專利名稱：冰閥式保壓保溫取樣器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉆探取樣機(jī)具，尤其是天然氣水合物鉆探取樣用的保壓保溫取樣
鉆具。
背景技術(shù)：
天然氣水合物具有分布廣、儲(chǔ)量巨大、能量密度高等特點(diǎn)，是人類未來(lái)的潛在潔凈 新能源，對(duì)全球環(huán)境和海洋鉆井生產(chǎn)安全有重要影響。專家初步估算我國(guó)天然氣水合物蘊(yùn) 含的總能量約為境內(nèi)已知石油、天然氣和煤炭能量之和的1倍以上，勘探開發(fā)天然氣水合 物意義重大。 天然氣水合物的特殊形態(tài)決定了其穩(wěn)定存在需要高壓低溫條件，要求鉆探取樣鉆 具具有保壓保溫功能。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有保壓鉆具采用球閥或板閥等機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)閉取樣鉆具下部 端口，從而實(shí)現(xiàn)保壓功能，存在的突出問(wèn)題是，球閥或板閥常常難以正常關(guān)閉，從而不能正 常發(fā)揮保壓功能，發(fā)揮保壓功能的次數(shù)占總?cè)哟螖?shù)的比例不到60%，可靠性差；而且，球 閥或板閥在設(shè)計(jì)上占用較大的徑向尺寸，因而天然氣水合物巖心直徑較小而容易被破壞， 造成巖心采取率較低，往往不到50 % ，不能很好地滿足天然氣水合物勘探要求和科學(xué)研究 需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有良好保壓保溫功能的 冰閥式保壓保溫取樣器。 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 保壓功能依靠機(jī)械密封和冷凍液循環(huán)制冷在巖心管下方形成的冰閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。保溫 則通過(guò)在內(nèi)循環(huán)管下51外壁表面涂覆多孔泡沫塑料、保溫漆和反射膜實(shí)現(xiàn)。
冰閥式保壓保溫取樣器包括鉆進(jìn)與取樣切換機(jī)構(gòu)、冷凍液循環(huán)系統(tǒng)、巖心管提升 和定位機(jī)構(gòu)、上部機(jī)械密封機(jī)構(gòu)、冰閥形成機(jī)構(gòu)、巖心管單動(dòng)機(jī)構(gòu)和通道I-VI11構(gòu)成。
本發(fā)明的目的還可以通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) 鉆進(jìn)與取樣切換機(jī)構(gòu)包括異徑接頭1通過(guò)螺紋與分流閥座2連接，分流閥座2通 過(guò)螺紋與折返接頭8連接，折返接頭8通過(guò)螺紋與外管17連接，分流閥閥心6插入分流閥 座2并通過(guò)擋圈3和分流閥彈簧7定位，彈子球4置于分流閥閥心6中心通道上部。
冷凍液循環(huán)系統(tǒng)包括外缸14插入折返接頭8內(nèi)并用密封圈密封，外缸14通過(guò)螺 紋與外泵體20連接，下缸蓋16、缸體13、上缸蓋12、射流元件11和墊片10自下而上依次插 入外缸14中并用密封圈密封，潛孔錘上接頭9通過(guò)螺紋與外缸14的最上部連接，隔管18 插接到折返接頭8上并用密封圈密封，潛孔錘活塞15沿缸體13、下缸蓋16、外泵體20內(nèi)壁 滑動(dòng)形成滑動(dòng)副；往復(fù)泵活塞19插入外泵體20內(nèi)形成滑動(dòng)副，由往復(fù)泵活塞19與外泵體 20間用密封圈密封，堵頭21通過(guò)螺紋與外泵體20連接，排液閥閥心24插入到排液閥閥座 25中構(gòu)成排液閥，進(jìn)液閥閥心27插入到進(jìn)液閥閥座28中構(gòu)成進(jìn)液閥，內(nèi)泵體22、排液閥閥座25、進(jìn)液閥閥座28自上而下依次插入外泵體20中并通過(guò)外泵體20的凸臺(tái)定位，排液閥 閥座25插入內(nèi)泵體22，排液閥閥心24通過(guò)排液閥彈簧23壓接在內(nèi)泵體22上，進(jìn)液閥閥心 27通過(guò)進(jìn)液閥彈簧26壓接在排液閥閥座25上，進(jìn)液閥閥座28通過(guò)螺紋與內(nèi)泵體22連接 構(gòu)成潛孔往復(fù)泵；吸液管30通過(guò)螺紋與進(jìn)液閥閥座28連接，冷凍液容器32通過(guò)螺紋與外 泵體20連接，外泵體20通過(guò)螺紋與外循環(huán)管上29連接，外泵體20通過(guò)螺紋與內(nèi)循環(huán)管上 31連接構(gòu)成，內(nèi)循環(huán)管上31插接到循環(huán)管上接頭33上并用密封圈密封，外循環(huán)管上29、隔 管18通過(guò)螺紋與循環(huán)管上接頭33連接，循環(huán)管上接頭33通過(guò)螺紋與外循環(huán)管中35連接， 中間循環(huán)管II 36插接到循環(huán)管上接頭33上并用密封圈密封，外循環(huán)管中35、中間循環(huán)管 II 36通過(guò)螺紋與循環(huán)管下接頭48連接。 巖心管提升和定位機(jī)構(gòu)包括內(nèi)循環(huán)管中37插接到循環(huán)管上接頭33上并用密封 圈密封，導(dǎo)液管34插入循環(huán)管上接頭33中心孔內(nèi)并用密封圈密封，導(dǎo)液管34由循環(huán)管上 接頭33上部螺釘定位，提升活塞38、解鎖活塞39自上而下插入內(nèi)循環(huán)管中37中，提升活 塞38、解鎖活塞39、內(nèi)循環(huán)管中37和導(dǎo)液管34構(gòu)成滑動(dòng)副，提升桿45通過(guò)螺紋與提升活 塞38連接，錐套40通過(guò)螺紋與解鎖活塞39連接，定位鋼球座43通過(guò)螺紋與循環(huán)管下接頭 48連接，錐套40通過(guò)定位鋼球41和鋼球復(fù)位彈簧42與定位鋼球座43連接，定位鋼球41 位于定位鋼球座43徑向通孔內(nèi)，定位鋼球座43與提升桿45為滑動(dòng)副，內(nèi)循環(huán)管中37通過(guò) 螺紋與循環(huán)管下接頭48連接，提升桿45與循環(huán)管下接頭48為滑動(dòng)副，球閥座55通過(guò)螺紋 與提升桿45連接，球閥座55通過(guò)推力軸承53與巖心管上接頭52連接。
冰閥形成機(jī)構(gòu)包括外循環(huán)管下49、中間循環(huán)管III50和內(nèi)循環(huán)管下51通過(guò)螺紋 與循環(huán)管下接頭48連接，下端蓋58通過(guò)螺紋與外循環(huán)管下49連接，內(nèi)循環(huán)管下51下段與 巖心管56之間設(shè)有內(nèi)循環(huán)管下端內(nèi)腔57，內(nèi)循環(huán)管下51構(gòu)成內(nèi)循環(huán)管下端內(nèi)腔57段以上 部分外壁涂覆保溫漆、多孔泡沫塑料或反射膜，當(dāng)冷凍液流經(jīng)內(nèi)循環(huán)管下端內(nèi)腔57時(shí)，內(nèi) 循環(huán)管下端內(nèi)腔57內(nèi)的低溫泥漿或清水從冷凍液中獲取能量，使低溫泥漿或清水在內(nèi)循 環(huán)管下端內(nèi)腔57內(nèi)生成冰閥。 巖心管單動(dòng)機(jī)構(gòu)包括球閥座55通過(guò)推力軸承53與巖心管上接頭52連接，推力 軸承53通過(guò)軸承蓋固定。 上部機(jī)械密封機(jī)構(gòu)包括提升桿45與循環(huán)管下接頭48為滑動(dòng)副，并通過(guò)密封圈在 需要位置密封。 通道I-通道VIII的構(gòu)成包括 通道I :由分流閥座2貫通孔道及折返接頭8外側(cè)環(huán)狀間隙，外管17與相鄰循環(huán) 管構(gòu)成的環(huán)狀間隙構(gòu)成； 通道II :由分流閥座2的貫通孔道及潛孔錘上接頭9和墊片10的中心孔道構(gòu)成；
通道III :由折返接頭8的內(nèi)側(cè)環(huán)狀間隙，隔管18與缸體13、外泵體20、外循環(huán)管 上29構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管上接頭33的徑向通孔，導(dǎo)液管35中心孔道及提升活塞38的 徑向通孔構(gòu)成； 通道IV :由循環(huán)管上接頭33的貫通孔道構(gòu)成； 通道V :由內(nèi)泵體22的徑向通孔、外泵體20的貫通孔道、內(nèi)循環(huán)管上31和冷凍液 容器32構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管上接頭33的貫通孔道、中間循環(huán)管1136和內(nèi)循環(huán)管中37 構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管下接頭48的貫通孔道，中間循環(huán)管III50和內(nèi)循環(huán)管下51構(gòu)成的環(huán)狀間隙構(gòu)成； 通道VI :由進(jìn)液閥閥座28的貫通孔道、外泵體20的貫通孔道、外循環(huán)管上29和內(nèi) 循環(huán)管上31構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管上接頭33的貫通孔道、外循環(huán)管中35和中間循環(huán)管 II 36構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管下接頭48的貫通孔道、外循環(huán)管下49和中間循環(huán)管III50 構(gòu)成的環(huán)狀間隙構(gòu)成； 通道VII :由提升桿45的中心孔道和循環(huán)管下接頭48的徑向通孔構(gòu)成；
通道VIII :由折返接頭8的徑向通孔構(gòu)成。 內(nèi)循環(huán)管下51下端構(gòu)成內(nèi)循環(huán)管下端內(nèi)腔57的一段為圓柱形空腔，內(nèi)壁設(shè)計(jì)有 環(huán)槽或螺旋槽。 有益效果本發(fā)明改變現(xiàn)有的保壓取樣鉆具的設(shè)計(jì)思路，以凍結(jié)生成的冰閥代替 球閥或板閥等機(jī)械閥門關(guān)閉取樣鉆具下部端口，不需要精密的配合表面，關(guān)閉過(guò)程不受孔 內(nèi)固體雜質(zhì)的影響，可靠性高，解決了現(xiàn)有機(jī)械閥門啟動(dòng)困難、配合表面精密度要求高、容 易被孔內(nèi)雜物卡塞而不易關(guān)閉等問(wèn)題，提高了保壓可靠性和成功率，且徑向尺寸較小，有利 于獲得較大直徑的巖心，從而有利于提高天然氣水合物巖心采取率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，冰閥可 以可靠實(shí)現(xiàn)25MPa的密封，因此采用冰閥結(jié)構(gòu)適用于孔內(nèi)液柱達(dá)2500米的水合物鉆孔，完 全可以滿足在我國(guó)海洋和陸地永凍帶水合物鉆井取樣對(duì)密封壓力的要求。在地面制作低溫 冷凍液(如低溫酒精)并將其存放于鉆具中的冷凍液保溫容器中，當(dāng)需要保壓取樣時(shí)，啟動(dòng) 潛孔往復(fù)泵驅(qū)動(dòng)冷凍液循環(huán)，在內(nèi)循環(huán)管下端內(nèi)腔57內(nèi)生成冰塞形成冰閥實(shí)現(xiàn)密封保壓， 免去了干冰在鉆具內(nèi)的存放和與酒精的混合過(guò)程，有利于騰出徑向尺寸增大巖心直徑；冷 凍液的存放可以充分利用鉆具的軸向尺寸，存放量充足，保證制作長(zhǎng)度夠長(zhǎng)、溫度夠低的冰 塞需要；冷凍液循環(huán)時(shí)間可控并且可多次啟動(dòng)和中止循環(huán)，保證冰閥從孔底到地面始終可 靠存在和有效密封，所有這些特點(diǎn)可以有效保證天然氣水合物保壓取樣的成功率和巖心采 取率。采用液動(dòng)潛孔錘驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵，充分利用了泥漿作為動(dòng)力介質(zhì)，避免了采用電氣結(jié)構(gòu)帶 來(lái)的復(fù)雜性，簡(jiǎn)單可靠。


附圖1為冰閥式保壓保溫取樣器結(jié)構(gòu)圖
附圖2為附圖1A-A剖面射流元件斷面圖。 1異徑接頭，2分流閥座，3擋圈，4彈子球，5絲堵，6分流閥閥心，7分流閥彈簧，8 折返接頭，9潛孔錘上接頭，10墊片，11射流元件，12上缸蓋，13缸體，14外缸，15潛孔錘活 塞，16下缸蓋，17外管，18隔管，19往復(fù)泵活塞，20外泵體，21堵頭，22內(nèi)泵體，23排液閥彈 簧，24排液閥閥心，25排液閥閥座，26進(jìn)液閥彈簧，27進(jìn)液閥閥心，28進(jìn)液閥閥座，29外循 環(huán)管上，30吸液管，31內(nèi)循環(huán)管上，32冷凍液容器，33循環(huán)管上接頭，34導(dǎo)液管，35外循環(huán) 管中，36中間循環(huán)管11，37內(nèi)循環(huán)管中，38提升活塞，39解鎖活塞，40錐套，41定位鋼球， 42鋼球復(fù)位彈簧，43定位鋼球座，44密封圈，45提升桿，46密封圈，47刮塵圈，48循環(huán)管下 接頭，49外循環(huán)管下，50中間循環(huán)管III， 51內(nèi)循環(huán)管下，52巖心管上接頭，53推力軸承，54 球閥，55球閥座，56巖心管，57內(nèi)循環(huán)管下端內(nèi)腔，58下端蓋，59鉆頭。
I正常鉆進(jìn)時(shí)的泥漿通道，II高壓泥漿進(jìn)入潛孔往復(fù)泵的通道，III解鎖和提升巖 心管時(shí)高壓泥漿進(jìn)入解鎖活塞39和提升活塞38高壓腔體的通道，IV提升活塞38的排液通道，V低溫冷凍液流向內(nèi)循環(huán)管下51下端的通道，VI冷凍液從內(nèi)循環(huán)管下51下端流回冷 凍液保溫容器的通道，VII巖心管56回水通道，VIII低壓泥漿從射流元件11排空孔流向鉆 具與井壁環(huán)狀間隙的通道。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明 附圖la的下端接附圖lb的上端，附圖lb的下端接附圖lc的上端構(gòu)成完整的冰 閥式保壓保溫取樣器。 保壓功能依靠機(jī)械密封和冷凍液循環(huán)制冷在巖心管下方形成的冰閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。保溫 則通過(guò)在內(nèi)循環(huán)管下51外壁表面涂覆多孔泡沫塑料、保溫漆和反射膜實(shí)現(xiàn)。
冰閥式保壓保溫取樣器包括鉆進(jìn)與取樣切換機(jī)構(gòu)、冷凍液循環(huán)系統(tǒng)、巖心管提升 和定位機(jī)構(gòu)、上部機(jī)械密封機(jī)構(gòu)、冰閥形成機(jī)構(gòu)、巖心管單動(dòng)機(jī)構(gòu)和通道I-VI11構(gòu)成。
異徑接頭1通過(guò)螺紋與分流閥座2連接，分流閥座2通過(guò)螺紋與折返接頭8連接， 折返接頭8通過(guò)螺紋與外管17連接，分流閥閥心6插入分流閥座2并通過(guò)擋圈3和分流閥 彈簧7定位，彈子球4置于分流閥閥心6中心通道上部；外缸14插入折返接頭8內(nèi)并用密 封圈密封；外缸14插入折返接頭8內(nèi)并用密封圈密封，外缸14通過(guò)螺紋與外泵體20連接， 下缸蓋16、缸體13、上缸蓋12、射流元件11和墊片10自下而上依次插入外缸14中并用密 封圈密封，潛孔錘上接頭9通過(guò)螺紋與外缸14的最上部連接，隔管18插接到折返接頭8上 并用密封圈密封，潛孔錘活塞15沿缸體13、下缸蓋16、外泵體20內(nèi)壁滑動(dòng)形成滑動(dòng)副；往 復(fù)泵活塞19插入外泵體20內(nèi)形成滑動(dòng)副，由往復(fù)泵活塞19與外泵體20間用密封圈密封， 堵頭21通過(guò)螺紋與外泵體20連接，排液閥閥心24插入到排液閥閥座25中構(gòu)成排液閥，進(jìn) 液閥閥心27插入到進(jìn)液閥閥座28中構(gòu)成進(jìn)液閥，內(nèi)泵體22、排液閥閥座25、進(jìn)液閥閥座28 自上而下依次插入外泵體20中并通過(guò)外泵體20的凸臺(tái)定位，排液閥閥座25插入內(nèi)泵體 22，排液閥閥心24通過(guò)排液閥彈簧23壓接在內(nèi)泵體22上，進(jìn)液閥閥心27通過(guò)進(jìn)液閥彈簧 26壓接在排液閥閥座25上，進(jìn)液閥閥座28通過(guò)螺紋與內(nèi)泵體22連接構(gòu)成潛孔往復(fù)泵；吸 液管30通過(guò)螺紋與進(jìn)液閥閥座28連接，冷凍液容器32通過(guò)螺紋與外泵體20連接，外泵體 20通過(guò)螺紋與外循環(huán)管上29連接，外泵體20通過(guò)螺紋與內(nèi)循環(huán)管上31連接構(gòu)成，內(nèi)循環(huán) 管上31插接到循環(huán)管上接頭33上并用密封圈密封，外循環(huán)管上29、隔管18通過(guò)螺紋與循 環(huán)管上接頭33連接，循環(huán)管上接頭33通過(guò)螺紋與外循環(huán)管中35連接，中間循環(huán)管II 36 插接到循環(huán)管上接頭33上并用密封圈密封，外循環(huán)管中35、中間循環(huán)管II 36通過(guò)螺紋與 循環(huán)管下接頭48連接。內(nèi)循環(huán)管中37插接到循環(huán)管上接頭33上并用密封圈密封，導(dǎo)液管 34插入循環(huán)管上接頭33中心孔內(nèi)并用密封圈密封，導(dǎo)液管34由循環(huán)管上接頭33上部螺釘 定位，提升活塞38、解鎖活塞39自上而下插入內(nèi)循環(huán)管中37中，提升活塞38、解鎖活塞39、 內(nèi)循環(huán)管中37和導(dǎo)液管34構(gòu)成滑動(dòng)副，提升桿45通過(guò)螺紋與提升活塞38連接，錐套40 通過(guò)螺紋與解鎖活塞39連接，定位鋼球座43通過(guò)螺紋與循環(huán)管下接頭48連接，錐套40通 過(guò)定位鋼球41和鋼球復(fù)位彈簧42與定位鋼球座43連接，定位鋼球41位于定位鋼球座43 徑向通孔內(nèi)，定位鋼球座43與提升桿45為滑動(dòng)副，內(nèi)循環(huán)管中37通過(guò)螺紋與循環(huán)管下接 頭48連接，提升桿45與循環(huán)管下接頭48為滑動(dòng)副，球閥座55通過(guò)螺紋與提升桿45連接， 球閥座55通過(guò)推力軸承53與巖心管上接頭52連接；外循環(huán)管下49、中間循環(huán)管III50和內(nèi)循環(huán)管下51通過(guò)螺紋與循環(huán)管下接頭48連接，下端蓋58通過(guò)螺紋與外循環(huán)管下49連 接，內(nèi)循環(huán)管下51下段與巖心管56之間設(shè)有內(nèi)循環(huán)管下端內(nèi)腔57，內(nèi)循環(huán)管下51構(gòu)成內(nèi) 循環(huán)管下端內(nèi)腔57段以上部分外壁涂覆保溫漆、多孔泡沫塑料和反射膜，當(dāng)冷凍液流經(jīng)內(nèi) 循環(huán)管下端內(nèi)腔57時(shí)，內(nèi)循環(huán)管下端內(nèi)腔57內(nèi)的低溫泥漿或清水從冷凍液中獲取能量，使 低溫泥漿或清水在內(nèi)循環(huán)管下端內(nèi)腔57內(nèi)生成冰閥；球閥座55通過(guò)推力軸承53與巖心管 上接頭52連接，推力軸承53通過(guò)軸承蓋固定。提升桿45與循環(huán)管下接頭48為滑動(dòng)副，通 過(guò)密封圈密封 通道I由分流閥座2貫通孔道及折返接頭8外側(cè)環(huán)狀間隙，外管17與相鄰循環(huán)管 夠成的環(huán)狀間隙構(gòu)成；通道II由分流閥座2的貫通孔道及潛孔錘上接頭9和墊片10的中 心孔道構(gòu)成；通道III由折返接頭8的內(nèi)側(cè)環(huán)狀間隙，隔管18與缸體13、外泵體20、外循環(huán) 管上構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管上接頭33的徑向通孔，導(dǎo)液管35中心孔道及提升活塞38的 徑向通孔構(gòu)成；通道IV由循環(huán)管上接頭33的貫通孔道構(gòu)成；通道V由內(nèi)泵體22的徑向通 孔、外泵體20的貫通孔道、內(nèi)循環(huán)管上31和冷凍液容器32構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管上接頭 33的貫通孔道、中間循環(huán)管II 36和內(nèi)循環(huán)管中37構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管下接頭48的 貫通孔道，中間循環(huán)管III50和內(nèi)循環(huán)管下51構(gòu)成的環(huán)狀間隙構(gòu)成；通道VI由進(jìn)液閥閥座 28的貫通孔道、外泵體20的貫通孔道、外循環(huán)管上29和內(nèi)循環(huán)管上31構(gòu)成的環(huán)狀間隙， 循環(huán)管上接頭33的貫通孔道、外循環(huán)管中35和中間循環(huán)管II 36構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管 下接頭48的貫通孔道、外循環(huán)管下49和中間循環(huán)管11150構(gòu)成的環(huán)狀間隙構(gòu)成；通道VII 由提升桿45的中心孔道和循環(huán)管下接頭48的徑向通孔構(gòu)成；通道VIII由折返接頭8的徑 向通孔構(gòu)成。 鉆進(jìn)與取樣切換鉆進(jìn)時(shí)，分流閥閥心6頂部無(wú)彈子球4，分流閥閥心6中心孔道 貫通，分流閥閥心6在分流閥彈簧7的作用下位于上位，通道I打開而通道II關(guān)閉，當(dāng)需要 取樣時(shí)，投入彈子球4，分流閥閥心6中心孔道關(guān)閉，分流閥閥心6在泥漿壓力下克服分流閥 彈簧7的作用下行，當(dāng)位于下位時(shí)，通道I被關(guān)閉而通道II打開。 正常鉆進(jìn)時(shí)分流閥閥心6頂部無(wú)彈子球4，分流閥閥心6的中心孔道打開，在分 流閥彈簧7作用下分流閥閥心6位于上位，泥漿通過(guò)通道I進(jìn)入孔底，冷卻鉆頭59，攜帶巖 粉上返。巖心管56在單動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下保持相對(duì)不動(dòng)，保護(hù)進(jìn)入巖心管56的天然氣水合 物巖樣，巖心管56內(nèi)的泥漿經(jīng)通道VII和通道I進(jìn)入孔底。鉆進(jìn)時(shí)巖心管56下端坐在鉆 頭59內(nèi)壁凸臺(tái)上。因通道II關(guān)閉，泥漿不會(huì)進(jìn)入冷凍液循環(huán)系統(tǒng)，潛孔往復(fù)泵19不工作， 冷凍液不循環(huán)。因通道II關(guān)閉，泥漿不會(huì)進(jìn)入巖心管提升和定位機(jī)構(gòu)，提升活塞38及解鎖 活塞39無(wú)運(yùn)動(dòng)，提升桿45上環(huán)槽被定位鋼球鎖卡。 保壓取心時(shí)停鉆，通過(guò)鉆桿向孔底注入清水，將孔底和粗徑鉆具部位的泥漿替換 成清水，以有利于以較少的能量消耗生成冰閥；也可以不用清水替漿，直接冷凍孔底低溫泥 漿形成冰閥，只是由于低溫泥漿冷凝點(diǎn)較低，需要消耗更多的能量。卸開鉆桿，從孔口向鉆 具內(nèi)投入彈子球4，落在分流閥閥心6上，使分流閥閥心6中心孔道關(guān)閉。開泵，再通過(guò)鉆桿 向孔內(nèi)泵送泥漿，泥漿壓力作用在彈子球4和分流閥閥心6上，在泥漿壓力作用下壓縮分流 閥彈簧7，使分流閥閥心6下行封閉通道I，同時(shí)通道II被打開，此時(shí)部分泥漿流入通道III 中，流入通道III內(nèi)的泥漿進(jìn)入到解鎖活塞39頂面腔體，推動(dòng)解鎖活塞39克服鋼球復(fù)位彈 簧42的彈簧力，迫使錐套40解除對(duì)定位鋼球41的徑向約束，使提升桿45得以在提升活塞38的拉動(dòng)下上行，使巖心管56提離鉆頭59，為冰閥形成提供空間，提升活塞38上端面腔體內(nèi)的液體通過(guò)通道VII排入通道I，再通過(guò)通道I進(jìn)入孔底。提升活塞38帶動(dòng)提升桿45上行一定距離，提升桿45上的徑向孔提升至密封圈44與密封圈46中間位置，在密封圈44和密封圈46的密封作用下使提升桿45上的徑向孔與循環(huán)管下接頭48的徑向孔隔斷，從而實(shí)現(xiàn)巖心管56上部開口的密封保壓。此時(shí)，提升桿45下環(huán)槽達(dá)到定位鋼球41位置，當(dāng)冷凍液循環(huán)達(dá)到生成冰閥時(shí)，停止泵送泥漿，解鎖活塞39失去泥漿壓力作用，由于生成的冰閥對(duì)巖心管56有軸向支撐作用，且提升桿45多處受密封圈的摩擦力作用，提升桿45來(lái)不及下行，鋼球復(fù)位彈簧42就已推動(dòng)錐套40迫使定位鋼球41進(jìn)入提升桿45下環(huán)槽，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升桿45進(jìn)而對(duì)巖心管56的鎖卡定位。進(jìn)入通道II的泥漿進(jìn)入射流元件ll，射流式液動(dòng)潛孔錘工作，潛孔錘活塞15帶動(dòng)往復(fù)泵活塞19進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，潛孔往復(fù)泵進(jìn)液閥和排液閥交替打開和關(guān)閉，從冷凍液容器32里抽吸冷凍液，經(jīng)潛孔往復(fù)泵外泵體上的徑向孔和軸向孔進(jìn)入通道V和通道VI進(jìn)行循環(huán)。從潛孔往復(fù)泵排出的低溫冷凍液，在內(nèi)循環(huán)管下51下端裸露的金屬外壁處與內(nèi)循環(huán)管下端內(nèi)腔57內(nèi)的清水或泥漿發(fā)生熱交換，生成冰閥，密封巖心管56下端口實(shí)現(xiàn)密封保壓。在潛孔往復(fù)泵工作過(guò)程中，射流元件11排空孔處排出的低壓泥槳通過(guò)通道VIII進(jìn)入外管和孔壁之間的環(huán)空間隙上返至地表，沒(méi)有泥槳從孔底流過(guò)，避免了對(duì)冰閥形成產(chǎn)生不利影響。
權(quán)利要求
一種冰閥式保壓保溫取樣器，其特征在于，包括鉆進(jìn)與取樣切換機(jī)構(gòu)、冷凍液循環(huán)系統(tǒng)、巖心管提升和定位機(jī)構(gòu)、上部機(jī)械密封機(jī)構(gòu)、冰閥形成機(jī)構(gòu)、巖心管單動(dòng)機(jī)構(gòu)和通道I-VIII連接構(gòu)成。
2. 按照權(quán)利要求1所述的冰閥式保壓保溫取樣器，其特征在于，鉆進(jìn)與取樣切換機(jī)構(gòu) 包括異徑接頭(1)通過(guò)螺紋與分流閥座(2)連接，分流閥座(2)通過(guò)螺紋與折返接頭(8)連接，折返接頭(8)通過(guò)螺紋與外管(17)連接，分流閥閥心(6)插入分流閥座(2)并通過(guò) 擋圈(3)和分流閥彈簧(7)定位，彈子球(4)置于分流閥閥心(6)中心通道上部。
3. 按照權(quán)利要求1所述的冰閥式保壓保溫取樣器，其特征在于，冷凍液循環(huán)系統(tǒng)包括 外缸(14)插入折返接頭(8)內(nèi)并用密封圈密封，外缸(14)通過(guò)螺紋與外泵體(20)連接， 下缸蓋(16)、缸體(13)、上缸蓋(12)、射流元件(11)和墊片(10)自下而上依次插入外缸 (14)中并用密封圈密封，潛孔錘上接頭(9)通過(guò)螺紋與外缸(14)的最上部連接，隔管(18) 插接到折返接頭(8)上并用密封圈密封，潛孔錘活塞(15)沿缸體(13)、下缸蓋(16)、外泵 體(20)內(nèi)壁滑動(dòng)形成滑動(dòng)副；由往復(fù)泵活塞(19)插入外泵體(20)內(nèi)形成滑動(dòng)副，往復(fù)泵 活塞(19)與外泵體(20)間用密封圈密封，堵頭(21)通過(guò)螺紋與外泵體(20)連接，排液 閥閥心(24)插入到排液閥閥座(25)中構(gòu)成排液閥，進(jìn)液閥閥心(27)插入到進(jìn)液閥閥座 (28)中構(gòu)成進(jìn)液閥，內(nèi)泵體(22)、排液閥閥座(25)、進(jìn)液閥閥座(28)自上而下依次插入外 泵體(20)中并通過(guò)外泵體(20)的凸臺(tái)定位，排液閥閥座(25)插入內(nèi)泵體(22)，排液閥 閥心(24)通過(guò)排液閥彈簧(23)壓接在內(nèi)泵體(22)上，進(jìn)液閥閥心(27)通過(guò)進(jìn)液閥彈簧 (26)壓接在排液閥閥座(25)上，進(jìn)液閥閥座(28)通過(guò)螺紋與內(nèi)泵體(22)連接構(gòu)成潛孔 往復(fù)泵；吸液管(30)通過(guò)螺紋與進(jìn)液閥閥座(28)連接，冷凍液容器(32)通過(guò)螺紋與外泵 體(20)連接，外泵體(20)通過(guò)螺紋與外循環(huán)管上(29)連接，外泵體(20)通過(guò)螺紋與內(nèi)循 環(huán)管上(31)連接構(gòu)成，內(nèi)循環(huán)管上(31)插接到循環(huán)管上接頭(33)上并用密封圈密封，外 循環(huán)管上(29)、隔管(18)通過(guò)螺紋與循環(huán)管上接頭(33)連接，循環(huán)管上接頭(33)通過(guò)螺 紋與外循環(huán)管中(35)連接，中間循環(huán)管i1(36)插接到循環(huán)管上接頭(33)上并用密封圈密 封，外循環(huán)管中(35)、中間循環(huán)管11(36)通過(guò)螺紋與循環(huán)管下接頭(48)連接。
4. 按照權(quán)利要求1所述的冰閥式保壓保溫取樣器，其特征在于，巖心管提升和定位機(jī) 構(gòu)包括內(nèi)循環(huán)管中(37)插接到循環(huán)管上接頭(33)上并用密封圈密封，導(dǎo)液管(34)插入 循環(huán)管上接頭(33)中心孔內(nèi)并用密封圈密封，導(dǎo)液管(34)由循環(huán)管上接頭(33)上部螺 釘定位，提升活塞(38)、解鎖活塞(39)自上而下插入內(nèi)循環(huán)管中(37)中，提升活塞(38)、 解鎖活塞(39)、內(nèi)循環(huán)管中(37)和導(dǎo)液管(34)構(gòu)成滑動(dòng)副，提升桿(45)通過(guò)螺紋與提升 活塞(38)連接，錐套(40)通過(guò)螺紋與解鎖活塞(39)連接，定位鋼球座(43)通過(guò)螺紋與 循環(huán)管下接頭(48)連接，錐套(40)通過(guò)定位鋼球(41)和鋼球復(fù)位彈簧(42)與定位鋼球 座(43)連接，定位鋼球(41)位于定位鋼球座(43)徑向通孔內(nèi)，定位鋼球座(43)與提升桿 (45)為滑動(dòng)副，內(nèi)循環(huán)管中(37)通過(guò)螺紋與循環(huán)管下接頭(48)連接，提升桿(45)與循環(huán) 管下接頭(48)為滑動(dòng)副，球閥座(55)通過(guò)螺紋與提升桿(45)連接，球閥座(55)通過(guò)推力 軸承(53)與巖心管上接頭(52)連接。
5. 按照權(quán)利要求1所述的冰閥式保壓保溫取樣器，其特征在于，冰閥形成機(jī)構(gòu)包括外 循環(huán)管下(49)、中間循環(huán)管111(50)和內(nèi)循環(huán)管下(51)通過(guò)螺紋與循環(huán)管下接頭(48)連 接，下端蓋(58)通過(guò)螺紋與外循環(huán)管下(49)連接，內(nèi)循環(huán)管下(51)下段與巖心管(56)之間設(shè)有內(nèi)循環(huán)管下端內(nèi)腔(57)，內(nèi)循環(huán)管下(51)構(gòu)成內(nèi)循環(huán)管下端內(nèi)腔(57)段以上部分 外壁涂覆保溫漆、多孔泡沫塑料或反射膜，當(dāng)冷凍液流經(jīng)內(nèi)循環(huán)管下端內(nèi)腔(57)時(shí)，內(nèi)循 環(huán)管下端內(nèi)腔(57)內(nèi)的低溫泥漿或清水從冷凍液中獲取能量，使低溫泥漿或清水在內(nèi)循 環(huán)管下端內(nèi)腔(57)內(nèi)生成冰閥。
6. 按照權(quán)利要求1所述的冰閥式保壓保溫取樣器，其特征在于，巖心管單動(dòng)機(jī)構(gòu)包括 球閥座(55)通過(guò)推力軸承(53)與巖心管上接頭(52)連接，推力軸承(53)通過(guò)軸承蓋固 定。
7. 按照權(quán)利要求1所述的冰閥式保壓保溫取樣器，其特征在于，上部機(jī)械密封機(jī)構(gòu)包 括提升桿(45)與循環(huán)管下接頭(48)為滑動(dòng)副，并通過(guò)密封圈在需要位置密封。
8. 按照權(quán)利要求l所述的冰閥式保壓保溫取樣器，其特征在于，通道I-通道VIII的構(gòu) 成包括通道I :由分流閥座(2)貫通孔道及折返接頭(8)外側(cè)環(huán)狀間隙，外管(17)與相鄰循 環(huán)管構(gòu)成的環(huán)狀間隙構(gòu)成；通道II :由分流閥座(2)的貫通孔道及潛孔錘上接頭(9)和墊片(10)的中心孔道構(gòu)成；通道III :由折返接頭(8)的內(nèi)側(cè)環(huán)狀間隙，隔管(18)與缸體(13)、外泵體(20)、外循 環(huán)管上(29)構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管上接頭(33)的徑向通孔，導(dǎo)液管(35)中心孔道及提 升活塞(38)的徑向通孔構(gòu)成；通道IV :由循環(huán)管上接頭(33)的貫通孔道構(gòu)成；通道V :由內(nèi)泵體(22)的徑向通孔、外泵體(20)的貫通孔道、內(nèi)循環(huán)管上(31)和冷凍 液容器(32)構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管上接頭(33)的貫通孔道、中間循環(huán)管11(36)和內(nèi)循 環(huán)管中(37)構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管下接頭(48)的貫通孔道，中間循環(huán)管I11(50)和內(nèi)循 環(huán)管下(51)構(gòu)成的環(huán)狀間隙構(gòu)成；通道VI :由進(jìn)液閥閥座(28)的貫通孔道、外泵體(20)的貫通孔道、外循環(huán)管上(29)和 內(nèi)循環(huán)管上(31)構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管上接頭(33)的貫通孔道、外循環(huán)管中(35)和中 間循環(huán)管11(36)構(gòu)成的環(huán)狀間隙，循環(huán)管下接頭(48)的貫通孔道、外循環(huán)管下(49)和中 間循環(huán)管111(50)構(gòu)成的環(huán)狀間隙構(gòu)成；通道VII :由提升桿(45)的中心孔道和循環(huán)管下接頭(48)的徑向通孔構(gòu)成；通道VIII :由折返接頭(8)的徑向通孔構(gòu)成。
9. 按照權(quán)利要求5所述的冰閥式保壓保溫取樣器，其特征在于，內(nèi)循環(huán)管下(51)下端 構(gòu)成內(nèi)循環(huán)管下端內(nèi)腔(57)的一段為圓柱形空腔，內(nèi)壁設(shè)計(jì)有環(huán)槽或螺旋槽。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種冰閥式保壓保溫取樣器。包括鉆進(jìn)或取樣切換機(jī)構(gòu)、冷凍液循環(huán)系統(tǒng)、巖心管提升和定位機(jī)構(gòu)、上部機(jī)械密封機(jī)構(gòu)、冰閥形成機(jī)構(gòu)、巖心管單動(dòng)機(jī)構(gòu)和通道I-VIII連接構(gòu)成。保壓依靠機(jī)械密封和冷凍液循環(huán)制冷在巖心管下方形成的冰閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。保溫通過(guò)在內(nèi)循環(huán)管外壁涂覆多孔泡沫塑料、保溫漆和反射膜實(shí)現(xiàn)。解決了機(jī)械閥門啟動(dòng)困難、容易被孔內(nèi)雜物卡塞而不易關(guān)閉問(wèn)題，提高了保壓可靠性和成功率，且徑向尺寸較小，有利于獲得較大直徑巖心，提高水合物巖心采取率。經(jīng)試驗(yàn)，冰閥實(shí)現(xiàn)25MPa密封，適用于孔內(nèi)液柱達(dá)2500米的水合物鉆探，保壓取樣時(shí)，啟動(dòng)潛孔往復(fù)泵驅(qū)動(dòng)冷凍液循環(huán)，在內(nèi)循環(huán)管下端內(nèi)腔生成冰塞形成冰閥實(shí)現(xiàn)密封保壓。
文檔編號(hào)G01N1/08GK101706379SQ20091006728
公開日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月16日
發(fā)明者博坤, 彭枧明, 李剛, 柳鶴, 殷其雷, 殷琨, 王如生, 王維, 趙志強(qiáng), 陳寶義 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)