一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具，钻具由外管总成和内管总成组成。其采用酒精与液氮混合制冷的方式，其中酒精作为载冷剂，液氮作为冷冻剂；在钻进时液氮持续流入铜管不断挥发对酒精进行预冷，酒精对岩心进行冷冻，利用岩心充满岩心管后产生的上顶力打开液氮腔与冷冻腔通道，使剩余液氮与酒精的混合形成低温酒精对岩心进行冷冻。预冷过程中氮气经过酒精后温度有一定升高，降低了冻孔的可能性；增强了冷冻效果，提高了液氮的利用率，降低了液氮与酒精的温度差，使后续液氮与酒精混合的混合过程更加温和。本实用新型专利技术易于获取天然气水合物岩心；本实用新型专利技术将孔底冷冻与绳索取心方式相结合，能够实现不提钻快速取心。
【技术实现步骤摘要】
酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具
本技术涉及一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具，尤其适用于海洋与陆地冻土带的天然气水合物钻探取心。
技术介绍
天然气水合物是在特定温度和压力下由轻烃、二氧化碳等小分子气体与水相互作用形成的一种白色、淡黄色的似冰雪状笼型晶体物质，也被称为“可燃冰”。天然气水合物是国际公认的具有商业开发前景的新型清洁能源，其储量巨大，地球上天然气水合物中总有机碳的储量约为石油、天然气和煤炭三者总和的两倍。天然气水合物通常赋存于高压、低温环境，打破平衡条件会导致水合物发生分解。如何获取具有高保真度的水合物样品一直是天然气水合物勘探开发领域的难点。目前国内外的天然气水合物保真取样器主要分两类，一类是孔底保温保压取样器，另一类是孔底冷冻取样器。目前国内外现有的天然气水合物保真取样器以保温保压取样器为主。其工作原理是当天然气水合物岩心进入岩心管(保压岩心室)后，通过设置在岩心管底部的球阀或者翻板阀关闭保压岩心室，从而使岩心保持初始压力，同时利用压力补偿装置控制压力，保证岩心管中压力在提离孔底的过程中保持不变，最终提至地表冷冻保存岩心。孔内岩心保温方法采用被动式保温方法，通过在岩心管周围设置保温材料达到保温目的。这种保压方式属于机械式被动保压方式，要求球阀与翻板阀的具有很高的强度与良好的密封性能，否则会造成保压失败，从而导致取心失败。孔底冷冻取样器的设计思路是当天然气水合物取样钻进回次结束后，水合物岩心充满岩心管(岩心管周围设置有环状密封的冷冻腔)，通过冲洗液产生的压力或者冷冻剂的自重将冷冻剂注入到冷冻腔，达到冷冻水合物岩心的目的。现有的孔底冷冻取样器采用的冷冻剂主要分为干冰(干冰为固体，采用酒精作为载冷剂)与液氮。冷冻剂采用干冰时，干冰先与酒精混合，形成低温酒精后再注入至冷冻腔对水合物岩心进行冷冻，酒精带走很多冷量，造成冷冻效果不理想；取样器既要分别存储干冰与酒精，又要实现两者的混合，使得取样器内部结构更加复杂化。冷冻剂采用液氮时可有效改善冷冻效果、简化取样器结构，但液氮会在注入过程中大量气化，浪费巨大，降低了液氮的使用效率，且液氮可能在钻进时就已经完全挥发导致取样失败；若加大液氮用量，则需设计更大尺寸的取样器，这加大了取样器重量、降低了其适用性。
技术实现思路
针对上述现有天然气水合物保真取样器的不足，本技术的目的在于提供一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具。本技术的目的通过以下技术方案实现：采用液氮作为冷冻剂，酒精作为载冷剂。在钻进过程中，液氮流经限流阀不断注入到的铜管中(液氮流量很小，铜管缠绕在岩心管外部冷冻腔内)；冷冻腔内存储着酒精，液氮流经铜管时不断挥发对酒精进行预冷，酒精对岩心进行冷冻，产生的氮气经铜管终点处单项阀排出；岩心充满岩心管后，岩心产生的上顶力打开液氮腔与冷冻腔连通通道，剩余液氮与冷冻腔内酒精混合形成低温酒精对岩心进行冷冻。一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具包括外管总成和内管总成。外管总成包括弹卡挡头、弹卡室、第一座环、上扩孔器、外管、下扩孔器和钻头；其中弹卡挡头、弹卡室、上扩孔器、外管、下扩孔器和钻头顺次通过螺纹进行连接，第一座环通过螺纹连接在弹卡室下端。内管总成由七大机构组成，分别为：捞矛机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、缓冲机构、冷源存储机构和孔底冷冻机构。捞矛机构由捞矛头、第一弹簧销与回收管组成。取心时投入打捞器于钻杆内，下放至内管总成上端，打捞钩与捞矛头连接，上提打捞器可使回收管上移，回收管压缩弹卡使其收拢，内管总成脱离于外管总成，最终把内管总成提离孔内。弹卡定位机构由弹卡、弹卡销、弹卡挡头、弹卡架、扭簧、第二弹簧销和回收管组成。弹卡通过弹卡销与弹卡架固定连接，弹卡架与回收管通过第二弹簧销形成可动连接(第二弹簧销与弹卡架为可动连接，第二弹簧销与回收管为固定连接，回收管能够竖直移动固定距离)；扭簧给弹卡提供张力，弹卡两翼贴附在弹卡室内壁上，使其被弹卡挡头卡住，防止钻进过程中内管向上窜动。悬挂机构由内接手、弹卡架、悬挂环与第一座环组成。内接手与弹卡架螺纹连接，悬挂环与内接手螺纹连接，第一座环与弹卡室螺纹连接，悬挂环外径稍大于第一座环内径，内接手上下分别开有四个均匀分布的斜孔；当内管总成下降到外管总成的弹卡室位置时，悬挂环坐落在第一座环上，使卡环座与钻头内台阶保持2～4毫米间隙，以保证内管单动性，且此时泥浆从内接手上部斜孔流入，从下部斜孔流出，保证泥浆循环通道不堵塞。单动机构由上轴承座、下轴承座、油嘴、第一推力轴承与第二推力轴承组成。上轴承座与内接手通过螺纹进行连接，第一推力轴承上下面分别与上轴承座与下轴承座接触，同时第一推力轴承承受岩心充满岩心管后产生的上顶力，并将力传递给上轴承座；第二推力轴承上部与下轴承座接触，防止下轴承座下移；油嘴与下轴承座螺纹连接，通过加入润换油对轴承进行润滑；第一推力轴承和第二推力轴承使内管在钻进时不随外管转动，保证了内管总成的单动性。缓冲机构由上轴承座、弹簧、挡环、螺母与垫片组成。弹簧上下面分别与第二推力轴承与挡环接触，弹簧为第二推力轴承提供支撑力以支撑下轴承座；垫片上下面分别与挡环和螺母接触，挡环同时与上轴承座接触，螺母与上轴承座螺纹连接并为弹簧提供上顶力；下放内管总成时，内管总成下部机构会因惯性向下运动，弹簧可起到缓冲作用；拉断岩心时，压缩弹簧，卡簧座下移至钻头内台阶上，从而将拉断岩心的力传递至外管，起到保护内管的作用。冷源存储机构由排气接手、储冷腔体管、排气阀弹簧、排气阀体、排气阀球、密封圈、颈管、外壳、液氮腔体管、侧面支撑、液氮注入管与底部支撑座组成。排气接手与下轴承座通过螺纹连接，储冷腔体管与排气接手通过螺纹连接，排气阀体与排气接手通过螺纹连接，排气阀弹簧上部与排气接手接触，并将排气阀球预紧在排气阀体上部，排气阀体、排气阀弹簧与排气阀球组成的排气阀起到辅助排气的作用，液氮腔体管中储有液氮，当液氮腔体管中内部压力大于一定值时氮气流经颈管排出液氮腔；颈管与排气阀体插接，插接处布置有密封圈，防止氮气外溢；外壳分别与颈管和底部支撑座焊接，液氮腔体管也分别与颈管和底部支撑座焊接，外壳的侧面与储冷腔体管接触且布置有抽气嘴，在装入液氮前通过抽气嘴进行抽真空，达到保冷、减缓液氮气化的目的；侧面支撑布置在外壳与液氮腔体管之间，提高稳定性；液氮注入管分别与底部支撑座与三通道接手插接，并设有密封圈(防止液氮外溢)，底部支撑座开有三个液氮通道，液氮腔中液氮流经底部支撑座通道与液氮注入管后进入三通道接手的内部通道(液氮上通道与液氮限流通道)。孔底冷冻机构由三通道接手、冷冻腔体管、冷冻腔保温层、岩心管、限流阀、铜管、单向阀体、单向阀弹簧、单向阀球、排水阀体、排水阀弹簧、排水阀球、卡簧与卡簧座组成；其中三通道接手由液氮上通道、液氮中通道、液氮下通道、液氮限流通道、密封圈、钢活塞与第二座环组成。三通道接手与储冷腔体管通过螺纹连接，冷冻腔体管与三通道接手通过螺纹连接，冷冻腔保温层与冷冻腔保温管接触连接，三通道接手、冷冻腔保温层与岩心管构成了冷冻腔，冷冻腔保温层由导热系数极低的材料构成，有效减少冷动能量的损失；钢活塞与三通道接手接触，三通道接手下部与钢活塞接触处设有密封圈，防止泥浆渗入；排本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具，其特征在于：由外管总成和内管总成组成；所述外管总成包括弹卡挡头(1)、弹卡室(10)、第一座环(13)、上扩孔器(15)、外管(49)、下扩孔器(57)和钻头(60)；其中弹卡挡头(1)、弹卡室(10)、上扩孔器(15)、外管(49)、下扩孔器(57)和钻头(60)顺次通过螺纹进行连接，第一座环(13)通过螺纹连接在弹卡室(10)下端；所述内管总成包括捞矛机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、缓冲机构、冷源存储机构和孔底冷冻机构；捞矛机构由捞矛头(2)、第一弹簧销(3)与回收管(4)组成，取心时投入打捞器于钻杆内，下放至内管总成上端，打捞钩与捞矛头(2)连接，上提打捞器可使回收管(4)上移，回收管(4)压缩弹卡(8)使其收拢，内管总成脱离于外管总成，最终把内管总成提离孔内；弹卡定位机构由弹卡(8)、弹卡销(9)、弹卡挡头(1)、弹卡架(5)、扭簧(7)、第二弹簧销(6)和回收管(4)组成；弹卡(8)通过弹卡销(9)与弹卡架(5)固定连接，弹卡架(5)与回收管(4)通过第二弹簧销(6)形成可动连接；扭簧(7)给弹卡(8)提供张力，弹卡(8)两翼贴附在弹卡室(10)内壁上，使其被弹卡挡头(1)卡住，防止钻进过程中内管向上窜动；悬挂机构由内接手(11)、弹卡架(5)、悬挂环(12)与第一座环(13)组成；内接手(11)与弹卡架(5)螺纹连接，悬挂环(12)与内接手(11)螺纹连接，第一座环(13)与弹卡室(10)螺纹连接，悬挂环(12)外径稍大于第一座环(13)内径，内接手(11)上下分别开有四个均匀分布的斜孔；当内管总成下降到外管总成的弹卡室(10)位置时，悬挂环(12)坐落在第一座环(13)上，使卡簧座(59)与钻头(60)内台阶保持2～4毫米间隙，以保证内管单动性，且此时泥浆从内接手(11)上部斜孔流入，从下部斜孔流出，保证泥浆循环通道不堵塞；单动机构由上轴承座(14)、下轴承座(18)、油嘴(17)、第一推力轴承(16)与第二推力轴承(19)组成；上轴承座(14)与内接手(11)通过螺纹进行连接，第一推力轴承(16)上下面分别与上轴承座(14)与下轴承座(18)接触，同时第一推力轴承(16)承受岩心充满岩心管(51)后产生的上顶力，并将力传递给上轴承座(14)；第二推力轴承(19)上部与下轴承座(18)接触，防止下轴承座(18)下移；油嘴(17)与下轴承座(18)螺纹连接，通过加入润换油对轴承进行润滑；第一推力轴承(16)和第二推力轴承(19)使内管在钻进时不随外管转动，保证了内管总成的单动性；缓冲机构由上轴承座(14)、弹簧(20)、挡环(21)、螺母(23)与垫片(22)组成；弹簧(20)上下面分别与第二推力轴承(19)与挡环(21)接触，弹簧(20)为第二推力轴承(19)提供支撑力以支撑下轴承座(18)；垫片(22)上下面分别与挡环(21)和螺母(23)接触，挡环(21)同时与上轴承座(14)接触，螺母(23)与上轴承座(14)螺纹连接并为弹簧(20)提供上顶力；下放内管总成时，内管总成下部机构会因惯性向下运动，弹簧(20)可起到缓冲作用；拉断岩心时，压缩弹簧(20)，卡簧座(59)下移至钻头(60)内台阶上，从而将拉断岩心的力传递至外管，起到保护内管的作用；冷源存储机构由排气接手(24)、储冷腔体管(35)、排气阀弹簧(25)、排气阀体(27)、排气阀球(26)、密封圈(28)、颈管(29)、外壳(30)、液氮腔体管(33)、侧面支撑(34)、液氮注入管(37)与底部支撑座(36)组成；排气接手(24)与下轴承座(18)通过螺纹连接，储冷腔体管(35)与排气接手(24)通过螺纹连接，排气阀体(27)与排气接手(24)通过螺纹连接，排气阀弹簧(25)上部与排气接手(24)接触，并将排气阀球(26)预紧在排气阀体(27)上部，排气阀体(27)、排气阀弹簧(25)与排气阀球(26)组成的排气阀起到辅助排气的作用，液氮腔体管(33)中储有液氮，当液氮腔体管(33)中内部压力大于一定值时氮气流经颈管(29)排出液氮腔(32)；颈管(29)与排气阀体(27)插接，插接处布置有密封圈(28)，防止氮气外溢；外壳(30)分别与颈管(29)和底部支撑座(36)焊接，液氮腔体管(33)也分别与颈管(29)和底部支撑座(36)焊接，外壳(30)的侧面与储冷腔体管(35)接触且布置有抽气嘴(31)，在装入液氮前通过抽气嘴(31)进行抽真空，达到保冷、减缓液氮气化的目的；侧面支撑(34)布置在外壳(30)与液氮腔体管(33)之间，提高稳定性；液氮注入管(37)分别与底部支撑座(36)与三通道接手(40)插接，并设有密封圈(28)，底部支撑座(36)开有三个液氮通道，液氮腔(32)中液氮流经底...
【技术特征摘要】
1.一种酒精与液氮混合制冷的天然气水合物绳索取心钻具，其特征在于：由外管总成和内管总成组成；所述外管总成包括弹卡挡头(1)、弹卡室(10)、第一座环(13)、上扩孔器(15)、外管(49)、下扩孔器(57)和钻头(60)；其中弹卡挡头(1)、弹卡室(10)、上扩孔器(15)、外管(49)、下扩孔器(57)和钻头(60)顺次通过螺纹进行连接，第一座环(13)通过螺纹连接在弹卡室(10)下端；所述内管总成包括捞矛机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、缓冲机构、冷源存储机构和孔底冷冻机构；捞矛机构由捞矛头(2)、第一弹簧销(3)与回收管(4)组成，取心时投入打捞器于钻杆内，下放至内管总成上端，打捞钩与捞矛头(2)连接，上提打捞器可使回收管(4)上移，回收管(4)压缩弹卡(8)使其收拢，内管总成脱离于外管总成，最终把内管总成提离孔内；弹卡定位机构由弹卡(8)、弹卡销(9)、弹卡挡头(1)、弹卡架(5)、扭簧(7)、第二弹簧销(6)和回收管(4)组成；弹卡(8)通过弹卡销(9)与弹卡架(5)固定连接，弹卡架(5)与回收管(4)通过第二弹簧销(6)形成可动连接；扭簧(7)给弹卡(8)提供张力，弹卡(8)两翼贴附在弹卡室(10)内壁上，使其被弹卡挡头(1)卡住，防止钻进过程中内管向上窜动；悬挂机构由内接手(11)、弹卡架(5)、悬挂环(12)与第一座环(13)组成；内接手(11)与弹卡架(5)螺纹连接，悬挂环(12)与内接手(11)螺纹连接，第一座环(13)与弹卡室(10)螺纹连接，悬挂环(12)外径稍大于第一座环(13)内径，内接手(11)上下分别开有四个均匀分布的斜孔；当内管总成下降到外管总成的弹卡室(10)位置时，悬挂环(12)坐落在第一座环(13)上，使卡簧座(59)与钻头(60)内台阶保持2～4毫米间隙，以保证内管单动性，且此时泥浆从内接手(11)上部斜孔流入，从下部斜孔流出，保证泥浆循环通道不堵塞；单动机构由上轴承座(14)、下轴承座(18)、油嘴(17)、第一推力轴承(16)与第二推力轴承(19)组成；上轴承座(14)与内接手(11)通过螺纹进行连接，第一推力轴承(16)上下面分别与上轴承座(14)与下轴承座(18)接触，同时第一推力轴承(16)承受岩心充满岩心管(51)后产生的上顶力，并将力传递给上轴承座(14)；第二推力轴承(19)上部与下轴承座(18)接触，防止下轴承座(18)下移；油嘴(17)与下轴承座(18)螺纹连接，通过加入润换油对轴承进行润滑；第一推力轴承(16)和第二推力轴承(19)使内管在钻进时不随外管转动，保证了内管总成的单动性；缓冲机构由上轴承座(14)、弹簧(20)、挡环(21)、螺母(23)与垫片(22)组成；弹簧(20)上下面分别与第二推力轴承(19)与挡环(21)接触，弹簧(20)为第二推力轴承(19)提供支撑力以支撑下轴承座(18)；垫片(22)上下面分别与挡环(21)和螺母(23)接触，挡环(21)同时与上轴承座(14)接触，螺母(23)与上轴承座(14)螺纹连接并为弹簧(20)提供上顶力；下放内管总成时，内管总成下部机构会因惯性向下运动，弹簧(20)可起到缓冲作用；拉断岩心时，压缩弹簧(20)，卡簧座(59)下移至钻头(60)内台阶上，从而将拉断岩心的力传递至外管，起到保护内管的作用；冷源存储机构由排气接手(24)、储冷腔体管(35)、排气阀弹簧(25)、排气阀体(27)、排气阀球(26)、密封圈(28)、颈管(29)、外壳(30)、液氮腔体管(33)、侧面支撑(34)、液氮注入管(37)与底部支撑座(36)组成；排气接手(24)与下轴承座(18)通过螺纹连接，储冷腔体管(35)与排气接手(24)通过螺纹连接，排气阀体(27)与排气接手(24)通过螺纹连接，排气阀弹簧(25)上部与排气接手(24)接触，并将排气阀球(26)预紧在排气阀体(27)上部，排气阀体(27)、排气阀弹簧(25)与排气阀球(26)组成的排气阀起到辅助排气的作用，液氮腔体管(33)中储有液氮，当液氮腔体管(33)中内部压力大于一定值时氮气流经颈管(29)排出液氮腔(32)；颈管(29)与排气阀体(27)插接，插接处布置有密封...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈晨，靳成才，潘栋彬，朱江，刘书源，王彧佼，钟秀平，张颖，葛樊，沈国军，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林,22
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