一种海底钻机用天然气水合物主动保压取芯钻具的制作方法

本实用新型涉及一种天然气水合物取芯钻具，尤其是涉及一种海底钻机用天然气水合物主动保压取芯钻具。

背景技术：

海底天然气水合物作为一种新型的海底能源资源，储量十分巨大。全球海底天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍，在我国海域蕴藏量也十分丰富，具有广阔的开发前景。我国作为一个石油资源紧缺的发展中大国，勘探开发海底天然气水合物资源作为替代能源，已成为国家的一项重大战略决策。获取高质量的海底天然气水合物岩芯样品是开展天然气水合物品位和成分分析的关键。然而，目前使用的海底天然气水合物保压取芯钻具主要是针对钻探船塔架式钻机而设计的，并且主要采用球阀或翻版阀的结构形式进行海底天然气水合物非主动保压密封，受球阀和翻版阀自身结构、开启和关闭方式的影响，使得每根保压取芯钻具的结构十分复杂且质量和体积均比较大，同时，在将保压取芯钻具从海底提升至水面钻探船的过程中，由于保压取芯钻具外部压力不断地减小，使得保压取芯钻具受海底天然气水合物汽化而膨胀变形，导致保压取心钻具内部压力降低，进而影响后续的海底天然气水合物高精度分析。随着海底钻机的快速发展，利用海底钻机实施海底天然气水合物保压取芯钻探较钻探船塔架式钻机而言在钻探成本、取芯质量和取芯效率、机动性和作业隐蔽性等方面更具竞争性，但是海底钻机用取心钻具的研制还很不成熟，为了获取高质量海底天然气水合物岩芯样品，突破海底钻机主动保压取心钻具设计及取心工艺，研制适用于海底钻机的具有主动保压功能的结构紧凑型海底水合物保压取芯钻具是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、可靠性高，且可以对所取样品的进行主动保压密封的海底钻机用天然气水合物主动保压取芯钻具。

本实用新型采用的技术方案是：一种海底钻机用天然气水合物主动保压取芯钻具，包括外管组件、芯管组件和主动保压机构，所述外管组件包括外管接头、弹卡室、座环、外管、扩孔器和钻头；外管接头与弹卡室连接，弹卡室与外管连接，外管与扩孔器连接，扩孔器与钻头连接；所述芯管组件安装在外管组件内；芯管组件包括捞矛头、收卡筒、弹卡板、弹卡架、保压阀、安全阀、单动机构、内管、岩芯管、卡簧和卡簧座；捞矛头与收卡筒连接，收卡筒与弹卡架连接，弹卡板和扭簧设置在收卡筒内，保压阀和安全阀设置在弹卡架上，保压阀能连通弹卡架的导流孔与收卡筒内腔，安全阀能连通弹卡架的导流孔与弹卡架和外管之间的腔隙，弹卡架外壁上设有悬挂环，悬挂环置于外管内的座环上；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，岩心管套装在内管中；所述弹卡架导流孔、芯轴内孔、内管接头的内孔及岩芯管之间分别连通，内管接头的内孔中设有回水球阀；内管的下端内管的下端与卡簧座连接，卡簧设置在卡簧座内，卡簧座能够与主动保压机构连接。

上述的海底钻机用天然气水合物主动保压取芯钻具中，所述的弹卡架上设有保压阀孔，保压阀设置在保压阀孔内，保压阀包括阀芯和推杆，推杆一端与阀芯连接，推杆的另一端设有推杆滚轮，推杆滚轮的圆柱面与弹卡板底部接触。

上述的海底钻机用天然气水合物主动保压取芯钻具中，所述弹卡板底部设有弧形凹槽，推杆滚轮置于弧形凹槽内。

上述的海底钻机用天然气水合物主动保压取芯钻具中，所述主动保压机构包括滑动套筒、保压筒、活塞及充气阀；保压筒内腔设有活塞，活塞与保压筒内腔之间设有圈密封，保压筒内活塞与保压筒底部之间的腔隙与充气阀连通，保压筒侧壁上部设有多个位于同一水平面的钢珠孔，钢珠孔内分别放置有钢珠；所述保压筒内壁上还设有密封槽，密封槽内设有密封圈；滑动套筒套装在保压筒外壁上部，滑动套筒内壁与保压筒外壁之间设有弹簧，滑动套筒内壁上设有可收纳钢珠的半圆形凹槽。

上述的海底钻机用天然气水合物主动保压取芯钻具中，所述的单动机构包括芯轴、推力球轴承、内管端盖及锁紧螺母，芯轴的上端与弹卡架连接，所述的内管端盖安装在内管接头的上端；芯轴穿过内管端盖，芯轴的下端设有锁紧螺母，内管端盖的下端面与锁紧螺母之间设有弹簧；芯轴上设有凸缘，通过推力球轴承支撑在内管端盖上。

上述的海底钻机用天然气水合物主动保压取芯钻具中，所述芯轴与弹卡架之间设有密封圈；所述芯轴与内管端盖之间设有密封圈；所述内管端盖和内管接头之间设有密封圈；所述内管接头和内管之间设有密封圈；所述内管和卡簧座之间设有密封圈。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

（1）本实用新型的主动保压机构能够快速与芯管组件进行紧固连接密封；且可实时对海底天然气水合物岩芯样品进行补压；有效实现了对采样的保真。

（2）本实用新型还具有结构简单紧凑、操作快速和便利、可靠性高等优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的主动保压机构与芯管组件紧固连接密封后的结构示意图。

图中：1-捞矛头；2-外管接头；3-收卡筒；4-扭簧；41-扭簧销；5-弹卡板；51-弹卡轴；52-弧形凹槽；6-弹卡室；7-保压阀；71-保压阀孔；72-推杆；73-推杆滚轮；8-弹卡架；9-安全阀；10-芯轴；101-密封圈；11-悬挂环；12-座环；13-推力轴承；14-内管端盖；141-密封圈；142-密封圈；15-缓冲弹簧；16-锁紧螺母；17-内管接头；171-密封圈；18-回水球阀；19-外管；20-内管；21-岩芯管；22-扩孔器；23-卡簧座；231-密封圈；24-卡簧；25-钻头；26-滑动套筒；261-半圆形凹槽；27-弹簧；28-保压筒；281-钢珠孔；282-钢珠；283-密封槽；284-密封圈；29-活塞；291-密封圈；30-充气阀。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1-2所示，本实用新型包括外管组件、芯管组件和主动保压机构，其特征是：所述外管组件包括外管接头2、弹卡室6、座环12、外管19、扩孔器22和钻头25；外管接头2与弹卡室6连接，弹卡室6与外管19连接，外管19与扩孔器22连接，扩孔器22与钻头25连接，座环12设置在外观19的内壁上。

所述芯管组件安装在外管组件内。芯管组件包括捞矛头1、收卡筒3、弹卡板5、弹卡架8、保压阀7、安全阀9、单动机构、内管20、岩芯管21、卡簧24和卡簧座23；捞矛头1与收卡筒3连接，收卡筒3与弹卡架8连接，弹卡板5和扭簧4分别通过弹卡轴51、扭簧销41设置在收卡筒3内，弹卡板5能够绕弹卡轴51转动，扭簧4能够对弹卡板5限位。所述的弹卡架8上设有保压阀孔71，保压阀7设置在保压阀孔71内，保压阀包括阀芯和推杆72，推杆72的一端与保压阀阀芯固定，推杆72的另一端设有推杆滚轮73。所述弹卡板5底部设有弧形凹槽，推杆滚轮73置于弧形凹槽内。当弹卡板5绕弹卡轴51转动，弹卡板5底部作为凸轮机构，顶进或者回缩推杆72，使得保压阀7打开或关闭，实现弹卡架8的导流孔与收卡筒3的内腔的连通或关闭。所述的安全阀9设置在弹卡架8上，安全阀9能够连通弹卡架8的导流孔与弹卡架8和外管19之间的腔隙。

弹卡架8的外壁上设有悬挂环11，悬挂环11置于外管19内的座环12上；所述的单动机构包括芯轴10、推力球轴承13、内管端盖14及锁紧螺母16，芯轴10的上端与弹卡架8连接，芯轴10与弹卡架8之间设有密封圈101。所述的内管端盖14安装在内管接头17的上端，内管端盖14和内管接头17之间设有密封圈141。芯轴10穿过内管端盖14，芯轴10的下端位于内管接头17内，芯轴10的下端设有锁紧螺母16，内管端盖14的下端面与锁紧螺母之间设有弹簧15；芯轴10上设有凸缘，通过推力球轴承13支撑在内管端盖14上。

内管接头17的下端与内管20的上端连接，内管接头17与内管20之间设有密封圈171。岩心管21套装在内管20中；所述弹卡架8的导流孔、芯轴10的内孔、内管接头17的内孔及岩芯管21相互连通，内管接头17的内孔中设有回水球阀18。内管20的下端与卡簧座23连接，所述内管20和卡簧座23之间设有密封圈231，卡簧24设置在卡簧座23内，卡簧座231能够与主动保压机构连接。

所述主动保压机构包括滑动套筒26、保压筒28、活塞29及充气阀30；保压筒28内腔设有活塞29，活塞29与保压筒28内腔之间设有圈密封291，保压筒28内活塞29与保压筒28底部之间的腔隙与充气阀30连通，保压筒28的侧壁上部设有多个位于同一水平面的钢珠孔281，钢珠孔281内分别放置有钢珠282。所述保压筒28上部内壁上还设有密封槽283，密封槽283内设有密封圈284，密封圈284用于保压筒283与卡簧座231连接时的密封。滑动套筒26套装在保压筒28外壁的上部，滑动套筒26内壁与保压筒28外壁之间设有弹簧27，滑动套筒26内壁上设有可收纳钢珠282的半圆形凹槽。

本实用新型使用时，其具体操作步骤如下：

（1）取芯钻进前，利用海底钻机上的接卸装置将主动保压机构与芯管组件分离；利用海底钻机上的绳索打捞绞车将芯管组件下放至钻孔孔底的外管组件内，芯管组件的悬挂环11将悬挂于外管组件的座环12上，弹卡板5受外管组件的弹卡室6的径向约束，使收卡筒3的位置沿轴向上移动，迫使弹卡板5绕弹卡轴发生转动，弹卡板5触发推杆滚轮73和推杆72沿轴向下移动，并将保压阀7的阀芯顶开，使保压阀7处于开启状态。

在将海底天然气水合物主动保压取芯钻具下放至海底之前，通过充气阀30向主动保压机构的保压筒28内腔预充惰性气体，使得活塞29移动至保压筒28的顶部位置。

（2）取芯钻进过程中，钻头25不断切入海底天然气水合物地层，使得海底天然气水合物不断进入岩芯管21内，岩芯管21内的海水将通过回水球阀18、内管接头17的内孔、芯轴10内孔、弹卡架8的导流孔、收卡筒3向外排水。

（3）取芯钻进结束后，利用绳索打捞绞车将芯管组件提至孔口，弹卡室6对弹卡板5的径向约束解除，收卡筒3位置沿轴向下移动，推杆滚轮73和推杆72位置沿轴向上移动，推杆滚轮73移动至弹卡板5底部所设的弧形凹槽内，使保压阀7复位并关闭，实现芯管组件上端的密封。

（4）利用海底钻机上的接卸装置将主动保压机构与卡簧座23连接，配合主动保压机构中的密封圈284，实现对芯管组件下端的紧固连接。