振动式海洋水合物保压取样器的制作方法

本实用新型涉及一种振动式海洋水合物保压取样器，尤其适用于松散易遭受冲刷泥质粉砂沉积层水合物的原位保真取样。

背景技术：

天然气水合物是一种由水和气体在高压低温环境下形成笼形结晶化合物，海洋天然气水合物储量巨大、清洁、热值高，是一种极具前景的潜在能源。多个国家对海洋水合物进行了探测研究。海洋水合物的存在依据主要是依靠①BSR拟海底反射地震带，②随钻测井技术，③海底沉积物取样技术。天然气水合物取样的作为水合物存在的直接证据，对岩心的测试也可以分析水合物的形成原因、评价区域水合物的储量，由于天然气水合物的开采可能会引发地质不稳定等问题，可以通过对保压状态的水合物沉积层岩心进行岩土力学测试，为海洋水合物的持续稳定开采提供依据。天然气水合物对温度压力变化敏感，在非保温保压水合物取样时，水合物因压力的降低分解，不利于储层评价。目前针对海洋水合物的取样方法以保压技术为主，所面临的主要问题有：

(1)水合物岩心易受冲刷，岩心获取率偏低。海洋水合物常赋存于海洋浅层的泥质粉砂沉积层中，储层未完全固结，在冲洗液的作用下，岩心难以成柱状，且易被冲洗液冲刷遗失，造成岩心不完整、地层信息丢失。

(2)保压成功率偏低。由于海底环境复杂，取样器机械结构可靠性降低，固相颗粒对保压机构的影响较大，保压成功率不高、压力保持率偏低是目前保压取样的主要问题。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术的不足，提出一种振动式海洋水合物保压取样器。通过铠装电缆输送动力，激振器冲击取心筒超前钻头取样，使岩心免受钻井液污染冲刷，提升岩心获取率；采用机械结构可靠的翻板进行保压，在阀门关闭前，用冲对保压腔进行清洗，消除固相颗粒的影响，提升保压的稳定性。

本实用新型是由定位机构、振动取心机构、提升机构、冲洗机构、保压机构组成，该取样器可用于海洋水合物的原位保压取样。

定位机构是由外管、弹卡、弹卡销、张簧、悬挂环、座环组成。钻遇含水合物目的层后，投入该取样器进行取心，弹卡在张簧作用下张开，由外管组成的弹卡室限制弹卡上移，防止取样器向上窜动；悬挂环坐落于座环上，防止取样器向下窜动。取样器在弹卡和悬挂环的上下限制作用下保持稳定。

振动取心机构是由铠装电缆、电缆接头、激振器、偏振片、密封室、承冲砧、取心管、排液孔组成。激振器通过密封室与外界隔绝。铠装电缆中集成有供电线路，通过电缆接头与取样器主体连接，取样器到达指定位置后，通过供电线路向激振器输送动力，带动偏振片旋转，产生激振力，通过冲击承冲砧，将冲击力作用在取心管上，取心管下行，击入水合物沉积层，完成取心。

液力提升机构是由铠装电缆及其中的冲洗介质通道、第一冲洗孔、第一电机、第一球阀、第二电机、第二球阀、提升管、滑轨组成。含水合物岩心进入取心管之后通过第二电机关闭第二球阀，通过第一电机开启第一球阀，铠装电缆中集成有冲洗介质通道，向冲洗介质通道中泵入冲洗介质，通过第一冲洗孔流至提升管和滑轨组成的腔体中，随着压力的升高，推动提升管上行，提升管带动下部取心管上行，完成提升过程。

冲洗机构是由铠装电缆及其中的冲洗介质通道、第二冲洗孔、止位弹卡组成。铠装电缆泵出的冲洗介质除了用于液力提升取心管的作用外，还可用于在取样器中形成清洁的流场，消除固相颗粒对取样器密封件的影响。第一球阀和第二球阀处于开启状态，冲洗介质经第二冲洗孔流至保压腔中，对保压腔及翻板进行清洗。

保压机构是由第一电机、第一球阀、保压腔、阀堵、扭簧、翻板组成。岩心管提升至翻板上部时，翻板在扭簧作用下旋转，覆盖在阀堵上，形成密封。

本实用新型的使用方法包括以下步骤：

1、钻遇至水合物取心目的层后，由井口投入振动式海洋水合物保压取样器，铠装电缆可代替绳索下放取样器。到达位置后，取样器的悬挂环坐落于外管的座环上，限制取样器下行，回收管相对于弹卡架下行，弹卡张开，深入外管中的弹卡室，限制取样器上行，取样器固定在指定位置。

2、通过集成在铠装电缆中的动力电线向激振器提供电力，根据水合物目的层的储层性质，调节适当的频率，激振器带动偏振片旋转，产生激振力，激振力通过承冲砧传递至取心管上，取心管、滑轨和激振器在冲击力作用下下行。水合物沉积层岩心以柱状进入取心管，提升管恰好下行至滑轨、第一冲洗孔的上方。在滑轨、第一电机的凸起处受阻停止下行，此时，岩心管恰好完全击入地层。

3、通过铠装电缆控制第二电机，关闭第二球阀，控制第一电机，开启第一球阀，并在集成在铠装电缆中的冲洗介质通道中泵入清洗液，清洗液经第一冲洗孔进入提升管和滑轨组成的空腔中，随着压力的升高，提升管上行，岩心管随之提升，回收至保压腔，直至提升管上行经过止位弹卡，停止泵入清洗液。

4、止位弹卡限制提升管下降，此时，通过控制电路开启第二球阀，随着清洗液的不断输送，通过第二冲洗孔流至保压腔中，在保压腔和孔底局部范围内，形成一稳定的清洁流场，将保压腔中的固相颗粒清除完毕。

5、完成固相颗粒的清除后，关闭第二球阀，继续向铠装电缆中的冲洗介质通道泵送清洗液，提升管继续上行，取心管到达翻板上部后，翻板在扭簧的作用下反转闭合，与环状阀堵形成锥面密封，在提升过程中保压腔外压力减小，腔内外形成压力差，翻板与环状阀堵密封效果逐渐增强。

6、关闭第一球阀和第二球阀，此时保压腔上下形成密封。

7、通过铠装电缆提升取样器，在提升过程中，信号通道实时传输取样器内温度压力变化情况，如果压力有所降低时，通过铠装电缆中的压力补偿气通道泵入氮气，维持取样器内部压力。

8、取样器提升至钻进平台后，置入冰水混合物中，将保压腔卸下，将岩心转移至岩心综合测试系统，进行岩心各项参数的测试。

本实用新型的有益效果：

通过振动冲击的方式，将取心管超前钻头击入水合物沉积层，使获取的岩心免受冲洗液冲刷消耗，岩心层序良好，实现原状取心；通过铠装电缆提供电力，激振频率稳定，可根据不同地层调节频率，实现快速原位取样；在翻板闭合之前，通过清洗介质净化孔底流场，提升机械结构的保压密封性能，从而提高保压成功率和压力保持率。

附图说明

图1为本取样器的整体结构示意图(钻进取心状态)。

图2为本取样器的液力提升状态示意图。

图3为本取样器的冲洗状态。

图4为本取样器的密封保压状态。

图5为铠装电缆横截面结构示意图。

其中1-外管，2-铠装电缆，3-电缆接头，4、30-弹簧销，5-张簧，6-弹卡销，7-悬挂环，8-座环，9-第一电机，10-第二电机，11-第二冲洗孔，12-激振器，13-偏振片，14-承冲砧，15-取心管，16-阀堵，17-钻头，18-扭簧，19-翻板，20-排液孔，21-密封室，22-保压腔，23-第二球阀，24-第一冲洗孔，25- 提升管，26-滑轨，27-止位弹卡，28-第一球阀，29-轴承，31-弹卡，32-回收管，33-电缆通道，34-弹卡架，35-动力电线，36-冲击介质通道，37-压力补偿气通道，38-信号通道

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本实用新型是由定位机构、振动取心机构、提升机构、冲洗机构、保压机构组成，该取样器可用于海洋水合物沉积层的原位保压取样，可有效降低对样品的扰动，提升保压成功率。

定位机构是由外管1、弹卡31、弹卡销6、张簧5、悬挂环7、座环8组成。钻遇含水合物目的层后，投入该取样器进行取心，弹卡在张簧5作用下张开，由外管1组成的弹卡室限制弹卡31上移，防止取样器向上窜动；悬挂环7坐落于座环8上，防止取样器向下窜动。取样器在弹卡31和悬挂环7的上下限制作用下保持稳定。

振动取心机构是由铠装电缆2、电缆接头3、激振器12、偏振片13、密封室21、承冲砧14、取心管15、排液孔20组成。激振器12通过密封室21与外界隔绝。铠装电缆2中集成有动力电线35，通过电缆接头3与取样器主体连接，取样器到达指定位置后，通过动力电线35向激振器12输送动力，带动偏振片13旋转，产生激振力，通过冲击承冲砧14，将冲击力作用在取心管 15上，取心管15下行，击入水合物沉积层，完成取心。

液力提升机构是由铠装电缆2及其中的冲洗介质通道36、第一冲洗孔24、第一电机9、第一球阀28、第二电机10、第二球阀23、提升管25、滑轨26 组成。含水合物岩心进入取心管15之后通过第二电机10关闭第二球阀23，通过第一电机9开启第二球阀23，铠装电缆2中集成有冲洗介质通道36，向冲洗介质通道36中泵入冲洗介质，通过第一冲洗孔24流至提升管25和滑轨 26组成的腔体中，随着压力的升高，推动提升管25上行，提升管25带动下部取心管15上行，完成提升过程。

冲洗机构是由铠装电缆2及其中的冲洗介质通道36、第二冲洗孔11、止位弹卡27组成。铠装电缆2泵出的冲洗介质除了用于液力提升取心管15的作用外，还可用于在取样器中形成清洁的流场，消除固相颗粒对取样器密封件的影响。第一球阀28和第二球阀23处于开启状态，冲洗介质经第二冲洗孔11流至保压腔22中，对保压腔22及翻板19进行清洗。

保压机构是由第一电机9、第一球阀28、保压腔22、阀堵16、扭簧18、翻板19组成。取心管15提升至翻板19上部时，翻板19在扭簧18作用下旋转，覆盖在阀堵16上，形成密封。

本实用新型的使用方法包括以下步骤：

1、钻遇至水合物取心目的层后，由井口投入振动式海洋水合物保压取样器，铠装电缆2可作为绳索下放取样器。到达位置后，取样器的悬挂环7坐落于外管的座环8上，限制取样器下行，回收管32相对于弹卡架34下行，弹卡31张开，深入外管1中的弹卡室，限制取样器上行，取样器固定在指定位置。

2、通过集成在铠装电缆2中的动力电线35向激振器12提供电力，根据水合物目的层的储层性质，调节适当的频率，激振器12带动偏振片13旋转，产生激振力，激振力通过承冲砧14传递至取心管15上，取心管15、滑轨26 和激振器12在冲击力作用下下行。水合物沉积层岩心以柱状进入取心管15，提升管25恰好下行至滑轨26、第一冲洗孔24的上方。在滑轨26中第一电机 9的凸起处受阻停止下行，此时，岩心管15恰好完全击入地层。

3、通过铠装电缆2控制第二电机10，关闭第二球阀23，控制第一电机9，开启第一球阀28，并在集成在铠装电缆2中的冲洗介质通道36中泵入清洗液，清洗液经第一冲洗孔24进入提升管25和滑轨26组成的空腔中，随着压力的升高，提升管25上行，岩心管15随之提升，回收至保压腔22，直至提升管 25上行经过止位弹卡27，停止泵入清洗液。

4、止位弹卡27限制提升管25下降，此时，通过控制电路开启第二球阀 25，随着清洗液的不断输送，通过第二冲洗孔11流至保压腔22中，在保压腔22和孔底局部范围内，形成一稳定的清洁流场，将保压腔22中的固相颗粒清除完毕。

5、完成固相颗粒的清除后，关闭第二球阀23，继续向铠装电缆2中的冲洗介质通道36泵送清洗液，提升管25继续上行，取心管15到达翻板19上部后，翻板19在扭簧18的作用下反转闭合，与环状阀堵16形成锥面密封。

6、关闭第一球阀28和第二球阀23，此时保压腔22上下形成密封。

7、通过铠装电缆2提升取样器，在提升过程中，信号通道38实时传输取样器内温度压力变化情况，如果压力有所降低时，通过铠装电缆2中的压力补偿气通道37泵入氮气，维持取样器内部压力。

8、取样器提升至钻进平台后，置入冰水混合物中，将保压腔22卸下，将岩心转移至岩心综合测试系统，进行岩心各项参数的测试。