天然气水合物冷冻保压取样钻具及取样方法

摘要

天然气水合物冷冻保压取样钻具及取样方法，钻具包括钻具外管、钻具内管总成及钻头，钻具内管总成包括控制杆、密封环、排气阀弹簧、排气阀体、排气阀芯、冷源腔体管、冷源腔体保温层、电磁开关、继电器、压力传感器、保压腔体管、保压腔保温层、翻板阀上保温层、翻板阀、扭簧、取心筒、岩心管、活塞、揽簧及切削齿，将天然气水合物保压取样方法和冷冻取样方法通过天然气水合物冷冻保压取样钻具进行结合；采用翻板阀将取心筒密封，保持天然气水合物岩心的原始压力抑制其分解；当取心筒发生泄漏，其内部压力达到一定值时，相变液体作为冷源冷冻天然气水合物岩心至‑40℃；本发明采用冷冻保压双重作用提高天然气水合物岩心的保真程度和取心成功率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物冷冻保压取样方法及其配套的取样钻具，适用于海洋及陆地永冻层天然气水合物的钻探取样。

背景技术

我国常规油气资源已远远不能满足经济和社会发展的需求。天然气水合物主要赋存于世界海洋大陆边缘和高纬度冻土带，具有能源密度高、分布广、规模大、埋藏浅等特点，且产出的天然气能够满足能源、经济和环境的要求，是具有商业开发前景的新型清洁能源。天然气水合物只能存在于一定的温度和压力条件下，一般要求温度低于0℃～10℃，压力高于10MPa，一旦温度升高或压力降低，甲烷气体则会逸出，固体天然气水合物便会分解，因此如何获得高保真的天然气水合物岩心是水合物勘探开发的一大难题。

目前针对天然气水合物的保真取样主要有两种思路，一种是保持天然气水合物岩心的压力抑制天然气水合物的分解，主要是利用球阀和翻板阀等在天然气水合物岩心被卡断后和提升过程中对专门设计的保压岩心管进行封闭和密封，并采用保温材料实现被动式保温，即通过机械保压的方式保持天然气水合物储层的原位压力和温度来获得高保真度的天然气水合物岩心；但在其实际应用过程中由于机械保压机构结构复杂、不易操作；一旦机械保压机构的密封性稍有下降，那么天然气水合物岩心就不能保持初始压力，导致取心失败。孔内天然气水合物岩心的保温方法主要是采用保温材料实现被动式保温方法，在钻探取样的复杂热工况条件下，被动式的保温方法无法维持天然气水合物岩心的原始温度。由于受到地层条件及孔内温度和压力的影响，这类取样器在实际应用中钻获天然气水合物保真岩心的成功率低于60％。另一种思路是通过低温抑制天然气水合物的分解，采用可相变流体为冷源，将冷源存储在钻具的储冷腔内，钻进结束后，触发控制机构，将冷源注入到冷冻腔，通过冷源汽化吸热将岩心管内的天然气水合物冷冻到一个要求的低温区间，保证天然气水合物在取样过程中不分解。但是采用这种方法会改变天然气水合物岩心原有的基础物理性质，导致天然气水合物岩心的声波及电阻率等测试数据发生变化。

综上所述，由于单纯的冷冻取样会导致天然气水合物岩心的原始基础物理性质发生变化，不利于后期的部分性质的分析测试；但是单纯的保压取样的成功率较低，不能满足天然气水合物钻探取样的要求；因此，如何既能保证天然气水合物岩心的原始性质又能提高天然气水合物取心的成功率是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种天然气水合物冷冻保压取样钻具及取样方法，通过将保压取样方法与冷冻取样方法有机结合，以保压取样为主，保证天然气水合物岩心的原始性质；采用冷冻取样为辅在保压失败的情况下，通过冷冻确保天然气水合物岩心不分解，提高取心率。

为达到上述目的，本所发明采用如下的技术方案：

天然气水合物冷冻保压取样钻具，包括钻具外管、钻具内管总成及钻头，所述钻具外管套设在钻具内管总成的外部，钻具外管与钻具内管总成之间具有环状空隙；所述钻头设置在钻具外管底部，其特征在于，所述钻具内管总成包括控制杆、密封环、排气阀弹簧、排气阀体、排气阀芯、冷源腔体管、冷源腔体保温层、电磁开关、继电器、压力传感器、保压腔体管、保压腔保温层、翻板阀上保温层、翻板阀、扭簧、取心筒、岩心管、活塞、揽簧及切削齿，所述控制杆的上部为中空结构，控制杆上设置有与其上部中空结构连通的钻井液进口，控制杆上部设置有凸台，该凸台直径大于钻具外管上部凹台的内径，控制杆悬挂在钻具外管的凹台上；所述密封环设置在冷源腔体管和钻具外管之间，并且密封环与冷源腔体管通过螺纹连接；所述排气阀体安装在冷源腔体管的冷源入口处，并与冷源腔体管螺纹连接；所述排气阀弹簧设置在排气阀体内部，排气阀弹簧的上部与排气阀体内顶部连接，排气阀弹簧的下部与排气阀芯接触，排气阀弹簧提供的预紧力将排气阀芯堵在冷源腔体管的排气口处；所述冷源腔体管、保压腔体管、取心筒及切削齿均套设在控制杆上，且冷源腔体管、保压腔体管、取心筒及切削齿自上而下顺次通过螺纹连接，其中冷源腔体管的内壁设置有冷源腔体保温层，保压腔体管的内壁设置有保压腔保温层；所述岩心管设置在取心筒内部，且岩心管的内径小于切削齿的内径；所述揽簧的上部与岩心管连接，揽簧的下部与切削齿连接；所述活塞设置在岩心管内部，且活塞的上部与控制杆连接；所述电磁开关的上部设在冷源腔体管的冷源出口处，电磁开关的下部与保压腔体管内部相连通；所述压力传感器位于保压腔体管的内部，压力传感器与继电器通信连接；所述继电器与电磁开关通信连接，继电器用于根据压力传感器发送的压力数据确定电磁开关的打开或关闭状态；所述扭簧的下端固定在取心筒上部的凹槽内，扭簧的上端与翻板阀连接；所述翻板阀在扭簧的作用下压在控制杆上，且翻板阀朝向保压腔体管的一侧设置有翻板阀上保温层。

其中，所述继电器的型号为JZX-22F(D)/2Z+CZY08A小型继电器。

天然气水合物冷冻保压取样方法，其特征在于，该取样方法采用所述的天然气水合物冷冻保压取样钻具进行取样，具体包括如下步骤：

①地表准备阶段：在进行钻进取心之前，首先将冷源腔体管上部的排气阀体、排气阀弹簧及排气阀芯拆下；然后向冷源腔体管内注入液氮对其进行预冷，冷源腔体管内部温度降至-100℃时结束预冷；将相变液体作为冷源注入冷源腔体管内；完成冷源注入后，将排气阀体、排气阀弹簧及排气阀芯重新安装到冷源腔体管上；预先设置电磁开关的开启信号，即当压力传感器检测到保压腔体管内的压力达到设定值时，继电器根据压力传感器发送的压力数据向电磁开关发射信号使电磁开关打开；

②初始阶段：完成步骤①后，将钻具内管总成投入钻具外管中，控制杆上部的凸台坐在钻具外管的凹台上，钻具内管总成悬空，切削齿与孔底之间保持2mm～4mm距离；冷源存储在冷源腔体管内部；翻板阀在扭簧的作用下压在控制杆上；电磁开关处于关闭状态；活塞处于取心筒的下部并将其密封；

③钻进取心阶段：开泵，开始循环钻井液，钻井液自控制杆上部的通孔进入钻具内管总成内部，然后经钻井液进口进入控制杆、钻具外管、密封环及冷源腔体管围成的空间内；由于密封环将钻具外管与钻具内管总成间的环状空隙封死，钻井液无法向下流动，因此冷源腔体管上方的静水压力逐渐升高，推动钻具内管总成向下移动，切削齿在静水压力的作用下切削天然气水合物地层；此时由于有钻具外管的阻碍控制杆无法向下移动，导致活塞相对于取心筒逐渐上升；在切削齿作用下获得天然气水合物岩心；然后在活塞相对于取心筒向上移动时产生的抽吸作用使天然气水合物岩心逐渐进入到取心筒中，在此过程中揽簧阻碍钻取的天然气水合物岩心从取心筒内掉出；当切削齿带动取心筒完全压入天然气水合物地层后，天然气水合物岩心填满取心筒，活塞到达取心筒的最上部，钻进取心阶段结束；

④保压岩心阶段：钻进取心结束后，投入打捞器，打捞器的打捞钩卡在控制杆上部的凹槽内，上提打捞器，打捞器带动控制杆向上移动，同时活塞带动取心筒向上移动；钻具内管总成其他部分在自身重力作用下相对于控制杆向下移动，取心筒逐渐进入保压腔体管，取心筒完全进入保压腔体管后，翻板阀在扭簧的作用下将保压腔体管的下部封死，此时保压腔体管内的压力为天然气水合物储层的原始压力；压力传感器实时监测保压腔体管内的压力变化，在保压腔体管内的压力未达到设定值时，电磁开关始终保持关闭状态，冷源始终存储在冷源腔体管内；

⑤冷冻岩心阶段：当压力传感器检测到保压腔体管内的压力低于设定值，继电器向电磁开关发出信号，电磁开关打开，冷源自冷源腔体管内流出，经电磁开关进入取心筒与保压腔体管内壁间的环状空隙内，冷源气化吸热将天然气水合物岩心冷冻至-40℃以下，确定天然气水合物岩心不发生分解；

⑥继续钻进阶段：在将天然气水合物岩心提到孔口后，需要继续向下钻进天然气水合物地层，继续钻取天然气水合物岩心，首先要循环钻井液，在不投入钻具内管总成的情况下旋转钻具外管带动钻头向下钻进至天然气水合物地层；然后停钻，重复进行以上步骤，获取天然气水合物岩心。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明将现有的天然气水合物保压取样方法和冷冻取样方法通过天然气水合物冷冻保压取样钻具进行有机结合；采用翻板阀将钻具的取心筒密封，保持天然气水合物岩心的原始压力抑制天然气水合物的分解；当取心筒发生泄漏，其内部压力达到一定值时，采用低温相变液体作为冷源冷冻天然气水合物岩心至-40℃；采用冷冻保压双重作用提高天然气水合物岩心的保真程度和取心成功率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明实施例中天然气水合物冷冻保压取样钻具的结构示意图。

图2为图1的局部放大图。

图中各标记如下：1-控制杆，2-钻具外管，3-钻井液进口，4-密封环，5-排气阀弹簧，6-排气阀体，7-排气阀芯，8-冷源腔体管，9-冷源腔体保温层，10-电磁开关，11-继电器，12-压力传感器，13-保压腔体管，14-保压腔保温层，15-翻板阀上保温层，16-翻板阀，17-扭簧，18-取心筒，19-岩心管，20-活塞，21-揽簧，22-切削齿，23-钻头。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程及元件并没有详细的叙述。

本发明采用相变液体作为冷源，相变液体采用温度为0℃～-120℃的酒精-干冰混合物、温度为0℃～-130℃的丙酮-干冰混合物及温度为-197℃的液氮等能够气化吸热的低温流体；

如图1及图2所示，天然气水合物冷冻保压取样钻具，包括钻具外管2、钻具内管总成及钻头23，所述钻具外管2套设在钻具内管总成的外部，钻具外管2与钻具内管总成之间具有环状空隙；所述钻头23设置在钻具外管2底部；所述钻具内管总成包括控制杆1、密封环4、排气阀弹簧5、排气阀体6、排气阀芯7、冷源腔体管8、冷源腔体保温层9、电磁开关10、继电器11、压力传感器12、保压腔体管13、保压腔保温层14、翻板阀上保温层15、翻板阀16、扭簧17、取心筒18、岩心管19、活塞20、揽簧21及切削齿22，所述控制杆1的上部为中空结构，控制杆1上设置有与其上部中空结构连通的钻井液进口3，控制杆1上部设置有凸台，该凸台直径大于钻具外管2上部凹台的内径，控制杆1悬挂在钻具外管2的凹台上；所述密封环4设置在冷源腔体管8和钻具外管2之间，并且密封环4与冷源腔体管8通过螺纹连接，将冷源腔体管8与钻具外管2之间的间隙密封；所述排气阀体6安装在冷源腔体管8的冷源入口处，并与冷源腔体管8螺纹连接；所述排气阀弹簧5设置在排气阀体6内部，排气阀弹簧5的上部与排气阀体6内顶部连接，排气阀弹簧5的下部与排气阀芯7接触，排气阀弹簧5提供的预紧力将排气阀芯7堵在冷源腔体管8的排气口处；所述冷源腔体管8、保压腔体管13、取心筒18及切削齿22均套设在控制杆1上，且冷源腔体管8、保压腔体管13、取心筒18及切削齿22自上而下顺次通过螺纹连接，冷源腔体管8的内壁设置有冷源腔体保温层9，冷源腔体保温层9保证冷源腔体管8内部与外界环境绝热，保压腔体管13的内壁设置有保压腔保温层14；保压腔保温层14用于保证保压腔体管13内部与外界绝热；所述岩心管19设置在取心筒18内部，且岩心管19的内径小于切削齿22的内径，确保天然气水合物岩心能进入岩心管19；所述揽簧21的上部与岩心管19连接，揽簧21的下部与切削齿22连接；所述活塞20设置在岩心管19内部，且活塞20的上部与控制杆1连接；所述电磁开关10的上部设在冷源腔体管8的冷源出口处，电磁开关10的下部与保压腔体管13内部相连通；所述压力传感器12位于保压腔体管13的内部，压力传感器12用于监测保压腔体管13内部的压力变化；压力传感器12与继电器11相连，继电器11与电磁开关10相连；压力传感器12将保压腔体管13内部的压力变化情况传递给继电器11，当压力下降到设定值时，继电器11控制电磁开关10打开使冷源自冷源腔体管8内流入保压腔体管13，所述扭簧17的下端固定在取心筒18上部的凹槽内，扭簧17的上端与翻板阀16连接；所述翻板阀16在扭簧17的作用下压在控制杆1上，且翻板阀16朝向保压腔体管13的一侧设置有翻板阀上保温层15。

工作时冷源腔体管8上方的钻井液推动冷源腔体管8、保压腔体管13、取心筒18及切削齿22压入天然气水合物地层中，切削天然气水合物地层获得柱状天然气水合物岩心，天然气水合物岩心在活塞20的抽吸作用下进入岩心管19内部，在此过程中揽簧21保证进入岩心管19的天然气水合物岩心不会由于重力而掉出。

具体天然气水合物冷冻保压取样方法包括如下步骤：

①地表准备阶段：在进行钻进取心之前，首先需要将冷源腔体管8上部的排气阀体6、排气阀弹簧5及排气阀芯7拆下，然后向冷源腔体管8内注入液氮对其进行预冷，由于冷源腔体管8内有冷源腔体保温层9，保持在预冷过程中，冷量不会大量外泄，可使冷源腔体管8的内部温度迅速下降，当冷源腔体管8内的温度降至-100℃时，预冷结束；最后将相变液体作为冷源注入冷源腔体管8内，由于进行了预冷和冷源腔体保温层9的作用，所以相变液体不会因为吸热而气化；以上步骤完成后将排气阀体6、排气阀弹簧5及排气阀芯7重新安装到冷源腔体管8上；设置电磁开关10的开启信号，当压力传感器12检测到保压腔体管13内的压力减小到某一特定值时，继电器11会向电磁开关10发射信号使电磁开关10打开。

②初始阶段：冷源填装完成后，将钻具内管总成投入钻具外管2中，钻具内管总成的控制杆1上部的凸台坐在钻具外管2的凹台上，钻具内管总成整体悬空，切削齿22与孔底之间保持2mm～4mm距离；此时，不循环钻井液，冷源存储在冷源腔体管8内部；翻板阀16在扭簧17的作用下压在控制杆1上；电磁开关10处于关闭状态，冷源不会自冷源腔体管8内流出；活塞20处于取心筒18的下部，并将其密封，确保钻井液不会进入到取心筒18中污染天然气水合物岩心；

③钻进取心阶段：开泵，开始循环钻井液，钻井液自控制杆1上部的通孔进入钻具内管总成内部，然后经钻井液进口3进入控制杆1、钻具外管2、密封环4及冷源腔体管8围成的空间内，由于密封环4将钻具外管2与钻具钻内管总成间的环状空隙封死，钻井液无法向下流动，因此冷源腔体管8上方的静水压力逐渐升高，推动钻具内管总成向下移动，切削齿22在静水压力的作用下切削天然气水合物地层；此时由于有钻具外管2的阻碍控制杆1无法向下移动，导致活塞20相对于取心筒18逐渐上升；在切削齿22作用下获得天然气水合物岩心；然后在活塞20相对于取心筒18向上移动时产生的抽吸作用使天然气水合物岩心逐渐进入到取心筒18中，减弱了由于天然气水合物岩心与取心筒18侧壁间的摩擦导致水天然气水合物岩心变形的情况；在此过程中揽簧21保证钻取的天然气水合物岩心不会从取心筒18内掉出；当切削齿22带动取心筒18完全压入天然气水合物地层后，取心筒18被天然气水合物岩心装满，活塞20到达取心筒18的最上部；此时钻进取心阶段结束；

④保压岩心阶段：钻进取心结束后，投入打捞器，打捞器的打捞钩卡在控制杆1上部的凹槽内，上提打捞器，打捞器带动控制杆1向上移动，同时活塞20带动取心筒18向上移动；钻具内管总成其他部分在自身重力作用下相对于控制杆1向下移动，取心筒18逐渐进入保压腔体管13，当取心筒18完全进入保压腔体管13后，翻板阀16在扭簧17的作用下将保压腔体管13的下部封死，此时保压腔体管13内的压力为天然气水合物储层的原始压力；压力传感器12实时监测保压腔体管13内的压力变化，在保压腔体管13内的压力未达到设定值时，电磁开关10始终保持关闭状态，冷源始终存储在冷源腔体管8内，通过冷源腔体保温层9确保相变液体不会因为与外界发生大量换热而气化；

⑤冷冻岩心阶段：冷冻岩心阶段是在保压岩心失效的情况下开启的；当保压腔体管13内的压力发生泄漏时，压力传感器12检测到保压腔体管13内的压力低于设定值，继电器11向电磁开关10发出信号，电磁开关10打开，冷源自冷源腔体管8内流出，经电磁开关10进入取心筒18与保压腔体管13内壁间的环状空隙内，由于冷源与天然气水合物岩心间存在较大的温差，冷源大量气化吸热将天然气水合物岩心冷冻至-40℃以下保证天然气水合物岩心不发生分解；由于保压腔体管13内壁设置有保压腔保温层14包裹及翻板阀16朝向保压腔体管13的一侧设置有翻板阀上保温层15，因此，在冷冻过程中冷源不会与外界发生大量换热而导致冷量损失；并且在提升过程中保持天然气水合物岩心不会与外界发生换热，保证天然气水合物岩心温度在-40℃以下；

⑥继续钻进阶段：在将天然气水合物岩心提到孔口后，需要继续向下钻进到新的天然气水合物地层，继续钻取天然气水合物岩心，首先要循环钻井液，在不投入钻具内管总成的情况下旋转外管2带动钻头23向下钻进至天然气水合物地层；然后停钻，重复进行以上步骤，获取新的天然气水合物岩心。