专利名称：冰封式保压保温取样器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钻探取样机具，尤其是天然气水合物钻探取样用的保压保温取样钻具。
背景技术：
天然气水合物具有分布广、储量巨大、能量密度高等特点，是人类未来的潜在洁净 新能源，对全球环境和海洋钻井生产安全有重要影响。专家初步估算我国天然气水合物蕴 含的总能量约为境内已知石油、天然气和煤炭能量之和的1倍以上，勘探开发天然气水合 物意义重大。天然气水合物的特殊形态决定了其稳定存在需要高压低温条件，要求钻探取样钻具具有保压保温功能。国内外现有保压钻具采用球阀或板阀等机械结构关闭取样钻具下部 端口，从而实现保压功能，存在的突出问题是，球阀或板阀常常难以正常关闭，从而不能正常发挥保压功能，发挥保压功能的次数占总取样次数的比例不到60%，可靠性差；而且，球 阀或板阀在设计上占用较大的径向尺寸，因而天然气水合物岩心直径较小而容易被破坏， 造成岩心采取率较低，往往不到50 %，不能很好地满足天然气水合物勘探要求和科学研究 需要。

发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种具有良好保压保温功能 的冰封式保压保温取样器。本发明的目的是通过以下技术方案实现的冰封式保压保温取样器，是由钻进/取样切换机构、冷冻液循环系统、泥浆冰阀和 岩心阀原位生成机构、岩心容纳管单动机构和通道I、II、III、IV、V、VI构成；钻进/取样切换机构是由异径接头1通过螺纹与分流阀座2连接，分流阀座2通 过螺纹与折返接头8连接，折返接头8通过螺纹与外管17连接，分流阀阀心6插入分流阀 座2并通过挡圈3和分流阀弹簧7定位；冷冻液循环系统是由外缸14插入折返接头8内并用密封圈密封，外缸14通过螺 纹与外泵体20连接，下缸盖16、缸体13、上缸盖12、射流元件11及垫片10自下而上依次插 入外缸14中并在需要位置用密封圈密封，潜孔锤上接头9通过螺纹连接到外缸14的最上 部，潜孔锤活塞15沿缸体13、下缸盖16、外泵体20内壁滑动形成滑动副，往复泵活塞18与 外泵体20间用密封圈密封，内泵体22、排液阀阀座25、进液阀阀座28自上而下依次插入外 泵体20中并通过外泵体20的凸台进行定位，排液阀阀心24插入到排液阀阀座25中形成 滑动副，进液阀阀心27插入到进液阀阀座28中形成滑动副，冷冻液保温容器32通过螺纹 连接到外泵体20上，吸液管30通过螺纹连接到进液阀阀座28上，上外循环管29、上内循环 管31通过螺纹连接到外泵体20上；泥浆冰阀和岩心阀原位生成机构是由上部冰阀生成机构，岩心容纳管上部的排水杆34插入带有内部环槽的循环管接头33中，并通过螺纹连接，且在循环管接头与排水杆 用密封圈密封；下部“岩心阀”生成机构，下外循环管40、下内循环管41通过螺纹连接到循 环管接头33上，下端盖44通过螺纹连接到下外循环管40上，且其与岩心容纳管下端42连 接处用密封圈密封；岩心容纳管单动机构是由推力轴承37套在排水杆上，并由球阀座39和岩心容纳 管上接头36固定，球阀座与排水杆下端通过螺纹连接，且在岩心容纳管上接头内侧用Yx密 封圈密封。本发明的目的还可以通过以下技术方案实现通道I是由分流阀座2贯通孔道与折返接头8内通道，外管17与相邻循环管够成 的环状间隙组成。通道II 由分流阀座2的贯通孔道及潜孔锤上接头9和垫片10的中心孔道组成。通道III 由内泵体22的径向通孔，外泵体20的贯通孔道，上内循环管31和冷冻 液保温容器32构成的环状间隙，循环管接头33的内环状内腔和贯通孔道，下内循环管41 和岩心容纳管42构成的环状间隙组成。通道IV 由进液阀阀座28的贯通孔道，外泵体20的贯通孔道，上外循环管29和 上内循环管31构成的环状间隙，循环管接头33的贯通孔道，下外循环管40和下内循环管 41构成的环状间隙组成。通道V 由排水杆34的中心孔道和循环管接头33的径向通孔组成。通道VI 由折返接头8的径向通孔组成。有益效果本发明改变现有的保压取样钻具的设计思路，以冻结生成的冰阀和岩心阀代替球阀或板阀等机械阀门关闭取样钻具上下部端口，不需要精密的配合表面，关闭 过程不受孔内固体杂质的影响，可靠性高，解决了现有机械阀门启动困难、配合表面精密度 高、容易被孔内杂物卡塞而不易关闭等问题，提高了保压可靠性和成功率，且径向尺寸可以 较小，有利于获得较大直径的岩心，从而有利于提高水合物岩心采取率。实验结果表明，冰 阀可以可靠实现25MPa的密封，因此采用冰阀结构适用于孔内液柱达2500米的水合物钻 孔，完全可以满足在我国海洋和陆地永冻带水合物钻井取样对密封压力的要求。在地面制 作低温冷冻液并将其存放于钻具中的冷冻液保温容器中，当需要保压取样时，启动潜孔往 复泵驱动冷冻液循环，冷冻液流经循环管接头下部环槽时，对岩心容纳管上部排水杆内的 泥浆有冷却作用，逐渐将其冻结形成泥浆冰阀，冷冻液继续下行在岩心容纳管下端通过换 热窗口冷却岩心根部一小段，将其与泥浆冻结形成岩心阀，从而实现密封保压，免去了干冰 在钻具内的存放和与酒精的混合过程，有利于腾出径向尺寸增大岩心直径；冷冻液的存放 可以充分利用钻具的轴向尺寸，存放量容易做到完全充足，保证制作做够长、温度足够低的 泥浆冰阀和岩心阀需要；冷冻液循环时间可控并且可多次启动和中止循环，可保证泥浆冰 阀和岩心阀从孔底到地面始终可靠存在和有效密封，所有这些特点可以有效保证天然气水 合物保压取样的成功率和岩心采取率。采用液动潜孔锤驱动往复泵，充分利用了泥浆作为 动力介质，避免了采用电气结构带来的复杂性，简单可靠。


附图1为冰封式保压保温取样器结构图
附图2为附图IA-A剖面射流元件断面图。1异径接头，2分流阀座，3挡圈，4弹子球，5丝堵，6分流阀阀心，7分流阀弹簧，8 折返接头，9潜孔锤上接头，10垫片，11射流元件，12上缸盖，13缸体，14外缸，15潜孔锤活 塞，16下缸盖，17外管，18往复泵活塞，19刮尘圈，20外泵体，21堵头，22内泵体，23排液阀 弹簧，24排液阀阀心，25排液阀阀座，26进液阀弹簧，27进液阀阀心，28进液阀阀座，29上 外循环管，30吸液管，31上内循环管，32冷冻液保温容器，33循环管接头，34排水杆35密封 圈，36岩心容纳管上接头，37推力轴承，38球阀，39球阀座，40下外循环管，41下内循环管， 42岩心容纳管，43螺旋内腔，44下端盖，45钻头I-正常钻进时的泥浆通道；II-高压泥浆进入潜孔往复泵的通道；III-低温冷冻 液流向下内循环管41下端的通道；IV-冷冻液从下内循环管41下端流回冷冻液保温容器 的通道；V-岩芯管回水通道；VI-低压泥浆从射流元件排空孔流向钻具与井壁环状间隙的 通道。
具体实施例方式下面结合附图和实施例作进一步详细说明附图Ia的右端接附图Ib的左端构成完整的冰封式保压保温取样器。冰封式保压保温取样器，是由钻进/取样切换机构、冷冻液循环系统、泥浆冰阀和 岩心阀原位生成机构、岩心容纳管单动机构和通道I、II、III、IV、V、VI构成；钻进/取样切换机构是由异径接头1通过螺纹与分流阀座2连接，分流阀座2通 过螺纹与折返接头8连接，折返接头8通过螺纹与外管17连接，分流阀阀心6插入分流阀 座2并通过挡圈3和分流阀弹簧7定位；冷冻液循环系统是由外缸14插入折返接头8内并用密封圈密封，外缸14通过螺 纹与外泵体20连接，下缸盖16、缸体13、上缸盖12、射流元件11及垫片10自下而上依次插 入外缸14中并在需要位置用密封圈密封，潜孔锤上接头9通过螺纹连接到外缸14的最上 部，潜孔锤活塞15沿缸体13、下缸盖16、外泵体20内壁滑动形成滑动副，往复泵活塞18与 外泵体20间用密封圈密封，内泵体22、排液阀阀座25、进液阀阀座28自上而下依次插入外 泵体20中并通过外泵体20的凸台进行定位，排液阀阀心24插入到排液阀阀座25中形成 滑动副，进液阀阀心27插入到进液阀阀座28中形成滑动副，冷冻液保温容器32通过螺纹 连接到外泵体20上，吸液管30通过螺纹连接到进液阀阀座28上，上外循环管29、上内循环 管31通过螺纹连接到外泵体20上；泥浆冰阀和岩心阀原位生成机构是由上部冰阀生成机构，岩心容纳管上部的排水杆34插入带有内部环槽的循环管接头33中，并通过螺纹连接，且在循环管接头与排水杆 用密封圈密封；下部泥浆冰阀和岩心阀生成机构，下外循环管40、下内循环管41通过螺纹 连接到循环管接头33上，下端盖44通过螺纹连接到下外循环管40上，且其与岩心容纳管 下端42连接处用密封圈密封；岩心容纳管单动机构是由推力轴承37套在排水杆上，并由球阀座39和岩心容纳 管上接头36固定，球阀座与排水杆下端通过螺纹连接，且在岩心容纳管上接头内侧用Yx密 封圈密封。通道I 由分流阀座2贯通孔道及折返接头8内通道，外管17与相邻循环管够成的环状间隙组成。 通道II 由分流阀座2的贯通孔道及潜孔锤上接头9和垫片10的中心孔道组成。 通道III 由内泵体22的径向通孔，外泵体20的贯通孔道，上内循环管31和冷冻 液保温容器32构成的环状间隙，循环管接头33的内环状内腔和贯通孔道，下内循环管41 和岩心容纳管42构成的环状间隙组成。 通道IV 由进液阀阀座28的贯通孔道，外泵体20的贯通孔道，上外循环管29和 上内循环管31构成的环状间隙，循环管接头33的贯通孔道，下外循环管40和下内循环管 41构成的环状间隙组成。 通道V 由排水杆34的中心孔道和循环管接头33的径向通孔组成。 通道VI 由折返接头8的径向通孔组成。 正常钻进时分流阀阀心6的中心孔道打开，在分流阀弹簧7作用下分流阀阀心6 位于上位，低温泥浆通过通道I进入孔底，冷却钻头，携带岩粉上返。岩心容纳管在单动机 构的作用下保持相对不动，保护进入岩心容纳管的天然气水合物岩样，岩心容纳管内进入 的泥浆通过通道V排出。 保压取心时停钻，投入弹子球4，使分流阀阀心6中心孔道关闭，开泵，在冲洗液 压力作用下压缩分流阀弹簧7，使分流阀阀心6位于下位，通道I关闭而通道II打开，流入 通道II内的冲洗液进入射流元件11，进行附壁和切换，从而驱动潜孔锤活塞15带动往复 泵活塞18往复运动，往复泵活塞18的往复运动带动进液阀和排液阀的交替开闭，从而驱动 冷冻液保温容器32内的冷冻液进入循环通道III和IV，冷冻液进入循环管接头内的环形 内腔，可使排水杆内的液体形成冰阀，实现岩心容纳管上端密封，而随着冷冻液在通道III 中的继续下行，在下内循环管41的底部和岩心容纳管下部内腔处，将一小段岩心与泥浆冻 结生成“岩心阀”封堵岩心容纳管下端，从而保证岩心容纳管内的高压环境。进入射流元件 的冲洗液在驱动活塞完成往复运动后通过通道VI进入外管17和孔壁的环状间隙上返至地 表，不会对岩心容纳管42处造成影响。最后提钻取样，将钻头45和外管17、下端盖44和下 外循环管40和下内循环管41依次卸下，然后将排水杆34从循环管接头33拧下即可将岩 心容纳管取出。保压观测分析后，通过加热使岩心阀消融，将岩心倒出。岩心容纳管内亦可 安装众所周知的半合管，卸开岩心容纳管上接头36与岩心容纳管42之间的螺纹，可容易地 将半合管与岩心取出。
权利要求
一种冰封式保压保温取样器，其特征在于，是由钻进/取样切换机构、冷冻液循环系统、泥浆冰阀和岩心阀原位生成机构、岩心容纳管单动机构和通道I、II、III、IV、V、VI构成；——钻进/取样切换机构是由异径接头(1)通过螺纹与分流阀座(2)连接，分流阀座(2)通过螺纹与折返接头(8)连接，折返接头(8)通过螺纹与外管(17)连接，分流阀阀心(6)插入分流阀座(2)并通过挡圈(3)和分流阀弹簧(7)定位；——冷冻液循环系统是由外缸(14)插入折返接头(8)内并用密封圈密封，外缸(14)通过螺纹与外泵体(20)连接，下缸盖(16)、缸体(13)、上缸盖(12)、射流元件(11)及垫片(10)自下而上依次插入外缸(14)中并在需要位置用密封圈密封，潜孔锤上接头(9)通过螺纹连接到外缸(14)的最上部，潜孔锤活塞(15)沿缸体(13)、下缸盖(16)、外泵体(20)内壁滑动形成滑动副，往复泵活塞(18)与外泵体(20)间用密封圈密封，内泵体(22)、排液阀阀座(25)、进液阀阀座(28)自上而下依次插入外泵体(20)中并通过外泵体(20)的凸台进行定位，排液阀阀心(24)插入到排液阀阀座(25)中形成滑动副，进液阀阀心(27)插入到进液阀阀座(28)中形成滑动副，冷冻液保温容器(32)通过螺纹连接到外泵体(20)上，吸液管(30)通过螺纹连接到进液阀阀座(28)上，上外循环管(29)、上内循环管(31)通过螺纹连接到外泵体(20)上；——泥浆冰阀和岩心阀原位生成机构是由上部冰阀生成机构，岩心容纳管上部的排水杆(34)插入带有内部环槽的循环管接头(33)中，并通过螺纹连接，且在循环管接头与排水杆用密封圈密封；下外循环管(40)、下内循环管(41)通过螺纹连接到循环管接头(33)上，下端盖(44)通过螺纹连接到下外循环管(40)上，且其与岩心容纳管下端(42)连接处用密封圈密封；——岩心容纳管单动机构是由推力轴承(37)套在排水杆上，并由球阀座(39)和岩心容纳管上接头(36)固定，球阀座与排水杆下端通过螺纹连接，且在岩心容纳管上接头内侧用Yx密封圈密封。
2.按照权利要求1所述的冰封式保压保温取样器，其特征在于，通道I是由分流阀座 (2)贯通孔道与折返接头(8)内通道，外管(17)与相邻循环管够成的环状间隙组成。
3.按照权利要求1所述的冰封式保压保温取样器，其特征在于，通道II由分流阀座 (20的贯通孔道及潜孔锤上接头(9)和垫片(10)的中心孔道组成。
4.按照权利要求1所述的冰封式保压保温取样器，其特征在于，通道III由内泵体 (22)的径向通孔，外泵体(20)的贯通孔道，上内循环管(31)和冷冻液保温容器(32)构成 的环状间隙，循环管接头(33)的内环状内腔和贯通孔道，下内循环管(41)和岩心容纳管 (42)构成的环状间隙组成。
5.按照权利要求1所述的冰封式保压保温取样器，其特征在于，通道IV由进液阀阀座 (28)的贯通孔道，外泵体(20)的贯通孔道，上外循环管(29)和上内循环管(31)构成的环 状间隙，循环管接头(33)的贯通孔道，下外循环管(40)和下内循环管(41)构成的环状间 隙组成。
6.按照权利要求1所述的冰封式保压保温取样器，其特征在于，通道V:由排水杆(34) 的中心孔道和循环管接头(33)的径向通孔组成。
7.按照权利要求1所述的冰封式保压保温取样器，其特征在于，通道VI由折返接头(8) 的径向通孔组成。
全文摘要
本发明涉及一种冰封式保压保温取样器。是由钻进/取样切换机构、冷冻液循环系统、泥浆冰阀和岩心阀原位生成机构、岩心容纳管单动机构和通道I、II、III、IV、V、VI构成；以冻结生成的冰阀和岩心阀代替球阀或板阀等机械阀门关闭取样钻具上下部端口，关闭过程不受孔内固体杂质的影响，可靠性高，解决了现有机械阀门启动困难，易被孔内杂物卡塞而不易关闭等问题，提高了保压可靠性和成功率，且径向尺寸可以较小，有利于获得较大直径的岩心，有利于提高水合物岩心采取率。经实验，冰阀可以实现25MPa的密封，适用于孔内液柱达2500米的水合物钻孔，液动潜孔锤驱动往复泵，利用了泥浆作动力介质，避免了采用电气结构带来的复杂性，简单可靠。
文档编号G01N1/08GK101798924SQ20101013189
公开日2010年8月11日 申请日期2010年3月25日 优先权日2010年3月25日
发明者关晓琳, 博坤, 彭枧明, 曹品鲁, 柳鹤, 殷其雷, 王如生, 王维, 郭威, 黄勇 申请人:吉林大学