單可靠。

附圖1為冰封式保壓保溫取樣器結(jié)構(gòu)圖
5[0020]附圖2為附圖IA-A剖面射流元件斷面圖。1異徑接頭，2分流閥座，3擋圈，4彈子球，5絲堵，6分流閥閥心，7分流閥彈簧，8 折返接頭，9潛孔錘上接頭，10墊片，11射流元件，12上缸蓋，13缸體，14外缸，15潛孔錘活 塞，16下缸蓋，17外管，18往復(fù)泵活塞，19刮塵圈，20外泵體，21堵頭，22內(nèi)泵體，23排液閥 彈簧，24排液閥閥心，25排液閥閥座，26進(jìn)液閥彈簧，27進(jìn)液閥閥心，28進(jìn)液閥閥座，29上 外循環(huán)管，30吸液管，31上內(nèi)循環(huán)管，32冷凍液保溫容器，33循環(huán)管接頭，34排水桿35密封 圈，36巖心容納管上接頭，37推力軸承，38球閥，39球閥座，40下外循環(huán)管，41下內(nèi)循環(huán)管， 42巖心容納管，43螺旋內(nèi)腔，44下端蓋，45鉆頭I-正常鉆進(jìn)時的泥漿通道；II-高壓泥漿進(jìn)入潛孔往復(fù)泵的通道；III-低溫冷凍 液流向下內(nèi)循環(huán)管41下端的通道；IV-冷凍液從下內(nèi)循環(huán)管41下端流回冷凍液保溫容器 的通道；V-巖芯管回水通道；VI-低壓泥漿從射流元件排空孔流向鉆具與井壁環(huán)狀間隙的 通道。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說明附圖Ia的右端接附圖Ib的左端構(gòu)成完整的冰封式保壓保溫取樣器。冰封式保壓保溫取樣器，是由鉆進(jìn)/取樣切換機(jī)構(gòu)、冷凍液循環(huán)系統(tǒng)、泥漿冰閥和 巖心閥原位生成機(jī)構(gòu)、巖心容納管單動機(jī)構(gòu)和通道I、II、III、IV、V、VI構(gòu)成；鉆進(jìn)/取樣切換機(jī)構(gòu)是由異徑接頭1通過螺紋與分流閥座2連接，分流閥座2通 過螺紋與折返接頭8連接，折返接頭8通過螺紋與外管17連接，分流閥閥心6插入分流閥 座2并通過擋圈3和分流閥彈簧7定位；冷凍液循環(huán)系統(tǒng)是由外缸14插入折返接頭8內(nèi)并用密封圈密封，外缸14通過螺 紋與外泵體20連接，下缸蓋16、缸體13、上缸蓋12、射流元件11及墊片10自下而上依次插 入外缸14中并在需要位置用密封圈密封，潛孔錘上接頭9通過螺紋連接到外缸14的最上 部，潛孔錘活塞15沿缸體13、下缸蓋16、外泵體20內(nèi)壁滑動形成滑動副，往復(fù)泵活塞18與 外泵體20間用密封圈密封，內(nèi)泵體22、排液閥閥座25、進(jìn)液閥閥座28自上而下依次插入外 泵體20中并通過外泵體20的凸臺進(jìn)行定位，排液閥閥心24插入到排液閥閥座25中形成 滑動副，進(jìn)液閥閥心27插入到進(jìn)液閥閥座28中形成滑動副，冷凍液保溫容器32通過螺紋 連接到外泵體20上，吸液管30通過螺紋連接到進(jìn)液閥閥座28上，上外循環(huán)管29、上內(nèi)循環(huán) 管31通過螺紋連接到外泵體20上；泥漿冰閥和巖心閥原位生成機(jī)構(gòu)是由上部冰閥生成機(jī)構(gòu)，巖心容納管上部的排 水桿34插入帶有內(nèi)部環(huán)槽的循環(huán)管接頭33中，并通過螺紋連接，且在循環(huán)管接頭與排水桿 用密封圈密封；下部泥漿冰閥和巖心閥生成機(jī)構(gòu)，下外循環(huán)管40、下內(nèi)循環(huán)管41通過螺紋 連接到循環(huán)管接頭33上，下端蓋44通過螺紋連接到下外循環(huán)管40上，且其與巖心容納管 下端42連接處用密封圈密封；巖心容納管單動機(jī)構(gòu)是由推力軸承37套在排水桿上，并由球閥座39和巖心容納 管上接頭36固定，球閥座與排水桿下端通過螺紋連接，且在巖心容納管上接頭內(nèi)側(cè)用Yx密 封圈密封。通道I 由分流閥座2貫通孔道及折返接頭8內(nèi)通道，外管17與相鄰循環(huán)管夠成的環(huán)狀間隙組成。通道II 由分流閥座2的貫通孔道及潛孔錘上接頭9和墊片10的中心孔道組成。通道III 由內(nèi)泵體22的徑向通孔，外泵體20的貫通孔道，上內(nèi)循環(huán)管31和冷凍 液保溫容器32構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管接頭33的內(nèi)環(huán)狀內(nèi)腔和貫通孔道，下內(nèi)循環(huán)管41 和巖心容納管42構(gòu)成的環(huán)狀間隙組成。通道IV 由進(jìn)液閥閥座28的貫通孔道，外泵體20的貫通孔道，上外循環(huán)管29和 上內(nèi)循環(huán)管31構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管接頭33的貫通孔道，下外循環(huán)管40和下內(nèi)循環(huán)管 41構(gòu)成的環(huán)狀間隙組成。通道V 由排水桿34的中心孔道和循環(huán)管接頭33的徑向通孔組成。通道VI 由折返接頭8的徑向通孔組成。正常鉆進(jìn)時分流閥閥心6的中心孔道打開，在分流閥彈簧7作用下分流閥閥心6 位于上位，低溫泥漿通過通道I進(jìn)入孔底，冷卻鉆頭，攜帶巖粉上返。巖心容納管在單動機(jī) 構(gòu)的作用下保持相對不動，保護(hù)進(jìn)入巖心容納管的天然氣水合物巖樣，巖心容納管內(nèi)進(jìn)入 的泥漿通過通道V排出。保壓取心時停鉆，投入彈子球4，使分流閥閥心6中心孔道關(guān)閉，開泵，在沖洗液 壓力作用下壓縮分流閥彈簧7，使分流閥閥心6位于下位，通道I關(guān)閉而通道II打開，流入 通道II內(nèi)的沖洗液進(jìn)入射流元件11，進(jìn)行附壁和切換，從而驅(qū)動潛孔錘活塞15帶動住復(fù) 泵活塞18往復(fù)運(yùn)動，往復(fù)泵活塞18的往復(fù)運(yùn)動帶動進(jìn)液閥和排液閥的交替開閉，從而驅(qū)動 冷凍液保溫容器32內(nèi)的冷凍液進(jìn)入循環(huán)通道III和IV，冷凍液進(jìn)入循環(huán)管接頭內(nèi)的環(huán)形 內(nèi)腔，可使排水桿內(nèi)的液體形成冰閥，實(shí)現(xiàn)巖心容納管上端密封，而隨著冷凍液在通道III 中的繼續(xù)下行，在下內(nèi)循環(huán)管41的底部和巖心容納管下部內(nèi)腔處，將一小段巖心與泥漿凍 結(jié)生成“巖心閥”封堵巖心容納管下端，從而保證巖心容納管內(nèi)的高壓環(huán)境。進(jìn)入射流元件 的沖洗液在驅(qū)動活塞完成往復(fù)運(yùn)動后通過通道VI進(jìn)入外管17和孔壁的環(huán)狀間隙上返至地 表，不會對巖心容納管42處造成影響。最后提鉆取樣，將鉆頭45和外管17、下端蓋44和下 外循環(huán)管40和下內(nèi)循環(huán)管41依次卸下，然后將排水桿34從循環(huán)管接頭33擰下即可將巖 心容納管取出。保壓觀測分析后，通過加熱使巖心閥消融，將巖心倒出。巖心容納管內(nèi)亦可 安裝眾所周知的半合管，卸開巖心容納管上接頭36與巖心容納管42之間的螺紋，可容易地 將半合管與巖心取出。
權(quán)利要求一種冰封式保壓保溫取樣器，其特征在于，是由鉆進(jìn)/取樣切換機(jī)構(gòu)、冷凍液循環(huán)系統(tǒng)、泥漿冰閥和巖心閥原位生成機(jī)構(gòu)、巖心容納管單動機(jī)構(gòu)和通道I、II、III、IV、V、VI構(gòu)成；——鉆進(jìn)/取樣切換機(jī)構(gòu)是由異徑接頭(1)通過螺紋與分流閥座(2)連接，分流閥座(2)通過螺紋與折返接頭(8)連接，折返接頭(8)通過螺紋與外管(17)連接，分流閥閥心(6)插入分流閥座(2)并通過擋圈(3)和分流閥彈簧(7)定位；——冷凍液循環(huán)系統(tǒng)是由外缸(14)插入折返接頭(8)內(nèi)并用密封圈密封，外缸(14)通過螺紋與外泵體(20)連接，下缸蓋(16)、缸體(13)、上缸蓋(12)、射流元件(11)及墊片(10)自下而上依次插入外缸(14)中并在需要位置用密封圈密封，潛孔錘上接頭(9)通過螺紋連接到外缸(14)的最上部，潛孔錘活塞(15)沿缸體(13)、下缸蓋(16)、外泵體(20)內(nèi)壁滑動形成滑動副，往復(fù)泵活塞(18)與外泵體(20)間用密封圈密封，內(nèi)泵體(22)、排液閥閥座(25)、進(jìn)液閥閥座(28)自上而下依次插入外泵體(20)中并通過外泵體(20)的凸臺進(jìn)行定位，排液閥閥心(24)插入到排液閥閥座(25)中形成滑動副，進(jìn)液閥閥心(27)插入到進(jìn)液閥閥座(28)中形成滑動副，冷凍液保溫容器(32)通過螺紋連接到外泵體(20)上，吸液管(30)通過螺紋連接到進(jìn)液閥閥座(28)上，上外循環(huán)管(29)、上內(nèi)循環(huán)管(31)通過螺紋連接到外泵體(20)上；——泥漿冰閥和巖心閥原位生成機(jī)構(gòu)是由上部冰閥生成機(jī)構(gòu)，巖心容納管上部的排水桿(34)插入帶有內(nèi)部環(huán)槽的循環(huán)管接頭(33)中，并通過螺紋連接，且在循環(huán)管接頭與排水桿用密封圈密封；下外循環(huán)管(40)、下內(nèi)循環(huán)管(41)通過螺紋連接到循環(huán)管接頭(33)上，下端蓋(44)通過螺紋連接到下外循環(huán)管(40)上，且其與巖心容納管下端(42)連接處用密封圈密封；——巖心容納管單動機(jī)構(gòu)是由推力軸承(37)套在排水桿上，并由球閥座(39)和巖心容納管上接頭(36)固定，球閥座與排水桿下端通過螺紋連接，且在巖心容納管上接頭內(nèi)側(cè)用Yx密封圈密封。
2.按照權(quán)利要求1所述的冰封式保壓保溫取樣器，其特征在于，通道I是由分流閥座 (2)貫通孔道與折返接頭(8)內(nèi)通道，外管(17)與相鄰循環(huán)管夠成的環(huán)狀間隙組成。
3.按照權(quán)利要求1所述的冰封式保壓保溫取樣器，其特征在于，通道II由分流閥座 (2)的貫通孔道及潛孔錘上接頭(9)和墊片(10)的中心孔道組成。
4.按照權(quán)利要求1所述的冰封式保壓保溫取樣器，其特征在于，通道III由內(nèi)泵體 (22)的徑向通孔，外泵體(20)的貫通孔道，上內(nèi)循環(huán)管(31)和冷凍液保溫容器(32)構(gòu)成 的環(huán)狀間隙，循環(huán)管接頭(33)的內(nèi)環(huán)狀內(nèi)腔和貫通孔道，下內(nèi)循環(huán)管(41)和巖心容納管 (42)構(gòu)成的環(huán)狀間隙組成。
5.按照權(quán)利要求1所述的冰封式保壓保溫取樣器，其特征在于，通道IV由進(jìn)液閥閥座 (28)的貫通孔道，外泵體(20)的貫通孔道，上外循環(huán)管(29)和上內(nèi)循環(huán)管(31)構(gòu)成的環(huán) 狀間隙，循環(huán)管接頭(33)的貫通孔道，下外循環(huán)管(40)和下內(nèi)循環(huán)管(41)構(gòu)成的環(huán)狀間 隙組成。
6.按照權(quán)利要求1所述的冰封式保壓保溫取樣器，其特征在于，通道V:由排水桿(34) 的中心孔道和循環(huán)管接頭(33)的徑向通孔組成。
7.按照權(quán)利要求1所述的冰封式保壓保溫取樣器，其特征在于，通道VI由折返接頭⑶的徑向通孔組成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種冰封式保壓保溫取樣器。是由鉆進(jìn)/取樣切換機(jī)構(gòu)、冷凍液循環(huán)系統(tǒng)、泥漿冰閥和巖心閥原位生成機(jī)構(gòu)、巖心容納管單動機(jī)構(gòu)和通道I、II、III、IV、V、VI構(gòu)成；以凍結(jié)生成的冰閥和巖心閥代替球閥或板閥等機(jī)械閥門關(guān)閉取樣鉆具上下部端口，關(guān)閉過程不受孔內(nèi)固體雜質(zhì)的影響，可靠性高，解決了現(xiàn)有機(jī)械閥門啟動困難，易被孔內(nèi)雜物卡塞而不易關(guān)閉等問題，提高了保壓可靠性和成功率，且徑向尺寸可以較小，有利于獲得較大直徑的巖心，有利于提高水合物巖心采取率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，冰閥可以實(shí)現(xiàn)25MPa的密封，適用于孔內(nèi)液柱達(dá)2500米的水合物鉆孔，液動潛孔錘驅(qū)動往復(fù)泵，利用了泥漿作動力介質(zhì)，避免了采用電氣結(jié)構(gòu)帶來的復(fù)雜性，簡單可靠。
文檔編號E21B25/08GK201679497SQ20102014044
公開日2010年12月22日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
發(fā)明者關(guān)曉琳, 博坤, 彭枧明, 曹品魯, 柳鶴, 殷其雷, 王如生, 王維, 郭威, 黃勇 申請人:吉林大學(xué)