一种可燃冰保温保压取心装置及取心方法

1.本发明涉及一种取心装置和取心方法，尤其涉及一种可燃冰保温保压取心装置和取心方法。


背景技术：

2.天然水合物是水和天然气在高压、低温等条件下形成的一种笼型化合物，因为其外观像冰一样并且可以遇火燃烧，所以又被称为可燃冰。可燃冰燃烧后仅生成少量的二氧化碳和水，污染远小于煤、石油等，且储量巨大，因此被国际公认为石油等的接替能源。固体状的天然气水合物往往分布于水深大于300米以上的海底沉积物或寒冷的永久冻土中，依赖巨厚水层地层的压力来维持其固体状态。压力在一定程度上可以维持可燃冰的赋存状态，一旦脱离地下或洋底，便迅速气化，大量释放甲烷气。运用传统的取心装置进行可燃冰取心，其取心过程中的热量交换和压力泄露，会改变天然气水合物赖以赋存的温压条件，使部分可燃冰气化，导致可燃冰原位温度的散失和原位信息的丢失，不利于后续对可燃冰的深入研究。因此针对以上问题，设计一种可燃冰保温保压取心装置和取心方法以保证取心过程中可燃冰处于稳定合适的压力温度显得尤为重要。


技术实现要素：

3.为了提高可燃冰岩心的完整率和收获率，保证可燃冰岩心的原位状态，难以建立完整的可燃冰原位研究体系，本发明提出一种可燃冰保温保压取心装置和取心方法，通过真空内筒以及压力平衡装置，保证在取心过程中取心仓内的原位温度和压力，进而避免可燃冰原位信息丢失。
4.一种可燃冰保温保压取心装置和取心方法，本发明包含上壳、钻头、下壳、内筒、保温筒、轴承端盖、空腔、支撑板、角接触球轴承、单向阀、内腔、螺杆a、螺杆b、换向阀弹簧座、换向阀弹簧、换向阀阀芯、换向阀阀体、密封圈、弹簧、空心滑块、平衡腔、套筒a、推杆a、推杆b、销钉、单向阀块、圆柱齿轮a、平键a、平键b、锥齿轮a、锥齿轮b、锥齿轮轴、套筒b、深沟球轴承、进液槽a、进液槽b、出液槽a、出液槽b、出液槽c、出液孔、导流槽、密封装置上壳、高叶片、低叶片、圆柱齿轮b、密封装置下壳、凹端紧钉螺钉、圆柱内齿轮、推块、推块弹簧、截断块、截断块弹簧、截断腔、限位槽、滑动腔体、螺栓、进液孔、支撑棱、导流管、圆柱齿轮c、空心柱、换向腔、换向阀、密封装置。上壳、钻头、下壳沿中心轴线串套在内筒上，保温筒安装在内筒内，上壳外端周向设有支撑棱，上壳周向设有4个空腔用于安装螺杆a和螺杆b，支撑板8通过螺栓56连接安装在空腔7上端，支撑板侧边开有进液孔，空腔下端则开有出液孔。圆柱齿轮a27通过平键a28安装在螺杆a12上，齿轮下方轴向安装有套筒a，上下安装有角接触球轴承。螺杆b的安装同螺杆a，螺杆a下端通过平键b与锥齿轮a连接，螺杆a和螺杆b上连接的圆柱齿轮a与圆柱齿轮c相互啮合，形成双螺杆体系并安装在上壳周向的4个空腔内。轴承端盖下端与螺杆a，螺杆b上端安装的角接触球轴承上表面接触，通过对应螺纹孔用螺栓连接在支撑板上，上壳底端，下壳顶端周向设有4个凹槽。锥齿轮b、套筒b、深沟球轴承轴向安装在锥齿轮
轴上，锥齿轮轴对应安装在4个凹槽内，锥齿轮a与锥齿轮b相互啮合从而传递动力。锥齿轮轴与钻头上端相互啮合，密封圈安装于换向阀阀体上，换向阀阀体安装在内筒内左右两侧的换向腔内。弹簧与空心滑块连接，并安装在平衡腔内。推杆a和换向阀阀芯，单向阀块和推杆b分别通过销钉连接。密封装置下壳周向有24个凸起的空心柱，圆柱内齿轮与密封装置下壳内上表面接触，圆柱齿轮b共有24个，轴向安装在对应的24个空心柱上，与圆柱内齿轮啮合。低叶片、高叶片相错轴向安装在24个空心柱上，低叶片、高叶片下端与圆柱齿轮b上端接触并固定。密封装置上壳下表面与密封装置下壳上表面接触连接，密封装置上壳设有限位槽，限位槽与滑动腔体相通，推块弹簧与推块一端连接，两者安装在滑动腔体内，并在周向有一定的滑动空间。钻头内腔下端周向有6个截断腔，截断腔上方开有导流管，截断块弹簧一端与截断块圆形端连接，一端与截断腔底连接。
5.上壳内的出液槽c与钻头上的导流槽相通，导流槽下方设有6个进液管与截断腔相通。换向阀体、换向阀弹簧座、换向阀弹簧、换向阀阀芯共同组成的换向阀，分别安装在内筒左右两个换向腔内，并与进液槽a、出液槽a连通。
6.内腔通过进液槽b与平衡腔体联通，平衡腔体下端通过出液槽b与真空内筒联通，与弹簧、空心滑块，推杆b，单向阀块共同组成压力平衡装置，当岩心进入保温筒后，推动推杆b，单向阀块上升，高压油注入真空内筒内，当取心上升时，保温筒内压力下降，空心滑块在弹簧作用下右移，内腔内高压油重新注入，使压力维持在一定范围内。
7.高叶片，低叶片各12个，共同组成密闭圆形，并于下端接触的圆柱齿轮b固定，圆柱内齿轮的旋转即可带动圆柱齿轮b及叶片转动，实现密封装置的开启闭合。圆柱内齿轮上方有两个突柄，位于密封装置上壳上的限位槽内，当岩心进入取心筒内一定位置，岩心推动推杆a向上运动，换向阀工作，液压油通过出液槽a进入滑动腔体内，推动推块移动，从而使圆柱内齿轮逆时针转动，实现密封装置的闭合。
8.密封装置上壳，高叶片，低叶片，圆柱齿轮b，密封装置下壳，圆柱齿轮c，推块，推块弹簧组成密封装置，将凹端紧钉螺钉穿过空心柱内，将密封装置连接并固定在内筒下端。与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：1、本发明通过双重真空保温筒和压力平衡装置，可以实现可燃冰取心过程中取心仓内温度，压强的保持，有助于保持可燃冰的原位温度。
9.2、本发明采用井下动力设计，能够完成更加复杂的取心任务，同时可以大幅提升钻进效率从而有效降低取心成本。
10.3、本发明使用绳索取心技术，相比于提钻取心，不仅减少了停钻时间，提高了取心效率，而且减少了人工和机械的消耗。
11.4、本发明使用自动截心结构，在所取岩心到达预设长度时能够自动截断岩心，提高了岩心完整性，便于绳索取心操作。
附图说明
12.图1是本发明的整体结构示意图图2是本发明的前视剖面图图3是本发明的双螺杆结构正视图图4是本发明的上壳部分俯视图
图5是本发明的上壳部分结构示意图图6是本发明的钻头剖视图图7是本发明的密封装置上壳剖视图图8是本发明的密封装置打开状态剖视示意图图9是本发明的密封装置闭合状态剖视示意图图中：1.上壳；2.钻头；3.下壳；4.内筒；5.保温筒；6.轴承端盖；7.空腔；8.支撑板；9.角接触球轴承；10.单向阀；11.内腔；12.螺杆a；13.螺杆b；14.换向阀弹簧座；15.换向阀弹簧；16.换向阀阀芯；17.换向阀阀体；18.密封圈；19.弹簧；20.空心滑块；21.平衡腔；22.套筒a；23.推杆a；24.推杆b；25.销钉；26.单向阀块；27.圆柱齿轮a；28.平键a；29.平键b；30.锥齿轮a；31.锥齿轮b；32.锥齿轮轴；33.套筒b；34.深沟球轴承；35.进液槽a；36.进液槽b；37.出液槽a；38.出液槽b；39.出液槽c；40.出液孔；41.导流槽；42.密封装置上壳；43.高叶片；44.低叶片；45.圆柱齿轮b；46.密封装置下壳；47.凹端紧钉螺钉；48.圆柱内齿轮；49.推块；50.推块弹簧；51.截断块；52.截断块弹簧；53.截断腔；54.限位槽；55.滑动腔体；56.螺栓；57.进液孔；58.支撑棱；59.导流管；60.圆柱齿轮c；61.空心柱；62.换向腔；63.换向阀；64.密封装置。
具体实施方式
13.下面结合附图，对本发明做进一步的说明：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图9所示，上壳1、钻头2、下壳3沿中心轴线串套在内筒4上，保温筒5安装在内筒4内，上壳1外端周向设有支撑棱58，上壳1周向设有4个空腔7用于安装螺杆a12和螺杆b13，支撑板8通过螺栓56连接安装在空腔7上端，支撑板8侧边开有进液孔7，空腔7下端则开有出液孔40；圆柱齿轮a27通过平键a28安装在螺杆a12上，齿轮下方轴向安装有套筒a22，上下安装有角接触球轴承9，螺杆b13的安装同螺杆a12；螺杆a12下端通过平键b29与锥齿轮a30连接，螺杆a12和螺杆b13上连接的圆柱齿轮a27与圆柱齿轮c60相互啮合，形成双螺杆体系并安装在上壳1周向的4个空腔7内，空腔7上端支撑板8开有进液孔57，钻进液通过进液孔57流入上壳1空腔7内，通过双螺杆液压马达将液压能转换为动能，空腔7内的钻井液一部分通过出液孔40流到取心器外，一部分流入出液槽c39中，轴承端盖6下端与螺杆a12，螺杆b13上端安装的角接触球轴承9上表面接触，通过对应螺纹孔用螺栓56连接在支撑板8上；上壳1底端，下壳3顶端周向设有4个凹槽，锥齿轮b31，深沟球轴承轴向34安装在锥齿轮轴32上，锥齿轮轴32对应安装在4个凹槽内，锥齿轮a30与锥齿轮b31相互啮合从而传递动力，锥齿轮轴30与钻头2上端相互啮合；密封圈18安装于换向阀阀体17上，换向阀阀体17安装在内筒4内左右两侧的换向腔62内；弹簧19与空心滑块20连接，并安装在平衡腔21内，推杆a23和换向阀阀芯16通过销钉25连接，单向阀块26和推杆b24也通过销钉25连接；密封装置下壳46周向有24个凸起的空心柱61，圆柱内齿轮48与密封装置下壳46内上表面接触，圆柱齿轮b45共有24个，轴向安装在对应的24个空心柱61上，与圆柱内齿轮48啮合，低叶片44、高叶片43相错轴向安装在24个空心柱61上，下表面与圆柱齿轮b45上表面接触并固定，密封装置上壳42，高叶片43，低叶片44，圆柱齿轮b45，密封装置下壳46，圆柱齿轮c60，推块49，推块弹簧50组成密封装置64，将凹端紧钉螺钉47穿过空心柱61内，将密封装置64连接并固定在内筒4下端。
14.结合图2所示，取心作业前根据目标地层可燃冰原位压强，通过单向阀10向内腔11内注入高于原位压强的高压钻井液，并选择合适的弹簧19；保温筒5内岩心未取满时，在弹簧19作用下，空心滑块20位于进液槽b36右端，高压钻井液流入内腔11和平衡腔21内，过程中压缩弹簧19，空心滑块20位于进液槽b36下方，进液槽b36关闭；保温筒5内岩心取满时，岩心推起推杆b24及相连的单向阀块26，出液槽b38打开，平衡腔21内高压钻井液进入保温筒5中，高压钻井液流出过程中，弹簧19作用下空心滑块20右移，进液槽b36打开，内腔11内的高压钻井液通过空心滑块20流入平衡腔21和保温筒5内，流入过程中空心滑块20受力左移，进液槽b36关闭，以此保证取心过程中保温筒5内压强的稳定，从而维持可燃冰的原位状态。
15.结合图5所示，钻头内腔下端周向有6个截断腔53，截断腔53上方开有导流管59，截断块弹簧52一端与截断块51圆形端连接，一端与截断腔53底连接，截断腔53内的截断块弹簧52处于压缩状态，当岩心完全进入保温筒5后，将内筒4整个装置顶起，到达设定高度后，截断块51弹出，且高压钻井液通过导流管59流入截断腔53内，使得截断块51无法压缩回截断腔53内，从而给与岩心周向力，从而截断岩心。
16.结合图6、图7、图8所示，密封装置上盖内设有两个滑动腔体55和限位槽54，滑动腔体55内安装有推块49和推块弹簧50，滑动腔体55与上方的出液槽a37联通，圆柱内齿轮48上有两个凸棱，位于限位槽54内，圆柱内齿轮48转动会带动圆柱齿轮b45转动，进而使低叶片44、高叶片45闭合；当岩心充满保温筒5时，顶起推杆a23和相连的换向阀阀芯16，换向阀63工作，使通过进液槽a35进入换向阀63的钻井液从出液槽a37流出，流入滑动腔体55内，进而在高压钻井液的作用下，推块49推动圆柱内齿轮48的两个凸棱，使圆柱内齿轮48逆时针转动，进而使密封装置64的叶片处于闭合状态，并在提出取心器的过程中持续受到钻井液的压力，保持闭合状态不发生改变。

技术特征：
1.一种可燃冰保温保压取心装置及取心方法，它包含：上壳（1）、钻头（2）、下壳（3）、内筒（4）、保温筒（5）、轴承端盖（6）、空腔（7）、支撑板（8）、角接触球轴承（9）、单向阀（10）、内腔（11）、螺杆a（12）、螺杆b（13）、换向阀弹簧座（14）、换向阀弹簧（15）、换向阀阀芯（16）、换向阀阀体（17）、密封圈（18）、弹簧（19）、空心滑块（20）、平衡腔（21）、套筒a（22）、推杆a（23）、推杆b（24）、销钉（25）、单向阀块（26）、圆柱齿轮a（27）、平键a（28）、平键b（29）、锥齿轮a（30）、锥齿轮b（31）、锥齿轮轴（32）、套筒b（33）、深沟球轴承（34）、进液槽a（35）、进液槽b（36）、出液槽a（37）、出液槽b（38）、出液槽c（39）、出液孔（40）、导流槽（41）、密封装置上壳（42）、高叶片（43）、低叶片（44）、圆柱齿轮b（45）、密封装置下壳（46）、凹端紧钉螺钉（47）、圆柱内齿轮（48）、推块（49）、推块弹簧（50）、截断块（51）、截断块弹簧（52）、截断腔（53）、限位槽（54）、滑动腔体（55）、螺栓（56）、进液孔（57）、支撑棱（58）、导流管（59）、圆柱齿轮c（60）、空心柱（61）、换向腔（62）、换向阀（63）、密封装置（64）；其特征在于：所述的上壳（1）、钻头（2）、下壳（3）沿中心轴线串套在内筒（4）上，保温筒（5）安装在内筒（4）内，上壳（1）外端周向设有支撑棱（58）；所述的上壳（1）周向设有4个空腔（7）用于安装螺杆a（12）和螺杆b（13），支撑板（8）通过螺栓（56）连接安装在空腔（7）上端，支撑板（8）侧边开有进液孔（57），空腔（7）下端则开有出液孔（40）；所述的圆柱齿轮a（27）通过平键a（28）安装在螺杆a（12）上，齿轮下方轴向安装有套筒a（22），上下安装有角接触球轴承（9），螺杆b（13）的安装同螺杆a（12），螺杆a（12）下端通过平键b（29）与锥齿轮a（30）连接；所述的螺杆a（12）和螺杆b（13）上连接的圆柱齿轮a（27）与圆柱齿轮c（60）相互啮合，形成双螺杆体系并安装在上壳（1）周向的4个空腔（7）内，轴承端盖（6）下端与螺杆a（12），螺杆b（13）上端安装的角接触球轴承（6）上表面接触，通过对应螺纹孔用螺栓（56）连接在支撑板（8）上；所述的上壳（1）底端，下壳（3）顶端周向设有4个凹槽，锥齿轮b（31）、套筒b（33）、深沟球轴承（34）轴向安装在锥齿轮轴（32）上，锥齿轮轴（32）对应安装在4个凹槽内，锥齿轮a（30）与锥齿轮b（31）相互啮合，锥齿轮轴（32）与钻头（2）上端相互啮合；所述的密封圈（18）安装于换向阀阀体（17）上，换向阀阀体（17）安装在内筒（4）左右两侧的空腔（7）内；所述的弹簧（19）与空心滑块（20）连接，并安装在平衡腔（21）内；所述的推杆a（23）和换向阀阀芯（16）通过销钉（25）连接，单向阀块（26）和推杆b（24）也通过销钉（25）连接；所述的密封装置下壳（46）周向有24个凸起的空心柱（61），圆柱内齿轮（48）与密封装置下壳（46）内上表面接触，圆柱齿轮b（45）共有24个，轴向安装在对应的24个空心柱（61）上，与圆柱内齿轮（48）啮合；所述的低叶片（44）、高叶片（43）相错轴向安装在24个空心柱（61）上，低叶片（44）、高叶片（43）下端与圆柱齿轮b（45）上端接触并固定；所述的密封装置上壳（42）下表面与密封装置下壳（46）上表面接触连接，密封装置上壳（42）设有限位槽（54），限位槽（54）与滑动腔体（55）相通，推块弹簧（50）与推块（49）一端连接，两者安装在滑动腔体（55）内，并在周向有一定的滑动空间；所述的钻头（2）内腔下端周向有6个截断腔（53），截断腔（53）上方开有导流管（59）截断块弹簧（52）一端与截断块（51）圆形端连接，一端与截断腔（53）底连接。2.根据权利要求1所述的一种可燃冰保温保压取心装置及取心方法，其特征在于：所述的上壳（1）内的出液槽c（39）与钻头（2）上的导流槽（41）相通，导流槽（41）下方设有6个进液管（57）与截断腔（53）相通。3.根据权利要求1所述的一种可燃冰保温保压取心装置及取心方法，其特征在于：所述的换向阀体（17）、换向阀弹簧座（14）、换向阀弹簧（15）、换向阀阀芯（16）共同构成换向阀
（63），分别安装在内筒（4）左右两个换向腔（62）内，并与进液槽a（35）出液槽a（37）连通。4.根据权利要求1所述的一种可燃冰保温保压取心装置及取心方法，其特征在于：所述的内筒（4）侧端安装单向阀（10）与内腔（11）连接，内腔（11）通过进液槽b（36）与平衡腔体（21）连通，平衡腔体（21）下端通过出液槽b（38）与保温筒（5）连通，与弹簧（19）、空心滑块（20）、推杆b（24）、单向阀块（26）共同组成压力平衡装置。5.根据权利要求1所述的一种可燃冰保温保压取心装置及取心方法，其特征在于：所述的高叶片（43）低叶片（44）各12个，共同组成密闭圆形，并于下端接触的圆柱齿轮b（45）固定，圆柱内齿轮（48）上方有两个，位于密封装置上壳（42）上的限位槽（54）内。6.根据权利要求1所述的一种可燃冰保温保压取心装置及取心方法，其特征在于：所述的密封装置上壳（42），高叶片（43），低叶片（44），圆柱齿轮b（45），密封装置下壳（46），圆柱齿轮c（48），推块（49），推块弹簧（50）组成密封装置（64），将凹端紧钉螺钉（47）穿过空心柱（61）内，将密封装置（64）连接并固定在内筒（4）下端。7.根据权利要求1-6所述的一种可燃冰保温保压取心装置及取心方法，其特征是：该方法包括以下步骤：根据目标地层可燃冰原位压强，通过单向阀（10）向内腔（11）内注入高于原位压强的高压钻井液，并选择合适的弹簧（19），保温筒（5）内岩心未取满时，在弹簧（19）作用下，空心滑块（20）位于进液槽b（36）右端，高压钻井液流入内腔（11）和平衡腔（21）内，过程中压缩弹簧（19），空心滑块（20）位于进液槽b（36）下方，进液槽b（36）关闭。保温筒（5）内岩心取满时，岩心推起推杆b（24）及相连的单向阀块（26），出液槽b（38）打开，平衡腔（21）内高压钻井液进入保温筒（5）中，高压钻井液流出过程中，弹簧（19）作用下空心滑块（20）右移，进液槽b（36）打开，内腔（11）内的高压钻井液通过空心滑块（20）流入平衡腔（21）和保温筒（5）内，流入过程中空心滑块（20）受力左移，进液槽b（36）关闭，以此保证取心过程中保温筒（5）内压强的稳定；当岩心完全进入保温筒（5）后，将内筒（4）整个装置顶起，到达设定高度后，处于压缩状态的截断块（51）弹出，且高压钻井液通过导流管（59）流入截断腔（53）内，使得截断块（51）无法压缩回截断腔（53）内，从而给与岩心周向力，从而截断岩心；当岩心充满保温筒（5）时，顶起推杆a（23）和相连的换向阀阀芯（16），换向阀（63）工作，使通过进液槽a（35）进入换向阀（63）的钻井液从出液槽a（37）流出，流入滑动腔体（55）内，进而在高压钻井液的作用下，推块（49）推动圆柱内齿轮（48）的两个凸棱，使圆柱内齿轮（48）逆时针转动，进而使密封装置（64）的叶片处于闭合状态，并在提出取心器的过程中持续受到钻井液的压力，保持闭合状态不发生改变，最后，通过绳索将内筒（4）提出得到可燃冰岩心。

技术总结
本发明公开了一种可燃冰保温保压取心装置及取心方法，它包括上壳，钻头，下壳，锥齿轮轴，内筒，密封装置等；上壳内设置有双螺杆液压马达装置，螺杆下端安装锥齿轮与锥齿轮轴啮合，同时锥齿轮轴钻与钻头部分啮合，通过钻井液压力驱动螺杆转动，带动钻头旋转切削地层；下壳轴向安装于钻头外，内筒内的内腔注有高压钻井液，与平衡腔，弹簧，滑块组成压力平衡装置，取心过程中岩心筒内压力减小时，高压钻井液注入，保证压力的稳定，岩心筒为双层真空保温筒，减少取心过程中温度的损失，从而保证可燃冰岩心的原位状态；内筒下方与密封装置连接，钻头下方设有截断装置，可在岩心到达保温筒预定长度时通过高压油控制截断块截断岩心；本发明为适应井下复杂环境，设计为纯机械结构，无电子原件；通过密封装置，真空内筒和压力平衡装置，保障可燃冰岩心的原位状态，同时采用绳索取心和井下动力提高取心效率和适用范围。围。围。


技术研发人员：杨双春 闫晨辉 李沼萱 舒蕴洁 姚显宇 白明旺 潘一 李宁 王彦超
受保护的技术使用者：辽宁石油化工大学
技术研发日：2023.07.29
技术公布日：2023/9/23