液氮天然氣水合物孔底冷凍繩索取芯鉆具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種孔底冷凍繩索取芯鉆具，尤其適用于海洋及陸地凍土帶天然氣水合物鉆探孔底冷凍取樣。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源的消耗也日益增長，石油、煤和天然氣等常規(guī)能源大量消耗，從其剩余儲量來看，常規(guī)能源已經(jīng)無法繼續(xù)長期支撐現(xiàn)代工業(yè)。目前全球海底天然氣水合物中甲烷的碳總量相當(dāng)于當(dāng)前已知煤、石油和天然氣等化石燃料總資源量的兩倍。因而，天然氣水合物成為世界各國在能源戰(zhàn)略平衡發(fā)展中必須加以考慮的重要后備能源。在未來成為煤、石油、天然氣等常規(guī)能源的替代能源也被人類所共識。
[0003]天然氣水合物形成和賦存在高壓低溫的環(huán)境下，當(dāng)溫度或者壓力條件變化超過平衡條件，就會導(dǎo)致天然氣水合物分解。怎樣才能獲取更高保真度的天然氣水合物樣品，是國內(nèi)外鉆探工作者共同面臨的問題。目前國內(nèi)外的天然氣水合物保真取樣器主要由兩種設(shè)計思路:一種是孔底保溫保壓取樣器，一種是孔底冷凍取樣器。
[0004]孔底保溫保壓取樣器的設(shè)計思路是當(dāng)水合物巖芯進入保壓巖芯室后，通過球閥或翻板閥關(guān)閉巖芯管底部使巖芯保持初始壓力，并利用壓力補償裝置控制壓力，以維持巖芯壓力在提離孔底的整個過程中保持不變，提到地表后再進行冷凍保存。對孔內(nèi)巖芯的保溫主要是通過保溫材料來實現(xiàn)被動式保溫。這種通過機械式被動保壓的方式來抑制水合物分解對于整個取芯器的強度和實用性，特別是球閥或翻板閥的強度和密封性的要求是很高的。如果球閥或翻板閥的密封性稍有些下降，那么巖芯就不能保持初始壓力，導(dǎo)致取芯失敗。同時，在實際取芯過程中球閥和翻板閥實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)動作的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的可靠性不能保證。當(dāng)取樣器的設(shè)計壓力達到一定程度后，如果想再要增加壓力，那么取樣器的材料和和密封性能將需要做很大的提高，以現(xiàn)在的工業(yè)水平是很難實現(xiàn)的，并且經(jīng)濟性較差。
[0005]根據(jù)天然氣水合物溫壓特性曲線，其分解壓力隨著溫度的降低而降低。如果能夠把天然氣水合物巖芯冷凍到-45攝氏度，即使壓力小于一個大氣壓，也可以保證水合物巖芯不分解?？椎桌鋬鋈悠鞯乃悸肥钱?dāng)鉆進回次結(jié)束，水合物巖芯充滿巖芯管后，利用沖洗液壓力或重力將冷凍劑注入到巖芯管周圍環(huán)裝密封的冷凍腔體內(nèi)部，冷凍劑與水合物巖芯通過熱交換實現(xiàn)對水合物巖芯的冷凍?，F(xiàn)有的孔底冷凍取樣器所采用的冷凍劑主要有兩種:一種是采用干冰作為冷凍劑，酒精做為載冷劑；另一種是采用液氮作為冷凍劑。由于干冰為固態(tài)，需采用酒精作為載冷劑，先與干冰反應(yīng)成為低溫酒精后，才能注入冷凍腔內(nèi)實現(xiàn)冷凍，這就使取樣器結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；冷東效率低，效果差，由于必須采用酒精作為載冷劑，有很大一部分冷量被酒精帶走，不能實現(xiàn)冷凍劑冷量的充分利用。采用液氮作為冷凍劑雖然可以避免上述問題，但是在注入過程當(dāng)中液氮會大量氣化，導(dǎo)致液氮無法注入到冷凍腔內(nèi)，在此過程中液氮大量浪費，這樣就導(dǎo)致液氮的使用量加大，同時取樣器的尺寸和重量增加。液氮注入過程中大量氣化降低了液氮的使用效率，同時會導(dǎo)致對巖芯的冷凍不均勻，從而導(dǎo)致水合物巖芯部分分解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、動作容易實現(xiàn)、液氮使用率高、冷凍效果好的液氮天然氣水合物孔底冷凍繩索取芯鉆具。本發(fā)明使用液氮在孔底降低水合物巖芯溫度來抑制天然氣水合物分解。采用液氮為冷凍劑，當(dāng)鉆進結(jié)束后，將裝有水合物巖芯的巖芯管提入裝有液氮的儲冷腔內(nèi)，通過液氮氣化吸熱的方式在孔底冷凍巖芯，抑制天然氣水合物的分解。
[0007]本發(fā)明是由內(nèi)管總成和外管總成兩部分組成，內(nèi)管總成是由撈矛頭、第一彈性銷和彈卡回收管組成，撈矛頭通過第一彈性銷與彈卡回收管鉸接，打撈機構(gòu)通過打撈器與打撈機構(gòu)的連接實現(xiàn)將鉆具內(nèi)管總成放入孔內(nèi)和回收的過程；同時通過打撈器提起打撈機構(gòu)時帶動巖芯管向上移動，從而實現(xiàn)內(nèi)管提拉的過程。
[0008]彈卡回收管與彈卡架通過第二彈性銷鉸接，第二彈性銷與彈卡架的連接為可動連接，第二彈性銷與彈卡回收管之間為固定連接，彈卡回收管可在自身重力和打撈器拉力作用下延豎直方向移動固定的距離。彈卡為兩片通過第三彈性銷形成可轉(zhuǎn)動的連接，扭簧保持彈卡在彈卡架內(nèi)保持張開，第三彈性銷c與彈卡架通過第三彈性銷形成固定連接，兩片彈卡卡在彈卡擋頭上，保證在鉆進過程中內(nèi)管總成不會因為巖芯進入巖芯管時產(chǎn)生的上頂力使內(nèi)管總成向上移動造成“飛管”事故；同時彈卡機構(gòu)的上定位功能保證內(nèi)管不會在鉆進過程中由于巖芯的上頂力而使巖芯管過早進入儲冷機構(gòu)中導(dǎo)致冷凍取芯失敗。
[0009]第一內(nèi)接手與彈卡架通過螺紋連接，第一內(nèi)接手通過螺紋與懸掛環(huán)連接，第一內(nèi)接手上開有均勻分布的八個斜孔，其中四個斜孔位于懸掛環(huán)上部，另外四個斜孔位于懸掛環(huán)下部，當(dāng)懸掛環(huán)與座環(huán)接觸后，原本從內(nèi)管總成與外管之間間隙流動的泥漿通道被堵死，泥漿通過第一內(nèi)接手上部的斜孔進入，從第一內(nèi)接手下部的斜孔流出完成泥漿循環(huán)。懸掛環(huán)與座環(huán)的接觸式連接使內(nèi)管總成懸掛在外管總成內(nèi)，使卡簧座與鉆頭之間保持-毫米間隙，以防止損壞卡簧座和鉆頭，并保證巖芯管不會因為與鉆頭接觸而轉(zhuǎn)動和巖芯管的通水性能。
[0010]第一內(nèi)接手與上軸承座通過螺紋連接，第一軸承上部與上軸承座接觸，并隨上軸承座轉(zhuǎn)動，第一軸承下部與下軸承座接觸保持不動，當(dāng)巖芯在巖芯管內(nèi)卡住時，第一軸承作為易損件承受上頂力，第二軸承上部與下軸承座接觸，第二軸承下部與上軸承座接觸，第二軸承提供上頂力使下軸承座不向下移動，第一油嘴與下軸承座通過螺紋接觸，每次鉆進開始前通過油嘴上的小口將潤滑油加入上軸承座和下軸承座的間隙內(nèi)，潤滑油可對轉(zhuǎn)動的第一軸承和第二軸承起到潤滑、散熱和防水的作用。第一軸承與第二軸承實現(xiàn)了巖芯管的單動功能，保證在鉆進過程中巖芯管中的水合物巖芯不會受到擾動。
[0011]第一彈簧上部與第二軸承接觸并提供上頂力使第二軸承能夠保持下軸承座不動，第一彈簧下部與檔環(huán)接觸，檔環(huán)與上軸承座接觸，防松墊片上部與檔環(huán)連接，第一彈簧下部與小圓螺母連接，小圓螺母為第一彈簧提供上頂力，將單動機構(gòu)上部的機構(gòu)與下部的機構(gòu)連接起來；在內(nèi)管總成投入到孔內(nèi)時，懸掛環(huán)坐落在座環(huán)上，內(nèi)管總成下部的機構(gòu)由于自身重力會向下移動，第一彈簧可起到緩沖作用；在卡斷巖芯時，卡簧帶動卡簧座下移壓縮第一彈簧，卡簧座與鉆頭接觸將拔斷巖芯的力傳遞到外管上。
[0012]第二內(nèi)接手通過螺紋與下軸承座連接，第二內(nèi)接手與連接桿通過螺紋連接，密封圈由連接桿壓入到儲冷腔體管的環(huán)狀槽內(nèi)，連接桿與儲冷腔體管為軸孔配合，連接桿可在儲冷腔體管的孔內(nèi)做直線運動，在鉆進結(jié)束后打撈器帶動連接桿，連接桿帶動巖芯管上移，第一重力管帶動儲冷腔體管下移，巖芯管進入到儲冷腔體管的液氮腔內(nèi)，液氮腔為存儲液氮的腔體，液氮腔內(nèi)的液氮吸熱大量氣化對巖芯管內(nèi)的水合物巖芯進行冷凍。真空腔起到隔熱保溫的作用。下保溫墊套在連接桿上起到保溫和密封的作用，減少液氮的散熱和避免液氮泄露。
[0013]連接桿下部與止逆閥座通過螺紋連接，止逆閥球座于止逆閥座的上部，在巖芯進入巖芯管內(nèi)部時巖芯管內(nèi)部的沖洗液頂開止逆閥球從連接桿上的泄流口流入內(nèi)管總成和外管的間隙中，同時保證外部的泥漿沖洗液不會流回巖芯管內(nèi)。
[0014]儲冷腔體管與第一重力管通過螺紋連接，第一重力管與巖芯管之間擁有一定的間隙，在打撈器提動巖芯管向上移動時，第一重力管能夠自由下落。第三軸承上部與第一重力管連接，第三軸承下部與外軸承座連接，在鉆進過程中外軸承座座在帶槽懸掛環(huán)上隨外管一起轉(zhuǎn)動，帶槽懸掛環(huán)上的槽為泥漿沖洗液通路，第二重力管與重第一力管通過螺紋連接，鉆進過程中由于第三軸承的作用不隨外軸承座轉(zhuǎn)動可保證巖芯管的單動性能。第二油嘴與外軸承座通過螺紋連接，每次鉆進開始前通過第二油嘴上的小口將潤滑油加入外軸承座與第三軸承內(nèi)的間隙內(nèi)，潤滑油可對轉(zhuǎn)動的第三軸承起到潤滑、散熱和防水的作用。
[0015]卡簧座于卡簧座的錐形孔中，在鉆進結(jié)束后卡簧抱死巖芯柱帶動卡簧座下移與鉆頭接觸，將拔斷巖芯的力傳遞到外管上保證內(nèi)管總成不受力。
[0016]排氣閥球由第二彈簧堵在儲冷腔體管的排氣孔上，排氣閥座與儲冷腔體管通過螺紋連接，第二彈簧下部與排氣閥座接觸，液氮腔內(nèi)的液氮在冷凍水合物巖芯的過程中會產(chǎn)生大量氮氣使液氮腔內(nèi)的壓力升高，當(dāng)液氮腔內(nèi)的壓力大于第二彈簧的預(yù)緊力時，第二彈簧受到排氣閥球的壓力而收縮，氮氣從儲冷腔體管的排氣孔排出。
[0017]外管總成的結(jié)構(gòu)是，彈卡擋頭與第一外管通過螺紋連接，第一外管通過螺紋與第三擴孔器連接，第一擴孔器與第二外管通過螺紋連接，第二外管通過螺紋與第二擴孔器連接，第二擴孔器與鉆頭通過螺紋連接。
[0018]本發(fā)明的取芯方法包括以下步驟:
[0019]a、在井臺上首先將排氣閥球、排氣閥座和第二彈簧卸下，用低溫氮氣或液氮從排氣口注入到液氮腔內(nèi)對液氮腔進行預(yù)冷。
[0020]b、預(yù)冷結(jié)束后將液氮注入到液氮腔內(nèi)，在注入液氮之前，要根據(jù)孔深估算出液氮的用量，將乘以