一种适用于海底钻机的天然气水合物保压绳索取心钻具的制作方法

本发明涉及一种天然气水合物绳索取心钻具，尤其是涉及一种适用于海底钻机的天然气水合物保压绳索取心钻具。

背景技术：

深海天然气水合物开发与利用已经成为世界各国未来资源战略的一个新热点。钻探取心是获取天然气水合物样品的最直接的方法。由于天然气水合物形成和存在低温高压环境下，国内外主要采用保压取样技术开展天然气水合物的取样工作。目前现有的保压取样钻具主要是针对海面钻探船取样形式，配合位于母船甲板上的钻机使用。其并不满足严格限制水下重量的海底钻机的使用工况，存在钻孔直径大、岩心样品直径小、钻具质量大、钻具结构复杂等问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、可靠性高，且可以对所取样品的保压密封的适用于海底钻机的天然气水合物保压绳索取心钻具。

本发明采用的技术方案是：包括外管总成和内管总成，所述的外管总成包括弹卡档头、弹卡室、座环、外管、扩孔器和钻头；所述的内管总成包括捞矛头、弹卡定位机构、保压阀机构、安全泄压阀、弹卡支架、悬挂环、单动机构、内管接头、回水球阀、内管、岩心衬管、卡簧座、下端部密封盖和海捞或卡簧；捞矛头与弹卡定位机构连接，弹卡定位机构与弹卡支架连接，保压阀机构和安全泄压阀设置在弹卡支架上，保压阀机构和安全泄压阀能够连通弹卡支架内孔与弹卡支架和外管之间的间隙；弹卡支架侧壁上设有悬挂环；悬挂环置于外管内的座环上；弹卡支架与单动机构连接；单动机构与内管接头连接；内管接头的下端与内管的上端连接，岩心衬管设置在内管中；弹卡支架、单动机构、内管接头和岩心衬管的内孔连通，内管接头的内孔中设有回水球阀；内管的下端与卡簧座连接，海捞或卡簧设置在卡簧座内；卡簧座与下端部密封盖连接。

上述的适用于海底钻机的天然气水合物保压绳索取心钻具中，所述的内管上端的保压阀机构包括单向阀和拨叉；所述的单向阀设置在弹卡支架上的单向阀孔内，拨叉中部与弹卡支架铰接，拨叉的一端设有顶爪，顶爪与单向阀阀芯接触，拨叉的另一端与弹卡定位机构的收卡筒内壁接触；拨叉能够打开和关闭单向阀。

上述的适用于海底钻机的天然气水合物保压绳索取心钻具中，所述的拨叉的另一端设有拨叉滚轮，拨叉滚轮的圆柱面与弹卡定位机构中的收卡筒内壁接触。

上述的适用于海底钻机的天然气水合物保压绳索取心钻具中，所述卡簧座的外侧壁上设有螺纹，下部设有密封柱面；所述内管下端部密封盖的内侧壁上设有内螺纹和密封槽，密封槽内设有密封圈；内管下端部密封盖能够与卡簧座进行螺纹连接。

上述的适用于海底钻机的天然气水合物保压绳索取心钻具中，所述的保压阀机构也包括滑阀，所述的弹卡支架的中部设有多个排水通孔，弹卡支架侧壁上排水通孔的上方和下方分别设有密封槽，滑阀内孔与弹卡支架配合，且能够在弹卡支架上滑动。

上述的适用于海底钻机的天然气水合物保压绳索取心钻具中，所述的单动机构包括芯轴、推力球轴承、套管端盖及锁紧螺母，芯轴的上端与弹卡支架连接，所述的套管端盖安装在内管接头的上端，套管端盖和内管接头之间设有密封圈；芯轴穿过套管端盖，芯轴的下端设有锁紧螺母，套管端盖的下端面与锁紧螺母之间设有推力球轴承；芯轴上设有凸缘，通过推力球轴承支撑在套管端盖上；所述的芯轴与弹卡支架和套管端盖之间分别设有密封圈；所述的内管接头和内管之间设有密封圈；所述的内管和卡簧座之间设有密封圈。

上述的适用于海底钻机的天然气水合物保压绳索取心钻具中，所述的单动机构还包括缓冲弹簧，缓冲弹簧设置在锁紧螺母与套管端盖下端面处的推力球轴承之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明设有保压阀机构和下端部密封盖，正常钻进时，保压阀机构连通弹卡支架内孔与弹卡支架和外管之间的间隙，钻进结束后，保压阀机构关闭，实现内管总成上端的密封；本发明的下端部密封盖卡簧座连接，实现内管总成下端的密封，进而实现了对所取样品的保压密封，达到在较小钻孔直径的前提下获取较大直径保压岩心样品的目的；本发明既可以采用压入式抽吸取心，又可以采用回转钻进方式取心，提高了对所钻地层的适应性；本发明还具有结构简单、可靠性高的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1工作状态的结构示意图。

图2是本发明实施例1保压状态的结构示意图。

图3为本发明实施例2工作状态的结构示意图。

图4是本发明实施例2保压状态的结构示意图。

图5是本发明实施例3工作状态的结构示意图。

图6是本发明实施例3保压状态的结构示意图。

图中：1-捞矛头；2-弹卡挡头；3-收卡筒；4-压簧；5-弹卡板；6-弹卡室；7-拨叉；71-拨叉滚轮；72-圆柱销；8-单向阀；9-安全泄压阀；10-弹卡支架；11-悬挂环；12-座环；13-芯轴；131-O型密封圈；132-缓冲弹簧；14-推力球轴承；15-套管端盖；151-密封圈；152-密封圈；16-锁紧螺母；17-内管接头；171-密封圈；18-筛网；19-回水球阀；20-外管；21-内管；22-岩心衬管；23-扩孔器；24-卡簧座；241-密封圈；25-海捞；26-钻头；27-下端部密封盖；271-密封槽；272-密封圈；29-卡簧。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本发明包括外管总成和内管总成，内管总成置于外管总成内。所述外管总成包括弹卡档头2、弹卡室6、座环12、外管20、扩孔器23和钻头26；弹卡档头2、弹卡室6、外管20、扩孔器23和钻头26依次连接；座环12安装在外管20的内壁上。

所述的内管总成包括捞矛头1、弹卡定位机构、弹卡支架10、保压阀机构、安全泄压阀9、悬挂环11、单动机构、内管接头17、回水球阀19、内管21、岩心衬管22、海捞25、卡簧座24和内管下端部密封盖27；所述的弹卡定位机构包括收卡筒3、压簧4及弹卡板5，所述的保压阀机构包括单向阀8和拨叉7；所述的单向阀8设置在弹卡支架10上的单向阀孔内，单向阀孔连通弹卡支架10的内孔与弹卡支架10和外管20之间的间隙。拨叉7中部通过圆柱销72与弹卡支架10铰接，拨叉7的一端设有顶爪，顶爪与单向阀8的阀芯接触，拨叉7的另一端设有拨叉滚轮71，拨叉滚轮71的圆柱面与弹卡定位机构中的收卡筒3的内壁接触；所述的拨叉7能够与弹卡定位机构联动，实现在钻进过程中使单向阀8始终处于开启状态，钻进结束后单向阀8处于关闭状态。

所述的单动机构由芯轴13、缓冲弹簧131、推力球轴承14、套管端盖15、锁紧螺母16组成，芯轴13的上端与弹卡支架10连接，所述的套管端盖15安装在内管接头的上端，套管端盖15和内管接头17之间设有密封圈151。芯轴13穿过套管端盖15，芯轴13的下端设有锁紧螺母16，锁紧螺母16与套管端盖15下端面之间设有缓冲弹簧131，芯轴13上套管端盖15的上端面、下端面处分别设有一个推力球轴承14，芯轴13上套管端盖15下端面处的推力球轴承14与锁紧螺母16之间设有缓冲弹簧131。芯轴13与弹卡支架10和套管端盖15之间分别设有密封圈131和密封圈152。

捞矛头1的下端与弹卡定位机构连接，弹卡定位机构的下端与弹卡支架10连接；保压阀机构和安全卸压阀9设置在弹卡支架10内，能够连通弹卡支架10的内孔与弹卡支架10和外管20之间的间隙。弹卡支架10的侧壁的下部设有悬挂环11，悬挂环11置于外管20内侧板上的座环12上。弹卡支架10的下端与单动机构的上端连接，单动机构的下端与内管接头17的上端连接，弹卡支架10、单动机构和内管接头17的内孔连通，内管接头17的内孔内设有回水球阀19；回水球阀19的上端设有筛网18。内管接头17的下端与内管21的上端连接，岩心衬管22设置在内管21中；内管接头17和内管21之间设有密封圈171；内管21的下端与卡簧座24上端连接，海捞25设置在卡簧座24内；内管21和卡簧座24之间设有密封圈241。

所述的卡簧座24其外表面上部设有螺纹，下部设有密封柱面，下端部密封盖27内设有内螺纹和内密封圈槽271，内密封圈槽271内设有密封圈272。借助海底钻机本体上的内管下端部密封盖拧卸装置可实现下端部密封盖27与卡簧座24的螺纹连接，配合下端部密封盖27中的密封圈272，实现对内管下端部开口的密封。

本发明的具体使用方法如下：钻进开始前，机械手抓取内管总成移至钻机本体上的下端部密封盖27拧卸装置处，借助拧卸装置将下端部密封盖27与内管总成分离，与内管总成分离后的下端部密封盖27暂存在拧卸装置内，同时机械手将去除下端部密封盖27的内管总成移至孔口，利用钻机上的绳索绞车配合打捞机构将内管总成下放至孔底外管总成中的预定位置，进行钻进作业。

正常钻进时，内管总成弹卡定位机构中的弹卡板5受外管总成中弹卡室6的径向约束，使收卡筒3位置沿轴向上移，收卡筒3对拨叉7中的拨叉滚轮71起限位作用，迫使拨叉7绕圆柱销72发生转动，触发拨叉7动作，将单向阀8的阀芯顶开，确保在钻进过程中单向阀8始终处于开启状态，形成排水通路。本发明既可采用压入式抽吸取心模式，配合钻机本体上的抽吸活塞缸，在取心过程中使内管总成中形成活塞式负压，提高取心率。也可以采用回转钻进取心模式，冲洗液经内管21和外管20之间的环状间隙，流经钻头26的水口到达孔底，对钻头26进行冷却，并携带孔底岩粉沿钻杆和孔壁间的环状间隙上返至孔口。

钻进结束后，利用打捞机构将内管总成快速提至孔口，弹卡室6对弹卡板5的径向约束解除，收卡筒3位置沿轴向下移，收卡筒3对拨叉滚轮71的限位解除，拨叉7复位，单向阀8关闭，实现内管总成上端部的密封。通过机械手将内管总成移至钻机本体上的下端部密封盖27拧卸处，拧卸装置将暂存在其内部的下端部密封盖27与卡簧座24连接，配合下端部密封盖27中的密封圈272，实现对内管总成下端的密封。至此，钻具内管总成上下端部均处于密封状态，其内部存储的天然气水合物样品也处于保压密封状态，如图2所示。当内管总成中的压力因温度上升超过一定值后，安全卸压阀9自动开启，对内管总成起保护作用。

实施例2

如图3所示，其结构与实施例1相似，其不同之处在于：保压阀机构的结构不同，保压阀机构包括滑阀28，弹卡支架10上部设有径向均布多个排水通孔29，弹卡支架10的侧壁上排水通孔29的上方和下方分别设有密封槽301及密封圈槽302；密封槽301和密封槽302中分别设有密封圈303和密封圈304；滑阀28的内孔与弹卡支架10配合，并可以在弹卡支架10上轴向移动。正常钻进时，滑阀28处于开启状态，钻具内管总成中的水可沿弹卡支架10上部的排水通孔29排出；钻进结束后，如图4所示，利用打捞机构将内管总成快速提至孔口，利用钻机本体上的拨叉机构，使滑阀28沿弹卡架30向下移动，滑阀28处于关闭状态，配合弹卡架30密封槽301和密封槽302中的密封圈303和密封圈304，实现内管总成上端部的保压密封。

实施例3

如图5、6所示，其结构与实施例1相似，其不同之处在于：所述的单动机构不含有锁紧螺母16与套管端盖15下端面处的推力球轴承之间的缓冲弹簧131，套管端盖15下端面处的推力球轴承通过锁紧螺母16直接在芯轴13上定位。所述的保压阀机构的拨叉7的另一端不设置拨叉滚轮71，拨叉7的另一端直接与收卡筒3的内壁接触。内管下端的海捞25由卡簧29替代。