CN106194089B - 冷源外置式天然气水合物孔底冷冻绳索取样器 - Google Patents

Abstract

本发明公开供一冷源外置式天然气水合物孔底冷冻绳索取样器及取样方法，是由打捞器、内管总成和外管总成三大部分组成，其中打捞器包括：打捞机构、冷源存储机构、连接定位与锁定机构、连接阀机构；内管总成包括连接阀机构、弹卡提升机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、调节机构、岩心机构。本发明的运载冷源的打捞器可在井下与内管总成密封连接，用连接定位与锁定机构和连接阀机构控制低温冷源由冷源存储腔向岩心冷冻腔的注入，并利用低温冷源与岩心之间的热传导完成冷冻岩心的过程。打捞器与内管总成密封连接是受到控制的，连接准确、稳定。本发明不是依靠打捞器撞击时的惯性力实现储冷腔与井下钻具的密封连接。

Description

冷源外置式天然气水合物孔底冷冻绳索取样器

技术领域

本发明涉及一种冷源外置式孔底冷冻绳索取心钻具及取心方法，尤其适用于深海和陆地永冻土层的天然气水合物钻探取心。

背景技术

天然气水合物是碳氢分子和水分子在一定温度和压力(0℃以下、10MPa以上)下形成的具有笼状结构的结晶化合物，因为遇火可以燃烧，故又称“可燃冰”。它具有能量密度高、清洁、分布广泛、储量大的优点，被认为是最有希望接替传统能源的新能源，国内外都在积极的研究如何开发利用天然气水合物。为了解决天然气水合物岩心在取样过程中易分解的问题，自上世纪七十年代起，国内外研究人员设计了多种天然气水合物取样器。按照技术原理分类，可分为保压取样器和冷冻取样器。

保压取样器的基本原理是在孔底高压条件下将水合物岩心封存在密闭的取样器中，提升取样器过程中，岩心所处环境压力始终大于水合物分解压力，避免了水合物分解，实现保真取样。在此基础上，部分保压取样器还增设了压力补偿机构来弥补轻微泄漏带来的压力损失，增设保温机构以减小岩心温度的波动。以此为理论基础，研究人员设计了球阀保压机构和翻板阀保压机构，均可在孔底对岩心实施密封，但井下复杂的泥沙、岩屑环境对两种保压机构都十分不利。

冷冻取样器的基本原理是零度以下的低温可以加强水合物的自保护效应：水合物在分解时会在水合物表面形成一层冰膜，阻碍反应产物的扩散、减缓水合物分解速率，而环境温度在零下时，该冰膜可长期存在；研究表明，在实验室条件下，控制环境温度在零度以下时，大块的天然气水合物可在常压下存储两年而不发生明显分解。以此为基础，冷冻取样技术通过在孔底将水合物岩心冷冻，使岩心温度在提取岩心的过程中保持在零度以下，减小水合物的分解量，实现保真取样。

现有的天然气水合物孔底冷冻绳索取样器按储冷方式可划分为两种：冷源内置式和冷源外置式。冷源内置式在取心前，利用预先存放孔底钻具中的冷源对岩心进行冷冻，但由于冷源在井下存储的过程中，冷冻能量会不断的向环境散失，若取样器滞留孔底时间过长，冷量过多的散失在环境中，剩余的冷冻能量将无法满足冷冻岩心的要求；冷源外置式将冷源存放在打捞器的储冷中，在取心时由地表投入孔内，避免了井下储冷时间过长的问题，但现有冷源外置式取样器依靠撞击时的惯性力实现储冷腔与井下钻具的密封连接，连接过程存在不确定性。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种冷源外置式天然气水合物孔底冷冻绳索取样器，其运载冷源的打捞器可在井下与内管总成密封连接，完成冷源由储冷腔向岩心冷冻腔的注入过程和并利用低温冷源与岩心之间的热传导完成冷冻岩心的过程。打捞器与内管总成密封连接是受到控制的，连接准确、稳定。不是依靠打捞器撞击时的惯性力实现储冷腔与井下钻具的密封连接。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明用打捞器运载低温冷源，用连接定位与锁定机构和连接阀机构控制低温冷源由冷源存储腔向岩心冷冻腔的注入过程，利用低温冷源与岩心间的热传导实现冷冻岩心的功能。

本发明是由打捞器、内管总成和外管总成三大部分组成，其中打捞器包括：打捞机构、冷源存储机构、连接定位与锁定机构、连接阀机构(上连接阀)；内管总成包括：连接阀机构(下连接阀)、弹卡提升机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、调节机构、岩心机构。

打捞机构由连绳器、第一轴承座、第一轴承、轴套、止动垫圈、圆螺母、接手、第一脱卡管、打捞钩连接管、打捞钩组成，连绳器穿过第一轴承座与圆螺母通过螺纹连接且中间依次有第一轴承、轴套、止动垫圈，第一轴承座、接手、第一脱卡管、打捞钩连接管、打捞钩依次通过螺纹连接；打捞器下入孔内后与打捞弹卡连接，通过打捞器与弹卡提升机构的连接实现提升内管总成的功能。

冷源存储机构由储冷腔管、储冷腔弹卡座、进液口塞、接头外套、上阀座、上阀芯组成。接头外套与储冷腔弹卡座通过螺纹连接并将***储冷腔弹卡座的进液口塞固定，储冷腔管与储冷腔弹卡座通过螺纹连接，上阀座与储冷腔管通过螺纹连接，上阀芯与上阀座为滑动连接。以储冷腔管、储冷腔弹卡座、上阀座为主，围成的腔体为存储冷源的场所，腔壁上粘有保温层，打开进液口塞即可填装冷源，打开上阀芯即可流出冷源，预先在储冷腔中充入高压氮气可加速冷源流出的过程。

连接定位与锁定机构由第一定位弹卡、第一扭簧、第一扭簧销、第一脱卡管、锁定弹卡、储冷腔弹卡座、拉簧、拉簧连接环组成。拉簧上端焊接在拉簧连接环上，下端焊接在储冷腔弹卡座上，可悬吊冷源存储机构和连接机构上半部分；第一扭簧通过第一扭簧销安装在第一定位弹卡侧面的槽中，第一定位弹卡有两个，均通过第一弹卡销对称安装在储冷腔弹卡座上，可绕第一弹卡销转动；打捞器投入孔底后，定位弹卡在第一扭簧的推动下穿过第一脱卡管管壁上的方形孔与弹卡挡头接触连接，该连接可阻止冷源存储机构和连接阀机构的上半部分向上移动、为连接机构的连接过程提供支反力，该连接在锁定弹卡发挥作用后被第一脱卡管解除。第一扭簧通过第一扭簧销安装在锁定弹卡侧面的槽中，锁定弹卡有两个，均通过第一弹卡销对称安装在储冷腔弹卡座上，可绕第一弹卡销转动；连接机构的连接过程结束后，锁定弹卡在第一扭簧的推动下与第一脱卡管下部的环槽接触连接，该连接可阻碍连接阀机构的上半部分和下半部分相对分离、锁定连接阀机构的连接状态。

连接阀机构由上阀座、上阀芯、上定位销、上锁环、下阀座、下阀芯、解锁管、下定位销、下锁环、注液管、冷冻腔上接手组成。上阀座环向设有定位销孔、并设有呼吸孔，上阀芯为桶状结构、靠近底部沿径向设有通孔、桶身外表面有限位环槽，上阀芯与上阀座滑动连接，上定位销与上阀座滑动连接、与上阀芯接触连接并可锁定上阀芯的位置，上锁环与上阀座滑动连接并可锁定上定位销的位置；下阀座、下阀芯、下定位销、下锁环的连接方式与上阀座、上阀芯、上定位销、上锁环的连接方式相同，解锁管与下阀座通过螺纹连接，注液管与下阀座通过螺纹连接。提升内管总成时，连接阀机构上半部分被固定，下半部分随内管总成向上移动，连接过程为：首先，下阀芯将与上阀座滑动连接，与此同时上阀座推开下锁环并解锁下阀芯；然后下阀芯与下阀座相对滑动，下侧封闭的通道被打开，与此同时，解锁管推开上锁环并解锁上阀芯；最后，上阀芯与上阀座相对滑动，上侧封闭的通道被打开；至此，储冷机构中的低温冷源可流经连接机构最终流入岩心冷冻腔。

弹卡提升机构由打捞弹卡座、打捞弹卡、第二弹卡销、第二扭簧、第二扭簧销、第二脱卡管、定位环组成。第二扭簧通过第二扭簧销安装在打捞弹卡侧面的槽中，打捞弹卡有四个，均通过第二弹卡销安装在打捞弹卡座上，打捞弹卡在第二扭簧的推动下保持张开状态，第二脱卡管与打捞弹卡座通过螺纹连接，定位环通过螺纹与定位弹卡座连接。打捞器下入孔内后，打捞钩与定位弹卡接触连接，提升过程中，定位环与第二脱卡管发生接触连接，可实现提升内管总成。

弹卡定位机构由定位弹卡座、第二定位弹卡、第三弹卡销、第三扭簧、第三扭簧销、第二脱卡管组成。第三扭簧通过第三扭簧销安装在第二定位弹卡侧面的槽中，第二定位弹卡有四个，均通过第三弹卡销安装在定位弹卡座上，并在第三扭簧的推动下保持张开状态，第二脱卡管与第二弹卡座滑动连接；第二定位弹卡穿过第二弹卡回收管管壁上的方形孔与第二外管接触连接，避免了内管总成在钻进过程中因上顶力而发生“飞管”事故。

悬挂机构由悬挂环、内接手、座环组成。内接手与定位弹卡座通过螺纹连接，内接手与悬挂环通过螺纹连接，内接手环向分布有多组斜孔，每组斜孔对称于悬挂环，悬挂环与座环接触后，泥浆可从内接手上部的斜孔流入、下部的斜孔流出，保证泥浆能够向下流动。悬挂环与座环接触式连接，该连接可使内管总成克服重力悬挂在外管总成内，使卡簧座与钻头之间留有间隙，既可防止损坏钻头，又可形成泥浆流动的通道。

单动机构由第二轴承座、第二轴承、第三轴承座、第三轴承、油嘴组成。第二轴承座与内接手通过螺纹连接，第二轴承上部与第二轴承座接触，并随之转动，第二轴承与第三轴承座接触保持静止，第三轴承上部与第三轴承座接触并保持静止，第三轴承下部与第二轴承座接触并保持转动，第三轴承为第三轴承座提供向上的支撑力，油嘴与第三轴承座通过螺纹连接，可通过油嘴向第二、第三轴承座轴承座之间添加润滑油。单动机构机构可保证第三轴承座及其下部的岩心管在钻进过程中不转动，避免岩心被磨损。

调节机构由第三轴承座、弹簧、挡环、止动垫片、圆螺母组成。弹簧、挡环、第二止动垫圈、第二圆螺母依次套装在第二轴承座上，第二圆螺母与第二轴承座通过螺纹连接，第二圆螺母通过弹簧对第三轴承及第三轴承座提供支撑力。卡取岩心时，卡簧和卡簧座向钻头方向相对移动，弹簧被压缩，直到卡簧座靠在钻头上，避免了内管承受拔断岩心的力。

岩心冷冻机构由冷冻腔上接手、冷冻腔管、岩心管、卡簧、卡簧座、扶正环、止逆阀、止逆阀芯、钢球、排液管组成。冷冻腔上接手与第三轴承座通过螺纹连接，冷冻腔上接手与注液管通过螺纹连接，冷冻腔体管与冷冻腔上接手通过螺纹连接，冷冻腔体管内壁粘有第二保温层，卡簧座与冷冻腔体管通过螺纹连接，岩心管与卡簧座通过螺纹连接，止逆阀座与岩心管通过螺纹连接，止逆阀与止逆阀座通过螺纹连接，钢球与止逆阀接触连接，扶正环与止逆阀座滑动连接并保证岩心管与冷冻腔体管的同心度，排液管与止逆阀座滑动连接，排液管与冷冻腔上接手滑动连接。冷冻腔上接手上有两个斜孔，分别可将注液管与冷冻腔联通、将排液管与内管总成外的环状间隙联通。在岩心进入岩心管的过程中，岩心管中的泥浆可经由止逆阀、排液管、冷冻腔上接手排出。卡断岩心时，卡簧受岩心摩擦力作用而抱死岩心，卡簧座座于钻头上将岩心卡断。岩心卡断之后，将低温冷源注入到冷冻腔，低温冷源和岩心进行热传导，即可完成对岩心的冷冻。

外管总成是由弹卡挡头、第二外管、第三外管和钻头组成，弹卡挡头与第二外管通过螺纹连接，第二外管与第三外管通过螺纹连接，钻头与第三外管通过螺纹连接。

冷源外置式天然气水合物孔底冷冻绳索取样器的取样方法，包括以下步骤：

a、将内管总成组装完毕，将内管总成投入到孔内，内管总成到达孔底后开钻；

b、回次结束，岩心充满岩心管，停泵；

c、在地表配置低温冷源，装入打捞器的冷源存储机构中，并在储冷机构中充入高压氮气，组装好打捞器；

d、将打捞器投入孔内，通过将内管总成上提半米启动连接定位与锁定机构，使连接阀机构在井下连接并锁定连接状态，冷源存储机构中的高压氮气推动低温冷源流入冷冻腔，低温冷源对岩心进行冷冻；

e、冷冻10-20分钟后将内管总成从孔内提出；

f、将岩心样品用液氮存储罐或者高压容器保存。

本发明的有益效果：

1、本发明的运载冷源的打捞器可在井下与内管总成密封连接，用连接定位与锁定机构和连接阀机构控制低温冷源由冷源存储腔向岩心冷冻腔的注入，并利用低温冷源与岩心之间的热传导完成冷冻岩心的过程。打捞器与内管总成密封连接是受到控制的，连接准确、稳定。本发明不是依靠打捞器撞击时的惯性力实现储冷腔与井下钻具的密封连接。

2、钻进过程中，单动机构保证岩心管不随外管总成回转，避免水合物岩心被磨损破坏。

附图说明：

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的上段部分示意图。

图3是本发明的中段部分示意图。

图4是本发明的下段部分示意图。

其中，1.连绳器，2.第一轴承座，3.第一轴承，4.轴套，5.第一止动垫圈，6.第一圆螺母，7.接手，8.拉簧连接环，9.拉簧，10.进液口塞，11.接头外套，12.储冷腔弹卡座，13.锁定弹卡，14.第一扭簧，15.第一扭簧销，16.第一弹卡销，17.第一定位弹卡，18.第一保温层，19.储冷腔管，20.第一脱卡管，21.打捞钩连接管，22.弹卡挡头，23.上阀芯，24.上阀座，25.上锁环，26.上定位销，27密封圈，28.第二外管，29.打捞钩，30.解锁管，31.下阀芯，32.下锁环，33.下定位销，34.下阀座，35.密封圈，36.注液管，37.保温层，38.打捞弹卡座，39.打捞弹卡，40.第二弹卡销，41.第二扭簧销，42.第二扭簧，43.定位环，44.定位弹卡座，45.第二脱卡管，46.第二定位弹卡，47.第三弹卡销，48.第三扭簧，49.第三扭簧销，50.内接手，51.悬挂环，52.座环，53.第三外管，54.第二轴承座，55.第二轴承，56.第三轴承座，57.油嘴，58.第三轴承，59.弹簧，60.挡环，61.第二止动垫圈，62.第二圆螺母，63.冷冻腔上接手，64.冷冻腔管，65.第二保温层，66.密封圈，67.排液管，68.扶正环，69.止逆阀座，70.钢球，71.止逆阀，72.上密封环，73.密封圈，74.岩心管，75.下密封环，76.密封圈，77.卡簧座，78.卡簧，79.钻头

具体实施方式：

如附图1、图2、图3和图4所示，本实施例由打捞器、内管总成和外管总成三大部分组成，其中打捞器包括打捞机构、冷源存储机构、连接定位与锁定机构、连接阀机构；内管总成包括弹卡提升机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、调节机构和岩心机构。

打捞机构由连绳器1、第一轴承座2、第一轴承3、轴套4、第一止动垫圈5、第一圆螺母6、接手7、第一脱卡管20、打捞钩连接管21、打捞钩29组成，连绳器1穿过第一轴承座2与第一圆螺母6通过螺纹连接且中间依次有第一轴承3、轴套4、第一止动垫圈5，第一轴承座2、接手7、第一脱卡管20、打捞钩连接管21、打捞钩29依次通过螺纹连接；打捞器下入孔内后与打捞弹卡39连接，通过打捞器与弹卡提升机构的连接实现提升内管总成的功能。

冷源存储机构由储冷腔管19、储冷腔弹卡座12、进液口塞10、接头外套11、上阀座24、上阀芯23组成，接头外套11与储冷腔弹卡座12通过螺纹连接并将***储冷腔弹卡座12的进液口塞10固定，储冷腔管19与储冷腔弹卡座12通过螺纹连接，上阀座24与储冷腔管19通过螺纹连接，上阀芯23与上阀座24为滑动连接，以储冷腔管19、储冷腔弹卡座12、上阀座24为主围成的腔体为存储冷源的场所，腔体的腔壁上粘有第一保温层18，打开进液口塞10即可填装冷源，打开上阀芯23即可流出冷源，预先在储冷腔中充入高压氮气可加速冷源流出的过程。

连接定位与锁定机构由第一定位弹卡17、第一扭簧14、第一扭簧销15、第一脱卡管20、锁定弹卡13、储冷腔弹卡座12、拉簧9、拉簧连接环8组成，拉簧9上端焊接在拉簧连接环8上，下端焊接在储冷腔弹卡座12上，可悬吊冷源存储机构和连接机构上半部分；第一扭簧14通过第一扭簧销15安装在第一定位弹卡17侧面的槽中，第一定位弹卡17有两个，均通过第一弹卡销16对称安装在储冷腔弹卡座12上，能绕第一弹卡销16转动；打捞器投入孔底后，第一定位弹卡17在第一扭簧14的推动下穿过第一脱卡管20管壁上的方形孔与弹卡挡头22接触连接，第一定位弹卡17与弹卡挡头22的接触连接能阻止冷源存储机构和连接阀机构的上半部分向上移动，为连接机构的连接过程提供支反力，第一定位弹卡17与弹卡挡头22的接触连接在锁定弹卡13发挥作用后被第一脱卡管20解除；第一扭簧14通过第一扭簧销15安装在锁定弹卡13侧面的槽中，锁定弹卡13有两个，均通过第一弹卡销16对称安装在储冷腔弹卡座12上，能绕第一弹卡销16转动；连接机构的连接过程结束后，锁定弹卡13在第一扭簧14的推动下与第一脱卡管20下部的环槽接触连接，锁定弹卡13与第一脱卡管20下部的环槽接触连接能阻碍连接阀机构的上半部分和下半部分相对分离和锁定连接阀机构的连接状态。

连接阀机构由上阀座24、上阀芯23、上定位销26、上锁环25、下阀座34、下阀芯31、解锁管30、下定位销33、下锁环32、注液管36、冷冻腔上接手63组成，上阀座24环向设有定位销孔，上阀座24设有呼吸孔，上阀芯23为桶状结构，上阀芯23靠近底部沿径向设有通孔，上阀芯23桶身外表面有限位环槽，上阀芯23与上阀座24滑动连接，上定位销26与上阀座24滑动连接、与上阀芯23接触连接并可锁定上阀芯23的位置，上锁环25与上阀座24滑动连接并可锁定上定位销26的位置；下阀座34、下阀芯31、下定位销33、下锁环32的连接方式与上阀座24、上阀芯23、上定位销26、上锁环25的连接方式相同，解锁管30与下阀座34通过螺纹连接，注液管36与下阀座34通过螺纹连接；提升内管总成时，连接阀机构上半部分被固定，下半部分随内管总成向上移动，连接过程为：首先，下阀芯31将与上阀座24滑动连接，与此同时上阀座24推开下锁环32并解锁下阀芯31；然后下阀芯31与下阀座34相对滑动，下侧封闭的通道被打开，与此同时，解锁管30推开上锁环25并解锁上阀芯23；最后，上阀芯23与上阀座24相对滑动，上侧封闭的通道被打开；至此，储冷机构中的低温冷源可流经连接机构最终流入岩心冷冻腔。

弹卡提升机构由打捞弹卡座38、打捞弹卡39、第二弹卡销40、第二扭簧42、第二扭簧销41、第二脱卡管45、定位环43组成，第二扭簧42通过第二扭簧销41安装在打捞弹卡39侧面的槽中，打捞弹卡39有四个，均通过第二弹卡销40安装在打捞弹卡座38上，打捞弹卡39在第二扭簧42的推动下保持张开状态，第二脱卡管45与打捞弹卡座38通过螺纹连接，定位环43通过螺纹与定位弹卡座44连接；打捞器下入孔内后，打捞钩29与定位弹卡接触连接，提升过程中，定位环43与第二脱卡管45发生接触连接，可实现提升内管总成。

弹卡定位机构由定位弹卡座44、第二定位弹卡46、第三弹卡销47、第三扭簧48、第三扭簧销49、第二脱卡管45组成。第三扭簧48通过第三扭簧销49安装在第二定位弹卡46侧面的槽中，第二定位弹卡46有四个，均通过第三弹卡销47安装在定位弹卡座44上，并在第三扭簧48的推动下保持张开状态，第二脱卡管45与第二弹卡座滑动连接；第二定位弹卡46穿过第二弹卡回收管管壁上的方形孔与第二外管28接触连接，避免了内管总成在钻进过程中因上顶力而发生“飞管”事故。

悬挂机构由悬挂环51、内接手50、座环52组成，内接手50与定位弹卡座44通过螺纹连接，内接手50与悬挂环51通过螺纹连接，内接手50环向分布有多组斜孔，每组斜孔对称于悬挂环51，悬挂环51与座环52接触后，泥浆能从内接手50上部的斜孔流入、下部的斜孔流出，保证泥浆能够向下流动；悬挂环51与座环52接触式连接，悬挂环51与座环52接触式连接能使内管总成克服重力悬挂在外管总成内，使卡簧座77与钻头79之间留有间隙，既能防止损坏钻头79，又能形成泥浆流动的通道。

单动机构由第二轴承座54、第二轴承55、第三轴承座56、第三轴承58、油嘴57组成；第二轴承座54与内接手50通过螺纹连接，第二轴承55上部与第二轴承座54接触，并随之转动，第二轴承55与第三轴承座56接触保持静止，第三轴承58上部与第三轴承座56接触并保持静止，第三轴承58下部与第二轴承座54接触并保持转动，第三轴承58为第三轴承座56提供向上的支撑力，油嘴57与第三轴承座56通过螺纹连接，能通过油嘴57向第二轴承座54与第三轴承座56之间添加润滑油；单动机构机构能保证第三轴承座56及其下部的岩心管74在钻进过程中不转动，避免岩心被磨损。

调节机构由第三轴承座56、弹簧59、挡环60、第二止动垫片61、第二圆螺母62组成，弹簧59、挡环60、第二止动垫圈61、第二圆螺母62依次套装在第二轴承座54上，第二圆螺母62与第二轴承座54通过螺纹连接，第二圆螺母62通过弹簧59对第三轴承58及第三轴承座56提供支撑力；卡取岩心时，卡簧78和卡簧座77向钻头79方向相对移动，弹簧59被压缩，直到卡簧座77靠在钻头79上，避免了内管承受拔断岩心的力。

岩心冷冻机构由冷冻腔上接手63、冷冻腔管64、岩心管74、卡簧78、卡簧座77、扶正环68、止逆阀座69、止逆阀71、钢球70、排液管67组成；冷冻腔上接手63与第三轴承座56通过螺纹连接，冷冻腔上接手63与注液管36通过螺纹连接，冷冻腔管64与冷冻腔上接手63通过螺纹连接，冷冻腔管64内壁粘有第二保温层65，卡簧座77与冷冻腔管64通过螺纹连接，岩心管74与卡簧座77通过螺纹连接，止逆阀座69与岩心管74通过螺纹连接，止逆阀71与止逆阀座69通过螺纹连接，钢球70与止逆阀71接触连接，扶正环68与止逆阀座69滑动连接并保证岩心管74与冷冻腔管64的同心度，排液管67与止逆阀座69滑动连接，排液管67与冷冻腔上接手63滑动连接；冷冻腔上接手63上有两个斜孔，分别可将注液管36与冷冻腔联通、将排液管67与内管总成外的环状间隙联通；在岩心进入岩心管74的过程中，岩心管74中的泥浆能经由止逆阀71、排液管67、冷冻腔上接手63排出。卡断岩心时，卡簧78受岩心摩擦力作用而抱死岩心，卡簧座77座于钻头79上将岩心卡断。岩心卡断之后，将低温冷源注入到冷冻腔，低温冷源和岩心进行热传导，即可完成对岩心的冷冻。

外管总成是由弹卡挡头22、第二外管28、第三外管53和钻头79组成，弹卡挡头22与第二外管28通过螺纹连接，第二外管28与第三外管53通过螺纹连接，钻头79与第三外管53通过螺纹连接。

冷源外置式天然气水合物孔底冷冻绳索取样器的取样方法，包括以下步骤：

a、将内管总成组装完毕，将内管总成投入到孔内，内管总成到达孔底后开钻；

b、回次结束，岩心充满岩心管74，停泵；

c、在地表配置低温冷源，装入打捞器的冷源存储机构中，并在储冷机构中充入高压氮气，组装好打捞器；

d、将打捞器投入孔内，通过将内管总成上提半米启动连接定位与锁定机构，使连接阀机构在井下连接并锁定连接状态，冷源存储机构中的高压氮气推动低温冷源流入冷冻腔，低温冷源对岩心进行冷冻；

e、冷冻10-20分钟后将内管总成从孔内提出；

f、将岩心样品用液氮存储罐或者高压容器保存。

Claims (2)

1.一种冷源外置式天然气水合物孔底冷冻绳索取样器，其特征在于：由打捞器、内管总成和外管总成三大部分组成，其中打捞器包括打捞机构、冷源存储机构、连接定位与锁定机构、连接阀机构；内管总成包括弹卡提升机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、调节机构和岩心机构；

打捞机构由连绳器（1）、第一轴承座（2）、第一轴承（3）、轴套（4）、第一止动垫圈（5）、第一圆螺母（6）、接手（7）、第一脱卡管（20）、打捞钩连接管（21）、打捞钩（29）组成，连绳器（1）穿过第一轴承座（2）与第一圆螺母（6）通过螺纹连接且中间依次有第一轴承（3）、轴套（4）、第一止动垫圈（5），第一轴承座（2）、接手（7）、第一脱卡管（20）、打捞钩连接管（21）、打捞钩（29）依次通过螺纹连接；打捞器下入孔内后与打捞弹卡（39）连接，通过打捞器与弹卡提升机构的连接实现提升内管总成的功能；

冷源存储机构由储冷腔管（19）、储冷腔弹卡座（12）、进液口塞（10）、接头外套（11）、上阀座（24）、上阀芯（23）组成，接头外套（11）与储冷腔弹卡座（12）通过螺纹连接并将***储冷腔弹卡座（12）的进液口塞（10）固定，储冷腔管（19）与储冷腔弹卡座（12）通过螺纹连接，上阀座（24）与储冷腔管（19）通过螺纹连接，上阀芯（23）与上阀座（24）为滑动连接，以储冷腔管（19）、储冷腔弹卡座（12）、上阀座（24）围成的腔体为存储冷源的场所，腔体的腔壁上粘有第一保温层（18），打开进液口塞（10）即可填装冷源，打开上阀芯（23）即可流出冷源，预先在储冷腔中充入高压氮气可加速冷源流出的过程；

连接定位与锁定机构由第一定位弹卡（17）、第一扭簧（14）、第一扭簧销（15）、第一脱卡管（20）、锁定弹卡（13）、储冷腔弹卡座（12）、拉簧（9）、拉簧连接环（8）组成，拉簧（9）上端焊接在拉簧连接环（8）上，下端焊接在储冷腔弹卡座（12）上，可悬吊冷源存储机构和连接机构上半部分；第一扭簧（14）通过第一扭簧销（15）安装在第一定位弹卡（17）侧面的槽中，第一定位弹卡（17）有两个，均通过第一弹卡销（16）对称安装在储冷腔弹卡座（12）上，能绕第一弹卡销（16）转动；打捞器投入孔底后，第一定位弹卡（17）在第一扭簧（14）的推动下穿过第一脱卡管（20）管壁上的方形孔与弹卡挡头（22）接触连接，第一定位弹卡（17）与弹卡挡头（22）的接触连接能阻止冷源存储机构和连接阀机构的上半部分向上移动，为连接机构的连接过程提供支反力，第一定位弹卡（17）与弹卡挡头（22）的接触连接在锁定弹卡（13）发挥作用后被第一脱卡管（20）解除；第一扭簧（14）通过第一扭簧销（15）安装在锁定弹卡（13）侧面的槽中，锁定弹卡（13）有两个，均通过第一弹卡销（16）对称安装在储冷腔弹卡座（12）上，能绕第一弹卡销（16）转动；连接阀机构的连接过程结束后，锁定弹卡（13）在第一扭簧（14）的推动下与第一脱卡管（20）下部的环槽接触连接，锁定弹卡（13）与第一脱卡管（20）下部的环槽接触连接能阻碍连接阀机构的上半部分和下半部分相对分离和锁定连接阀机构的连接状态；

连接阀机构由上阀座（24）、上阀芯（23）、上定位销（26）、上锁环（25）、下阀座（34）、下阀芯（31）、解锁管（30）、下定位销（33）、下锁环（32）、注液管（36）、冷冻腔上接手（63）组成，上阀座（24）环向设有定位销孔，上阀座（24）设有呼吸孔，上阀芯（23）为桶状结构，上阀芯（23）靠近底部沿径向设有通孔，上阀芯（23）桶身外表面有限位环槽，上阀芯（23）与上阀座（24）滑动连接，上定位销（26）与上阀座（24）滑动连接、与上阀芯（23）接触连接并可锁定上阀芯（23）的位置，上锁环（25）与上阀座（24）滑动连接并可锁定上定位销（26）的位置；下阀座（34）、下阀芯（31）、下定位销（33）、下锁环（32）的连接方式与上阀座（24）、上阀芯（23）、上定位销（26）、上锁环（25）的连接方式相同，解锁管（30）与下阀座（34）通过螺纹连接，注液管（36）与下阀座（34）通过螺纹连接；提升内管总成时，连接阀机构上半部分被固定，下半部分随内管总成向上移动，连接过程为：首先，下阀芯（31）将与上阀座（24）滑动连接，与此同时上阀座（24）推开下锁环（32）并解锁下阀芯（31）；然后下阀芯（31）与下阀座（34）相对滑动，下侧封闭的通道被打开，与此同时，解锁管（30）推开上锁环（25）并解锁上阀芯（23）；最后，上阀芯（23）与上阀座（24）相对滑动，上侧封闭的通道被打开；至此，储冷机构中的低温冷源可流经连接机构最终流入岩心冷冻腔；

弹卡提升机构由打捞弹卡座（38）、打捞弹卡（39）、第二弹卡销（40）、第二扭簧（42）、第二扭簧销（41）、第二脱卡管（45）、定位环（43）组成，第二扭簧（42）通过第二扭簧销（41）安装在打捞弹卡（39）侧面的槽中，打捞弹卡（39）有四个，均通过第二弹卡销（40）安装在打捞弹卡座（38）上，打捞弹卡（39）在第二扭簧（42）的推动下保持张开状态，第二脱卡管（45）与打捞弹卡座（38）通过螺纹连接，定位环（43）通过螺纹与定位弹卡座（44）连接；打捞器下入孔内后，打捞钩（29）与定位弹卡接触连接，提升过程中，定位环（43）与第二脱卡管（45）发生接触连接，可实现提升内管总成；至此，冷源存储机构中的低温冷源可流经连接阀机构最终流入岩心冷冻腔；

弹卡定位机构由定位弹卡座（44）、第二定位弹卡（46）、第三弹卡销（47）、第三扭簧（48）、第三扭簧销（49）、第二脱卡管（45）组成；第三扭簧（48）通过第三扭簧销（49）安装在第二定位弹卡（46）侧面的槽中，第二定位弹卡（46）有四个，均通过第三弹卡销（47）安装在定位弹卡座（44）上，并在第三扭簧（48）的推动下保持张开状态，第二脱卡管（45）与第二弹卡座滑动连接；第二定位弹卡（46）穿过第二弹卡回收管管壁上的方形孔与第二外管（28）接触连接，避免了内管总成在钻进过程中因上顶力而发生“飞管”事故；

悬挂机构由悬挂环（51）、内接手（50）、座环（52）组成，内接手（50）与定位弹卡座（44）通过螺纹连接，内接手（50）与悬挂环（51）通过螺纹连接，内接手（50）环向分布有多组斜孔，每组斜孔对称于悬挂环（51），悬挂环（51）与座环（52）接触后，泥浆能从内接手（50）上部的斜孔流入、下部的斜孔流出，保证泥浆能够向下流动；悬挂环（51）与座环（52）接触式连接，悬挂环（51）与座环（52）接触式连接能使内管总成克服重力悬挂在外管总成内，使卡簧座（77）与钻头（79）之间留有间隙，既能防止损坏钻头（79），又能形成泥浆流动的通道；

单动机构由第二轴承座（54）、第二轴承（55）、第三轴承座（56）、第三轴承（58）、油嘴（57）组成；第二轴承座（54）与内接手（50）通过螺纹连接，第二轴承（55）上部与第二轴承座（54）接触，并随之转动，第二轴承（55）与第三轴承座（56）接触保持静止，第三轴承（58）上部与第三轴承座（56）接触并保持静止，第三轴承（58）下部与第二轴承座（54）接触并保持转动，第三轴承（58）为第三轴承座（56）提供向上的支撑力，油嘴（57）与第三轴承座（56）通过螺纹连接，能通过油嘴（57）向第二轴承座（54）与第三轴承座（56）之间添加润滑油；单动机构机构能保证第三轴承座（56）及其下部的岩心管（74）在钻进过程中不转动，避免岩心被磨损；

调节机构由第三轴承座（56）、弹簧（59）、挡环（60）、第二止动垫片（61）、第二圆螺母（62）组成，弹簧（59）、挡环（60）、第二止动垫片（61）、第二圆螺母（62）依次套装在第二轴承座（54）上，第二圆螺母（62）与第二轴承座（54）通过螺纹连接，第二圆螺母（62）通过弹簧（59）对第三轴承（58）及第三轴承座（56）提供支撑力；卡取岩心时，卡簧（78）和卡簧座（77）向钻头（79）方向相对移动，弹簧（59）被压缩，直到卡簧座（77）靠在钻头（79）上，避免了内管承受拔断岩心的力；

岩心冷冻机构由冷冻腔上接手（63）、冷冻腔管（64）、岩心管（74）、卡簧（78）、卡簧座（77）、扶正环（68）、止逆阀座（69）、止逆阀（71）、钢球（70）、排液管（67）组成；冷冻腔上接手（63）与第三轴承座（56）通过螺纹连接，冷冻腔上接手（63）与注液管（36）通过螺纹连接，冷冻腔管（64）与冷冻腔上接手（63）通过螺纹连接，冷冻腔管（64）内壁粘有第二保温层（65），卡簧座（77）与冷冻腔管（64）通过螺纹连接，岩心管（74）与卡簧座（77）通过螺纹连接，止逆阀座（69）与岩心管（74）通过螺纹连接，止逆阀（71）与止逆阀座（69）通过螺纹连接，钢球（70）与止逆阀（71）接触连接，扶正环（68）与止逆阀座（69）滑动连接并保证岩心管（74）与冷冻腔管（64）的同心度，排液管（67）与止逆阀座（69）滑动连接，排液管（67）与冷冻腔上接手（63）滑动连接；冷冻腔上接手（63）上有两个斜孔，分别可将注液管（36）与冷冻腔联通、将排液管（67）与内管总成外的环状间隙联通；在岩心进入岩心管（74）的过程中，岩心管（74）中的泥浆能经由止逆阀（71）、排液管（67）、冷冻腔上接手（63）排出；卡断岩心时，卡簧（78）受岩心摩擦力作用而抱死岩心，卡簧座（77）座于钻头（79）上将岩心卡断；岩心卡断之后，将低温冷源注入到冷冻腔，低温冷源和岩心进行热传导，即可完成对岩心的冷冻；

外管总成是由弹卡挡头（22）、第二外管（28）、第三外管（53）和钻头（79）组成，弹卡挡头（22）与第二外管（28）通过螺纹连接，第二外管（28）与第三外管（53）通过螺纹连接，钻头（79）与第三外管（53）通过螺纹连接。

2.权利要求1所述冷源外置式天然气水合物孔底冷冻绳索取样器的取样方法，包括以下步骤：

a、将内管总成组装完毕，将内管总成投入到孔内，内管总成到达孔底后开钻；

b、回次结束，岩心充满岩心管，停泵；

c、在地表配置低温冷源，装入打捞器的冷源存储机构中，并在储冷机构中充入高压氮气，组装好打捞器；

d、将打捞器投入孔内，通过将内管总成上提半米启动连接定位与锁定机构，使连接阀机构在井下连接并锁定连接状态，冷源存储机构中的高压氮气推动低温冷源流入冷冻腔，低温冷源对岩心进行冷冻；

e、冷冻10-20分钟后将内管总成从孔内提出；

f、将岩心样品用液氮存储罐或者高压容器保存。