專利名稱：天然氣水合物孔底冷凍取樣器及其取樣方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鉆探取樣器和取樣方法，尤其是用于海底或陸地永凍層天然 氣水合物保真取芯器具及取樣方法。
背景技術：
隨著高油價時代的來臨，催生各種可替代能源已經成為當務之急。目前全球 海底天然氣水合物中甲垸的碳總量相當于當前已知煤、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。我國僅南海天然氣水合物的總資源量大約相當于我國 陸上和近海石油天然氣總資源量的一半。因此，天然氣水合物作為一種可替代的 能源，其開發(fā)和利用日益被人們所重視。天然氣水合物主要分布在大洋邊緣海底 沉積物和陸上高寒長年永凍層中。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。
天然氣水合物是在低溫高壓下形成的，這種特殊條件對鉆探取樣的要求很 高。目前國內外的天然氣水合物取樣器以保壓取樣器為主，其設計思路是當水合 物巖芯進入保壓巖芯室后，通過球閥關閉巖芯管底部使巖芯保持初始壓力，并利 用壓力補償裝置控制壓力，以維持巖芯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?？變葞r芯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，這對于整個取芯器的強度， 特別是球閥的強度和密封性的要求就相當高。如果球閥的密封性稍有些下降，那 么巖芯就不能保持初始壓力，導致取芯失敗。而且當取樣器的設計壓力達到一定 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)明內容
本發(fā)明的目的就在于針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種通過外部冷源在孔 底降低水合物巖芯溫度來抑制水合物分解，采用主動式降溫的方法降低水合物臨 界分解壓力，無需保壓，就能實現(xiàn)被動式降壓維持水合物穩(wěn)定的天然氣水合物孔 底冷凍取樣器。
本發(fā)明的另一 目的提供一種天然氣水合物孔底冷凍取樣方法。 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的
采用液氮為冷凍劑，乙二醇為載冷劑在孔底冷凍巖芯，液氮預先儲存在取樣器中，低溫控制模塊控制液氮注入至載冷劑中的時間，使載冷劑始 終低于-30'C以下，這樣就可以保證巖芯在鉆探過程、冷凍巖芯過程和巖
芯提升過程始終保持-3crc以下的低溫狀態(tài)，從而抑制水合物巖芯分解。
天然氣水合物孔底冷凍取樣器是由制冷部分、低溫控制部分和冷凍保溫樣品 三部分構成。
天然氣水合物孔底冷凍取樣方法，包括以下次序和步驟
a、 在地面將載冷劑裝入載冷劑空腔16，三通道接手12蓋于其上，同時將 溫度傳感器15和溫度傳感器信號線13隨溫度傳感器保護管14、液氮注入管23 下入載冷劑中，開關傳感器9和開關傳感器信號線10與低溫控制模塊8連接， 三通道接手12上面為制冷蓄能罐5，液氮注入其中，溫控電磁閥20和液氮注入 管23通入其中，制冷蓄能罐5上面通過螺紋蓋有上接手3，裝好后，通過繩索 取芯機構1將天然氣水合物孔底冷凍取樣器下入孔底；
b、 鉆進時，天然氣水合物芯樣隨著進尺的深度進入巖芯管腔26，當進尺達 到或芯樣充滿巖芯管腔26的長度提鉆取樣時，打撈器從孔口下放，打撈器下 部打撈鉤與繩索取芯機構1的矛頭卡緊后，帶動繩索取芯機構l向上提取天 然氣水合物孔底冷凍取樣器內管總成一段距離，使開關傳感器9經過磁鐵環(huán)6產 生開關信號，開關信號經開關傳感器信號線10送給低溫控制模塊8，啟動低溫 控制模塊8工作；
c、 向上提取天然氣水合物孔底冷凍取樣器內管總成一段距離，能夠使低溫 控制模塊8開始工作后，停止提取。同時，內管總成帶動巖芯管24底部裝有的 卡簧28向上運動，通過卡簧座27的楔面加緊芯樣，將芯樣拔斷。載冷劑對芯樣 開始冷凍保護，當載冷劑溫度高于-3(TC時，溫度傳感器15通過溫度傳感器信號 線13將信號送給低溫控制模塊8，低溫控制模塊8通過溫控信號線19將指令傳 給溫控電磁閥20，溫控電磁閥20啟動，通過螺旋形液氮注入管23將液氮送入 載冷劑空腔16降低載冷劑的溫度，換熱后液氮變成氣，通過排氣閥21排入巖芯 管腔26，巖芯管腔26中的液體經排水閥11排入環(huán)狀間隙；
d、 冷凍一段時間(20 30min)后，打撈器下部打撈鉤通過繩索取芯機構1 的矛頭把天然氣水合物孔底冷凍取樣器內管總成和巖芯從孔內撈取上來一同提 升到地面，打開卡簧28將半合管25和芯樣一同從巖芯管24中抽出。
本發(fā)明的目的還可以通過以下技術方案實現(xiàn) 制冷部分是由上接手3通過螺紋與制冷蓄能罐5連接組成。 低溫控制部分是由溫度傳感器15通過溫度傳感器信號線13、低溫控制模 塊8、溫控信號線19與溫控電磁閥20連接，開關傳感器9通過開關傳感器信號 線10與低溫控制模塊8連接，磁鐵環(huán)6嵌裝在外管2的內壁上，通過在溫度傳 感器15和溫度傳感器信號線13的外部設有溫度傳感器保護管14，低溫控制模塊8嵌裝在三通道接手12的中部，密封蓋7蓋在其上，密封蓋7通過螺紋與三 通道接手12連接。
冷凍保溫樣品部分是由載冷劑底蓋17下端通過螺紋連接保溫襯管22的下 部，保溫襯管22的上部通過螺紋與三通道接手12連接構成載冷劑空腔16，載 冷劑空腔16的中部貫通設有巖芯管腔26，巖芯管腔26與載冷劑空腔16之間為 巖芯管24和半合管25，液氮注入管23的上端通過溫控電磁閥20與制冷蓄能罐 5連接，液氮注入管23的中段呈螺旋型置于載冷劑空腔16中，并與設在巖芯管 腔26上部的排氣閥21連通。
載冷劑為乙二醇，液氮為冷凍劑。
有益效果本發(fā)明解決了目前水合物取樣器單純主動式保壓取芯的缺陷，通 過外部冷源在孔底降低水合物巖芯溫度來抑制水合物分解，采用主動式降溫的方 法降低水合物臨界分解壓力，無需保壓，實現(xiàn)被動式降壓維持水合物的穩(wěn)定性， 方法簡單，易獲得保真程度較高的天然氣水合物芯樣。
圖l:天然氣水合物孔底冷凍取樣器結構圖。 圖2:低溫控制框圖。
l繩索取芯機構，2外管，3上接手，4環(huán)狀間隙，5液氮制冷蓄能罐，6磁 鐵環(huán)，7密封蓋，8低溫控制模塊，9開關傳感器，IO開關傳感器信號線，11排 水閥，12三通道接手，13溫度傳感器信號線，14溫度傳感器保護管，15溫度傳 感器，16載冷劑空腔，17載冷劑底蓋，18鉆頭，19溫控信號線，20溫控電磁 閥，21排氣閥，22保溫襯管，23液氮注入管，24巖芯管，25半合管，26巖芯 管腔，27卡簧座，28卡簧。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例作進一步詳細說明-
采用液氮為冷凍劑，乙二醇為載冷劑在孔底冷凍巖芯，液氮預先儲存 在取樣器中，低溫控制電路控制液氮注入至載冷劑中的時間，使載冷劑始 終低于-3(TC以下，這樣就可以保證巖芯在鉆探過程、冷凍巖芯過程和巖 芯提升過程始終保持-30'C以下的低溫狀態(tài)，從而抑制水合物巖芯分解。
天然氣水合物孔底冷凍取樣器是由制冷部分、低溫控制部分和冷凍保溫樣品 三部分構成。
天然氣水合物孔底冷凍取樣方法，包括以下次序和步驟 a、在地面將載冷劑裝入載冷劑空腔16，三通道接手12蓋于其上，同時將 溫度傳感器15和溫度傳感器信號線13隨溫度傳感器保護管14、液氮注入管23 下入載冷劑中，開關傳感器9和開關傳感器信號線10與低溫控制模塊8連接，三通道接手12上面為制冷蓄能罐5，液氮注入其中，溫控電磁閥20和液氮注入 管23通入其中，制冷蓄能罐5上面通過螺紋蓋有上接手3，裝好后，通過繩索 取芯機構1將天然氣水合物孔底冷凍取樣器下入孔底；
b、 鉆進時，天然氣水合物芯樣隨著進尺的深度進入巖芯管腔26，當進尺達 到或芯樣充滿巖芯管腔26的長度提鉆取樣時，打撈器從孔口下放，打撈器下 部打撈鉤與繩索取芯機構1的矛頭卡緊后，帶動繩索取芯機構1向上提取天 然氣水合物孔底冷凍取樣器內管總成一段距離，使開關傳感器9經過磁鐵環(huán)6產 生開關信號，開關信號經開關傳感器信號線10送給低溫控制模塊8，啟動低溫 控制模塊8工作；
c、 向上提取天然氣水合物孔底冷凍取樣器內管總成一段距離，能夠使低溫 控制模塊8開始工作后，停止提取。同時，內管總成帶動巖芯管24底部裝有的 卡簧28向上運動，通過卡簧座27的楔面加緊芯樣，將芯樣拔斷。載冷劑對芯樣 開始冷凍保護，當載冷劑溫度高于-3(TC時，溫度傳感器15通過溫度傳感器信號 線13將信號送給低溫控制模塊8，低溫控制模塊8通過溫控信號線19將指令傳 給溫控電磁閥20，溫控電磁閥20啟動，通過螺旋形液氮注入管23將液氮送入 載冷劑空腔16降低載冷劑的溫度，換熱后液氮變成氣，通過排氣閥21排入巖芯 管腔26，巖芯管腔26中的液體經排水閥11排入環(huán)狀間隙；
d、 冷凍一段時間20min后，打撈器下部打撈鉤通過繩索取芯機構1的矛頭 把天然氣水合物孔底冷凍取樣器內管總成和巖芯從孔內撈取上來一同提升到地 面，打開卡簧28將半合管25和芯樣一同從巖芯管24中抽出。
制冷部分是由上接手3通過螺紋與儲冷蓄能罐5連接組成。 低溫控制部分由溫度傳感器15通過溫度傳感器信號線13、低溫控制模 塊8、溫控信號線19與溫控電磁閥20連接，開關傳感器9通過開關傳感器信號 線10與低溫控制模塊8連接，磁鐵環(huán)6嵌裝在外管2的內壁上，通過在溫度傳 感器15和溫度傳感器信號線13的外部設有溫度傳感器保護管14，低溫控制模 塊8嵌裝在三通道接手12的中部，密封蓋7蓋在其上，密封蓋7通過螺紋與三 通道接手12連接。
冷凍保溫樣品部分是由載冷劑底蓋14'通過螺紋連接保溫襯管22下部，保 溫襯管22的上部通過螺紋與三通道接手12連接構成載冷劑空腔16，載冷劑空 腔16的中部貫通設有巖芯管腔26,巖芯管腔26與載冷劑空腔16之間為巖芯管 24和半合管25，液氮注入管23的上端通過溫控電磁閥20與制冷蓄能罐5連接， 液氮注入管23的中段呈螺旋型置于載冷劑空腔16中，并與設在巖芯管腔26上 部的排氣閥21連通；三通道接手12的中部設有排水閥12和排水管，并與外管 2與內管之間構成的總成環(huán)狀間隙4相通。
載冷劑為乙二醇，液氮為冷凍劑?？ɑ?8和卡簧座27裝在管靴上，管靴通過螺紋與巖芯管24連接，半合管 25與其外側的巖芯管24滑動配合，載冷劑底蓋17通過密封圈與巖芯管24緊密 配合連接，載冷劑底蓋17通過螺紋與保溫襯管22連接，保溫襯管22上端通過 螺紋與三通道接手12連接，三通道接手12通過密封圈與巖芯管24緊密配合連 接，三通道接手12與載冷劑底蓋17之間為載冷劑空腔16，三通道接手12中部 設有排水閥ll和排水管，并與總成環(huán)狀間隙4相通，磁鐵環(huán)6嵌裝在外管2的 內壁上，三通道接手12上裝有開關傳感器9通過開關傳感器信號線10與低溫控 制模塊8連接，三通道接手12的一側裝有溫度傳感器保護管14，溫度傳感器 保護管14內裝有溫度傳感器15和溫度傳感器信號線13，溫度傳感器保護管14 的下端插入載冷劑空腔16，上端與低溫控制模塊8相連，三通道接手12的另一 側裝有液氮注入管23，液氮注入管23的中段螺旋型插入載冷劑空腔16，液氮注 入管23下端與排氣閥21相連，上端與溫控電磁閥20相連，并與制冷蓄能罐5 相連通，溫控電磁閥20通過溫控信號線19與低溫控制模塊8連接，密封蓋7通 過螺紋與三通道接手12連接，蓋在低溫控制模塊8之上，三通道接手12上凸出 端設有的外螺紋與內管內螺紋連接，內管上端設有的內螺紋與上接手3設有的外 螺紋連接，三通道接手12與上接手3之間的空間為制冷蓄能罐5，制冷蓄能罐 5儲存液氮，可保證液氮不與外界發(fā)生熱交換，使液氮在罐中呈高壓狀態(tài)。 上接手3的外凸出端通過螺紋與繩索取芯機構1連接。外管2通過螺紋與 鉆頭18連接。
低溫控制低溫控制模塊8接收到由開關傳感器9經開關傳感器信號線10 傳來的開關信號后，低溫控制模塊開始工作。由溫度傳感器15測定載冷劑溫度， 及時將溫度參數(shù)通過溫度傳感器信號線13送給低溫控制模塊8，低溫控制模塊8 根據(jù)預先設定的參數(shù)-30'C控制溫控電磁閥20開啟或關閉，當載冷劑溫度高于 -3(TC時溫度傳感器15及時將這一溫度參數(shù)通過溫度傳感器信號線13送給低溫 控制模塊8，低溫控制模塊8發(fā)出開啟溫控電磁閥20的指令，液氮就通過液氮 注入管23送入載冷劑空腔16降低載冷劑的溫度。低溫控制模塊8為通用電路圖。
當載冷劑溫度低于-3(TC時溫度傳感器15及時將這一溫度參數(shù)通過溫度傳 感器信號線13送給低溫控制模塊8，低溫控制模塊8發(fā)出關閉溫控電磁閥20的 指令，就停止向載冷劑空腔16注入液氮。
鉆進時，天然氣水合物芯樣隨著進尺的深度進入巖芯管腔26，當進尺達到 或芯樣充滿巖芯管腔26的長度提鉆取樣時，打撈器從孔口下放，打撈器下部 打撈鉤與繩索取芯機構1的矛頭卡緊后，帶動繩索取芯機構l向上提取天然 氣水合物孔底冷凍取樣器一段距離，使開關傳感器9經過磁鐵環(huán)6產生開關信號， 開關信號經開關傳感器信號線10送給低溫控制模塊8，啟動低溫控制模塊8工 作。向上提取天然氣水合物孔底冷凍取樣器內管總成一段距離，能夠使低溫控制 模塊8開始工作后，停止提取，開始冷凍。同時，內管總成帶動巖芯管24底部 裝有的卡簧28向上運動，通過卡簧座27的楔面加緊芯樣，將芯樣拔斷。載冷劑 對芯樣開始冷凍保護，當載冷劑溫度高于-3(TC時，溫度傳感器15通過溫度傳感 器信號線13將信號送給低溫控制模塊8，低溫控制模塊8通過溫控信號線19將 指令傳給溫控電磁閥20，溫控電磁閥20啟動，通過螺旋形液氮注入管23將液 氮送入載冷劑空腔16降低載冷劑的溫度，換熱后液氮變成氣，通過排氣閥21排 入巖芯管腔26，巖芯管腔26中的液體經排水閥11排入環(huán)狀間隙。冷凍20分鐘 后繼續(xù)提取，打撈器下部打撈鉤通過繩索取芯機構1的矛頭把天然氣水合物孔底 冷凍取樣器內管總成和巖芯從孔內撈取上來，打開卡簧28將半合管25和芯樣 一同從巖芯管24中抽出，從而實現(xiàn)不提鉆取芯。繩索取芯機構1上部彈 卡貼附在外管2內壁上。繩索取芯機構1具有單動功能，可保證在鉆進取 樣時制冷部分、低溫控制部分和冷凍保溫樣品部分不回轉，避免對水合物 巖芯的攪動。
開關傳感器9電源采用9V直流電池，且在鉆進的過程中始終工作。溫控電 磁閥20、低溫控制模塊8、溫度傳感器15的電源釆用24V直流電池，鉆進取樣 的過程中不工作。
當進尺達到或芯樣充滿巖芯管腔26的長度提鉆取樣時，打撈器從孔口下 放，打撈器下部打撈鉤與繩索取芯機構1的矛頭卡緊后，帶動繩索取芯機 構l向上提取天然氣水合物孔底冷凍取樣器內管總成一段距離，使開關傳感器9 經過磁鐵環(huán)6產生開關信號，經開關傳感器信號線10輸入24V直流電，啟動低 溫控制元件7、溫控電磁閥17和溫度傳感器12開始工作，開始冷凍水合物樣品。
權利要求
1、一種天然氣水合物孔底冷凍取樣器，包括打撈器、繩索取芯機構，其特征在于，是由制冷部分、低溫控制部分和冷凍保溫樣品三部分構成。
2、 按照權利要求1所述的天然氣水合物孔底冷凍取樣器，其特征在于，制 冷部分是由上接手(3)通過螺紋與制冷蓄能罐(5)連接組成。
3、 按照權利要求1所述的天然氣水合物孔底冷凍取樣器，其特征在于，低 溫控制部分是由溫度傳感器(15)通過溫度傳感器信號線(13)、低溫控制模塊(8)、溫控信號線(19)與溫控電磁閥(20)連接，開關傳感器(9)通過開關 傳感器信號線(10)與低溫控制模塊(8)連接，磁鐵環(huán)(6)嵌裝在外管(2) 的內壁上，溫度傳感器(15)和溫度傳感器信號線(13)的外部設有溫度傳感器 保護管(14)，低溫控制模塊(8)嵌裝在三通道接手(12)的中部，密封蓋(7) 蓋在其上，密封蓋(7)通過螺紋與三通道接手(12)連接。
4、 按照權利1要求所述的天然氣水合物孔底冷凍取樣器，其特征在于，冷 凍保溫樣品部分是由載冷劑底蓋(17)下端通過螺紋連接保溫襯管(22)的下部， 保溫襯管(22)的上部通過螺紋與三通道接手(12)連接構成載冷劑空腔(16)， 載冷劑空腔(16)的中部貫通設有巖芯管腔(26)，巖芯管腔(26)與載冷劑空 腔(16)之間為巖芯管(24)和半合管(25)，液氮注入管(23)的上端通過溫 控電磁閥(20)與制冷蓄能罐(5)連接，液氮注入管(23)的中段呈螺旋型置 于載冷劑空腔(16)中，并與設在巖芯管腔(26)上部的排氣閥(21)連通。
5、 按照權利2要求所述的天然氣水合物孔底冷凍取樣器，其特征在于，三 通道接手(12)的中部設有排水閥(11)，并與外管(2)與內管之間構成的環(huán)狀 間隙(4)相通。
6、 按照權利要求4所述的天然氣水合物孔底冷凍取樣器，其特征在于，載 冷劑為乙二醇，冷凍劑為液氮。
7、 按照權利要求1所述的天然氣水合物孔底冷凍取樣方法，其特征在于包 括以下次序和步驟a、 在地面將載冷劑裝入載冷劑空腔(16)，三通道接手(12)蓋于其上，同 時將溫度傳感器(15)和溫度傳感器信號線(13)隨溫度傳感器保護管(14)、 液氮注入管(23)下入載冷劑中，開關傳感器(9)和開關傳感器信號線(10) 與低溫控制模塊(8)連接，三通道接手(12)上面為制冷蓄能罐(5)，液氮注 入其中，溫控電磁閥(20)和液氮注入管(23)通入其中，制冷蓄能罐(5)上 面通過螺紋蓋有上接手(3)，裝好后，通過繩索取芯機構(1)將天然氣水合物 孔底冷凍取樣器下入孔底；b、 鉆進時，天然氣水合物芯樣隨著進尺的深度進入巖芯管腔(26)，當進尺達到或芯樣充滿巖芯管腔(26)的長度提鉆取樣時，打撈器從孔口下放，打撈 器下部打撈鉤與繩索取芯機構(1)的矛頭卡緊后，帶動繩索取芯機構(1) 向上提取天然氣水合物孔底冷凍取樣器內管總成一段距離，使開關傳感器(9) 經過磁鐵環(huán)(6)產生開關信號，開關信號經開關傳感器信號線(10)送給低溫控制模塊(8),啟動低溫控制模塊(8)工作；c、 向上提取天然氣水合物孔底冷凍取樣器內管總成一段距離，能夠使低溫控制模塊(8)開始工作后，停止提取。同時，內管總成帶動巖芯管(24)底部 裝有的卡簧(28)向上運動，通過卡簧座(27)的楔面加緊芯樣，將芯樣拔斷。 載冷劑對芯樣開始冷凍保護，當載冷劑溫度高于-3(TC時，溫度傳感器(15)通 過溫度傳感器信號線(13)將信號送給低溫控制模塊(8)，低溫控制模塊(8) 通過溫控信號線(19)將指令傳給溫控電磁閥(20)，溫控電磁閥(20)啟動， 通過螺旋形液氮注入管(23)將液氮送入載冷劑空腔(16)降低載冷劑的溫度， 換熱后液氮變成氣，通過排氣閥(21)排入巖芯管腔(26)，巖芯管腔(26)中 的液體經排水閥(11)排入環(huán)狀間隙；d、 冷凍一段時間(20 30min)后，打撈器下部打撈鉤通過繩索取芯機構(1) 的矛頭把天然氣水合物孔底冷凍取樣器內管總成和巖芯從孔內撈取上來一同提 升到地面，打開卡簧(28)將半合管(25)和芯樣一同從巖芯管(24)中抽出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鉆探取樣器和取樣方法，尤其是用于海底或陸地永凍層天然氣水合物保真取芯取樣器及其取樣方法。天然氣水合物孔底冷凍取樣器是由制冷部分、低溫控制部分和冷凍保溫樣品三部分構成。采用液氮為冷凍劑，乙二醇為載冷劑在孔底冷凍水合物樣品，液氮預先儲存在取樣器中，低溫控制模塊控制液氮注入載冷劑的時間，使載冷劑溫度始終保持低于-30℃以下抑制水合物樣品分解。解決了目前水合物取樣器單純主動式保壓取芯的缺陷，通過外部冷源在孔底降低水合物樣品溫度來抑制水合物分解，采用主動式降溫的方法降低水合物臨界分解壓力，無需保壓，實現(xiàn)被動式降壓維持水合物的穩(wěn)定性，方法簡單，易獲得保真程度較高的天然氣水合物芯樣。
文檔編號G01N1/42GK101532922SQ20081005047
公開日2009年9月16日 申請日期2008年3月14日 優(yōu)先權日2008年3月14日
發(fā)明者孫友宏, 張祖培, 瓦列里·契斯佳科夫, 軍 薛, 威 郭, 晨 陳 申請人:吉林大學