0、储冷腔体管51、储冷腔保温管52、储冷腔下保温垫片55、冷冻腔上接手56组成；储冷腔端盖体45与储冷腔体管51接触连接，储冷腔端盖外套46与储冷腔体管51通过螺纹连接并压紧储冷腔端盖体45，冷冻腔上接手56与储冷腔体管51通过螺纹连接，储冷腔端盖体45、储冷腔体管51和冷冻腔上接手56共同组成储冷腔，用来存储冷源干冰；单向阀座49与储冷腔端盖体45通过螺纹连接，单向阀弹簧48坐于单向阀座49内并通过一定预紧力将单向阀球47顶在储冷腔端盖体45上，储冷腔端盖体45、单向阀球47、单向阀弹簧48、单向阀座49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50与储冷腔端盖体45接触连接，储冷腔下保温垫片55与冷冻腔上接手56接触连接，储冷腔保温管52与储冷腔体管51接触连接，储冷腔上保温垫片50、储冷腔保温管52和储冷腔下保温垫片55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； 孔底冷冻机构由冷冻腔上接手56、止逆阀球57、止逆阀座58、岩心管64上接手60、密封圈59、限位螺钉61、岩心管64、冷冻腔保温管62、卡簧66、卡簧座67组成，其中岩心管64由岩心管内管64b、岩心管外管64a和岩心管64底座组成，岩心管内管64b和岩心管外管64a分别与岩心管64底座焊接；岩心管64上接手60与冷冻腔上接手56插接，岩心管内管64b与岩心管64上接手60通过螺纹连接，岩心管外管64a与冷冻腔上接手56插接，冷冻腔上接手56、岩心管64上接手60、岩心管64组成了冷冻腔，冷冻腔通过冷冻腔上接手56上多个圆孔与储冷腔连通；止逆阀座58与冷冻腔上接手56通过螺纹连接，止逆阀球57置于止逆阀座58中，止逆阀座58、止逆阀球57和冷冻腔上接手56共同组成止逆阀，在岩心进入到岩心管64内的过程中，岩心管64内的泥浆顶开止逆阀球57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64内；限位螺钉61与冷冻腔上接手56通过螺纹连接，与岩心管64接触连接，限位螺钉61嵌入岩心管外管64a上部的环形凹槽中以防止钻进及取心过程中岩心管64脱落；冷冻腔保温管62与岩心管外管64a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67与岩心管座64c通过螺纹连接，卡簧66坐于卡簧座67内，钻进结束后，上提内管总成，卡簧66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67座于钻头68内部的台阶上将岩心卡断，实现岩心的回收； 气动循环控制机构由第二连接管37、球阀40、开阀挡环39、第三连接管42、上连通管34、第一快速接头、中连通管41、第二快速接头43、环隙密封接头44、下连通管53组成；其中球阀40由阀座40a、阀体40b、阀芯40c、阀座密封圈5940d、启闭阀杆40e、密封件40f、阀柄40g、第二扭簧40h、销轴40i和Y形曲柄40J组成，球阀40连接方式与普通球阀相同，不同点在于本球阀40有对称的两套启闭阀杆40e和阀柄40g，且添加了 Y形曲柄40J、销轴40i和第二扭簧40h，Y形曲柄40J通过销轴40i与阀柄40g铰接，第二扭簧40h套装在销轴40?上，扭簧两臂分别固定在阀柄40g与Y曲柄杆上且有一定预紧力使Y形曲柄40J与阀柄40g保持张开状态；其中第一快速接头和第二快速接头43结构相同，都是由接头外套43a、阳接头43b、阴接头43c组成，阳接头43b与阴接头43c接触连接，接头外套43a与阴接头43c通过螺纹连接并将阳接头43b与阴接头43c的连接锁紧；其中环隙密封接头44由环封外套44a、压环44b、环封底座44c、环封密封圈59组成，环封底座44c焊接在储冷腔端盖体45上，密封圈59坐于环封底座44c内，压环44b与环隙底座插接并压在环隙密封圈59上，环封外套44a与环封底座44c通过螺纹连接并压紧压环44b以实现密封；第二连接管37与酒精腔端盖体36通过螺纹连接，球阀40与第二连接管37通过螺纹连接，第三连接管42与球阀40通过螺纹连接，储冷腔端盖体45与第三连接管42通过螺纹连接，下连通管53与储冷腔端盖体45插接并穿过储冷腔和冷冻腔上接手56的圆孔伸入到冷冻腔的底部，下连通管53与环隙密封接头44插接，第二快速接头43与下连通管53焊接，中连通管41与第二接头焊接，第一快速接头38与中连通管41焊接，上连通管34与第一快速接头38焊接，上连通管34与酒精腔端盖体36焊接并伸入酒精腔顶部，钻具形成了酒精循环流动通道和气体单向流动通道，酒精循环流动通道由酒精腔、第二连接管37、球阀40、第三连接管42、单向阀、储冷腔、冷冻腔上接手56、冷冻腔、下连通管53、中连通管41、上连通管34组成，酒精由酒精腔出发经循环通道可流回酒精腔，通过单向阀实现酒精的单向流动；气体单向流动通道由单向阀、储冷腔、冷冻腔上接手56、冷冻腔、下连通管53、中连通管41、上连通管34、酒精腔、排气阀组成，气体从气体发生地出发经气体单向流动通道后最终由排气阀排出，该过程通过单向阀实现气体单向流动；沿流体流动方向，两条通道在单向阀之后开始重合，到酒精腔时通道分开；下放内管总成时，球阀40保持关闭状态，Y形曲柄40J经过开阀挡环39时压缩第二扭簧40h并顺利通过；提升内管总成时Y形曲柄40J末端与开阀挡环39挡接触处形成铰接，至此，以Y形曲柄40J为曲柄、阀柄40g为连杆、内管总成为滑块、外管总成为机架形成曲柄滑块机构；继续牵引内管总成上升，阀柄40g带动阀杆、阀芯40c转动，球阀40被打开，至Y形曲柄40J转至水平，开阀挡环39处铰接失效，第二扭簧40h张开、Y形曲柄40J通过开阀挡环39 ;冷冻岩心的过程从球阀40被打开时开始，酒精由酒精腔经单向阀流入储冷腔与冷源干冰混合，干冰吸热产生大量二氧化然气体，高压气体关闭了单向阀、酒精被冷冻并在重力作用下流入冷冻腔对岩心进行冷冻，气体在气压推动下流入冷冻腔，高压气体将冷冻腔底部的酒精压入下连通管53并推动管内酒精沿下连通管53、中连通管41、上连通管34上行流入酒精腔，重力作用下酒精下行、气体则在酒精腔上部聚集，到酒精腔内气压大于钻井液液柱压力后排气阀被打开并排气且压力维持不变，随着储冷腔产生的气体逐渐排出，储冷腔与酒精腔的压差逐渐减小，直到单向阀再次打开；在上述的流体流动过程中，流体流动的动力来自储冷腔与酒精腔之间的压力差:储冷腔内高压产生原因是干冰气化产生的二氧化碳气体在储冷腔内的积累，假设储冷腔全封闭，则随着储冷腔压力升高，产气速率逐渐下降，腔内压力趋于一稳定值；酒精腔内的压力产生原因是由储冷腔流动来的二氧化碳气体的积累，但其上限受排气阀控制，因此储冷腔最大气压为液柱压力加上排气阀开启压力； 外管总成由弹卡挡头1、第一外管10、第一扩孔器14、第二外管18、第三外管54、第四外管63、第二扩孔器65和钻头68组成，弹卡挡头I与第一外管10通过螺纹连接，第一外管10通过螺纹与第一扩孔器14连接，第二外管18通过螺纹与第一扩孔器14连接，第三外管54通过螺纹与第二外管18连接，第四外管63通过螺纹与第三外管54通过螺纹连接，第四外管63与第二扩孔器65通过螺纹连接，第二扩孔器65通过螺纹与钻头68连接。2.一种气动循环冷冻式天然气水合物绳索取心方法，包括以下步骤: a、在地表向由酒精腔上接手26、酒精腔体管32、酒精腔端盖体36组成的酒精腔内装酒精腔一半容积的酒精；根据不同孔深所需的冷量在储冷腔端盖体45、储冷腔体管51和冷冻腔上接手56组成的干冰腔内放入一定量的干冰，将内管总成组装完毕；使用打捞器或直接将内管总成通过钻杆送入到孔内，内管总成到达孔底之后开钻； b、回次结束，岩心充满岩心管64，停泵，投入打捞器将内管总成上提； c、上提一定距离，使弹卡8被回收、内管总成上行、Y形曲柄40J卡在开阀挡环39上并推开球阀40 ； d、酒精与干冰在储冷腔内混合形成低温酒精并产生高压气体，低温酒精流经冷冻腔实现冷冻岩心，高压气体推动酒精一起上行回到酒精腔并通过排气阀排气，如此循环即实现气动循环制冷岩心； e、根据钻孔深度确定冷冻时间，之后将内管总成从孔内提出； f、将岩心样品用液氮储存罐或者高压容器保存。
【专利摘要】本发明公开了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,其中的钻具是由内管总成和外管总成组成，钻具采用干冰为冷源，酒精为载冷剂，利用干冰酒精混合时产生的高压二氧化碳气体推动酒精循环流动，将冷冻能量由干冰所在的储冷腔持续不断的传递到冷冻腔并实现快速冷冻岩心；结合了孔底冷冻方法与绳索取心工艺，可实现不提钻快速取心，且钻进过程中内管不回转，减少了对水合物岩心的机械扰动。本发明结构合理，冷冻效率高，钻具的操作过程简单。
【IPC分类】E21B25/08, E21B25/02
【公开号】CN104929554
【申请号】CN201510404072
【发明人】郭威, 陈光华, 孙友宏, 王元, 贾瑞
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年7月10日