本实用新型专利技术冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具，属于地质岩心钻探技术领域，取心钻具由内管总成和外管总成构成，内管总成包括打捞机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、缓冲机构、冲击机构和孔底冷冻机构，取心方法采用制冷机组循环制冷制冷剂对天然气水合物岩心进行冷冻，可实现快速冷冻，冷冻效好，由于制冷剂的循环使用相比传统的制冷机构，不仅制冷均匀，还可有效地降低成本和因补充制冷剂而造成的辅助作业时间；钻进过程中内管总成不回转，从而避免了因钻具回转产生的机械力对天然气水合物岩心的破坏，并且因内管的超前钻进，有效避免了冲洗液冲蚀天然气水合物岩心，更有效地提高了天然气水合物岩心采取率、完整度和代表性。
【技术实现步骤摘要】
冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具
本技术属于地质岩心钻探
，涉及冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具，尤其适用于海洋及陆地冻土带天然气水合物钻探冷冻取样。
技术介绍
随着经济的高速发展，能源的消耗也日益增长，石油、煤和天然气等常规能源大量消耗，从其剩余储量来看，常规能源已经无法继续长期支撑现代工业。目前全球海底天然气水合物中甲烷的碳总量相当于当前已知煤、石油和天然气等化石燃料总资源量的两倍。因而，天然气水合物成为世界各国在能源战略平衡发展中必须加以考虑的重要后备能源。在未来成为煤、石油、天然气等常规能源的替代能源也被人类所共识。我国首次海域天然气水合物试采在南海神狐海域获得了圆满成功，实现了我国天然气水合物研发的历史性突破，然而，海域天然气水合物的试采成功只是万里长征的第一步，为了实现2030年天然气水合物产业化开发，还有很多问题需要克服，还有很多关键技术需要掌握。天然气水合物勘探和开发研究的关键之一是钻探取样技术,因为钻探取样是了解天然气水合物储藏条件最直接的手段之一,只有获取高保真的天然气水合物样品才能确认勘探的正确性,同时也是计算储量和制定开发方案的重要依据。天然气水合物的形成和赋存条件比较苛刻，因此获取高保真的天然气水合物样品难度较大。目前获取天然气水合物的保真取样器主要有孔底保温保压取样器和孔底冷冻取样器两种。而孔底保温保压取样器对球阀的强度和密封性的要求很高，一旦其密封性有所下降，就不能获取高保真的岩心，且存在钻进过程中岩心被冲洗液污染和冲蚀的问题。孔底冷冻取样器则需要消耗大量的冷冻剂，冷冻剂注入的过程中也会伴有大量的气化，冷冻腔上下两端也易存在温度不均，导致冷冻效果差、冷冻效率低；每次注入冷冻剂都费时费力，不仅会增加人工成本还会影响工程进度。因此，现有技术中亟需一种新的技术方案解决上述问题。
技术实现思路
本技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种工作稳定可靠、动作容易实现、冷冻效果好、取心率高、取心保真度高的冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具。为了达到上述目的，本技术采用如下的技术方案：冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具，其特征在于：该取心钻具由内管总成和外管总成两部分构成，内管总成包括打捞机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、缓冲机构、冲击机构和孔底冷冻机构，所述打捞机构包括捞矛头、第一弹性销及弹卡回收管，捞矛头通过第一弹性销与弹卡回收管铰接；打捞器下入孔内后与捞矛头连接；弹卡回收管在自身重力和打捞器拉力作用下延竖直方向提升和下放；所述弹卡定位机构包括第二弹性销、弹卡挡头、扭簧、弹卡、第三弹性销及弹卡架，弹卡架与弹卡回收管通过第二弹性销铰接，第二弹性销与弹卡架的连接为可动连接，第二弹性销与弹卡回收管之间为固定连接，弹卡数量为两片，两片弹卡均卡在弹卡挡头上，且两片弹卡之间通过第三弹性销形成转动连接，弹卡因扭簧在弹卡架内保持张开，第三弹性销与弹卡架为固定连接；所述悬挂机构包括弹卡架、内接手、第一悬挂环与第一座环，内接手与弹卡架通过螺纹连接，同时内接手通过螺纹与第一悬挂环连接，在内接手上开有均匀分布的八个斜孔，其中四个斜孔位于第一悬挂环上方，另外四个斜孔位于第一悬挂环下方，第一悬挂环与第一座环接触后，内管与外管之间的流通通道被堵死，泥浆通过位于内接手上部的斜孔进入，从位于内接手下部的斜孔流出完成泥浆循环；第一悬挂环与第一座环为接触式连接，这种接触式连接使内管总成悬挂在外管总成内；所述单动机构包括上轴承座、下轴承座、第一轴承、第二轴承和油嘴，上轴承座与内接手通过螺纹连接；第一轴承上部与上轴承座接触，并随上轴承座转动，第一轴承下部与下轴承座接触保持不动；第二轴承上部与下轴承座接触；油嘴与下轴承座通过螺纹接触，润滑油通过油嘴注入到第一轴承与上轴承座之间和第二轴承与下轴承座之间的间隙内；所述缓冲机构包括弹簧、挡环、垫片及圆螺母，圆螺母与上轴承座通过螺纹连接，并通过垫片将挡环固定在上轴承座的下部台阶处，弹簧下部与挡环接触，弹簧上部与第二轴承接触；所述冲击机构包括电动冲击器、电源、连接杆、电极、导线、内螺母挡片、挡片密封圈、第一腔体管、第二腔体管及第二钻头，电极位于电源的内部通孔中，正极位于负极上方，并分别与连接杆内的两根导线接触；连接杆穿过位于电源内部的通孔与电源腔体管螺纹连接，电源通过设置在连接杆内部的导线依次与制冷机组、电动冲击器形成可动连接，电源固定在电源腔体管内；内螺母挡片与电源腔体管螺纹连接，内螺母挡片中部设置有挡片密封圈；第二腔体管与第一腔体管之间螺纹连接；第二钻头与第二腔体管通过螺纹连接；电动冲击器固定在第一腔体管内；当内管总成中的第一腔体管沿连接杆向上运动到与电源腔体管接触时即达到第一腔体管的行程上限，此时导线接通电源与电动冲击器，电动冲击器开始工作，电动冲击器的冲击力通过第二腔体管传递到第二钻头进行冲击钻进；所述孔底冷冻机构包括制冷机组、电源、连接杆、导线、冷冻腔、真空腔、制冷剂输入管、制冷剂输出管、岩心管、卡簧、卡簧座、止逆阀球和止逆阀座，连接杆下部依次穿过第一腔体管、制冷机组、减震垫片、电动冲击器和第二腔体管，并与它们形成可动连接，连接杆与第一腔体管之间设置有密封圈；制冷机组经定位螺栓与第一腔体管形成固定连接，连接杆下端部与第二腔体管内腔顶面接触时即达到第一腔体管的行程下限，第二悬挂环与第二座环之间预留有供冲洗液通过的间隙，此时导线接通制冷机组与电源，冷冻腔和真空腔位于第二腔体管内部，冷冻腔和真空腔同轴布置，且真空腔位于冷冻腔外部，冷冻腔分别通过制冷剂输入管、制冷剂输出管与制冷机组连通形成制冷剂循环系统；拔断天然气水合物岩心时，连接杆下端部与第二腔体管内腔顶面接触时即达到第一腔体管行程下限，第二悬挂环与第二座环接触；第二腔体管与第二悬挂环通过螺纹连接，岩心管与卡簧座通过螺纹连接；止逆阀球通过止逆阀座安装在连接杆下部；卡簧座于卡簧座的锥形孔中；外管总成包括弹卡挡头、第一外管、第一扩孔器、第二扩孔器、第二外管、第二悬挂环和第一钻头，弹卡挡头与第一外管通过螺纹连接，第一外管通过螺纹与第一扩孔器连接，第二扩孔器与第二外管通过螺纹连接，第二外管通过螺纹与第二悬挂环连接，第二扩孔器与第一钻头通过螺纹连接。所述连接杆在第二腔体管的孔内做直线运动；冷冻腔为存储制冷剂的腔体。通过上述设计方案，本技术可以带来如下有益效果：本技术采用制冷机组循环制冷制冷剂对天然气水合物岩心进行冷冻，可实现快速冷冻，冷冻效好，由于制冷剂的循环使用相比传统的制冷机构，不仅制冷均匀，还可有效地降低成本和因补充制冷剂而造成的辅助作业时间；钻进过程中内管总成不回转，从而避免了因钻具回转产生的机械力对天然气水合物岩心的破坏，并且因内管的超前钻进，有效避免了冲洗液冲蚀天然气水合物岩心，更有效地提高了天然气水合物岩心采取率、完整度和代表性。附图说明此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本技术示意性实施例及其说明用于理解本技术，并不构成本技术的不当限定，在附图中：图1是本技术冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具的整体结构示意图。图2是本技术冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具的上段部分示意图。图3本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具，其特征在于：该取心钻具由内管总成和外管总成两部分构成，内管总成包括打捞机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、缓冲机构、冲击机构和孔底冷冻机构，所述打捞机构包括捞矛头(1)、第一弹性销(2)及弹卡回收管(3)，捞矛头(1)通过第一弹性销(2)与弹卡回收管(3)铰接；打捞器下入孔内后与捞矛头(1)连接；弹卡回收管(3)在自身重力和打捞器拉力作用下延竖直方向提升和下放；所述弹卡定位机构包括第二弹性销(4)、弹卡挡头(5)、扭簧(6)、弹卡(7)、第三弹性销(8)及弹卡架(9)，弹卡架(9)与弹卡回收管(3)通过第二弹性销(4)铰接，第二弹性销(4)与弹卡架(9)的连接为可动连接，第二弹性销(4)与弹卡回收管(3)之间为固定连接，弹卡(7)数量为两片，两片弹卡(7)均卡在弹卡挡头(5)上，且两片弹卡(7)之间通过第三弹性销(8)形成转动连接，弹卡(7)因扭簧(6)在弹卡架(9)内保持张开，第三弹性销(8)与弹卡架(9)为固定连接；所述悬挂机构包括弹卡架(9)、内接手(11)、第一悬挂环(12)与第一座环(13)，内接手(11)与弹卡架(9)通过螺纹连接，同时内接手(11)通过螺纹与第一悬挂环(12)连接，在内接手(11)上开有均匀分布的八个斜孔，其中四个斜孔位于第一悬挂环(12)上方，另外四个斜孔位于第一悬挂环(12)下方，第一悬挂环(12)与第一座环(13)接触后，内管与外管之间的流通通道被堵死，泥浆通过位于内接手(11)上部的斜孔进入，从位于内接手(11)下部的斜孔流出完成泥浆循环；第一悬挂环(12)与第一座环(13)为接触式连接，这种接触式连接使内管总成悬挂在外管总成内；所述单动机构包括上轴承座(15)、下轴承座(18)、第一轴承(14)、第二轴承(17)和油嘴(16)，上轴承座(15)与内接手(11)通过螺纹连接；第一轴承(14)上部与上轴承座(15)接触，并随上轴承座(15)转动，第一轴承(14)下部与下轴承座(18)接触保持不动；第二轴承(17)上部与下轴承座(18)接触；油嘴(16)与下轴承座(18)通过螺纹接触，润滑油通过油嘴(16)注入到第一轴承(14)与上轴承座(15)之间和第二轴承(17)与下轴承座(18)之间的间隙内；所述缓冲机构包括弹簧(19)、挡环(20)、垫片(21)及圆螺母(22)，圆螺母(22)与上轴承座(15)通过螺纹连接，并通过垫片(21)将挡环(20)固定在上轴承座(15)的下部台阶处，弹簧(19)下部与挡环(20)接触，弹簧(19)上部与第二轴承(17)接触；所述冲击机构包括电动冲击器(36)、电源(24)、连接杆(25)、电极(26)、导线(30)、内螺母挡片(27)、挡片密封圈(28)、第一腔体管(31)、第二腔体管(37)及第二钻头(49)，电极(26)位于电源(24)的内部通孔中，正极位于负极上方，并分别与连接杆(25)内的两根导线(30)接触；连接杆(25)穿过位于电源(24)内部的通孔与电源腔体管(23)螺纹连接，电源(24)通过设置在连接杆(25)内部的导线(30)依次与制冷机组(32)、电动冲击器(36)形成可动连接，电源(24)固定在电源腔体管(23)内；内螺母挡片(27)与电源腔体管(23)螺纹连接，内螺母挡片(27)中部设置有挡片密封圈(28)；第二腔体管(37)与第一腔体管(31)之间螺纹连接；第二钻头(49)与第二腔体管(37)通过螺纹连接；电动冲击器(36)固定在第一腔体管(31)内；当内管总成中的第一腔体管(31)沿连接杆(25)向上运动到与电源腔体管(23)接触时即达到第一腔体管(31)的行程上限，此时导线(30)接通电源(24)与电动冲击器(36)，电动冲击器(36)开始工作，电动冲击器(36)的冲击力通过第二腔体管(37)传递到第二钻头(49)进行冲击钻进；所述孔底冷冻机构包括制冷机组(32)、电源(24)、连接杆(25)、导线(30)、冷冻腔(40)、真空腔(41)、制冷剂输入管(34)、制冷剂输出管(51)、岩心管(45)、卡簧(47)、卡簧座(48)、止逆阀球(38)和止逆阀座(39)，连接杆(25)下部依次穿过第一腔体管(31)、制冷机组(32)、减震垫片(35)、电动冲击器(36)和第二腔体管(37)，并与它们形成可动连接，连接杆(25)与第一腔体管(31)之间设置有密封圈；制冷机组(32)经定位螺栓(33)与第一腔体管(31)形成固定连接，连接杆(25)下端部与第二腔体管(37)内腔顶面接触时即达到第一腔体管(31)的行程下限，第二悬挂环(43)与第二座环(44)之间预留有供冲洗液通过的间隙，此时导线(30)接通制冷机组(32)与电源(24)，冷冻腔(40)和真空腔(41)位于第二腔体管(37)内...
【技术特征摘要】
1.冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具，其特征在于：该取心钻具由内管总成和外管总成两部分构成，内管总成包括打捞机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、缓冲机构、冲击机构和孔底冷冻机构，所述打捞机构包括捞矛头(1)、第一弹性销(2)及弹卡回收管(3)，捞矛头(1)通过第一弹性销(2)与弹卡回收管(3)铰接；打捞器下入孔内后与捞矛头(1)连接；弹卡回收管(3)在自身重力和打捞器拉力作用下延竖直方向提升和下放；所述弹卡定位机构包括第二弹性销(4)、弹卡挡头(5)、扭簧(6)、弹卡(7)、第三弹性销(8)及弹卡架(9)，弹卡架(9)与弹卡回收管(3)通过第二弹性销(4)铰接，第二弹性销(4)与弹卡架(9)的连接为可动连接，第二弹性销(4)与弹卡回收管(3)之间为固定连接，弹卡(7)数量为两片，两片弹卡(7)均卡在弹卡挡头(5)上，且两片弹卡(7)之间通过第三弹性销(8)形成转动连接，弹卡(7)因扭簧(6)在弹卡架(9)内保持张开，第三弹性销(8)与弹卡架(9)为固定连接；所述悬挂机构包括弹卡架(9)、内接手(11)、第一悬挂环(12)与第一座环(13)，内接手(11)与弹卡架(9)通过螺纹连接，同时内接手(11)通过螺纹与第一悬挂环(12)连接，在内接手(11)上开有均匀分布的八个斜孔，其中四个斜孔位于第一悬挂环(12)上方，另外四个斜孔位于第一悬挂环(12)下方，第一悬挂环(12)与第一座环(13)接触后，内管与外管之间的流通通道被堵死，泥浆通过位于内接手(11)上部的斜孔进入，从位于内接手(11)下部的斜孔流出完成泥浆循环；第一悬挂环(12)与第一座环(13)为接触式连接，这种接触式连接使内管总成悬挂在外管总成内；所述单动机构包括上轴承座(15)、下轴承座(18)、第一轴承(14)、第二轴承(17)和油嘴(16)，上轴承座(15)与内接手(11)通过螺纹连接；第一轴承(14)上部与上轴承座(15)接触，并随上轴承座(15)转动，第一轴承(14)下部与下轴承座(18)接触保持不动；第二轴承(17)上部与下轴承座(18)接触；油嘴(16)与下轴承座(18)通过螺纹接触，润滑油通过油嘴(16)注入到第一轴承(14)与上轴承座(15)之间和第二轴承(17)与下轴承座(18)之间的间隙内；所述缓冲机构包括弹簧(19)、挡环(20)、垫片(21)及圆螺母(22)，圆螺母(22)与上轴承座(15)通过螺纹连接，并通过垫片(21)将挡环(20)固定在上轴承座(15)的下部台阶处，弹簧(19)下部与挡环(20)接触，弹簧(19)上部与第二轴承(17)接触；所述冲击机构包括电动冲击器(36)、电源(24)、连接杆(25)、电极(26)、导线(30)、内螺母挡片(27)、挡片密封圈(28)、第一腔体管(31)、第二腔体管(37)及第二钻头(49)，电极(26)位于电源(24)的内部通孔中，正极位于负极上方，并分别与连接杆(25)内的两根导线(30)接触；连接杆(25)穿过位于电源(24)内部的通孔与电源腔体管(23)螺纹连...
【专利技术属性】
技术研发人员：康家浩，郭威，曲莉莉，王元，张鹏宇，杨翔，
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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