CN106988697B - 一种海洋天然气水合物冷冻保真取心钻具 - Google Patents

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Abstract

一种海洋天然气水合物冷冻保真取心钻具。包括外管总成、内管总成和打捞冷冻总成,内管总成安装在外管总成内,打捞冷冻总成的管体向内依次有保温腔、储冷腔和岩心腔,岩心腔内有一个提升杆,提升杆下端安装有打捞钩,打捞冷冻总成进入到外管总成上端时,打捞钩抓住捞矛头并通过提升杆的上移将内管总成提升到岩心室中。本发明在提钻过程中整个内管总成位于岩心室内,冷源降低岩心管中岩心温度,抑制水合物分解,岩心室底部钻井液也因低温凝固,岩心室中可维持一定的压力,岩心中水合物在提升过程中不发生分解,实现高保真取样。

Description

一种海洋天然气水合物冷冻保真取心钻具
技术领域
本发明涉及一种海洋天然气水合物冷冻保真取心钻具,适用于海洋天然气水合物勘探领域,获得高保真海底天然气水合物样品,对于储层性质分析、资源评价有重要意义。
背景技术
天然气水合物是在一定的温压条件下形成的似冰雪状结晶化合物,水分子在氢键作用下形成“笼”,气体分子(客体分子)充填在水分子结晶构架的空穴中。天然气水合物广泛赋存在永久冻土带和海底,因其储量巨大,是一种清洁能源,被认为是二十一世纪潜在的能源。天然气水合物形成和赋存在高压低温的环境下,天然气水合物的钻探取样对于水合物评价和开采具有重要意义,根据天然气水合物稳压特性曲线,如果温度或者压力条件变化超过平衡条件,就会导致天然气水合物分解,因此对钻探取心工作提出了很高的要求。目前国内外的天然气水合物取样器主要由两种:一种是保温保压取样器,一种是孔底冷冻取样器。保温保压取样器采用球阀翻版保压,并用压力补偿装置维持岩心管中的压力,使用保温材料保温,实际应用中取心成功率低;天然气水合物孔底冷冻取样方法通过外部冷源在孔底直接冷冻天然气水合物岩心,将天然气水合物岩心温度降低至平衡温度以下来抑制水合物的分解,从而获得水合物保真样品。
发明内容
本发明根据海洋天然气水合物孔底冷冻技术取样原理,提出一种海洋天然气水合物冷冻保真取心钻具,采用主动降温的方式,抑制岩心中的水合物在提升过程中发生分解,用于海洋水合物高保真取样。
本发明所述的海洋天然气水合物冷冻保真取心钻具,包括一个外管总成和一个内管总成,其特征在于还包括一个打捞冷冻总成:
所述外管总成的外管上端安装有弹卡挡头,外管总成的外管中部内壁上设有座环,外管总成的外管底部设有一个扶正环,外管总成的外管下端设有钻头;
所述内管总成包括一个中空的岩心管,岩心管下端安装爪簧,岩心管腔中安装有活塞,岩心管内腔上方有排空通道,岩心管上端通过轴承连接一个弹卡架,弹卡架中部安装有弹卡和张簧,上管外套有一个回收管,回收管可在弹卡架上移动,回收管的上端安装有捞矛头,在上管的下端有悬挂环,内管总成置于外管内时,在弹卡和张簧作用弹卡挡头下端的凸台限制内管总成上移;悬挂环卡在座环上限制内管总成下移;
所述打捞冷冻总成包括一个管体,管体内有一个保温腔,保温腔向内有一个储冷腔,储冷腔内侧是岩心腔,岩心腔内有一个提升杆,提升杆的下端安装有打捞钩,打捞冷冻总成进入到外管总成上端时,打捞钩抓住捞矛头并通过提升杆的上移将内管总成提升到岩心腔中。
本发明钻具的工作过程如下:
1、将组装完毕的内管总成下放入外管总成中并至孔底,弹卡在张簧的作用下张开,悬挂环坐落在座环上,限制内管的上下窜动,直对取心钻进;
2、随着钻具不断进尺,岩心推动岩心管中的活塞上移,岩心管中的冲洗液通过排空通道排出,直至岩心充满岩心管;
3、在钻进过程中,组装打捞冷冻总成,将低温冷源注入至储冷腔;
4、完成一个回次的钻进后,采用绞车绳索下放打捞冷冻总成,打捞冷冻总成下端进入外管总成,打捞钩抓住捞矛头,在回收管上部卡槽的作用下,弹卡回收,回收管上移到一段距离后,下部卡槽卡住弹卡销,提升下部钻具一同上升。通过绞车上提提升杆,内管总成随打捞钩上移,爪簧14卡断岩心,内管总成上移至岩心腔中。
4、整套钻具随绞车提升而上行,此时,冷冻腔中冷源通过传热对整个内管总成降温。
5、将钻具提升至钻井平台后,取出岩心,置于液氮中,以备检测分析。
本发明通过爪簧获取岩心,岩心推动岩心管活塞上行,岩心在进尺过程中不受钻井液污染,提钻过程中,整个内管总成位于岩心腔内,冷源通过传热降低岩心管中的岩心温度,抑制水合物分解,岩心腔底部钻井液也因低温凝固,岩心腔中也可维持一定的压力,岩心中水合物在提升过程中不发生分解,实现高保真取样。
附图说明
图1为本发明外管总成和内管总成主视图。
图2为本发明内管总成主视图。
图3为本发明打捞冷冻总成主视图。
图4为回收管主视图。
图5为回收管左视图。
图例:
1、捞矛头,2、弹卡挡头,3、弹簧销,4、回收管,5、张簧,6、弹卡,7、弹卡销,8、轴承,9、座环,10、排空通道,11、岩心管,12、活塞,13、限位环,14、爪簧,15、钻头,16、扩孔器,17、扶正环,18、悬挂环,19、外管,20、冷源注入孔,21、提升杆,22、保温腔,23、储冷腔,24、铜质传热层,25、岩心腔,26、弹簧,27、打捞钩,28、定位轴套,29、定位轴,30、打捞钩弹簧销,31、止移销,32、铆钉,33、泄压阀,34、吊环,35、捞钩架,36、弹卡架,37、弹卡槽,38、卡槽。
具体实施方式
所述外管总成的外管19上端螺纹安装弹卡挡头2,弹卡挡头2下端在外管19内形成一个挡环,外管总成外管19中部内壁上设有座环9,外管总成的外管底部设有一个扶正环17,内管总成进入到外管内时被座环9和扶正环17定位在垂直方向。外管总成的外管19下端设有钻头15,外管总成的外管19下端外壁上安装有扩孔器16;扶正环17和座环9环向布置有流通孔,下放钻具至井底时,冲洗液由环空间隙流通改为经流通孔流通。
内管总成包括一个中空的岩心管11,岩心管11下端安装爪簧14,岩心管11腔中安装有活塞12,岩心管11下方有防止活塞脱落的限位环13,岩心管11上方有排空通道10,岩心管11上端通过轴承8连接一个柱状弹卡架36,弹卡架36套有一个回收管4,回收管4可在弹卡架36上移动,回收管4的上端安装有捞矛头1,在弹卡架36中部安装有弹卡6和张簧5,在弹卡架36的下端有悬挂环18,由弹簧销3、张簧5、弹卡6、弹卡销7组成内管定位机构,内管总成置于外管总成内时,在张簧5作用下弹卡6打开被弹卡挡头2形成的挡环挡住,限制内管总成上移。悬挂环18设置在轴承8的下方,内管总成置于外管总成内时,悬挂环18被座环9挡住,限制内管总成下移;轴承8保证了岩心管不随外管转动,减少对岩心的扰动;
打捞冷冻总成包括一个管体,管体向依次设置环形保温腔22、环形储冷腔23和岩心腔25,环形储冷腔上端有泄压阀33和冷源注入孔20,岩心腔25内有一个提升杆21,提升杆上端安装有用于连接绳索的吊环34,提升杆21的下端螺纹连接捞钩架35,打捞钩27固定在捞钩架35上,打捞钩27呈X形状,中间由打捞钩弹簧销30铰接,形成底爪和上爪,两个上爪通过销钉32连接,销钉32上套有弹簧26;上爪下方有止推销31,岩心腔25下端有与止推销31相对应凹槽,两者构成打捞钩27的定位结构。打捞冷冻总成进入到外管总成上端时,打捞钩27下爪抓住捞矛头1,打捞钩27上部向内收缩,止移销与岩心腔之间失去密封和限位,同时,在回收管4上部弹卡槽37的压迫下,弹卡6回收,回收管4上移到一段距离后,回收管下部卡槽38卡住弹卡销7,提升下部钻具一同上升至岩心腔中,至内管完全进入岩心腔时,整个钻具随吊环34一同提升至井口。
本实施例所采取的冷源混合物是液氮、低温、酒精混合物,低温状态时,干冰融于低温状态的混合物中,随着温度的升高,干冰升华,储冷腔23中压力升高,压力达到泄压阀开启压力时,CO2气体由泄压阀33溢出。
本实施例在保温腔中充填保温材料,用于减少储冷腔通过外侧管壁与外界传热,本发明采用的保温材料是气凝胶毡,并在上下两端做密封处理。

Claims (4)

1.一种海洋天然气水合物冷冻保真取心钻具,包括一个外管总成和一个内管总成,其特征在于还包括一个打捞冷冻总成:
所述外管总成的外管(19)上端安装有弹卡挡头(2),外管总成的外管(19)中部内壁上设有座环(9),外管总成的外管底部设有一个扶正环(17),外管总成的外管下端设有钻头(15);
所述内管总成包括一个中空的岩心管(11),岩心管(11)下端安装爪簧(14),岩心管(11)腔内安装有活塞(12),岩心管(11)内腔上方有排空通道(10),岩心管(11)上端通过轴承(8)连接一个弹卡架(36),在弹卡架(36)中部安装有弹卡(6)和张簧(5),弹卡架(36)外套有一个回收管(4),回收管(4)可在弹卡架(36)上移动,回收管(4)的上端安装有捞矛头(1),弹卡架(36)的下端有悬挂环(18),内管总成置于外管(19)内时,在弹卡(6)和张簧(5)作用弹卡挡头(2)下端的凸台限制内管总成上移;悬挂环(18)卡在座环(9)上限制内管总成下移;
打捞冷冻总成包括一个管体,管体内有一个保温腔(22),保温腔(22)向内有一个储冷腔(23),储冷腔(23)内侧是岩心腔(25),岩心腔(25)内有一个提升杆(21),提升杆(21)的下端安装有打捞钩(27),打捞冷冻总成进入到外管总成上端时,打捞钩(27)抓住捞矛头(1)并通过提升杆(21)的上移将内管总成提升到岩心腔中。
2.根据权利要求1所述的一种海洋天然气水合物冷冻保真取心钻具,其特征在于打捞冷冻总成管体内的保温腔(22)和储冷腔(23)为环形。
3.根据权利要求1或2所述的一种海洋天然气水合物冷冻保真取心钻具,其特征在于在环形储冷腔上端有泄压阀(33)和冷源注入孔(20)。
4.根据权利要求1或2所述的一种海洋天然气水合物冷冻保真取心钻具,其特征在于提升杆(21)的下端螺纹连接捞钩架(35),打捞钩(27)固定在捞钩架(35)上,打捞钩(27)呈X形状,中间由打捞钩弹簧销(30)铰接,形成底爪和上爪,两个上爪通过销钉(32)连接,销钉(32)上套有弹簧(26);上爪下方有止推销(31),岩心腔(25)下端有与止推销(31)相对应凹槽,两者构成打捞钩(27)的定位结构。
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