天然气水合物锤击式冷冻保压双作用绳索取样钻具及方法与流程

本发明涉及一种天然气水合物锤击式冷冻保压双作用绳索取样钻具及方法，尤其适用于在非岩性沉积物中的天然气水合物钻探取心领域。

背景技术：

我国常规油气资源已远远不能满足经济和社会发展的需求。天然气水合物主要赋存于世界海洋大陆边缘和高纬度冻土带，具有能源密度高、分布广、规模大、埋藏浅等特点，且产出的天然气能够满足能源、经济和环境的要求，是具有商业开发前景的新型清洁能源。天然气水合物只能存在于一定的温度和压力条件下，一般要求温度低于0℃～10℃，压力高于10mpa，一旦温度升高或压力降低，甲烷气体则会逸出，固体天然气水合物便会分解，因此如何获得高保真的天然气水合物样品是天然气水合物勘探开发的一大难题。世界各国都在积极进行天然气水合物保真钻探取样方面的研究工作。目前国内外的天然气水合物保真取样器主要由两种设计思路：一种是孔底保温保压取样器，另一种是孔底冷冻取样器。

保温保压取样方法是利用球阀和翻板阀等在岩心被卡断后和提升过程中对专门设计的保压岩心管进行封闭和密封，并采用保温材料实现被动式保温，即通过机械保压的方式保持天然气水合物储层的原位压力和温度来获得高保真度的天然气水合物岩心。这种取样器采用机械式单纯主动式保压方式来获取岩心,其方法本身就存在技术缺陷。一旦机械保压机构的密封性稍有下降，那么岩心就不能保持初始压力，导致取心失败。而且当取样器的设计压力达到一定程度后，如果想再要增加保压能力，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。孔内岩心的保温方法主要是采用保温材料实现被动式保温方法，在钻探取样的复杂热工况条件下，被动式的保温方法无法维持天然气水合物岩心的原始温度。只有国外个别取样器采用热电式内管保温方式，但其保温效果并不理想，钻获天然气水合物保真岩心的成功率较低。

天然气水合物孔底冷冻取样方法是利用冷源在孔底冷冻天然气水合物样品，通过低温降低天然气水合物的临界分解压力，同时激发自保护效应，抑制天然气水合物分解，获得天然气水合物样品的方法。孔底冷冻取样方法采用可相变流体作为冷源，将冷源存储在孔底钻具的储冷腔内，钻进结束后，触发钻具的控制机构，将冷源注入到冷冻腔，通过冷源气化吸热将样品管内的天然气水合物冷冻到一个要求的低温区间。但是采用这种方法会改变天然气水合物岩心原有的基础物理性质，导致岩心的声波及电阻率等测试数据发生变化。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种天然气水合物锤击式冷冻保压双作用绳索取样钻具及采用该钻具进行取样的方法，天然气水合物锤击式冷冻保压双作用绳索取样钻具为液压驱动的锤击式取心工具，并将保压取样技术和冷冻取样技术集成于一套钻具之内，通过冷冻保压双重作用实现天然气水合物的高保真取心。

为达到上述目的，本所发明采用如下的技术方案：

天然气水合物锤击式冷冻保压双作用绳索取样钻具，该取样钻具包括打捞器、钻具外管、钻具内管总成及钻头，钻具内管总成设置在钻具外管内部，二者之间具有环状间隙，钻头设置在钻具外管的钻进工作端，其特征在于，钻具内管总成包括锤击式振动取样机构、相变制冷机构、压力保持机构及钻进取心机构，

其中锤击式振动取样机构包括控制杆、活阀、密封环、活塞、阀体、阀簧及铁砧，所述控制杆顶部设有与打捞器连接的凹槽，控制杆上部的凸台坐于钻具外管上部的凹台内；所述活阀、密封环、活塞、阀体、阀簧及铁砧均套设在控制杆外部并与控制杆同轴设置；活阀置于阀体上方，活阀的下部与活塞接触；活塞位于阀体内部，活塞中部的直径大于阀体上部的孔径；阀簧设置在阀体内部，阀簧的上部与活塞接触，阀簧的下部与铁砧接触；铁砧上设置有用于固定阀体的凹环槽，凹环槽将铁砧分为两部分，位于凹环槽上方的部分置于阀体内，位于凹环槽下方的部分置于阀体外部，铁砧的底部与腔体管连接，其中腔体管底部为敞口式结构，腔体管分为两个腔室，分别为冷源腔和压力室，冷源腔位于压力室上方；

其中相变制冷机构包括排气阀、冷源腔及控制阀，所述冷源腔的内壁上覆盖有冷源腔保温层；所述排气阀安装在腔体管的冷源入口处，排气阀包括排气阀体、排气阀弹簧及排气阀芯，所述排气阀体通过螺纹与腔体管连接；所述排气阀弹簧和排气阀芯设置在排气阀体内部，排气阀弹簧的一端与排气阀体连接，排气阀弹簧的另一端与排气阀芯连接，排气阀弹簧的预紧力用于将排气阀芯顶在排气阀体的通孔上；所述控制阀包括控制阀芯、控制阀弹簧、控制阀顶块及顶块室，所述控制阀弹簧用于将控制阀芯压紧在冷源腔的出口；所述控制阀顶块设置在控制杆的滑道内，并且控制阀顶块的一部分凸出于控制杆抵靠在控制阀芯的下部，用于将控制阀芯锁定，控制杆上行时，控制阀顶块通过控制阀芯将其压入位于控制杆滑道底部的顶块室内；

其中压力保持机构包括压力室、翻板阀及扭簧，所述压力室的内壁覆盖有压力室保温层，所述翻板阀的固定端与腔体管的侧壁下部铰接，并在铰接处设置有扭簧，翻板阀的自由端与控制杆接触，翻板阀朝向压力室的一侧设置有翻板阀上保温层；所述扭簧设置在翻板阀与腔体管的铰接处，扭簧用于驱动翻板阀翻转；

其中钻进取心机构包括取心筒、取心筒活塞、切削齿、岩心管及揽簧，所述岩心管与腔体管同轴设置，岩心管的上部与腔体管连接，岩心管的底部与切削齿相连接；所述取心筒位于岩心管内部且坐在岩心管内台阶上，取心筒内部设置有与控制杆底部连接的取心筒活塞；所述揽簧固定在取心筒下部，以便取心时天然气水合物岩心不会自取心筒内掉出。

天然气水合物锤击式冷冻保压双作用绳索取样方法，其特征在于，该取样方法采用所述的天然气水合物锤击式冷冻保压双作用绳索取样钻具进行取样，具体包括以下步骤：

①地表准备阶段：在进行天然气水合物钻进取心之前，首先根据冷源腔内的压力和控制阀自重设定控制阀的预紧力，安装控制阀芯、控制阀弹簧及控制阀顶块，使得当控制阀芯下部的背压小于1mpa时，控制阀自动打开使冷源自冷源腔内流出；然后将排气阀体、排气阀弹簧及排气阀芯自腔体管上拆下，向冷源腔内注入液氮对冷源腔进行预冷，冷源腔内部的温度达到-100℃时结束预冷，预冷结束后，向冷源腔内注入冷源，冷源的注入量为冷源腔总体积的80％；然后向冷源腔内冲入氮气调解其内部的压力，以便当控制阀芯下部的背压小于1mpa时，控制阀自动打开使冷源流出；

②孔内准备阶段：冷源填装结束后将钻具内管总成投入钻具外管中，钻具内管总成到达孔底工作位置，控制杆上部的凸台坐于钻具外管上部的凹台内，钻具内管总成整体悬挂于钻具外管内部，切削齿下部与天然气水合物所钻地层间保持2mm～4mm距离；此时，控制阀顶块在控制杆的作用下将控制阀芯顶死，将冷源腔下部的出口堵死，从而在取心过程中冷源不会自冷源腔内流出；

③钻进取心阶段：钻具内管总成到达工作位置后，开泵循环钻井液，钻井液自控制杆上部的钻井液进口进入钻具外管、阀体及密封环形成的封闭空间内，推动活阀向下移动，活阀带动活塞压缩阀簧向下移动锤击下部的铁砧，产生冲击力带动钻具向下冲击带动切削齿冲击进入天然气水合物地层；由于活塞向下移动的过程中，活阀受到阀体的阻碍而停止向下移动；活塞在惯性的作用下继续向下移动，活阀与活塞彼此分开，钻井液自活塞中间的通孔中部进入阀体内部，自铁砧上部的进液口进入然后自位于其下部的出液口流出，最后自钻具内管总成与钻具外管间的环状间隙流出；活塞与铁砧之间接触后，活塞在阀簧的作用下上行至阀体的上端面，堵塞钻井液的循环通道，锤击式振动取样机构复位，开始下一次锤击动作；通过多次的锤击动作将岩心管和取心筒插入天然气水合物地层中，天然气水合物岩心进入取心筒中，取心筒内的揽簧阻碍获得的天然气水合物岩心从取心筒内掉出；

④保压岩心阶段：取心结束后投入打捞器，打捞器卡在控制杆的顶部凹槽内，上提钻具，控制杆带动取心筒上行，钻具整体在自重作用下相对控制杆下行；当取心筒上行进入压力室内时，翻板阀在扭簧的作用下翻转，将压力室下部密封，此时压力室内的压力为天然气水合物储层的原始压力；

⑤冷冻岩心阶段：在上提钻具过程中，控制阀顶块相对于控制杆向下移动，当移动到其下表面与顶块室上表面齐平时，控制阀顶块在控制阀芯所施加的向下压力作用下退入顶块室内；此时控制阀芯受控制阀弹簧的预紧力及压力室内的压力作用将冷源腔下部的出口封死；当压力室内的压力低于1mpa时，控制阀芯在冷源腔内部压力的作用下，压缩控制阀弹簧，打开冷源腔，冷源注入压力室与取心筒之间的环状空隙内，通过冷源将取心筒内的天然气水合物岩心冷冻到-40℃以下，以便天然气水合物不分解；

⑥继续钻进阶段：将钻具内管总成提至孔口后获得天然气水合物岩心，然后开泵，旋转钻具外管带动钻头继续向下钻进至已获取天然气水合物岩心的地层；然后重复以上步骤继续进行取心钻进。

其中，所述冷源为低温相变液体，该低温相变液体采用温度为0℃～-120℃的酒精-干冰混合物、温度为0℃～-130℃的丙酮-干冰混合物或温度为-197℃的液氮。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明将天然气水合物保温保压取样技术、冷冻取样技术和锤击式振动取样技术用于非岩性沉积物中的天然气水合物钻探取心；采用锤击式振动取样技术保证天然气水合物岩心的完整性；采用保温保压取样技术确保天然气水合物岩心的稳定性；以冷冻取样技术辅助保温保压取样技术，在保压失败时，通过低温相变液体的相变吸热作用将天然气水合物岩心冷冻到-40℃确保天然气水合物不分解；综合以上技术本发明提出的天然气水合物锤击式冷冻保压双作用绳索取样钻具及方法可提高非岩性沉积物天然气水合物的取心成功率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明实施例中天然气水合物锤击式冷冻保压双作用绳索取样钻具的结构示意图。

图2为图1的局部放大图一。

图3为图1的局部放大图二。

图中各标记如下：1-控制杆，2-钻具外管，3-活阀，4-密封环，5-活塞，6-阀体，7-阀簧，8-铁砧，9-排气阀体，10-腔体管，11-排气阀弹簧，12-排气阀芯，13-冷源腔保温层，14-控制阀芯，15-控制阀弹簧，16-控制阀顶块，17-顶块室，18-压力室保温层，19-翻板阀上保温层，20-翻板阀，21-扭簧，22-取心筒，23-取心筒活塞，24-切削齿，25-岩心管，26-揽簧，27-钻头。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程及元件并没有详细的叙述。

本发明是将锤击式振动取样、保压取样和冷冻取样相结合，实现提高非岩性沉积物中的天然气水合物岩心取心率的目的。

本发明采用低温相变液体作为冷源，低温相变液体采用温度为0℃～-120℃的酒精-干冰混合物、温度为0℃～-130℃的丙酮-干冰混合物或温度为-197℃的液氮等能够气化吸热的低温流体；

如图1、图2及图3所示，天然气水合物锤击式冷冻保压双作用绳索取样钻具，该取样钻具包括打捞器、钻具外管2、钻具内管总成及钻头27，钻具内管总成设置在钻具外管2内部，二者之间具有环状间隙，钻头27设置在钻具外管2的钻进工作端，其特征在于，钻具内管总成包括锤击式振动取样机构、相变制冷机构、压力保持机构及钻进取心机构，

其中锤击式振动取样机构包括控制杆1、活阀3、密封环4、活塞5、阀体6、阀簧7及铁砧8，所述控制杆1顶部设有与打捞器连接的凹槽，控制杆1上部的凸台坐于钻具外管2上部的凹台内；所述活阀3、密封环4、活塞5、阀体6、阀簧7及铁砧8均套设在控制杆1外部并与控制杆1同轴设置；活阀3置于阀体6上方，活阀3的下部与活塞5接触；活塞5位于阀体6内部，活塞5中部的直径大于阀体6上部的孔径，因此活塞5在阀簧7的作用下中部顶在阀体6内顶部；阀簧7设置在阀体6内部，阀簧7的上部与活塞5接触，阀簧7的下部与铁砧8接触，使活塞5与铁砧8间保持一定距离；铁砧8上设置有用于固定阀体6的凹环槽，凹环槽将铁砧8分为两部分，位于凹环槽上方的部分置于阀体6内，位于凹环槽下方的部分置于阀体6外部，铁砧8的底部与腔体管10连接，其中腔体管10底部为敞口式结构，腔体管10分为两个腔室，分别为冷源腔和压力室，冷源腔位于压力室上方；

其中相变制冷机构包括排气阀、冷源腔及控制阀，冷源腔的内壁覆盖有冷源腔保温层13，保证与外界的绝热；所述排气阀安装在腔体管10的冷源入口处，排气阀包括排气阀体9、排气阀弹簧11及排气阀芯12，所述排气阀体9通过螺纹与腔体管10连接；所述排气阀弹簧11和排气阀芯12设置在排气阀体9内部，排气阀弹簧11的一端与排气阀体9连接，排气阀弹簧11的另一端与排气阀芯12连接，排气阀弹簧11的预紧力用于将排气阀芯12顶在排气阀体9的通孔上，保证当冷源腔内的气体压力过大时，通过排气调节冷源腔内的压力；所述控制阀包括控制阀芯14、控制阀弹簧15、控制阀顶块16及顶块室17，所述控制阀弹簧15用于将控制阀芯14压紧在冷源腔的出口，将冷源腔的出口封死；所述控制阀顶块16设置在控制杆1的滑道内，并且控制阀顶块16的一部分凸出于控制杆1抵靠在控制阀芯14的下部，用于将控制阀芯14锁定，使控制阀芯14无法在孔内取心阶段打开；控制杆1上行时，控制阀顶块16通过控制阀芯14将其压入位于控制杆1滑道底部的顶块室17内，此时控制阀顶块16不再为控制阀芯14提供上顶力；

其中压力保持机构包括压力室、翻板阀20及扭簧21，压力室的内壁覆盖有压力室保温层18，保证与外界的绝热，所述翻板阀20的固定端与腔体管10的侧壁下部铰接，并在铰接处设置有扭簧21，翻板阀20的自由端与控制杆1接触，所述翻板阀20的上表面上设置有翻板阀上保温层19，压力室保温层18与翻板阀上保温层19保证在保压过程或冷冻过程中天然气水合物岩心不会与外界发生大量换热；所述扭簧21设置在翻板阀20与腔体管10的铰接处，翻板阀20在扭簧21作用下处于翻转状态，但是由于控制杆1的作用，使翻板阀20在未工作情况下压在控制杆1上；当控制杆1上行带动取心筒22进入压力室后，翻板阀20在扭簧21的作用下将压力室的下部密封；

其中钻进取心机构包括取心筒22、取心筒活塞23、切削齿24、岩心管25及揽簧26，所述岩心管25与腔体管10同轴设置，岩心管25的上部与腔体管10连接，岩心管25的底部与切削齿24相连接，通过锤击式振动取样机构传递的冲击力，岩心管25带动切削齿24冲击进入天然气水合物地层，获取天然气水合物岩心；所述取心筒22位于岩心管25内部且坐在岩心管25内台阶上，取心筒22内部设置有与控制杆1底部连接的取心筒活塞23，在取心过程中，取心筒活塞23相对于取心筒22向上移动产生抽吸力辅助岩心进入取心筒22；所述揽簧26固定在取心筒22下部，以便取心时天然气水合物岩心不会自取心筒22内掉出。

天然气水合物锤击式冷冻保压双作用绳索取心方法，包括以下步骤：

①地表准备阶段：在进行天然气水合物钻进取心之前，首先根据冷源腔内的压力和控制阀自重设定控制阀的预紧力，安装控制阀芯14、控制阀弹簧15及控制阀顶块16，使得当控制阀芯14下部的背压小于1mpa时，控制阀自动打开使冷源自冷源腔内流出；然后需要向冷源腔内注入冷源，将排气阀体9、排气阀弹簧11及排气阀芯12自腔体管10上拆下，向冷源腔内注入液氮对冷源腔进行预冷，不断注入液氮，当冷源腔内的温度达到-100℃时，说明已经达到预冷要求；预冷结束后，向冷源腔内注入已选择的低温相变液体，低温相变液体作为冷源注入量为冷源腔总体积的80％；然后冷源腔内冲入氮气调解其中的压力，确保当控制阀芯14下部的背压小于1mpa时，控制阀自动打开使冷源流出。由于冷源腔保温层13的隔热作用及前期液氮的预冷，因此在注入冷源后，冷源可在冷源腔内长期保存；

②孔内准备阶段：冷源填装结束后将钻具内管总成投入钻具外管2中，钻具内管总成到达孔底工作位置，控制杆1上部的凸台坐于钻具外管2上部的凹台内，钻具内管总成整体悬挂于钻具外管2内部，切削齿24下部与天然气水合物所钻地层间保持2mm～4mm距离；此时，控制阀顶块16在控制杆1的作用下将控制阀芯14顶死，将冷源腔下部的出口堵死，从而在取心过程中冷源不会自冷源腔内流出；

③钻进取心阶段：钻具内管总成到达工作位置后，开泵循环钻井液，钻井液自控制杆1上部的钻井液进口进入钻具外管2、阀体6及密封环4形成的封闭空间内，推动活阀3向下移动，活阀3带动活塞5压缩阀簧7向下移动锤击下部的铁砧8，产生冲击力带动钻具向下冲击带动切削齿24冲击进入天然气水合物地层；由于活塞5向下移动的过程中，活阀3受到阀体6的阻碍而停止向下移动；活塞5在惯性的作用下继续向下移动，活阀3与活塞5彼此分开，钻井液自活塞5中间的通孔中部进入阀体6内部，自铁砧8上部的进液口进入然后自位于其下部的出液口流出，最后自钻具内管总成与钻具外管2间的环状间隙流出；活塞5与铁砧8之间接触后，活塞5在阀簧7的作用下上行至阀体6的上端面，堵塞钻井液的循环通道，锤击式振动取样机构复位，开始下一次锤击动作；通过多次的锤击动作将岩心管25和取心筒22插入天然气水合物地层中，天然气水合物岩心进入取心筒22中，取心筒22内的揽簧26阻碍获得的天然气水合物岩心从取心筒22内掉出；

④保压岩心阶段：取心结束后投入打捞器，打捞器卡在控制杆1的顶部凹槽内，上提钻具，控制杆1带动取心筒22上行，钻具整体在自重作用下相对控制杆1下行；当取心筒22上行进入压力室内时，翻板阀20在扭簧21的作用下翻转，将压力室下部密封，此时压力室内的压力为天然气水合物储层的原始压力；

⑤冷冻岩心阶段：在上提钻具过程中，控制阀顶块16相对于控制杆1向下移动，当移动到顶块室17时，控制阀顶块16在控制阀芯14所施加的向下压力作用下退入顶块室17内；此时控制阀芯14受控制阀弹簧15的预紧力及压力室内的压力作用将冷源腔下部的出口封死；当翻板阀20密封性能下降致使压力室内的压力低于1mpa时，控制阀芯14在冷源腔内部压力的作用下，压缩控制阀弹簧15，打开冷源腔，冷源注入压力室与取心筒22之间的环状空隙内，通过通过低温相变液体的相变吸热作用将取心筒22内的天然气水合物岩心冷冻到-40℃以下，确保天然气水合物不分解；由于压力室内保温层18及翻板阀上保温层19的隔热作用，冷源在冷冻天然气水合物岩心的过程中不会损失冷量；

⑥继续钻进阶段：将钻具内管总成提至孔口后获得水合物岩心，然后开泵，旋转外管2带动钻头27继续向下钻进至已获取岩心的地层；然后重复以上步骤继续进行取心钻进。