一种用于海洋天然气水合物的连续取样装置及取样方法

摘要

本发明公开了一种用于海洋天然气水合物的连续取样装置及取样方法，是由制冷设备，单动旋转取样钻具、高压柱塞泵、空气压缩设备、制氮设备、保温保压分离装置和保温保压矿体箱组成，制冷设备、单动旋转取样钻具、高压柱塞泵、空气压缩设备、制氮设备、保温保压分离装置和保温保压矿体箱之间通过管路连接，并依次固定设置在勘探船上，单动旋转取样钻具与海洋天然气水合物地层接触；本发明使用高压低温射流作为切削工具钻进地层，破碎后的水合物块通过水力提升的方式运输至海面保温保压仓，根据自保护效应实现保真连续取心，有效减少因钻头摩擦生热而导致的水合物分解，保证了反循环通道处于低温环境。

说明书

技术领域

本发明涉及一种取样钻具及取样方法，特别涉及一种用于海洋天然气水合物的连续取样装置及取样方法。

背景技术

天然气水合物又称固态甲烷，它是由天然气与水所组成，呈固体状态,其外貌极象冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，因此有人称其为“可燃冰”、“气冰”、“固体瓦斯”。天然气水合物的结晶格架主要是由水分子所构成，在不同的低温高压条件下，水分子结晶形成不同类型的多面笼形结构。据估计，全球海底天然气水合物中甲烷资源量约为2.16×10¹⁶m3，甲烷中的碳总量相当于当前已知煤、石油和天然气等化石燃料总资源量的两倍。目前，已经发现的天然气水合物矿藏主要分布在海底以下0m-1500m的松散沉积层中，天然气水合物有可能成为继页岩气、煤层气、油砂等之后的又一储量巨大的接替能源。

目前发现的水合物主要以四种形态存在，分别为砂岩型、砂岩裂隙型、细粒裂隙型水合物、分散型水合物。目前细粒裂隙型水合物、分散型水合物总量大，具有埋深浅、胶结性差等特点。天然气水合物存在“自保护效应”，根据Stern等人绘制的甲烷水合物分解速率图可知，271K(-2℃)的等温条件下，水合物分解速率极为缓慢，在此温度范围内当压力为1.0MPa(100m水深)水合物分解可长达一个月。

现有专利检索发现，中国专利申请号为：CN201210344300.2，名称为“一种天然气水合物保压取样器”，该结构通过设计的球阀结构使进入岩心管的水合物样品在提升过程中保持原位的压力；

中国专利申请号为：CN2008100504760，名称为“天然气水合物孔底冷冻取样器及其取样方法”，该结构通过提供一种通过外部冷源在孔底降低水合物岩芯温度来抑制水合物分解，采用主动式降温的方法降低水合物临界分解压力，无需保压，从而实现被动式降压维持水合物稳定的天然气水合物孔底冷冻取样器。

可见现有的取样技术均依托于绳索取心技术，由于岩心管长度所限，当岩心充满岩心管后需停钻打捞岩心管，无法实现连续取心，同时存在钻头摩擦生热而导致的水合物分解问题。

发明内容

本发明的目的是要解决上述现有的取样器由于岩心充满岩心管后需停钻打捞岩心管而无法实现连续取心，以及钻头摩擦生热而导致的水合物分解等问题，而提供一种用于海洋天然气水合物的连续取样装置及取样方法。

本发明之一种用于海洋天然气水合物的连续取样装置，是由制冷设备，单动旋转取样钻具、高压柱塞泵、空气压缩设备、制氮设备、保温保压分离装置和保温保压矿体箱组成，制冷设备、单动旋转取样钻具、高压柱塞泵、空气压缩设备、制氮设备、保温保压分离装置和保温保压矿体箱之间通过管路连接，并依次固定设置在勘探船上，单动旋转取样钻具与海洋天然气水合物地层接触；

单动旋转取样钻具包括三壁钻杆、双壁钻杆、单动机构和旋转喷嘴缸体，三壁钻杆固定设置在勘探船上，双壁钻杆固定连接在三壁钻杆下端，双壁钻杆下端具有底喷孔，单动机构设置在双壁钻杆环空内，旋转喷嘴缸体镶嵌在单动机构上；

三壁钻杆上具有高压气输送通道、高压水输送通道、气水混合室和反循环中心通道；

双壁钻杆包括外管和内管，内管设置在外管内，双壁钻杆具有反循环中心通道；

单动机构包括外止推轴承上盖、内止推轴承上盖、内止推轴承下盖和外止推轴承下盖，外止推轴承上盖密封连接在外管内壁，内止推轴承上盖密封连接在内管外壁，外止推轴承下盖固定连接在外管内壁，内止推轴承下盖固定连接在内管外壁，外止推轴承上盖和内止推轴承上盖与旋转喷嘴缸体之间为固定连接，内止推轴承下盖和外止推轴承下盖与旋转喷嘴缸体之间为密封连接；

旋转喷嘴缸体具有限位座和流道，流道倾斜角a为10°-15°。

本发明之一种用于海洋天然气水合物的连续取样方法，具体操作方法如下：

1)通过制冷设备将射流介质冷却，使射流介质温度低于-2℃，高压柱塞泵将冷却后的低温射流介质泵送入高压水输送通道，高压水到达单动旋转取样钻具底部；

2)旋转喷嘴缸体在限位座的作用下与单动机构无法脱离，外止推轴承上盖可以在外管内壁上做回转运动，内止推轴承上盖可以在内管外壁上做回转运动，旋转喷嘴缸体分别可以绕外止推轴承下盖和内止推轴承下盖做回转运动；

3)高压低温水射流通过流道，流道倾斜角a为10°-15°，形成具有一定喷射角度的高压水射流，具有一定角度高压低温水射流对旋转喷嘴缸体施加一个沿旋转喷嘴缸体周向的力，使旋转喷嘴缸体旋转，同时带动内止推轴承上盖及外止推轴承上盖一起旋转，形成旋转射流回转切削水合物地层，高压水从底喷孔喷出将进入输送通道的水合物岩心切断，同时形成低压将底部水合物颗粒抽吸至反循环中心通道内，双壁钻杆底部设置有硬质合金块以防止在钻具接触到孔底后发生憋压，同时也起到修整井壁的作用；

4)制氮设备制备氮气并储存，与空气压缩设备通过管路相连，空气压缩设备将氮气泵送入高压气输送通道内，到达气水混合室，使反循环中心通道内形成气液固三相混合流体，形成气举反循环，利用水合物的“自保护效应”(-2℃的等温条件下，当压力为1.0MPa水合物分解可长达一个月)，降低水合物的分解速率，实现“保真”连续取心，三相流直接进入保温保压分离进行气液分离、泥沙分离，固体水合物直接进入保温保压矿体箱，分离的氮气存储于制氮设备，分离的泥沙直接排入大海。

本发明的有益效果：

本发明结构简单，使用方便，使用高压低温射流作为切削工具钻进地层，破碎后的水合物块通过水力提升的方式运输至海面保温保压仓，根据自保护效应将水力输送过程中水合物的分解量降低，实现保真连续取心，有效减少因钻头摩擦生热而导致的水合物分解，采用低温的钻井液将充满双壁钻杆的环空，有效保证反循环通道处于低温环境。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明单动旋转取样钻具的局部立体示意图。

图3是本发明旋转喷嘴缸体的仰视图。

图4是本发明旋转喷嘴缸体A-A的剖面沿周向展开示意图。

图1中：A-海水，B-上覆地层，C-水合物地层。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明之一种用于海洋天然气水合物的连续取样装置，是由制冷设备1，单动旋转取样钻具2、高压柱塞泵3、空气压缩设备4、制氮设备5、保温保压分离装置6和保温保压矿体箱7组成，制冷设备1、单动旋转取样钻具2、高压柱塞泵3、空气压缩设备4、制氮设备5、保温保压分离装置6和保温保压矿体箱7之间通过管路连接，并依次固定设置在勘探船上，单动旋转取样钻具2与海洋天然气水合物地层接触；

单动旋转取样钻具2包括三壁钻杆21、双壁钻杆22、单动机构24和旋转喷嘴缸体25，三壁钻杆21固定设置在勘探船上，双壁钻杆22固定连接在三壁钻杆21下端，双壁钻杆22下端具有底喷孔26，单动机构24设置在双壁钻杆22环空内，旋转喷嘴缸体25镶嵌在单动机构24上；

三壁钻杆21上具有高压气输送通道211、高压水输送通道212、气水混合室23和反循环中心通道223；

双壁钻杆22包括外管221和内管222，内管222设置在外管221内，双壁钻杆22具有反循环中心通道223；

单动机构24包括外止推轴承上盖241、内止推轴承上盖242、内止推轴承下盖243和外止推轴承下盖244，外止推轴承上盖241密封连接在外管221内壁，内止推轴承上盖242密封连接在内管222外壁，外止推轴承下盖244固定连接在外管221内壁，内止推轴承下盖243固定连接在内管222外壁，外止推轴承上盖241和内止推轴承上盖242与旋转喷嘴缸体25之间为固定连接，内止推轴承下盖243和外止推轴承下盖244与旋转喷嘴缸体25之间为密封连接；

旋转喷嘴缸体25具有限位座251和流道252，流道252倾斜角a为10°-15°。

本发明之一种用于海洋天然气水合物的连续取样方法，具体操作方法如下：

1)通过制冷设备1将射流介质冷却，使射流介质温度低于-2℃，高压柱塞泵3将冷却后的低温射流介质泵送入高压水输送通道212，高压水到达单动旋转取样钻具2底部；

2)旋转喷嘴缸体25在限位座251的作用下与单动机构24无法脱离，外止推轴承上盖241可以在外管221内壁上做回转运动，内止推轴承上盖242可以在内管222外壁上做回转运动，旋转喷嘴缸体25分别可以绕外止推轴承下盖244和内止推轴承下盖243做回转运动；

3)高压低温水射流通过流道252，流道252倾斜角a为10°-15°，形成具有一定喷射角度的高压水射流，具有一定角度高压低温水射流对旋转喷嘴缸体25施加一个沿旋转喷嘴缸体25周向的力，使旋转喷嘴缸体25旋转，同时带动内止推轴承上盖242及外止推轴承上盖241一起旋转。形成旋转射流回转切削水合物地层，高压水从底喷孔26喷出将进入输送通道的水合物岩心切断，同时形成低压将底部水合物颗粒抽吸至反循环中心通道223内，双壁钻杆22底部设置有硬质合金块8以防止在钻具接触到孔底后发生憋压，同时也起到修整井壁的作用。

4)制氮设备1制备氮气并储存，与空气压缩设备4通过管路相连，空气压缩设备4将氮气泵送入高压气输送通道211内，到达气水混合室23，使反循环中心通道223内形成气液固三相混合流体，形成气举反循环，利用水合物的“自保护效应”(-2℃的等温条件下，当压力为1.0MPa水合物分解可长达一个月)，降低水合物的分解速率，实现“保真”连续取心。三相流直接进入保温保压分离6进行气液分离、泥沙分离，固体水合物直接进入保温保压矿体箱7，分离的氮气存储于制氮设备5，分离的泥沙直接排入大海。