专利名称：天然气水合物孔底冷冻取样器的制作方法
技术领域：
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本实用新型涉及一种钻探取样器，尤其是用于海底或陆地永冻层天然气水合 物保真取芯器。
技术背景
随着高油价时代的来临，催生各种可替代能源已经成为当务之急。目前全球 海底天然气水合物中甲垸的碳总量相当于当前已知煤、石油和天然气等化石燃料 总资源量的两倍。因而，天然气水合物成为世界各国在能源战略平衡发展中必须 加以考虑的重要后备能源。我国仅南海天然气水合物的总资源量大约相当于我国 陆上和近海石油天然气总资源量的一半。因此，天然气水合物作为一种可替代的 能源，其开发和利用日益被人们所重视。天然气水合物主要分布在大洋边缘海底 沉积物和陆上高寒长年永冻层中。钻探取样是识别天然气水合物最直接的方法， 也是验证其他方法调査成果的必要手段。因此，钻探取样对于开发天然气水合物 具有十分重要的意义。
天然气水合物是在低温高压下形成的，这种特殊条件对钻探取样的要求很 高。目前国内外的天然气水合物取样器以保压取样器为主，其设计思路是当水合 物岩芯进入保压岩芯室后，通过球阀关闭岩芯管底部使岩芯保持初始压力，并利 用压力补偿装置控制压力，以维持岩芯压力在提离孔底的整个过程中保持不变， 提到地表后再进行冷冻保存。孔内岩芯的保温方法主要是采用保温材料实现被动 式保温方法。这种通过机械式保压来抑制水合物分解，这对于整个取芯器的强度， 特别是球阀的强度和密封性的要求就相当高。如果球阀的密封性稍有些下降，那 么岩芯就不能保持初始压力，导致取芯失败。而且当取样器的设计压力达到一定 程度后，如果想再要增加压力，那么取样器的材料和和密封性能将需要做很大的 提高，而且这并不容易做到。 发明内容
本实用新型的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种通过外部冷源 在孔底降低水合物岩芯温度来抑制水合物分解，采用主动式降温的方法降低水合 物临界分解压力，无需保压，就能实现被动式降压维持水合物稳定的天然气水合 物孔底冷冻取样器。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的
采用液氮为冷冻剂，乙二醇为载冷剂在孔底冷冻岩芯，液氮预先储存 在取样器中，低温控制模块控制液氮注入至载冷剂中的时间，使载冷剂始终低于-3(TC以下，这样就可以保证岩芯在钻探过程、冷冻岩芯过程和岩
芯提升过程始终保持-3crc以下的低温状态，从而抑制水合物岩芯分解。
天然气水合物孔底冷冻取样器是由制冷部分、低温控制部分和冷冻保温样品 三部分构成。
本实用新型的目的还可以通过以下技术方案实现 制冷部分是由上接手3通过螺纹与制冷蓄能罐5连接组成。 低温控制部分是由温度传感器15通过温度传感器信号线13、低温控制模
块8、温控信号线19与温控电磁阀20连接，开关传感器9通过开关传感器信号 线10与低温控制模块8连接，磁铁环6嵌装在外管2的内壁上，通过在温度传 感器15和温度传感器信号线13的外部设有温度传感器保护管14，低温控制模 块8嵌装在三通道接手12的中部，密封盖7盖在其上，密封盖7通过螺纹与三 通道接手12连接。
冷冻保温样品部分是由载冷剂底盖17下端通过螺纹连接保温衬管22的下 部，保温衬管22的上部通过螺纹与三通道接手12连接构成载冷剂空腔16，载 冷剂空腔16的中部贯通设有岩芯管腔26，岩芯管腔26与载冷剂空腔16之间为 岩芯管24和半合管25，液氮注入管23的上端通过温控电磁阀20与制冷蓄能罐 5连接，液氮注入管23的中段呈螺旋型置于载冷剂空腔16中，并与设在岩芯管 腔26上部的排气阀21连通。
载冷剂为乙二醇，液氮为冷冻剂。
有益效果本实用新型解决了目前水合物取样器单纯主动式保压取芯的缺 陷，通过外部冷源在孔底降低水合物岩芯温度来抑制水合物分解，采用主动式降 温的方法降低水合物临界分解压力，无需保压，实现被动式降压维持水合物的稳 定性，方法简单，易获得保真程度较高的天然气水合物芯样。
图l:天然气水合物孔底冷冻取样器结构图。 图2:低温控制框图。
l绳索取芯机构，2外管，3上接手，4环状间隙，5液氮制冷蓄能罐，6磁 铁环，7密封盖，8低温控制模块，9开关传感器，IO开关传感器信号线，11排 水阀，12三通道接手，13温度传感器信号线，14温度传感器保护管，15温度传 感器，16载冷剂空腔，17载冷剂底盖，18钻头，19温控信号线，20温控电磁 阀，21排气阀，22保温衬管，23液氮注入管，24岩芯管，25半合管，26岩芯 管腔，27卡簧座，28卡簧。
具体实施方式
以下结合附图和实施例作进一步详细说明采用液氮为冷冻剂，乙二醇为载冷剂在孔底冷冻岩芯，液氮预先储存 在取样器中，低温控制电路控制液氮注入至载冷剂中的时间，使载冷剂始 终低于-3(TC以下，这样就可以保证岩芯在钻探过程、冷冻岩芯过程和岩 芯提升过程始终保持-3(TC以下的低温状态，从而抑制水合物岩芯分解。
天然气水合物孔底冷冻取样器是由制冷部分、低温控制部分和冷冻保温样品 三部分构成。
制冷部分是由上接手3通过螺纹与储冷蓄能罐5连接组成。 低温控制部分由温度传感器15通过温度传感器信号线13、低温控制模 块8、温控信号线19与温控电磁阀20连接，开关传感器9通过开关传感器信号 线10与低温控制模块8连接，磁铁环6嵌装在外管2的内壁上，通过在温度传 感器15和温度传感器信号线13的外部设有温度传感器保护管14，低温控制模 块8嵌装在三通道接手12的中部，密封盖7盖在其上，密封盖7通过螺纹与三 通道接手12连接。
冷冻保温样品部分是由载冷剂底盖14通过螺纹连接保温衬管22下部，保 温衬管22的上部通过螺纹与三通道接手12连接构成载冷剂空腔16，载冷剂空 腔16的中部贯通设有岩芯管腔26，岩芯管腔26与载冷剂空腔16之间为岩芯管 24和半合管25，液氮注入管23的上端通过温控电磁阀20与制冷蓄能罐5连接， 液氮注入管23的中段呈螺旋型置于载冷剂空腔16中，并与设在岩芯管腔26上 部的排气阀21连通；三通道接手12的中部设有排水阀12和排水管，并与外管 2与内管之间构成的总成环状间隙4相通。
载冷剂为乙二醇，液氮为冷冻剂。
卡簧28和卡簧座27装在管靴上，管靴通过螺纹与岩芯管24连接，半合管 25与其外侧的岩芯管24滑动配合，载冷剂底盖17通过密封圈与岩芯管24紧密 配合连接，载冷剂底盖17通过螺纹与保温衬管22连接，保温衬管22上端通过 螺纹与三通道接手12连接，三通道接手12通过密封圈与岩芯管24紧密配合连 接，三通道接手12与载冷剂底盖17之间为载冷剂空腔16，三通道接手12中部 设有排水阀ll和排水管，并与总成环状间隙4相通，磁铁环6嵌装在外管2的 内壁上，三通道接手12上装有开关传感器9通过开关传感器信号线10与低温控 制模块8连接，三通道接手12的一侧装有温度传感器保护管14，温度传感器 保护管14内装有温度传感器15和温度传感器信号线13，温度传感器保护管14 的下端插入载冷剂空腔16，上端与低温控制模块8相连，三通道接手12的另一 侧装有液氮注入管23，液氮注入管23的中段螺旋型插入载冷剂空腔16，液氮注 入管23下端与排气阀21相连，上端与温控电磁阀20相连，并与制冷蓄能罐5 相连通，温控电磁阀20通过温控信号线19与低温控制模块8连接，密封盖7通 过螺纹与三通道接手12连接，盖在低温控制模块8之上，三通道接手12上凸出端设有的外螺纹与内管内螺纹连接，内管上端设有的内螺纹与上接手3设有的外 螺纹连接，三通道接手12与上接手3之间的空间为制冷蓄能罐5，制冷蓄能罐 5储存液氮，可保证液氮不与外界发生热交换，使液氮在罐中呈高压状态。 上接手3的外凸出端通过螺纹与绳索取芯机构l连接。外管2通过螺纹与 钻头18连接。
低温控制低温控制模块8接收到由开关传感器9经开关传感器信号线10 传来的开关信号后，低温控制模块开始工作。由温度传感器15测定载冷剂温度， 及时将温度参数通过温度传感器信号线13送给低温控制模块8，低温控制模块8 根据预先设定的参数-3(TC控制温控电磁阀20开启或关闭，当载冷剂温度高于 -3(TC时温度传感器15及时将这一温度参数通过温度传感器信号线13送给低温 控制模块8，低温控制模块8发出开启温控电磁阀20的指令，液氮就通过液氮 注入管23送入载冷剂空腔16降低载冷剂的温度；
当载冷剂温度低于-30'C时温度传感器15及时将这一温度参数通过温度传 感器信号线13送给低温控制模块8，低温控制模块8发出关闭温控电磁阀20的 指令，就停止向载冷剂空腔16注入液氮。
钻进时，天然气水合物芯样随着进尺的深度进入岩芯管腔26，当进尺达到 或芯样充满岩芯管腔26的长度提钻取样时，打捞器从孔口下放，打捞器下部 打捞钩与绳索取芯机构1的矛头卡紧后，带动绳索取芯机构1向上提取天然 气水合物孔底冷冻取样器一段距离，使开关传感器9经过磁铁环6产生开关信号， 开关信号经开关传感器信号线10送给低温控制模块8，启动低温控制模块8工 作。
向上提取天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成一段距离，能够使低温控制 模块8开始工作后，停止提取，开始冷冻。同时，内管总成带动岩芯管24底部 装有的卡簧28向上运动，通过卡簧座27的楔面加紧芯样，将芯样拔断。载冷剂 对芯样开始冷冻保护，当载冷剂温度高于-3(TC时，温度传感器15通过温度传感 器信号线13将信号送给低温控制模块8，低温控制模块8通过温控信号线19将 指令传给温控电磁阀20，温控电磁阔20启动，通过螺旋形液氮注入管23将液 氮送入载冷剂空腔16降低载冷剂的温度，换热后液氮变成气，通过排气阀21排 入岩芯管腔26，岩芯管腔26中的液体经排水阀11排入环状间隙。冷冻20分钟 后继续提取，打捞器下部打捞钩通过绳索取芯机构1的矛头把天然气水合物孔底 冷冻取样器内管总成和岩芯从孔内捞取上来，打开卡簧28将半合管25和芯样 一同从岩芯管24中抽出，从而实现不提钻取芯。绳索取芯机构1上部弹 卡贴附在外管2内壁上。绳索取芯机构1具有单动功能，可保证在钻进取 样时制冷部分、低温控制部分和冷冻保温样品部分不回转，避免对水合物 岩芯的搅动。开关传感器9电源采用9V直流电池，且在钻进的过程中始终工作。温控电 磁阀20、低温控制模块8、温度传感器15的电源采用24V直流电池，钻进取样 的过程中不工作。
当进尺达到或芯样充满岩芯管腔26的长度提钻取样时，打捞器从孔口下 放，打捞器下部打捞钩与绳索取芯机构1的矛头卡紧后，带动绳索取芯机 构l向上提取天然气水合物孔底冷冻取样器内管总成一段距离，使开关传感器9 经过磁铁环6产生开关信号，经开关传感器信号线10输入24V直流电，启动低 温控制元件7、温控电磁阀17和温度传感器12开始工作，开始冷冻水合物样品。
低温控制模块8是通用电路。
权利要求1、一种天然气水合物孔底冷冻取样器，包括打捞器、绳索取芯机构，其特征在于，是由制冷部分、低温控制部分和冷冻保温样品三部分构成。
2、 按照权利要求1所述的天然气水合物孔底冷冻取样器，其特征在于，制 冷部分是由上接手(3)通过螺纹与制冷蓄能罐(5)连接组成。
3、 按照权利要求1所述的天然气水合物孔底冷冻取样器，其特征在于，低 温控制部分是由温度传感器(15)通过温度传感器信号线(13)、低温控制模块(8)、温控信号线(19)与温控电磁阀(20)连接，开关传感器(9)通过开关 传感器信号线(10)与低温控制模块(8)连接，磁铁环(6)嵌装在外管(2) 的内壁上，温度传感器(15)和温度传感器信号线(13)的外部设有温度传感器 保护管(14)，低温控制模块(8)嵌装在三通道接手(12)的中部，密封盖(7) 盖在其上，密封盖(7)通过螺纹与三通道接手(12)连接。
4、 按照权利1要求所述的天然气水合物孔底冷冻取样器，其特征在于，冷 冻保温样品部分是由载冷剂底盖(17)下端通过螺纹连接保温衬管(22)的下部， 保温衬管(22)的上部通过螺纹与三通道接手(12)连接构成载冷剂空腔(16)， 载冷剂空腔(16)的中部贯通设有岩芯管腔(26)，岩芯管腔(26)与载冷剂空 腔(16)之间为岩芯管(24)和半合管(25)，液氮注入管(23)的上端通过温 控电磁阀(20)与制冷蓄能罐(5)连接，液氮注入管(23)的中段呈螺旋型置 于载冷剂空腔(16)中，并与设在岩芯管腔(26)上部的排气阀(21)连通。
5、 按照权利2要求所述的天然气水合物孔底冷冻取样器，其特征在于，三 通道接手(12)的中部设有排水阀(11)，并与外管(2)与内管之间构成的环状 间隙(4)相通。
6、 按照权利要求4所述的天然气水合物孔底冷冻取样器，其特征在于，载 冷剂为乙二醇，液氮为冷冻剂。
专利摘要本实用新型涉及一种永冻层取芯机具，尤其是天然气水合物孔底冷冻保真取芯器具。是由制冷部分、低温控制部分和冷冻保温样品三部分构成。该机具通过外部冷源在孔底降低水合物岩芯温度来抑制水合物分解，采用主动式降温的方法降低水合物临界分解压力，无需保压，实现被动式降压来维持水合物的稳定性，以此来获得保真程度较高的天然气水合物岩芯样品。本实用新型把孔底冷冻取芯思想应用于天然气水合物保真取芯技术，克服了目前水合物取样器单纯主动式保压取芯的缺陷，通过孔底冷冻水合物的被动式降压方法达到获取岩芯的目的。
文档编号G01N1/08GK201327453SQ200820071518
公开日2009年10月14日 申请日期2008年3月14日 优先权日2008年3月14日
发明者孙友宏, 张祖培, 瓦列里·契斯佳柯夫, 军 薛, 威 郭, 晨 陈 申请人:吉林大学