本發(fā)明涉及一種保壓取心鉆具，尤其是一種海底天然氣水合物巖心保壓取心鉆具，屬于鉆井設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

天然氣水合物(也就是可燃冰)被譽為未來的清潔能源、石油的替代者，其有儲量大、熱值高、排放低、無污染等優(yōu)點。天然氣水合物分為陸域和海域分布兩種，海底的分布范圍比陸地要大很多。在我國南海及東海海域分布著大量天然氣水合物，2002-2015年間，我國相繼在南海北部陸坡的西沙、東沙、神狐和瓊東南海域開展了天然氣水合物資源調(diào)查及研究工作，并取得了一系列勘探成果和理論突破，我國在天然氣水合物開發(fā)上處于國際領(lǐng)先地位。

目前，海底天然氣水合物的開發(fā)處于勘探和試采的重要技術(shù)探索期，在勘探過程中，鉆探取心是最重要最直接的手段?，F(xiàn)階段海底天然氣水合物取心技術(shù)采用的是從鉆井平臺或者鉆探船上提鉆取心的方式，所用鉆具也是按照普通提鉆取心鉆具設(shè)計。而天然氣水合物生成和賦存于海底低溫高壓環(huán)境中，用普通提鉆取心方法進行取心時，天然氣水合物在從海底取出轉(zhuǎn)移到鉆井平臺或者鉆探船上時，會因為壓力降低而發(fā)生分解，這樣就無法對原狀樣品進行測試。因此，亟需發(fā)明一種可用于天然氣水合物的巖心保壓取心鉆具。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種海底天然氣水合物巖心保壓取心鉆具，它可通過繩索打撈方式來獲取巖心樣品，旨在使取得的巖心樣品能夠最大程度還原出海底礦產(chǎn)賦存條件，為改進天然氣水合物開采技術(shù)提供依據(jù)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種海底天然氣水合物巖心保壓取心鉆具，它與繩索打撈取心鉆進工藝相匹配，其構(gòu)成中包括內(nèi)管總成和外管總成；所述外管總成為上下貫通的空腔結(jié)構(gòu)，其上端通過接頭與鉆桿連接，在外管總成下端設(shè)置鉆頭；所述內(nèi)管總成置于外管總成空腔中，在內(nèi)管總成的下端設(shè)置巖心管，并在巖心管下端設(shè)置卡簧和卡簧座；其特別之處在于：它還設(shè)有壓力補償系統(tǒng)，所述壓力補償系統(tǒng)設(shè)有保壓帽組件，所述保壓帽組件與內(nèi)管總成中卡簧座匹配，天然氣水合物巖心從孔底轉(zhuǎn)移到海底鉆機上時，保壓帽組件與卡簧座插接實現(xiàn)巖心管下端的密封。

上述海底天然氣水合物巖心保壓取心鉆具，所述壓力補償系統(tǒng)還設(shè)有傳感器、plc控制器、配電柜、電機、補壓泵和補壓管路；所述補壓管路中介質(zhì)為海水，在補壓管路中設(shè)置補壓泵，所述補壓泵在電機驅(qū)動下運轉(zhuǎn)；所述傳感器安裝在保壓帽組件上，用于采集巖心樣品的壓力信號，傳感器連接plc控制器的輸入端，所述plc控制器的輸出端與配電柜連接，由配電柜控制電機動作。

上述海底天然氣水合物巖心保壓取心鉆具，所述內(nèi)管總成還包括撈矛頭、回收管、彈卡、上分水接頭、懸掛環(huán)、活塞組件、缸套、單動機構(gòu)和下分水接頭；所述撈矛頭、回收管、上分水接頭、缸套、單動機構(gòu)和下分水接頭由上至下依次裝配，在上分水接頭、缸套和下分水接頭的內(nèi)腔形成活塞組件上下活動空間；所述懸掛環(huán)套裝在上分水接頭外面，所述彈卡與回收管配裝；內(nèi)管總成通過彈卡、懸掛環(huán)與外管總成配合實現(xiàn)鉆進過程中的軸向定位。

上述海底天然氣水合物巖心保壓取心鉆具，所述活塞組件包括活塞、第一彈簧、鋼球、鋼球座和第二彈簧；所述活塞套裝在缸套內(nèi)，在活塞桿外面套裝第一彈簧；所述第一彈簧和第二彈簧均為壓縮彈簧，第二彈簧置于鋼球座中，在第二彈簧上的裝配鋼球；所述鋼球座置于下分水接頭內(nèi)腔中，在鋼球座上設(shè)有與下分水接頭內(nèi)腔貫通的通孔，鉆進作業(yè)時，在鉆井液壓力作用下，活塞處于下止點位置，鋼球在活塞桿推動下克服第二彈簧彈力向下運動，使鋼球座通孔與巖心管貫通；取心作業(yè)時，活塞在第一彈簧的作用下處于上止點位置，鋼球在第二彈簧彈力作用下將鋼球座通孔封閉，實現(xiàn)巖心管的上端密封。

上述海底天然氣水合物巖心保壓取心鉆具，所述外管總成還設(shè)有彈卡擋頭、彈卡室、上擴孔器、外管和下擴孔器；所述彈卡擋頭上端通過接頭與鉆桿連接，在彈卡擋頭下面依次裝配彈卡室、上擴孔器、外管和下擴孔器，所述下擴孔器下端與鉆頭連接；所述彈卡擋頭、彈卡室與內(nèi)管總成中彈卡相匹配。

本發(fā)明為一種海底天然氣水合物巖心保壓取心鉆具，其工作過程主要包括正常鉆進和保壓取心兩個步驟。正常鉆進作業(yè)時，內(nèi)管總成通過鉆桿投放至孔底，并通過懸掛環(huán)坐落到外管總成上；鉆機運轉(zhuǎn)后，在鉆井液壓力作用下，內(nèi)管總成中活塞移動至下止點位置，鋼球在活塞桿推動下克服第二彈簧彈力向下運動，使鋼球座通孔與巖心管貫通；鉆機鉆進過程中，隨著巖心管下端巖心的進入，推動巖心管里的鉆井液由下分水接頭流道流出；當鉆進回次結(jié)束鉆井液停止循環(huán)后，失去鉆井液壓力，活塞在彈簧的作用力下被推至上止點位置，鋼球在第二彈簧彈力作用下將鋼球座通孔封閉，實現(xiàn)巖心管的上端密封；此后進入取心工作步驟，下入打撈矛，使其與撈矛頭配合將內(nèi)管總成從外管總成中提出；當天然氣水合物巖心從孔底轉(zhuǎn)移到海底鉆機上時，將保壓帽組件與卡簧座插接，實現(xiàn)巖心管下端的密封，此時巖心管上下兩端均處于密封狀態(tài)，可通過傳感器采集巖心管內(nèi)樣品壓力信息，由plc控制器判定巖心管內(nèi)樣品壓力是否與天然氣水合物生成和賦存于海底的環(huán)境壓力一致，當巖心管內(nèi)樣品壓力小于天然氣水合物生成和賦存于海底的環(huán)境壓力時，plc控制器對配電柜發(fā)出指令，電機驅(qū)動補壓泵開始運轉(zhuǎn)，通過補壓管路對巖心管內(nèi)進行壓力補充，使巖心管內(nèi)樣品壓力與海底的環(huán)境壓力一致。由此可見，通過本發(fā)明取得的巖心樣品，能夠最大程度還原出海底礦產(chǎn)賦存條件，為改進天然氣水合物開采技術(shù)提供了依據(jù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述海底天然氣水合物巖心保壓取心鉆具示意圖；

圖2是內(nèi)管總成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖2中a段結(jié)構(gòu)放大圖；

圖4是圖2的b段結(jié)構(gòu)放大圖；

圖5是外管總成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是壓力補償系統(tǒng)示意圖；

圖7、圖8是本發(fā)明鉆進過程示意圖；

圖9是本發(fā)明處于保壓取心工作狀態(tài)示意圖；

圖10是圖9中i處放大圖。

圖中各標號表示為：

1、內(nèi)管總成，1-1、撈矛頭，1-2、回收管，1-3、彈卡，1-4、上分水接頭，1-5、懸掛環(huán)，1-6、活塞，1-7、第一彈簧，1-8、缸套，1-9、單動機構(gòu)，1-10、下分水接頭，1-11、剛球座，1-12、鋼球，1-13、第二彈簧，1-14、巖心管，1-15、卡簧座，1-16、卡簧；

2、外管總成，2-1、彈卡擋頭，2-2、彈卡室，2-3、上擴孔器，2-4、外管，2-5、下擴孔器，2-6、鉆頭；

3、壓力補充系統(tǒng)，3-1、保壓帽組件，3-2、傳感器，3-3、補壓泵，3-4、電機，3-5、plc控制器，3-6、配電柜，3-7、補壓管路；

4、巖心。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明：

參看圖1，本發(fā)明提供一種海底天然氣水合物巖心保壓取心鉆具，它與繩索打撈取心鉆進工藝相匹配，其構(gòu)成中包括內(nèi)管總成1和外管總成2，所述外管總成2為上下貫通的空腔結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)管總成1置于外管總成2的空腔中，其特別之處在于：所述海底天然氣水合物巖心保壓取心鉆具還設(shè)有壓力補償系統(tǒng)3。

參看圖2、圖3、圖4，在本發(fā)明所述的海底天然氣水合物巖心保壓取心鉆具中，所述內(nèi)管總成1包括撈矛頭1-1、回收管1-2、彈卡1-3、上分水接頭1-4、懸掛環(huán)1-5、活塞組件、缸套1-8、單動機構(gòu)1-9、下分水接頭1-10、巖心管1-14、卡簧1-16和卡簧座1-15；所述撈矛頭1-1、回收管1-2、上分水接頭1-4、缸套1-8、單動機構(gòu)1-9、下分水接頭1-10、巖心管1-14和卡簧座1-15由上至下依次裝配，在上分水接頭1-4、缸套1-8和下分水接頭1-10的內(nèi)腔形成活塞組件上下活動空間；所述活塞組件包括活塞1-6、第一彈簧1-7、鋼球1-12、鋼球座1-11和第二彈簧1-13，所述活塞1-6套裝在缸套1-8內(nèi)，在活塞桿外面套裝第一彈簧1-7，所述第一彈簧1-7和第二彈簧1-13均為壓縮彈簧，第二彈簧1-13置于鋼球座1-11中，在第二彈簧1-13上裝配鋼球1-12，所述鋼球座1-11置于下分水接頭1-10內(nèi)腔中，在鋼球座1-11上設(shè)有與下分水接頭內(nèi)腔貫通的通孔；所述懸掛環(huán)1-5套裝在上分水接頭1-4外面，所述彈卡1-3與回收管1-2配裝；所述卡簧1-16布置在卡簧座1-15中；內(nèi)管總成1通過彈卡1-3、懸掛環(huán)1-5與外管總成2配合實現(xiàn)鉆進過程中的軸向定位。

參看圖1、圖5，在本發(fā)明所述的海底天然氣水合物巖心保壓取心鉆具中，所述外管總成2設(shè)有彈卡擋頭2-1、彈卡室2-2、上擴孔器2-3、外管2-4、下擴孔器2-5和鉆頭2-6；所述彈卡擋頭2-1上端通過接頭與鉆桿連接，在彈卡擋頭2-1下面依次裝配彈卡室2-2、上擴孔器2-3、外管2-4、下擴孔器2-5和鉆頭2-6；所述彈卡擋頭2-1、彈卡室2-2與內(nèi)管總成1中彈卡1-3相匹配。

參看圖1、圖6，在本發(fā)明所述的海底天然氣水合物巖心保壓取心鉆具中，所述壓力補償系統(tǒng)3設(shè)有保壓帽組件3-1、傳感器3-2、plc控制器3-5、配電柜3-6、電機3-4、補壓泵3-3和補壓管路3-7；所述保壓帽組件3-1與內(nèi)管總成1中卡簧座1-15匹配；所述補壓管路3-7中介質(zhì)為海水，在補壓管路3-7中設(shè)置補壓泵3-3，所述補壓泵3-3在電機3-4驅(qū)動下運轉(zhuǎn)；所述傳感器3-2安裝在保壓帽組件3-1上，用于采集巖心樣品的壓力信號，傳感器3-2連接plc控制器3-5的輸入端，所述plc控制器3-5的輸出端與配電柜3-6連接，由配電柜3-6控制電機3-4動作。

參看圖7、圖8、圖9、圖10，本發(fā)明所述的海底天然氣水合物巖心保壓取心鉆具，其工作過程主要包括正常鉆進和取心兩個步驟。正常鉆進作業(yè)時，內(nèi)管總成1通過鉆桿投放至孔底，并通過懸掛環(huán)1-5坐落到外管總成2上；鉆機運轉(zhuǎn)后，在鉆井液壓力作用下，內(nèi)管總成1中活塞1-6移動至下止點位置，鋼球1-12在活塞桿推動下克服第二彈簧1-13彈力向下運動，使鋼球座1-11的通孔與巖心管1-14貫通；鉆進過程中，隨著巖心管1-14下端巖心4的進入，推動巖心管1-14里的鉆井液由下分水接頭1-10的流道流出；當停鉆井液后，活塞1-6在第一彈簧1-7的作用下被推至上止點位置，鋼球1-12在第二彈簧1-13彈力作用下將鋼球座1-11的通孔封閉，實現(xiàn)巖心管1-14的上端密封；此后進入取心工作步驟，下入打撈矛，使其與撈矛頭1-1配合將內(nèi)管總成1從外管總成2中提出；當天然氣水合物巖心4從孔底轉(zhuǎn)移到海底鉆機上時，將壓力補償系統(tǒng)3的保壓帽組件3-1與內(nèi)管總成1的卡簧座1-15插接，實現(xiàn)巖心管1-14下端的密封，此時巖心管1-14上下兩端均處于密封狀態(tài)，可通過傳感器3-2采集巖心管1-14內(nèi)樣品壓力信息，由plc控制器3-5判定巖心管1-14內(nèi)樣品壓力是否與天然氣水合物生成和賦存于海底的環(huán)境壓力一致，當巖心管1-14內(nèi)樣品壓力小于天然氣水合物生成和賦存于海底的環(huán)境壓力時，plc控制器3-5對配電柜3-6發(fā)出指令，由電機3-4驅(qū)動補壓泵3-3開始運轉(zhuǎn)，通過補壓管路3-7對巖心管1-14內(nèi)進行壓力補充，使巖心管1-14內(nèi)樣品壓力與海底的環(huán)境壓力一致。