本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术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。本专利技术是由打捞器、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插入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扭簧a、扭簧销a、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；扭簧a通过扭簧销a安装在第一定位弹卡侧面的槽中，第一定位弹卡有两个，均通过弹卡销a对称安装在储冷腔弹卡座上，可绕弹卡销a转动；打捞器投入孔底后，定位弹卡在扭簧a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。扭簧a通过扭簧销a安装在锁定弹卡侧面的槽中，锁定弹卡有两个，均通过弹卡销a对称安装在储冷腔弹卡座上，可绕弹卡销a转动；连接机构的连接过程结束后，锁定弹卡在扭簧a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、弹卡销b、扭簧b、扭簧销b、第二脱卡管、定位环组成。扭簧b通过扭簧销b安装在打捞弹卡侧面的槽中，打捞弹卡有四个，均通过弹卡销b安装在打捞弹卡座上，打捞弹卡在扭簧b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、弹卡销c、扭簧c、扭簧销c、第二脱卡管组成。扭簧c通过扭簧销c安装在第二定位弹卡侧面的槽中，第二定位弹卡有四个，均通过弹卡销c安装在定位弹卡座上，并在扭簧c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，每组斜孔对称于本文档来自技高网...
【技术保护点】
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)、止动垫圈(a5)、圆螺母(a6)、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)与圆螺母(a6)通过螺纹连接且中间依次有第一轴承(3)、轴套(4)、止动垫圈(a5)，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)通过螺纹连接并将插入储冷腔弹卡座(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，腔体的腔壁上粘有保温层(a18)，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)、扭簧(a14)、扭簧销(a15)、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；扭簧(a14)通过扭簧销(a15)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，均通过弹卡销(a16)对称安装在储冷腔弹卡座(12)上，能绕弹卡销(a16)转动；打捞器投入孔底后，第一定位弹卡(17)在扭簧(a14)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；扭簧(a14)通过扭簧销(a15)安装在锁定弹卡(13)侧面的槽中，锁定弹卡(13)有两个，均通过弹卡销(a16)对称安装在储冷腔弹卡座(12)上，能绕弹卡销(a16)转动；连接机构的连接过程结束后，锁定弹卡(13)在扭簧(a14)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)、弹卡销(b40)、扭簧(b42)、扭簧销(b41)、第二脱卡管(45)、定位环(43)组成，扭簧(b42)...
【技术特征摘要】
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)、止动垫圈(a5)、圆螺母(a6)、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)与圆螺母(a6)通过螺纹连接且中间依次有第一轴承(3)、轴套(4)、止动垫圈(a5)，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)通过螺纹连接并将插入储冷腔弹卡座(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，腔体的腔壁上粘有保温层(a18)，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)、扭簧(a14)、扭簧销(a15)、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；扭簧(a14)通过扭簧销(a15)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，均通过弹卡销(a16)对称安装在储冷腔弹卡座(12)上，能绕弹卡销(a16)转动；打捞器投入孔底后，第一定位弹卡(17)在扭簧(a14)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；扭簧(a14)通过扭簧销(a15)安装在锁定弹卡(13)侧面的槽中，锁定弹卡(13)有两个，均通过弹卡销(a16)对称安装在储冷腔弹卡座(12)上，能绕弹卡销(a16)转动；连接机构的连接过程结束后，锁定弹卡(13)在扭簧(a14)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)、弹卡销(b40)、扭簧(b42)、扭簧销(b41)、第二脱卡管(45)、定位环(43)组成，扭簧(b42)通过扭簧销(b41)安装在打捞弹卡(39)侧面的槽中，打捞弹卡(39)有四个，均通过弹卡销(b40)安装在打捞弹卡座(38)上，打捞弹卡(39)在扭簧(b42)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...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭威，陈光华，贾瑞，王元，张国彪，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22
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