專利名稱：干冰升華孔底冷凍保壓取樣器及取樣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉆探取樣器具，尤其是用于海底或陸地永凍層保真的天然氣 水合物干冰升華孔底冷凍保壓取樣器具及取樣方法。
背景技術(shù)：
隨著高油價時代的來臨，催生各種可替代能源已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。目前全球 海底天然氣水合物中甲烷的碳總量相當(dāng)于當(dāng)前已知煤、石油和天然氣等化石燃料 總資源量的兩倍。因而，天然氣水合物成為世界各國在能源戰(zhàn)略平衡發(fā)展中必須 加以考慮的重要后備能源。鉆探取樣是識別天然氣水合物最直接的方法，也是驗 證其他方法調(diào)査成果的必要手段。因此，鉆探取樣對于開發(fā)天然氣水合物具有十 分重要的意義。
現(xiàn)有的天然氣水合物取樣器主要以保壓取樣器為主，其設(shè)計思路是當(dāng)水合物 巖心進入保壓巖心室后，通過球閥關(guān)閉巖心管底部使巖心保持初始壓力，并利用 壓力補償裝置控制壓力，以維持巖心壓力在提離孔底的整個過程中保持不變，提 到地表后再進行冷凍保存?？變?nèi)巖心的保溫方法主要是采用保溫材料實現(xiàn)被動式 保溫方法。這種通過機械式保壓來抑制水合物分解，這對于整個取心器的強度， 特別是球閥的強度和密封性的要求就相當(dāng)高。如果球閥的密封性稍有些下降，那 么巖心就不能保持初始壓力，導(dǎo)致取心失敗。而且當(dāng)取樣器的設(shè)計壓力達到一定 程度后，如果想再要增加壓力，那么取樣器的材料和和密封性能將需要做很大的 提高，而且這并不容易做到。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種用于海底或陸地永凍層 保真的干冰升華孔底冷凍保壓取樣器；
本發(fā)明的另一目的是提供一種用于海底或陸地永凍層保真的干冰升華孔底 冷凍保壓取樣方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
采用千冰為冷凍劑，酒精為助冷催化劑和載冷劑，利用低溫酒精在孔
底冷凍巖心；并通過關(guān)閉球閥進行巖樣保壓，從而抑制水合物巖心分解。
干冰升華孔底冷凍保壓取樣器包括五個主要機構(gòu)，即懸掛差動機構(gòu)、單動機 構(gòu)、控制機構(gòu)、冷凍機構(gòu)和保壓機構(gòu)。
干冰升華孔底冷凍保壓取樣器包括外接手1與上部鉆桿螺紋連接，外接手1通過螺紋與外六方接手6連接，擋套2通過螺釘與外六方接手6螺紋連接，滑 套5與外六方接手6間隙配合，擋套2限制滑套5不向外滑動，內(nèi)六方接手7與 外管12螺紋連接，外六方接手6與內(nèi)六方接手7間通過六個棱面回轉(zhuǎn)傳動，鉆 桿將回轉(zhuǎn)力傳遞給外六方接手6，通過六個棱面將回轉(zhuǎn)力傳遞給內(nèi)六方接手7， 內(nèi)六方接手7再將回轉(zhuǎn)力傳遞給外管12，內(nèi)六方接手7的六個棱面上徑向方向 均設(shè)有球套9，球套9外側(cè)呈錐面，每個球套9中裝有兩個鋼球8，球套9與外 六方接手6緊密配合，滑套彈簧10上端由滑套5經(jīng)擋套2支撐，滑套彈簧10下 端由墊圈11坐在外六方接手6內(nèi)孔的臺階上，內(nèi)六方接手7和外六方接手6之 間設(shè)有軸向中空距離200mm—210mm，限制內(nèi)六方接手6向下移動的距離，內(nèi) 六方接手7連同外管12和鉆頭68推動球閥56向下運動至巖心管47的下端，使 球閥56脫離開巖心管47的束縛，使球閥56翻轉(zhuǎn)后密封巖心管47;
外六方接手6通過螺紋與軸13連接，軸13與接手14之間的單動是通過軸 承來實現(xiàn)的，軸13回轉(zhuǎn),而接手14不回轉(zhuǎn)，軸13通過墊圈15與接手14連接， 接手14通過螺紋與活塞腔體18連接；活塞腔體18上端設(shè)置堵頭16，堵頭16 通過螺紋與活塞腔體18連接，泄流彈簧17預(yù)壓安裝在泄流通道中，其上端由堵 頭16支撐，下端由鋼球19支撐，活塞腔體18底端通過螺紋與接頭22連接， 活塞彈簧21預(yù)壓安裝在活塞腔體18中，其上端由活塞20支撐，下端由接頭22 支撐，控制桿25套裝在活塞彈簧21的空腔中，確?；钊?0在彈簧作用下始終 處于上位，控制桿25的上端與活塞20通過螺母連接，下端與閥體28連接，活 塞20與活塞腔體18滑動配合，活塞20帶動控制桿25及閥體28移動，閥體28 通過螺紋與控制桿25連接，活塞腔體18通過螺紋與酒精腔體24連接，酒精腔 體活塞23的內(nèi)外圈分別與酒精腔體24和控制桿25間用O型密封圈密封，灑精 腔體24通過螺紋與酒精腔體連接件27連接，閥體28采用錐面和O型密封圈與 酒精腔體連接件27密封，并通過螺母壓緊，酒精腔體連接件27側(cè)面設(shè)有螺塞 26，裝酒精時擰下螺塞26，酒精由此進入酒精腔體24，連接管29通過螺紋與酒 精腔體連接件27連接，二者之間采用膠墊30壓緊密封；
連接管29通過螺紋與干冰腔體上接手31連接，二者之間采用膠墊30壓緊 密封；干冰腔體上接手31與干冰腔體管37螺紋連接，單向排氣閥42與干冰腔 體上接手31通過螺紋連接，酒精注入管36與干冰腔體上接手31間緊密配合， 干冰腔體管37與干冰腔體下接手41間螺紋連接。保溫上蓋33與干冰腔體上接 手31靜接觸，保溫上蓋33與干冰腔體管37間隙配合。干冰保溫襯管35與保溫
7上蓋33靜接觸，保溫套34與干冰腔體管37間隙配合，保溫套34與干冰保溫襯 管35間為膠粘接，干冰保溫層38在干冰保溫襯管35、干冰腔體管37及保溫套 34之間的環(huán)狀空腔內(nèi)，干冰保溫層38與干冰保溫襯管35、干冰腔體管37及保 溫套34間均為靜接觸。保溫下蓋39與干冰保溫襯管35和保溫套34間為靜接觸。 保溫下蓋39與干冰腔體管37間隙配合。保溫上蓋33、保溫下蓋39與干冰保溫 襯管35之間的圓柱形空間為干冰存儲倉。套40與保溫下蓋39間為靜接觸，套 40與干冰腔體管37間隙配合，套40與干冰腔體下接手41間為靜接觸。裝干冰 時，將干冰腔體下接手41卸下，從干冰腔體管37內(nèi)取出套40和保溫下蓋39， 將干冰裝入干冰存儲倉。干冰腔體管37與干冰腔體下接手41螺紋連接。干冰腔 體下接手41與巖心管47和襯管45螺紋連接，底蓋63通過螺紋與襯管45連接， 底蓋63與巖心管47之間0形圈密封。膠墊61和底部保溫套62通過底蓋63與 襯管45和巖心管47壓緊，保溫襯管57與干冰腔體下接手41和膠墊61為靜接 觸，保溫襯管57與襯管45間隙配合。干冰腔體下接手41、巖心管47、保溫襯 管46和膠墊50間的環(huán)狀空間為酒精注入至干冰存儲倉形成的低溫酒精的儲存空 間。排水閥體55通過螺紋與干冰腔體下接手41連接，上保壓彈簧64預(yù)壓安裝， 下端通過鋼球65支撐，上端通過干冰腔體下接手41支撐，巖心管47通過螺紋 與卡簧座66連接，卡簧座66與卡簧67錐面接觸，半合管59與巖心管47間隙 配合，半合管58上端與干冰腔體下接手41靜接觸，半合管58下端通過卡簧座 66內(nèi)臺階支撐；
擴孔器60通過螺紋與外管12連接，上卡位管53通過螺紋與擴孔器60連接， 上卡位管53的內(nèi)突出部分與保壓腔外殼54間的軸向距離為5-IO咖，上卡位管 53通過螺紋與下卡位管63連接，下卡位管63通過螺紋與鉆頭68連接，保壓腔 外殼54與底蓋52間靜接觸，保壓腔外殼54通過螺紋與球閥底蓋64連接，球閥 底蓋64通過螺紋與防水罩65連接，密封環(huán)55壓緊球閥56，密封環(huán)55坐在保壓 腔外殼54上緊密配合，保壓腔球閥56通過螺紋與卡位銷57連接，球閥軸59的 一端通過平鍵58與球閥56連接，球閥軸59的另一端座在螺節(jié)螺母61內(nèi)，扭簧 60套在球閥軸59上，扭簧60—端與球閥56固定，另一端與調(diào)節(jié)螺母61固定， 調(diào)節(jié)螺母61通過螺紋與保壓腔外殼54連接，限位件62在保壓腔外殼54和球閥 56間的環(huán)狀空間內(nèi)，卡簧座66通過螺紋與巖心管47連接，卡簧67帶有外錐面， 卡簧座66帶有內(nèi)錐面，卡簧67通過錐面與卡簧座66配合連接。在上提取樣器 時，卡簧67抱緊巖心，并通過錐面位移拉斷巖心，鉆頭68連接在下卡位管63上。
干冰升華孔底冷凍保壓取樣方法，包括以下順序和步驟
a、 當(dāng)回次終了巖心充滿巖心管，停泵，提動鉆桿，使取樣器提離孔底約一 米距離；
b、 在地表向鉆桿內(nèi)投入鋼球3，鋼球3落在滑套5上，開泵，鋼球3推動滑 套5下行，使其外側(cè)環(huán)形凹槽到達鋼球8位置，內(nèi)六方接手7連同外管12和鉆 頭68推動球閥56向下運動至巖心管47的下端，使球閥56脫離開巖心管47的 束縛，球閥56翻轉(zhuǎn)后密封巖心管47;
c、 保壓巖心首先底部保壓，既球閥56翻轉(zhuǎn)后密封巖心管47，實現(xiàn)底部 保壓。然后上端保壓，在上保壓彈簧42預(yù)緊作用下，巖心管47內(nèi)部壓力控制在 0.3MPa以下，鋼球43緊壓在排水閥體44上，使氣體不溢出而實現(xiàn)上端保壓；
d、 冷凍巖心滑套5下行至外六方接手6的六個徑向通道時，沖洗液經(jīng)此 六個徑向通道，經(jīng)外六方接手6、軸13中孔到達活塞20，活塞20下行至活塞腔 體18的三個徑向通道，沖洗液經(jīng)此三個徑向通道，經(jīng)活塞腔體18到達酒精腔體 活塞23?；钊惑w18下行，將常溫酒精從酒精腔體24壓出后，經(jīng)酒精腔體連 接件27、閥體28、經(jīng)干冰腔體上接手31上部的三個軸向通道進入酒精注入管 36，再注入到保溫上蓋33、保溫下蓋39與干冰保溫襯管35之間干冰存儲倉中 部。常溫酒精催化干冰快速升華吸熱，使常溫酒精變?yōu)榈蜏鼐凭５蜏鼐凭?jīng)保 溫下蓋的39的五個軸向通道，經(jīng)套40和干冰腔體下接手41上的七個斜孔進入 干冰腔體下接手41、巖心管47、膠墊50和保溫襯管46之間形成的環(huán)狀空腔內(nèi)， 從而通過低溫酒精實現(xiàn)孔底冷凍巖心。
e、 在孔底冷凍5—10分鐘將取樣器提出至地表；
f、 在上卡位管53與擴孔器49的連接處將上卡位管53連同鉆頭68 —同卸 下，卸下卡簧座66和卡簧67;
g、 將半合管48連同巖心樣品一同從巖心管47內(nèi)抽出；
h、 將半合管48兩端用膠塞密封，巖心樣品連同半合管48用液氮儲存罐或 者高壓容器保存。
本發(fā)明的目的還可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)
滑套5下端的外表面設(shè)有環(huán)狀槽，即能冷凍巖心還能保壓巖心，滑套5的外 表面無環(huán)狀槽時，只能實現(xiàn)冷凍巖心而不能巖心保壓；外六方接手6內(nèi)的六個端
面上均各設(shè)有至少一個徑向過流通道；活塞腔體18內(nèi)部設(shè)有三個徑向過流通道； 活塞腔體18內(nèi)部設(shè)有三個徑向泄流通道；干冰腔體上接手31上部設(shè)有三個軸向 通孔；干冰腔體下接手41上部設(shè)有七個斜孔；采用三層保冷結(jié)構(gòu)在井下保存干 冰，即由內(nèi)至外分別硬質(zhì)聚氨酯干冰保溫襯管35、泡沫聚氨酯干冰保溫層38和保溫漆；巖心管47采用肋片式換熱器結(jié)構(gòu)。采用干冰為冷凍劑，酒精為助冷 催化劑和載冷劑，通過孔底干冰升華吸熱制冷酒精，并利用低溫酒精在孔 底冷凍巖心。
有益效果本發(fā)明在鉆進取心時外管和鉆頭回轉(zhuǎn)，內(nèi)管總成不回轉(zhuǎn)，因而在 較大程度上避免了因鉆具回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械力對水合物巖心的破壞，更有效地提高 了巖心采取率、完整度和代表性，并采用半合管式快速地表取樣，可快速在地表 獲得巖心。取樣器可實現(xiàn)單純冷凍取樣功能，也可同時實現(xiàn)冷凍取樣和保壓巖心 功能，與現(xiàn)有技術(shù)相比工藝簡單，操作簡便，極大地降低了成本。


圖l為干冰升華孔底冷凍保壓取樣器結(jié)構(gòu)圖la右端連接圖lb左端，圖lb的右端連接圖lc左端，圖lc右端連 接圖ld左端。
圖2為附圖1中a圖A—A截面俯視圖 圖3為附圖1中b圖B—B截面俯視圖 圖4為附圖1中c圖C—C截面俯視圖
圖5為附圖1中C圖D""D截面俯視圖
圖6為附圖1中c圖E—E截面俯視圖 圖7為附圖1中c圖F—F截面俯視圖
圖8為附圖1中C圖K一K截面俯視圖
l外接手，2擋套，3鋼球，4膠墊，5滑套，6外六方接手，7內(nèi)六方接手，8鋼 球，9球套，10，滑套彈簧，11墊圈，12外管，13軸，14接手，15墊圈，16 堵頭，17泄流彈簧，18活塞腔體，19鋼球，20活塞，21活塞彈簧，22接頭， 23酒精腔體活塞，24酒精腔體，25控制桿，26螺塞，27酒精腔體連接件，28 閥體，29連接管，30-膠墊，31干冰腔體上接手，32單向排氣閥，33保溫上蓋， 34保溫套，35干冰保溫襯管，36酒精注入管，37干冰腔體管，38干冰保溫層， 39保溫下蓋，40套，41干冰腔體下接手，42上保壓彈簧，43鋼球，44排水閥 體，45襯管，46保溫襯管，47巖心管，48半合管，49擴孔器，50膠墊，51底 部保溫套，52底蓋，53上卡位管，54保壓腔外殼，55密封環(huán)，56球閥，57卡 位銷，58平鍵，59球閥軸，60扭簧，61調(diào)節(jié)螺母，62限位件，63下卡位管， 64球閥底蓋；65防水罩，66卡簧座，67卡簧，68鉆頭。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例作進一步的詳細說明
附圖1中a圖右端連接b圖左端，b的右端連接c圖左端，c的右端 連接d的左端構(gòu)成天然氣水合物孔底冷凍保壓取樣器整體結(jié)構(gòu)圖。
10采用干冰為冷凍劑，酒精為助冷催化劑和載冷劑，利用低溫酒精在孔 底冷凍巖心；同時通過關(guān)閉球閥進行巖樣保壓，從而抑制水合物巖心分解。
干冰升華孔底冷凍保壓取樣器包括五個主要機構(gòu)，即懸掛差動機構(gòu)、單動機 構(gòu)、控制機構(gòu)、冷凍機構(gòu)和保壓機構(gòu)。
實施例l
懸掛差動機構(gòu)外接手1與上部鉆桿螺紋連接，外接手1與外六方接手6螺
紋連接，外六方接手6與內(nèi)六方接手7之間通過內(nèi)外六方傳動，內(nèi)六方接手7與 外管12螺紋連接，擋套2通過螺釘與外六方接手6螺紋連接，擋套2限制滑套 5不向外滑動?；?與外六方接手6滑動配合，墊圈11坐在外六方接手6內(nèi) 部孔的臺階上，滑套彈簧10預(yù)壓安裝，上下兩端分別由墊圈11和滑套5支撐， 鋼球8裝在球套9中，球套9外側(cè)呈錐面，防止鋼球8向外滑動，鋼球8共有 12件，分別安裝球套9在外六方接手6的六個端面的徑向孔中，球套9與外六 方接手6緊密配合，內(nèi)六方接手7和外六方接手6之間的中空部分軸向距離為 205mm，因此內(nèi)六方接手6向下移動的距離限制為205mm，此距離能保證內(nèi)六 方接手7連同外管12和鉆頭68推動保壓機構(gòu)球閥56向下運動至巖心管47的下 端，使球閥56脫離開巖心管47的束縛，從而實現(xiàn)球閥56翻轉(zhuǎn)后密封巖心管47。 當(dāng)滑套5下端的外表面設(shè)有環(huán)狀槽時，可實現(xiàn)冷凍巖心和保壓巖心功能，當(dāng) 滑套5的外表面無環(huán)狀槽時，只能實現(xiàn)單純的冷凍巖心功能。給進力經(jīng)鉆桿傳遞 給外接手l，經(jīng)內(nèi)六方接手7傳遞給外管12，最終傳遞至鉆頭68破碎巖石。回 轉(zhuǎn)力經(jīng)鉆桿傳遞至外接手l，外接手1傳遞回轉(zhuǎn)扭矩至外六方接手6，經(jīng)內(nèi)外六 方傳遞回轉(zhuǎn)扭矩，將回轉(zhuǎn)力傳遞至內(nèi)六方接手7，回轉(zhuǎn)扭矩經(jīng)外管12傳遞至鉆 頭68破碎巖石。通過鋼球8實現(xiàn)內(nèi)外六方軸向定位，從而實現(xiàn)內(nèi)外六方接手之 間的懸掛功能。內(nèi)外六方接手之間在其六個端面方向上分別設(shè)置二個012鋼球8， 鋼球8共計12個。鋼球8的一側(cè)座在內(nèi)六方接手7的環(huán)形錐槽內(nèi)，另一端安裝 在球套9內(nèi)?；?在滑套彈簧10的預(yù)緊力作用下，其下端的完整外圓表面始 終與鋼球8接觸，因此鋼球8不會向內(nèi)側(cè)移動，實現(xiàn)內(nèi)限位。鋼球的外側(cè)伸出進 入內(nèi)六方接手7的環(huán)形錐槽內(nèi)，因此會向外側(cè)移動。鋼球8內(nèi)外兩則均有限位， 因此鋼球8不會向兩側(cè)移動，從而實現(xiàn)內(nèi)外六方接手之間的軸向懸掛功能。由于 外側(cè)鋼球進入內(nèi)六方接手7的環(huán)形切槽內(nèi)5mm，實現(xiàn)內(nèi)外六方的軸向限位，這 樣就保證內(nèi)外六方之間無軸向相對運動，實現(xiàn)內(nèi)六方的懸掛功能。當(dāng)鉆進一個回 次，巖心充滿巖心管后，從地表經(jīng)鉆桿內(nèi)通道向取樣器內(nèi)投入鋼球3，由于堵塞 沖洗液正常循環(huán)通道，在沖洗液壓力的作用下，滑套5向下移動24mm，使滑套5下端的環(huán)狀切槽全部到達鋼球8處，在內(nèi)六方接手7以及外管12的重力作用 下，還由于內(nèi)六方接手7的環(huán)形錐面與鋼球8接觸，從而推動鋼球8向內(nèi)側(cè)移動， 這樣鋼球8的內(nèi)限位消失。內(nèi)外六方之間沒有軸向限位，在外管12重力的作用 下，內(nèi)六方接手7向下移動，移動距離限制在205mm，在距離可保證巖心管47 底部相對位移至距保壓機構(gòu)球閥56球面30mm，確保球閥56在扭力作用下無障 礙關(guān)閉。若滑套5的外表面全部采用光滑圓面結(jié)構(gòu)，那么滑套5在沖洗液壓力向 下移動的過程中，其外表面始終限制鋼球8的移動，鋼球8始終存在內(nèi)限位，這 樣內(nèi)外六方接手之間就無差動功能，從而不能實現(xiàn)取樣器的保壓功能。而只能實 現(xiàn)取樣器的冷凍功能?；?向下移動35mm后，外六方接手6的6個徑向?qū)Я?孔露出，沖洗液經(jīng)此通道進入，進而實現(xiàn)后續(xù)的酒精注入功能及冷凍功能。
單動機構(gòu)外六方接手6與軸13之間螺紋連接，軸13與接手14之間通過 軸承支撐。接手14與活塞腔體18之間螺紋連接。外六方接手6帶動軸13回轉(zhuǎn)， 在推力球軸承的作用下，實現(xiàn)內(nèi)外管總成分動功能，即單動功能。在鉆進取樣回 轉(zhuǎn)時，外接手l、外六方接手6、軸13回轉(zhuǎn)，接手14不回轉(zhuǎn)。而接手14與下部 內(nèi)管總成連接，從而實現(xiàn)內(nèi)管總成不回轉(zhuǎn)。
控制機構(gòu)控制桿25的上端與控制活塞20通過圓螺母固定，接頭22依靠 螺紋連接于活塞腔體18底端?？刂苹钊麖椈?1屬壓縮彈簧，預(yù)壓安裝在活塞腔 體18中，其上下兩端由活塞20和接頭22支撐，確保活塞20在彈簧彈力的作用 下始終處于上位。活塞20與活塞腔體18滑動配合。
酒精腔體24與活塞腔體18螺紋連接，酒精腔體活塞23的內(nèi)外圈分別與酒 精腔體24和控制桿25間用O型密封圈接觸密封。灑精腔體24與酒精腔體連接 件27螺紋連接。閥體28通過螺紋與控制桿25連接，閥體28采用錐面和0型 密封圈與酒精腔體連接件27密封，通過螺母壓緊，防止酒精溢出。酒精腔體連 接件27側(cè)面設(shè)置螺塞26，安裝酒精時擰下螺塞26，酒精經(jīng)此孔進入至酒精腔體 24內(nèi)?？刂茥U25上端與活塞20連接，經(jīng)接頭22中孔，穿過酒精腔體活塞23 中間孔，酒精腔體連接件27中間孔，最終其下端與閥體28連接。通過活塞20 的移動帶動控制桿25以及閥體28移動。連接管30與酒精腔體連接件27螺紋連 接，二者之間采用膠墊30壓緊密封?；钊惑w18上端設(shè)置堵頭16，堵頭16與 活塞腔體18螺紋連接，泄流彈簧17預(yù)壓分別安裝三個泄流孔中，其上下兩端分 別由堵頭16和鋼球19支撐。酒精預(yù)先儲存在酒精腔體活塞23與閥體28之間 的酒精腔體24中。沖洗液經(jīng)單動機構(gòu)流入控制機構(gòu)后，推動活塞20下行，并帶動控制桿25下行，當(dāng)他們下行15mm時，閥體28打開，閥體28脫離酒精腔體 連接件27，酒精依靠自重流出。由于井底液柱壓力，酒精無法全部依靠自重進 入干冰層，必須采用壓入方式使酒精壓入干冰層。因此，設(shè)計酒精腔體活塞23， 當(dāng)活塞20繼續(xù)下行25mm時，即下行距離達到40mm時，活塞腔體18的三個徑 向?qū)Я骺状蜷_，沖洗液經(jīng)此流至酒精腔體活塞23，由于酒精腔體活塞23的內(nèi)外 圈分別用0型密封圈與支撐面接觸密封，酒精腔體活塞23在沖洗液壓力作用下 在酒精腔體24內(nèi)向下滑動壓出酒精，注入至干冰層，確保酒精不會因活塞向下 移動而向上溢出。當(dāng)酒精全部從酒精腔體24中壓出時，酒精腔體活塞23下行至 酒精腔體連接件27，沖洗液充滿活塞腔體18與酒精腔體連接件27之間的腔體。 此時，沖洗液的壓力繼續(xù)增大，當(dāng)增大至2MPa時，沖洗液經(jīng)三個泄流孔流至鋼 球19，泄流彈簧17被打開，沖洗液經(jīng)活塞腔體18外側(cè)的三個出水口流出，達 到卸壓目的。此時地表水泵壓力會從較大壓力值恢復(fù)至正常壓力值，表明酒精已 經(jīng)全部壓出。即在地表通過觀察水泵壓力即可知道酒精是否全部注入至干冰層。 冷凍機構(gòu)連接管29通過螺紋與干冰腔體上接手31連接，二者之間采用膠 墊30壓緊密封；干冰腔體上接手31與干冰腔體管37螺紋連接，單向排氣閥42 與干冰腔體上接手31通過螺紋連接，酒精注入管36與干冰腔體上接手31間緊 密配合，干冰腔體管37與干冰腔體下接手41間螺紋連接。保溫上蓋33與干冰 腔體上接手31靜接觸，保溫上蓋33與干冰腔體管37間隙配合。干冰保溫襯管 35與保溫上蓋33靜接觸，保溫套34與干冰腔體管37間隙配合，保溫套34與 干冰保溫襯管35間為膠粘接，干冰保溫層38在干冰保溫襯管35、干冰腔體管 37及保溫套34之間的環(huán)狀空腔內(nèi)，干冰保溫層38與干冰保溫襯管35、干冰腔 體管37及保溫套34間均為靜接觸。保溫下蓋39與干冰保溫襯管35和保溫套 34間為靜接觸。保溫下蓋39與千冰腔體管37間隙配合。保溫上蓋33、保溫下 蓋39與干冰保溫襯管35之間的圓柱形空間為干冰存儲倉。套40與保溫下蓋39 間為靜接觸，套40與干冰腔體管37間隙配合，套40與干冰腔體下接手41間為 靜接觸。裝干冰時，將干冰腔體下接手41卸下，從干冰腔體管37內(nèi)取出套40 和保溫下蓋39，將千冰裝入干冰存儲倉。干冰腔體管37與干冰腔體下接手41 螺紋連接。干冰腔體下接手41與巖心管47和襯管45螺紋連接，底蓋63通過螺 紋與襯管45連接，底蓋63與巖心管47之間0形圈密封。膠墊61和底部保溫 套62通過底蓋63與襯管45和巖心管47壓緊，保溫襯管57與干冰腔體下接手 41和膠墊61為靜接觸，保溫襯管57與襯管45間隙配合。干冰腔體下接手41、
13巖心管47、保溫襯管46和膠墊50間的環(huán)狀空間為酒精注入至干冰存儲倉形成 的低溫酒精的儲存空間。排水閥體55通過螺紋與干冰腔體下接手41連接，上保 壓彈簧64預(yù)壓安裝，下端通過鋼球65支撐，上端通過干冰腔體下接手41支撐， 巖心管47通過螺紋與卡簧座66連接，卡簧座66與卡簧67錐面接觸，半合管 59與巖心管47間隙配合，半合管58上端與干冰腔體下接手41靜接觸，半合管 58下端通過卡簧座66內(nèi)臺階支撐；
為提高干冰在井下的保存時間，采用三層保冷結(jié)構(gòu)在井下保冷干冰。在干冰 存儲倉外圍有三層保冷結(jié)構(gòu)，由內(nèi)至外分別是硬質(zhì)聚氨酯干冰保溫襯管35、 泡沫聚氨酯干冰保溫層38和保溫漆。同時，在干冰存儲倉的上下兩端分別設(shè)有 材料為硬質(zhì)聚氨酯的保溫上蓋33和保溫下蓋39，以進一步提高干冰在井下的保 存時間。
為增強巖心管47的導(dǎo)熱性，其材料采用黃銅材料。其表面有拉槽，即采用 肋片式換熱器結(jié)構(gòu)。
為實現(xiàn)在地表快速獲取巖心，設(shè)置半合管48。在取樣器提取地表后，不必 卸下沉重的外管12，而只需在上卡位管53和擴孔器49連接處卸下上卡位管， 并連同保壓機構(gòu)和鉆頭68 —并卸下，卸下卡簧座66和卡簧67，即可將半合管 48連同巖心樣品一并從巖心管47內(nèi)快速抽出，從而減少水合物巖心的地表處理 停留時間，進一步提高巖心保真程度。
保壓機構(gòu)擴孔器49與外管12之間螺紋連接，上卡位管53與擴孔器49間 螺紋連接，上卡位管53的內(nèi)突出部分與保壓腔外殼54間的軸向距離為5mm。上 卡位管53與下卡位管63螺紋連接，下卡位管63與鉆頭68螺紋連接。保壓腔外 殼54與干冰襯管底蓋41無連接。保壓腔外殼54與球閥底蓋64螺紋連接，球閥 底蓋64與防水罩65螺紋連接，密封環(huán)55壓緊球閥56，密封環(huán)55坐在保壓腔 外殼54上緊密配合，保壓腔球閥56與卡位銷57螺紋連接。球閥56與球閥軸 59通過平鍵58連接。球閥軸59的另一端座在調(diào)節(jié)螺母61內(nèi)。扭簧60套在球 閥軸59上，扭簧60—端與球閥56固定，另一端與調(diào)節(jié)螺母61連接。調(diào)節(jié)螺母 61與保壓腔外殼54螺紋連接。限位件62裝在保壓腔外殼54與球闊56間的環(huán) 狀空間內(nèi)?？ɑ勺?5通過螺紋與巖心管47連接，卡簧56帶有外錐面，卡簧座 55帶有內(nèi)錐面，卡簧56通過錐面與卡簧座55錐面配合。在上提取樣器時，卡 簧56抱緊巖心，并通過錐面位移拉斷巖心。鉆頭68連接在下卡位管63上。
在地表調(diào)節(jié)保壓機構(gòu)球閥的過程即先將保壓機構(gòu)的底蓋64卸下，然后用
14手轉(zhuǎn)動球閥56，使球閥的開口正好對準巖心管47，使球閥56在扭簧60的作用 下產(chǎn)生預(yù)緊力，然后將球閥56連同保壓機構(gòu)整體套進巖心管47，也就是將球闊 56中通孔穿入巖心管47。然后安裝限位件62和球閥底蓋64，限位件62是兩個 半圓片，附在保壓腔外壁上，其作用是限制球閥56翻轉(zhuǎn)角度為90度。當(dāng)球閥 56脫離開巖心管47的束縛后，球閥56在扭簧力的作用下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，也就是破 勁的過程。如果不限位，那么球閥56在完全破勁后就不能正好使球閥56的非孔 面密封住巖心管47的底部。因此，在球閥56上安有卡位銷57，當(dāng)球閥翻轉(zhuǎn)90 度后，卡位銷57的突出部分正好卡在限位件62上，從而球閥56不能繼續(xù)翻轉(zhuǎn)， 而只能翻轉(zhuǎn)90度，使球閥56的非孔面密封住巖心管47的底部，從而實現(xiàn)底部 保壓。
取心鉆進鉆進取心前需要向取樣器內(nèi)裝入酒精、裝入干冰、調(diào)節(jié)保壓機構(gòu) 和調(diào)節(jié)懸掛差動機構(gòu)。
裝入酒精安裝酒精腔體24,把酒精腔體活塞23安裝在酒精腔體24內(nèi)靠 近接頭22的上端，然后把酒精腔體24通過螺紋安裝在活塞腔體18上，然后安 裝閥體28及閥體28的相關(guān)緊固件。將酒精腔體連接件27上的螺塞26卸下，用 酒精泵將酒精注入至酒精腔體24內(nèi)。酒精充滿后，安裝螺塞26。
裝入干冰，通過液態(tài)二氧化碳瓶制備干冰。將干冰腔體下接手41卸下，從 干冰腔體管37內(nèi)取出套40和保溫下蓋39，將干冰裝入保溫上蓋33、保溫下蓋 39與干冰保溫襯管35之間的圓柱形干冰存儲倉。裝填完畢后，把套40和保溫 下蓋39裝回干冰腔體管37，然后將干冰腔體管37連接到干冰腔體下接手41 。
調(diào)節(jié)保壓機構(gòu)將球閥底蓋64卸下，并連同防水罩65—并卸下。然后轉(zhuǎn)動 球閥56，使球闊56在扭簧60的作用下產(chǎn)生預(yù)緊力，然后將球閥56中通孔穿入 巖心管47。并將保壓機構(gòu)上移至底蓋52位置。之后安裝限位件62、球閥底蓋 64和防水罩65。
調(diào)節(jié)懸掛差動機構(gòu)在每次鉆進取心結(jié)束將取樣器提到地表后，需要調(diào)節(jié)懸 掛差動機構(gòu)到正常鉆進取心狀態(tài)。首先，向下推動滑套5，使滑套5的環(huán)形凹槽 到達鋼球8位置。然后，將鋼球8向內(nèi)側(cè)推，使鋼球8的外表面與外方六接手6 的外表面相平。之后，將內(nèi)六方接手7向上推動至膠墊4位置。最后，松開滑套 5，在滑套彈簧10的作用下，滑套5將鋼球8向外側(cè)推動至內(nèi)六方接手7的內(nèi)環(huán) 形切槽內(nèi)。內(nèi)外六方的軸向位置得到固定，兩者之間不會發(fā)生軸向相對運動。完 成調(diào)節(jié)懸掛差動機構(gòu)。懸掛差動機構(gòu)通過內(nèi)外六方的傳動帶動外管12回轉(zhuǎn)鉆進取心，而整個內(nèi)管 總成和巖心管47不回轉(zhuǎn)，巖心進入半合管48。給進力經(jīng)鉆桿傳遞給外接手l， 然后傳遞給內(nèi)六方接手7，經(jīng)外管12傳遞給鉆頭68破碎孔底巖石。外管12和 鉆頭68承受軸向壓力，內(nèi)管總成不承受軸向壓力。沖洗液經(jīng)外接手1、滑套5 和外六方接手6的三個側(cè)向通水孔進入內(nèi)、外管總成環(huán)狀間隙，經(jīng)鉆頭68流入 孔底，并攜帶巖屑經(jīng)井壁環(huán)狀間隙流到地表。
當(dāng)巖心充滿半合管48后，先將取樣器提離孔底hn左右距離，卡簧67卡斷 巖心。然后在地面向鉆桿內(nèi)投入鋼球3，開泵。鋼球3落在滑套5上，改變沖洗 液正常的循環(huán)通道，在沖洗液壓力的作用下，滑套5向下移動，鋼球8進入滑套 5的內(nèi)部切槽中。通過內(nèi)六方接手7的重力使鋼球8向內(nèi)移動，使內(nèi)外六方脫開。 內(nèi)六方接手7在外管12的重力作用下向下移動。同時，帶動上卡位管53推動保 壓機構(gòu)中的保壓腔外殼54向下移動205mm，使巖心管47下端到底球閥56球面 上端30mm。由于巖心管47已經(jīng)全部脫離球閥56，這時扭簧扭力釋放，扭力帶 動球閥56翻轉(zhuǎn)，由于限位件62的限位作用，球閥翻轉(zhuǎn)角度為卯度，剛好密封 住巖心管底部，達到保壓密封的作用。
底部保壓開泵，由于鋼球3堵塞了沖洗液的正常循環(huán)方向，在沖洗液壓力 的作用下，鋼球3推動滑套5下移，滑套5下移24mm，使其外側(cè)環(huán)形凹槽到達 鋼球8位置(鋼球8的作用是限制內(nèi)外六方軸向位移，即實現(xiàn)內(nèi)外六方軸向定位)。 此時，內(nèi)六方接手7和外管12的重力將鋼球8向內(nèi)推動。當(dāng)鋼球8推動到位后， 鋼球8到達滑套5環(huán)形凹槽根部時，內(nèi)外六方無軸向限位，實現(xiàn)內(nèi)六方接手7在 外管12重力的作用相對于外六方接手6向下軸向移動205mm。在向下移動的過 程中，通過上卡位管53推動保壓機構(gòu)下行，即推動保壓機構(gòu)中的球闊56向下軸 向運動，巖心管47從球閥56的孔內(nèi)抽出；也就是說巖心管47相對上行至球閥 56的上部，球閥56脫離巖心管47的束縛。這時球閥在扭簧60預(yù)緊扭力的作用 力發(fā)生翻轉(zhuǎn)。由于限位件62的限位作用，球閥56只能翻轉(zhuǎn)90度，使球閥56的 完整圓面封閉巖心管47的底部，達到密封巖心的作用，實現(xiàn)巖心底部保壓。
上端保壓在上保壓彈簧42預(yù)緊作用下，巖心管內(nèi)部壓力需要達到0.3MPa 才能推動鋼球43上行，天然氣水合物在-2(TC時的臨界分解壓力為0.3MPa，因 此必須控制巖心管47內(nèi)部壓力在0.3MPa以下，鋼球43緊壓在排水閥體44上， 使天然氣水合物分解出氣體不溢出而實現(xiàn)上端保壓；
冷凍巖心滑套5在沖洗液壓力的作用下繼續(xù)下行至35mm后，外六方接手6內(nèi)部的六個徑向?qū)Я骺茁冻?，沖洗液經(jīng)此徑向?qū)Я骺走M入軸13中孔，并到達 活塞20。沖洗液進而推動活塞20下行40mm，活塞腔體18內(nèi)部的三個徑向?qū)Я?孔露出，沖洗液經(jīng)此三個徑向?qū)Я骺走M入至酒精腔體24內(nèi)部的酒精腔體活塞23。 同時，活塞20下行的同時帶動控制桿25下行，控制桿帶動閥體28下行，即閥 體28被打開。酒精從酒精腔體24內(nèi)流出。在沖洗液到達酒精腔體活塞23后， 在其壓力的繼續(xù)作用下推動酒精腔體活塞23下行，將常溫酒精從酒精腔體24內(nèi) 壓出，常溫酒精經(jīng)酒精腔體連接件27、閥體28、經(jīng)干冰腔體上接手31上部的三 個軸向通道進入酒精注入管36，再注入到保溫上蓋33、保溫下蓋39與干冰保溫 襯管35之間干冰存儲倉中部。常溫酒精催化干冰快速升華吸熱，使常溫酒精變 為低溫酒精。低溫酒精經(jīng)保溫下蓋的39的五個軸向通道，經(jīng)套40和干冰腔體下 接手41上的七個斜孔進入干冰腔體下接手41、巖心管47、膠墊50和保溫襯管 46之間形成的空腔內(nèi)，包圍巖心管47，從而通過低溫酒精實現(xiàn)孔底冷凍巖心。 巖心管47內(nèi)的水可經(jīng)排水閥體44流入內(nèi)管外環(huán)狀間隙，干冰升華產(chǎn)生的氣體經(jīng) 單向排氣閥32排出至內(nèi)外管環(huán)狀間隙。
酒精在沖洗液壓力作用下全部壓入至干冰層后，酒精腔體24內(nèi)部的壓力繼 續(xù)增大，當(dāng)壓力達到2.0MPa時，沖洗液經(jīng)活塞腔體18的泄流孔到達鋼球19， 進而推動鋼球19上移，沖洗液經(jīng)活塞腔體18的三個泄流通道流至內(nèi)外管環(huán)狀間 隙，實現(xiàn)沖洗的正常循環(huán)。這時，地表水泵的壓力穩(wěn)定至2.0MPa。表明酒精已 經(jīng)全部注入至干冰層，說明冷凍巖心過程基本結(jié)束，此時可以提鉆。
地表快速獲取巖心在孔底冷凍5-10min后，將取樣器提出至地表，在上卡 位管53與擴孔器49連接處，將上卡位管53連同保壓機構(gòu)和鉆頭68 —同卸下。 卸下卡簧座66和卡簧67，將半合管48連同巖心樣品一同從巖心管47內(nèi)抽出， 將半合管48兩端用膠塞密封，并連同巖心樣品一并用液氮儲存罐或者高壓容器 保存。
在每次鉆進取心結(jié)束后將取樣器提到地表，擰卸下外管12，并連同保壓機
構(gòu)和鉆頭68—并卸下，然后擰卸下連接管29，并連同冷凍機構(gòu)一并卸下。進而
拆除閥體28，卸下酒精腔體24，并將酒精腔體活塞23卸下，最后將酒精腔體
24內(nèi)的沖洗液清洗干凈。還需在干冰腔體管37與干冰腔體下接手41處卸開，
將酒精從干冰存儲倉和巖心管47外環(huán)狀空間內(nèi)倒出。 實施例2
懸掛差動機構(gòu)外接手1與上部鉆桿螺紋連接，外接手1與外六方接手6螺
17紋連接，外六方接手6與內(nèi)六方接手7之間通過內(nèi)外六方傳動，內(nèi)六方接手7與外管12螺紋連接，擋套2通過螺釘與外六方接手6螺紋連接，擋套2限制滑套5不向外滑動?；?與外六方接手6滑動配合，墊圈11坐在外六方接手6內(nèi)部孔的臺階上，滑套彈簧10預(yù)壓安裝，上下兩端分別由墊圈11和滑套5支撐，鋼球8裝在球套9中，球套9外側(cè)呈錐面，防止鋼球8向外滑動，鋼球8共有12件，分別安裝球套9在外六方接手6的六個端面的徑向孔中，球套9與外六方接手6緊密配合，內(nèi)六方接手7和外六方接手6之間的中空部分軸向距離為210mm，因此內(nèi)六方接手6向下移動的距離限制為210mm，此距離能保證內(nèi)六方接手7連同外管12和鉆頭68推動保壓機構(gòu)球閥56向下運動至巖心管47的下端，使球閥56脫離開巖心管47的束縛，從而實現(xiàn)球閥56翻轉(zhuǎn)后密封巖心管47。當(dāng)滑套5下端的外表面設(shè)有環(huán)狀槽時，可實現(xiàn)冷凍巖心和保壓巖心功能，當(dāng)滑套5的外表面無環(huán)狀槽時，只能實現(xiàn)單純的冷凍巖心功能。給進力經(jīng)鉆桿傳遞給外接手l，經(jīng)內(nèi)六方接手7傳遞給外管12,最終傳遞至鉆頭68破碎巖石?；剞D(zhuǎn)力經(jīng)鉆桿傳遞至外接手l，外接手1傳遞回轉(zhuǎn)扭矩至外六方接手6，經(jīng)內(nèi)外六方傳遞回轉(zhuǎn)扭矩，將回轉(zhuǎn)力傳遞至內(nèi)六方接手7，回轉(zhuǎn)扭矩經(jīng)外管12傳遞至鉆頭68破碎巖石。通過鋼球8實現(xiàn)內(nèi)外六方軸向定位，從而實現(xiàn)內(nèi)外六方接手之間的懸掛功能。內(nèi)外六方接手之間在其六個端面方向上分別設(shè)置二個0)12鋼球8，鋼球8共計12個。鋼球8的一側(cè)座在內(nèi)六方接手7的環(huán)形錐槽內(nèi)，另一端安裝在球套9內(nèi)。滑套5在滑套彈簧10的預(yù)緊力作用下，其下端的完整外圓表面始終與鋼球8接觸，因此鋼球8不會向內(nèi)側(cè)移動，實現(xiàn)內(nèi)限位。鋼球的外側(cè)伸出進入內(nèi)六方接手7的環(huán)形錐槽內(nèi)，因此會向外側(cè)移動。鋼球8內(nèi)外兩則均有限位，因此鋼球8不會向兩側(cè)移動，從而實現(xiàn)內(nèi)外六方接手之間的軸向懸掛功能。由于外側(cè)鋼球進入內(nèi)六方接手7的環(huán)形切槽內(nèi)5mm，實現(xiàn)內(nèi)外六方的軸向限位，這樣就保證內(nèi)外六方之間無軸向相對運動，實現(xiàn)內(nèi)六方的懸掛功能。當(dāng)鉆進一個回次，巖心充滿巖心管后，從地表經(jīng)鉆桿內(nèi)通道向取樣器內(nèi)投入鋼球3，由于堵塞沖洗液正常循環(huán)通道，在沖洗液壓力的作用下，滑套5向下移動24mm，使滑套5下端的環(huán)狀切槽全部到達鋼球8處，在內(nèi)六方接手7以及外管12的重力作用下，還由于內(nèi)六方接手7的環(huán)形錐面與鋼球8接觸，從而推動鋼球8向內(nèi)側(cè)移動，這樣鋼球8的內(nèi)限位消失。內(nèi)外六方之間沒有軸向限位，在外管12重力的作用下，內(nèi)六方接手7向下移動，移動距離限制在210mm，在距離可保證巖心管47底部相對位移至距保壓機構(gòu)球閥56球面30mm，確保球闊56在扭力作用下無障
18礙關(guān)閉。若滑套5的外表面全部采用光滑圓面結(jié)構(gòu)，那么滑套5在沖洗液壓力向下移動的過程中，其外表面始終限制鋼球8的移動，鋼球8始終存在內(nèi)限位，這樣內(nèi)外六方接手之間就無差動功能，從而不能實現(xiàn)取樣器的保壓功能。而只能實現(xiàn)取樣器的冷凍功能?；?向下移動35mm后，外六方接手6的6個徑向?qū)Я骺茁冻?，沖洗液經(jīng)此通道進入，進而實現(xiàn)后續(xù)的酒精注入功能及冷凍功能。
單動機構(gòu)外六方接手6與軸13之間螺紋連接，軸13與接手14之間通過軸承支撐。接手14與活塞腔體18之間螺紋連接。外六方接手6帶動軸13回轉(zhuǎn)，在推力球軸承的作用下，實現(xiàn)內(nèi)外管總成分動功能，即單動功能。在鉆進取樣回轉(zhuǎn)時，外接手l、外六方接手6、軸13回轉(zhuǎn)，接手14不回轉(zhuǎn)。而接手14與下部內(nèi)管總成連接，從而實現(xiàn)內(nèi)管總成不回轉(zhuǎn)。
控制機構(gòu)控制桿25的上端與控制活塞20通過圓螺母固定，接頭22依靠螺紋連接于活塞腔體18底端?？刂苹钊麖椈?1屬壓縮彈簧，預(yù)壓安裝在活塞腔體18中，其上下兩端由活塞20和接頭22支撐，確?；钊?0在彈簧彈力的作用下始終處于上位?；钊?0與活塞腔體18滑動配合。
酒精腔體24與活塞腔體18螺紋連接，酒精腔體活塞23的內(nèi)外圈分別與酒精腔體24和控制桿25間用0型密封圈接觸密封。灑精腔體24與酒精腔體連接件27螺紋連接。閥體28通過螺紋與控制桿25連接，閥體28采用錐面和0型密封圈與酒精腔體連接件27密封，通過螺母壓緊，防止酒精溢出。酒精腔體連接件27側(cè)面設(shè)置螺塞26，安裝酒精時擰下螺塞26，酒精經(jīng)此孔進入至酒精腔體24內(nèi)。控制桿25上端與活塞20連接，經(jīng)接頭22中孔，穿過酒精腔體活塞23中間孔，酒精腔體連接件27中間孔，最終其下端與閥體28連接。通過活塞20的移動帶動控制桿25以及閥體28移動。連接管30與酒精腔體連接件27螺紋連接，二者之間采用膠墊30壓緊密封?；钊惑w18上端設(shè)置堵頭16，堵頭16與活塞腔體18螺紋連接，泄流彈簧17預(yù)壓分別安裝三個泄流孔中，其上下兩端分別由堵頭16和鋼球19支撐。酒精預(yù)先儲存在酒精腔體活塞23與閥體28之間的酒精腔體24中。沖洗液經(jīng)單動機構(gòu)流入控制機構(gòu)后，推動活塞20下行，并帶動控制桿25下行，當(dāng)他們下行15mm時，閥體28打開，閥體28脫離酒精腔體連接件27，酒精依靠自重流出。由于井底液柱壓力，酒精無法全部依靠自重進入干冰層，必須采用壓入方式使酒精壓入干冰層。因此，設(shè)計酒精腔體活塞23，當(dāng)活塞20繼續(xù)下行25mm時，即下行距離達到40mm時，活塞腔體18的三個徑向?qū)Я骺状蜷_，沖洗液經(jīng)此流至酒精腔體活塞23，由于酒精腔體活塞23的內(nèi)外圈分別用O型密封圈與支撐面接觸密封，酒精腔體活塞23在沖洗液壓力作用下在酒精腔體24內(nèi)向下滑動壓出酒精，注入至干冰層，確保酒精不會因活塞向下移動而向上溢出。當(dāng)酒精全部從酒精腔體24中壓出時，酒精腔體活塞23下行至酒精腔體連接件27，沖洗液充滿活塞腔體18與酒精腔體連接件27之間的腔體。此時，沖洗液的壓力繼續(xù)增大，當(dāng)增大至2MPa時，沖洗液經(jīng)三個泄流孔流至鋼球19，泄流彈簧17被打開，沖洗液經(jīng)活塞腔體18外側(cè)的三個出水口流出，達到卸壓目的。此時地表水泵壓力會從較大壓力值恢復(fù)至正常壓力值，表明酒精已經(jīng)全部壓出。即在地表通過觀察水泵壓力即可知道酒精是否全部注入至干冰層。冷凍機構(gòu)連接管29通過螺紋與干冰腔體上接手31連接，二者之間采用膠墊30壓緊密封；干冰腔體上接手31與干冰腔體管37螺紋連接，單向排氣閥42與干冰腔體上接手31通過螺紋連接，酒精注入管36與干冰腔體上接手31間緊密配合，干冰腔體管37與干冰腔體下接手41間螺紋連接。保溫上蓋33與干冰腔體上接手31靜接觸，保溫上蓋33與干冰腔體管37間隙配合。干冰保溫襯管35與保溫上蓋33靜接觸，保溫套34與干冰腔體管37間隙配合，保溫套34與干冰保溫襯管35間為膠粘接，干冰保溫層38在干冰保溫襯管35、干冰腔體管37及保溫套34之間的環(huán)狀空腔內(nèi)，干冰保溫層38與干冰保溫襯管35、干冰腔體管37及保溫套34間均為靜接觸。保溫下蓋39與干冰保溫襯管35和保溫套34間為靜接觸。保溫下蓋39與千冰腔體管37間隙配合。保溫上蓋33、保溫下蓋39與干冰保溫襯管35之間的圓柱形空間為干冰存儲倉。套40與保溫下蓋39間為靜接觸，套40與干冰腔體管37間隙配合，套40與干冰腔體下接手41間為靜接觸。裝干冰時，將干冰腔體下接手41卸下，從干冰腔體管37內(nèi)取出套40和保溫下蓋39，將干冰裝入干冰存儲倉。干冰腔體管37與干冰腔體下接手41螺紋連接。干冰腔體下接手41與巖心管47和襯管45螺紋連接，底蓋63通過螺紋與襯管45連接，底蓋63與巖心管47之間0形圈密封。膠墊61和底部保溫套62通過底蓋63與襯管45和巖心管47壓緊，保溫襯管57與干冰腔體下接手41和膠墊61為靜接觸，保溫襯管57與襯管45間隙配合。干冰腔體下接手41、巖心管47、保溫襯管46和膠墊50間的環(huán)狀空間為酒精注入至干冰存儲倉形成的低溫酒精的儲存空間。排水閥體55通過螺紋與干冰腔體下接手41連接，上保壓彈簧64預(yù)壓安裝，下端通過鋼球65支撐，上端通過干冰腔體下接手41支撐，巖心管47通過螺紋與卡簧座66連接，卡簧座66與卡簧67錐面接觸，半合管59與巖心管47間隙配合，半合管58上端與干冰腔體下接手41靜接觸，半合管58下端通過卡簧座66內(nèi)臺階支撐；
為提高干冰在井下的保存時間，采用三層保冷結(jié)構(gòu)在井下保冷干冰。在干冰存儲倉外圍有三層保冷結(jié)構(gòu)，由內(nèi)至外分別是硬質(zhì)聚氨酯干冰保溫襯管35、泡沫聚氨酯干冰保溫層38和保溫漆。同時，在干冰存儲倉的上下兩端分別設(shè)有材料為硬質(zhì)聚氨酯的保溫上蓋33和保溫下蓋39，以進一步提高干冰在井下的保存時間。
為增強巖心管47的導(dǎo)熱性，其材料采用黃銅材料。其表面有拉槽，即采用肋片式換熱器結(jié)構(gòu)。
為實現(xiàn)在地表快速獲取巖心，設(shè)置半合管48。在取樣器提取地表后，不必卸下沉重的外管12，而只需在上卡位管53和擴孔器49連接處卸下上卡位管，并連同保壓機構(gòu)和鉆頭68—并卸下，卸下卡簧座66和卡簧67，即可將半合管48連同巖心樣品一并從巖心管47內(nèi)快速抽出，從而減少水合物巖心的地表處理停留時間，進一步提高巖心保真程度。
保壓機構(gòu)擴孔器49與外管12之間螺紋連接，上卡位管53與擴孔器49間螺紋連接，上卡位管53的內(nèi)突出部分與保壓腔外殼54間的軸向距離為lOmra。上卡位管53與下卡位管63螺紋連接，下卡位管63與鉆頭68螺紋連接。保壓腔外殼54與干冰襯管底蓋41無連接。保壓腔外殼54與球閥底蓋64螺紋連接，球閥底蓋64與防水罩65螺紋連接，密封環(huán)55壓緊球閥56，密封環(huán)55坐在保壓腔外殼54上緊密配合，保壓腔球閥56與卡位銷57螺紋連接。球閥56與球閥軸59通過平鍵58連接。球閥軸59的另一端座在調(diào)節(jié)螺母61內(nèi)。扭簧60套在球閥軸59上，扭簧60—端與球閥56固定，另一端與調(diào)節(jié)螺母61連接。調(diào)節(jié)螺母61與保壓腔外殼54螺紋連接。限位件62裝在保壓腔外殼54與球閥56間的環(huán)狀空間內(nèi)?？ɑ勺?5通過螺紋與巖心管47連接，卡簧56帶有外錐面，卡簧座55帶有內(nèi)錐面，卡簧56通過錐面與卡簧座55錐面配合。在上提取樣器時，卡簧56抱緊巖心，并通過錐面位移拉斷巖心。鉆頭68連接在下卡位管63上。
取心鉆進同實施例1，只是孔底冷凍時間為IO分鐘，其他相同，不再累述。
2權(quán)利要求
1、一種干冰升華孔底冷凍保壓取樣器，其特征在于，外接手(1)與上部鉆桿螺紋連接，外接手(1)通過螺紋與外六方接手(6)連接，擋套(2)通過螺釘與外六方接手(6)螺紋連接，滑套(5)與外六方接手(6)間隙配合，擋套(2)限制滑套(5)不向外滑動，內(nèi)六方接手(7)與外管(12)螺紋連接，外六方接手(6)與內(nèi)六方接手(7)間通過六個棱面回轉(zhuǎn)傳動，鉆桿將回轉(zhuǎn)力傳遞給外六方接手(6)，通過六個棱面將回轉(zhuǎn)力傳遞給內(nèi)六方接手(7)，內(nèi)六方接手(7)再將回轉(zhuǎn)力傳遞給外管(12)，內(nèi)六方接手(7)的六個棱面上徑向方向均設(shè)有球套(9)，球套(9)外側(cè)呈錐面，每個球套(9)中裝有兩個鋼球(8)，球套(9)與外六方接手(6)緊密配合，滑套彈簧(10)上端由滑套(5)經(jīng)擋套(2)支撐，滑套彈簧(10)下端由墊圈(11)坐在外六方接手(6)內(nèi)孔的臺階上，內(nèi)六方接手(7)和外六方接手(6)之間設(shè)有軸向中空距離200mm-210mm，限制內(nèi)六方接手(6)向下移動的距離，內(nèi)六方接手(7)連同外管(12)和鉆頭(68)推動球閥(56)向下運動至巖心管(47)的下端，使球閥(56)脫離開巖心管(47)的束縛，使球閥(56)翻轉(zhuǎn)后密封巖心管(47)；外六方接手(6)通過螺紋與軸(13)連接，軸(13)與接手(14)之間的單動是通過軸承來實現(xiàn)的，軸(13)回轉(zhuǎn)，而接手(14)不回轉(zhuǎn)，軸(13)通過墊圈(15)與接手(14)連接，接手(14)通過螺紋與活塞腔體(18)連接；活塞腔體(18)上端設(shè)置堵頭(16)，堵頭(16)通過螺紋與活塞腔體(18)連接，泄流彈簧(17)預(yù)壓安裝在泄流通道中，其上端由堵頭(16)支撐，下端由鋼球(19)支撐，活塞腔體(18)底端通過螺紋與接頭(22)連接，活塞彈簧(21)預(yù)壓安裝在活塞腔體(18)中，其上端由活塞(20)支撐，下端由接頭(22)支撐，控制桿(25)套裝在活塞彈簧(21)的空腔中，確?；钊?20)在彈簧作用下始終處于上位，控制桿(25)的上端與活塞(20)通過螺母連接，下端與閥體(28)連接，活塞(20)與活塞腔體(18)滑動配合，活塞(20)帶動控制桿(25)及閥體(28)移動，閥體(28)通過螺紋與控制桿(25)連接，活塞腔體(18)通過螺紋與酒精腔體(24)連接，酒精腔體活塞(23)的內(nèi)外圈分別與酒精腔體(24)和控制桿(25)間用O型密封圈密封，灑精腔體(24)通過螺紋與酒精腔體連接件(27)連接，閥體(28)采用錐面和O型密封圈與酒精腔體連接件(27)密封，并通過螺母壓緊，酒精腔體連接件(27)側(cè)面設(shè)有螺塞(26)，裝酒精時擰下螺塞(26)，酒精由此進入酒精腔體(24)，連接管(29)通過螺紋與酒精腔體連接件(27)連接，二者之間采用膠墊(30)壓緊密封；連接管(29)通過螺紋與干冰腔體上接手(31)連接，二者之間采用膠墊(30)壓緊密封；干冰腔體上接手(31)與干冰腔體管(37)螺紋連接，單向排氣閥(42)與干冰腔體上接手(31)通過螺紋連接，酒精注入管(36)與干冰腔體上接手(31)間緊密配合，干冰腔體管(37)與干冰腔體下接手(41)螺紋連接，保溫上蓋(33)與干冰腔體上接手(31)靜接觸，保溫上蓋(33)與干冰腔體管(37)間隙配合。干冰保溫襯管(35)與保溫上蓋(33)靜接觸，保溫套(34)與干冰腔體管(37)間隙配合，保溫套(34)與干冰保溫襯管(35)間為膠粘接，干冰保溫層(38)在干冰保溫襯管(35)、干冰腔體管(37)及保溫套(34)之間的環(huán)狀空腔內(nèi)，干冰保溫層(38)與干冰保溫襯管(35)、干冰腔體管(37)及保溫套(34)間均為靜接觸，保溫下蓋(39)與干冰保溫襯管(35)和保溫套(34)間為靜接觸。保溫下蓋(39)與干冰腔體管(37)間隙配合。保溫上蓋(33)、保溫下蓋(39)與干冰保溫襯管(35)之間的圓柱形空間為干冰存儲倉，套(40)與保溫下蓋(39)間為靜接觸，套(40)與干冰腔體管(37)間隙配合，套(40)與干冰腔體下接手(41)間為靜接觸，裝干冰時，將干冰腔體下接手(41)卸下，從干冰腔體管(37)內(nèi)取出套(40)和保溫下蓋(39)，將干冰裝入干冰存儲倉。干冰腔體管(37)與干冰腔體下接手(41)螺紋連接，干冰腔體下接手(41)與巖心管(47)和襯管(45)螺紋連接，底蓋(63)通過螺紋與襯管(45)連接，底蓋(63)與巖心管(47)之間O形圈密封，膠墊(61)和底部保溫套(62)通過底蓋(63)與襯管(45)和巖心管(47)壓緊，保溫襯管(57)與干冰腔體下接手(41)和膠墊(61)為靜接觸，保溫襯管(57)與襯管(45)間隙配合，干冰腔體下接手(41)、巖心管(47)、保溫襯管(46)和膠墊(50)間的環(huán)狀空間為酒精注入至干冰存儲倉形成的低溫酒精的儲存空間，排水閥體(55)通過螺紋與干冰腔體下接手(41)連接，上保壓彈簧(64)預(yù)壓安裝，下端通過鋼球(65)支撐，上端通過干冰腔體下接手(41)支撐，巖心管(47)通過螺紋與卡簧座(66)連接，卡簧座(66)與卡簧(67)錐面接觸，半合管(59)與巖心管(47)間隙配合，半合管(58)上端與干冰腔體下接手(41)靜接觸，半合管(58)下端通過卡簧座(66)內(nèi)臺階支撐；擴孔器(60)通過螺紋與外管(12)連接，上卡位管(53)通過螺紋與擴孔器(60)連接，上卡位管(53)的內(nèi)突出部分與保壓腔外殼(54)間的軸向距離為5-10mm，上卡位管(53)通過螺紋與下卡位管(63)連接，下卡位管(63)通過螺紋與鉆頭(68)連接，保壓腔外殼(54)與底蓋(52)間靜接觸，保壓腔外殼(54)通過螺紋與球閥底蓋(64)連接，球閥底蓋(64)通過螺紋與防水罩(65)連接，密封環(huán)(55)壓緊球閥(56)，密封環(huán)(55)坐在保壓腔外殼(54)上緊密配合，保壓腔球閥(56)通過螺紋與卡位銷(57)連接，球閥軸(59)的一端通過平鍵(58)與球閥(56)連接，球閥軸(59)的另一端座在螺節(jié)螺母(61)內(nèi)，扭簧(60)套在球閥軸(59)上，扭簧(60)一端與球閥(56)固定，另一端與調(diào)節(jié)螺母(61)固定，調(diào)節(jié)螺母(61)通過螺紋與保壓腔外殼(54)連接，限位件(62)在保壓腔外殼(54)和球閥(56)間的環(huán)狀空間內(nèi)，卡簧座(66)通過螺紋與巖心管(47)連接，卡簧(67)帶有外錐面，卡簧座(66)帶有內(nèi)錐面，卡簧(67)通過錐面與卡簧座(66)配合連接，在上提取樣器時，卡簧(67)抱緊巖心，并通過錐面位移拉斷巖心，鉆頭(68)連接在下卡位管(63)上。
2、 按照權(quán)利要求1所述的干冰升華孔底冷凍保壓取樣器，其特征在于， 滑套(5)下端的外表面設(shè)有環(huán)狀槽，即能冷凍巖心還能保壓巖心，滑套(5)的外表面無環(huán)狀槽時，只能實現(xiàn)冷凍巖心而不能巖心保壓。
3、 按照權(quán)利要求1所述的干冰升華孔底冷凍保壓取樣器，其特征在于，外 六方接手(6)內(nèi)的六個端面上均各設(shè)有至少一個徑向過流通道。
4、 按照權(quán)利要求1所述的干冰升華孔底冷凍保壓取樣器，其特征在于，活 塞腔體(18)內(nèi)部設(shè)有三個徑向過流通道。
5、 按照權(quán)利要求1所述的干冰升華孔底冷凍保壓取樣器，其特征在于，活 塞腔體(18)內(nèi)部設(shè)有三個徑向泄流通道。
6、 按照權(quán)利要求1所述的干冰升華冷孔底凍保壓取樣器，其特征在于，干 冰腔體上接手(31)上部設(shè)有三個軸向通孔，干冰腔體下接手(41)上部設(shè)有七 個斜孔。
7、 按照權(quán)利要求1所述的干冰升華孔底冷凍保壓取樣器，其特征在于，采 用三層保冷結(jié)構(gòu)在井下保存干冰，即由內(nèi)至外分別硬質(zhì)聚氨酯干冰保溫襯管(35)、泡沫聚氨酯干冰保溫層(38)和保溫漆。
8、 按照權(quán)利要求1所述的干冰升華孔底冷凍保壓取樣器，其特征在于，巖 心管(47)采用肋片式換熱器結(jié)構(gòu)。
9、 按照權(quán)利要求1所述的干冰升華孔底冷凍保壓取樣方法，其特征在于， 包括以下順序和步驟a、當(dāng)回次終了巖心充滿巖心管，停泵，提動鉆桿，使取樣器提離孔底約一 米距離；b、 在地表向鉆桿內(nèi)投入鋼球(3)，鋼球(3)落在滑套(5)上，開泵，鋼 球(3)推動滑套(5)下行，使其外側(cè)環(huán)形凹槽到達鋼球(8)位置，內(nèi)六方接 手(7)連同外管(12)和鉆頭(68)推動球闊(56)向下運動至巖心管(47) 的下端，使球閥(56)脫離開巖心管(47)的束縛，球閥(56)翻轉(zhuǎn)后密封巖心 管(47);c、 保壓巖心首先底部保壓，既球閥(56)翻轉(zhuǎn)后密封巖心管(47)，實現(xiàn) 底部保壓，然后上端保壓，在上保壓彈簧(42)預(yù)緊作用下，巖心管(47)內(nèi)部 壓力控制在0.3MPa以下，鋼球(43)緊壓在排水閥體(44)上，使氣體不溢出 而實現(xiàn)上端保壓；d、 冷凍巖心滑套(5)下行至外六方接手(6)的六個徑向通道時，沖洗 液經(jīng)此六個徑向通道，經(jīng)外六方接手(6)、軸(13)中孔到達活塞(20)，活塞(20)下行至活塞腔體(18)的三個徑向通道，沖洗液經(jīng)此三個徑向通道，經(jīng)活 塞腔體(18)到達酒精腔體活塞(23)，活塞腔體(18)下行，將常溫酒精從酒 精腔體(24)壓出后，經(jīng)酒精腔體連接件(27)、閥體(28)、經(jīng)干冰腔體上接手(31)上部的三個軸向通道進入酒精注入管(36)，再注入到保溫上蓋(33)、保 溫下蓋(39)與干冰保溫襯管(35)之間干冰存儲倉中部，常溫酒精催化干冰快 速升華吸熱，使常溫酒精變?yōu)榈蜏鼐凭蜏鼐凭?jīng)保溫下蓋的(39)的五個軸 向通道，經(jīng)套(40)和干冰腔體下接手(41)上的七個斜孔進入干冰腔體下接手(41)、巖心管(47)、膠墊(50)和保溫襯管(46)之間形成的環(huán)狀空腔內(nèi)，從 而通過低溫酒精實現(xiàn)孔底冷凍巖心；e、 在孔底冷凍5—10分鐘將取樣器提出至地表；f、 在上卡位管(53)與擴孔器(49)的連接處將上卡位管(53)連同鉆頭 (68) —同卸下，卸下卡簧座(66)和卡簧(67);g、 將半合管(48)連同巖心樣品一同從巖心管(47)內(nèi)抽出；h、 將半合管(48)兩端用膠塞密封，巖心樣品連同半合管(48)用液氮儲 存罐或者高壓容器保存。
10、按照權(quán)利要求9所述的干冰升華孔底冷凍保壓取樣方法，其特征在于采 用干冰為冷凍劑，酒精為助冷催化劑和載冷劑，通過孔底干冰升華吸熱制 冷酒精，并利用低溫酒精在孔底冷凍巖心。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種干冰升華孔底冷凍保壓取樣器及取樣方法。主要由懸掛差動機構(gòu)、單動機構(gòu)、控制機構(gòu)、冷凍機構(gòu)和保壓機構(gòu)構(gòu)成。采用干冰為冷凍劑，酒精為助冷催化劑和載冷劑，利用低溫酒精在孔底冷凍巖心；并通過關(guān)閉球閥進行巖樣保壓，從而抑制水合物巖心分解。取樣時卸下上卡位管和鉆頭，卸下卡簧及卡簧座，將半合管連同巖心從巖心管內(nèi)抽出，巖心樣品用液氮儲存罐或高壓容器保存。鉆進取心時外管和鉆頭回轉(zhuǎn)，內(nèi)管總成不回轉(zhuǎn)，因而在較大程度上避免了因鉆具回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械力對巖心的破壞，更有效地提高了巖心采取率、完整度和代表性，既能單純冷凍取樣，也能冷凍取樣和保壓巖心，與現(xiàn)有技術(shù)相比工藝簡單，操作簡便，極大地降低了成本。
文檔編號E21B49/00GK101514614SQ20091006674
公開日2009年8月26日 申請日期2009年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月2日
發(fā)明者孫友宏, 張祖培, 軍 薛, 威 郭, 晨 陳 申請人:吉林大學(xué)