一种基于冷源的保温保压取芯器以及取芯方法与流程

1.本发明涉及取芯器技术领域，特别是涉及一种基于冷源的保温保压取芯器以及取芯方法。


背景技术：

2.目前天然气水合物(natural gas hydrate/gas hydrate，也叫可燃冰)作为一种分布浅、分布广泛、总量巨大、能量密度高的清洁能源，是未来主要的替代能源，受到世界各国政府和科学界的密切关注。可燃冰常见于深海沉积物或陆上永久冻土中，由于可燃冰储存层成藏机理和地质背景极为复杂，受到环境因素的影响大，自然界中可燃冰的原位温度、压力都与地表环境不同，而当原位温度、压力、物质环境这些条件改变时，可燃冰极易相变，品质散失，使研究人员无法分析可燃冰在地底的赋存状态，所以现在开采时更倾向于对可燃冰进行原位取样勘探。取芯作业是进行地层勘探的必要手段，是获取地层信息及地质数据最为直接有效的手段，可燃冰取芯作业中通常采用保压取芯器进行保压取样以获得可燃冰样品。
3.但是，因为保压取芯器只能保持储存样品的密闭空间的压强，而天然气水合物本身是在高压低温条件下形成的，所以在取芯过程中，将样品移动到不同温度和不同压强的位置都会导致样品的形态、特性发生变化，所以现有的保压取芯器尚不能保持取出的样品的初始温度和压力，会影响后续对样品的继续研究。
4.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于冷源的保温保压取芯器以及取芯方法，旨在解决取芯过程中无法保持初始温度与压力而影响后续对样品的研究的问题。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种基于冷源的保温保压取芯器，其中，包括取芯机构和套管机构，所述套管机构上设有中空管道，所述取芯机构安装在所述中空管道内；所述套管机构包括沿所述取芯机构的轴向方向依次连接的控制部件、保温部件和保压部件。
8.所述的基于冷源的保温保压取芯器，其中，所述控制部件包括第一管套、流量控制阀和弹卡结构，所述第一管套与所述保温部件背离所述保压部件的一端连接，所述取芯机构安装在所述第一管套的内腔中；所述流量控制阀设于所述第一管套的内壁上，位于所述第一管套背离所述保温部件的一端，所述流量控制阀用于控制所述取芯机构的移动；所述弹卡结构设于所述第一管套的外壁上，用于固定所述第一管套。
9.所述的基于冷源的保温保压取芯器，其中，所述保温部件包括第二管套、保温管套、内衬管套和冷源层，所述第二管套一端与所述控制部件连接，另一端与所述保压部件连接；所述保温管套设于所述第二管套的内壁上；所述内衬管套设于所述保温管套的内壁上，
所述取芯机构安装在所述内衬管套的内腔中，并且所述内衬管套和所述保温管套之间设有储存腔；所述冷源层设置在所述储存腔内。
10.所述的基于冷源的保温保压取芯器，其中，所述冷源层包括液氮层、低温酒精层、液氮和低温酒精混合层中的至少一种。
11.所述的基于冷源的保温保压取芯器，其中，所述保压部件包括第三管套和保压阀，所述第三管套与所述保温部件背离所述控制部件的一端连接，所述取芯机构安装在所述第三管套的内腔中；所述保压阀设于所述第三管套的内壁上，位于所述第三管套背离所述保温部件的一端，所述保压阀用于控制所述保压部件的内腔开启和封闭。
12.所述的基于冷源的保温保压取芯器，其中，所述保压阀包括安装在所述第三管套的内壁上的阀座和固定在所述阀座朝向所述保温部件的一侧的阀盖，所述阀盖可在所述阀座上转动，用于打开或闭合所述第三管套的内腔。
13.所述的基于冷源的保温保压取芯器，其中，所述基于冷源的保温保压取芯器还包括取芯钻头，所述取芯钻头安装在所述保压部件背离所述保温部件的一端。
14.所述的基于冷源的保温保压取芯器，其中，所述控制部件与所述保温部件可拆卸连接；和/或所述保温部件与所述保压部件可拆卸连接。
15.本技术还公开了一种基于冷源的保温保压取芯器的取芯方法，其中，采用如上任一所述的基于冷源的保温保压取芯器取芯。
16.所述的基于冷源的保温保压取芯器的取芯方法，其中，包括：
17.打开控制部件和保压部件，伸出取芯机构到套管机构外，并转动所述取芯机构，获得样品；
18.收回所述取芯机构至所述套管机构内，将样品移入所述套管机构的中空管道内；
19.关闭所述保压部件，完成取芯。
20.与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：
21.本技术中的基于冷源的保温保压取芯器可用于多种环境下的取芯，在预先打好的钻孔中放入基于冷源的保温保压取芯器，基于冷源的保温保压取芯器滑到钻孔的最底端开始取芯，取芯后取芯机构携带样品进入到套管机构的中空管道内，套管机构上设置了保温部件和保压部件，所以可以使中空管道内保持原始温度和压力，即采集的样品可维持初始温度和初始压力，并且在此状态下提取出取芯器，从而获得保持着初始温度与压力的样品，便于后续分析研究。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明中基于冷源的保温保压取芯器沿轴向方向的截面图；
24.图2为本发明中基于冷源的保温保压取芯器的控制部件沿轴向方向的截面图；
25.图3为本发明中基于冷源的保温保压取芯器的保温部件沿轴向方向的截面图；
26.图4为本发明中基于冷源的保温保压取芯器的保压部件沿轴向方向的截面图；
27.图5为本发明中基于冷源的保温保压取芯器的取芯方法的流程图。
28.其中，10、取芯机构；20、套管机构；21、控制部件；211、第一管套；212、流量控制阀；213、弹卡结构；22、保温部件；221、第二管套；222、保温管套；223、内衬管套；224、冷源层；23、保压部件；231、第三管套；232、保压阀；2321、阀座；2322、阀盖；30、中空管道；40、取芯钻头。
具体实施方式
29.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.目前，随着人类社会的发展，地球上的常规能源日趋减少，而人们发现的清洁能源供不应求，天然气水合物作为潜在替代能源在世界范围内受到高度重视。天然气水合物，是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质，因其外观像冰，遇火即燃，因此被称为“可燃冰”(combustible ice)、“固体瓦斯”和“汽冰”，化学式为ch4·
nh2o。天然气水合物常见于深海沉积物或陆上永久冻土中，目前据估算，世界上天然气水合物所含的有机碳总量相当于全球已知煤、石油和天然气的两倍，而且天然气水合物的分布浅、分布广泛、总量巨大、能量密度高，所以国际科学界预测，它是石油、天然气之后最佳的替代能源，是人类21世纪可接替利用的新型洁净能源之一。
31.现有技术中，天然气水合物的采集依然要通过勘探、取样、检测然后才能开采，但是天然气水合物与一般的矿石、岩石不同，在天然气水合物产生的位置，温度与压力都与空气中的不同，所以取样之后在提取到地表的过程中容易产生物理性质和化学性质变化，也就是说，传统的取样方法无法保持天然气水合物的初始温度与压力，样品从地底被取出后性质发生改变，所以难以分析其初始状态以及性质参数，对天然气水合物的分析研究进程造成阻力，妨碍了天然气水合物的推广使用。
32.需要说明的是本技术中涉及的基于冷源的保温保压取芯器以及取芯方法可用在可燃冰勘探领域，但并不局限于此，也可以应用在矿石、岩石等其他行业中，通过保温保压的设备和方法使提取的样品可以更好地保持初始状态，有助于准确分析和研究样品的特性。
33.参阅图1，本发明申请的一实施例中，公开了一种基于冷源的保温保压取芯器，其中，包括取芯机构10和套管机构20，所述套管机构20上设有中空管道30，所述取芯机构10安装在所述中空管道30内；所述套管机构20包括沿所述取芯机构10的轴向方向依次连接的控制部件21、保温部件22和保压部件23。
34.本技术中的基于冷源的保温保压取芯器可用于多种环境下的取芯，在预先打好的钻孔中放入基于冷源的保温保压取芯器，基于冷源的保温保压取芯器滑到钻孔的最底端开始取芯，通过外部钻杆传动给取芯机构10提供动力或者通过内部设置液动马达连接取芯机构10提供动力，使取芯机构10旋转钻进进行取芯，本实施例中可以使用中心杆连接样品筒的组合方式设置取芯机构10，中心杆传递外力推动样品筒钻进，直至样品进入并充满样品筒；取芯后取芯机构10携带样品进入到套管机构20的中空管道30内，套管机构20上设置了
保温部件22和保压部件23，所以可以使中空管道30内保持原始温度和压力，即采集的样品可维持初始温度和初始压力，并且在此状态下取出取芯器，从而获得保持着初始温度与压力的样品，便于后续分析研究；并且，在取芯器下滑的过程中取芯机构10一直藏在套管机构20内，套管机构20可以保护取芯机构10，避免钻孔侧壁与取芯机构10之间碰撞或者摩擦，同时防止下降过程中钻孔侧壁的杂物掉落到取芯机构10上，避免影响对目标位置的样品采集。
35.具体的，所述控制部件21、所述保温部件22和所述保压部件23沿所述取芯机构10的轴向方向依次连接，将保温部件22设置在中间位置是因为保温部件22需要控制的是整个中空管道30内的温度，中空管道30的轴向方向比较长，所以沿中空管道30的轴向方向的热对流速度较慢，如果将保温部件22设置在套管机构20的一端的话，套管机构20另一端的温度就不好控制了，所以将保温部件22设置在中间；中空管道30上被保温部件22包裹的部分保持温度的同时，该位置的空气向中空管道30的两端流动的距离较短，从而可以更均匀地控制中空管道30内的整体的温度，使样品处于温度稳定的环境。其次，保压部件23设置在端部时，可以将取芯机构10从套管机构20背离保压部件23的一端插入，从保压部件23中伸出，然后，取好样之后，取芯机构10回缩，样品完全进入保压部件23的同时，保压部件23就同步封闭中空管道30，使套管机构20内部的压力迅速保持稳定，与外界环境中的压力隔开，直至取出样品检测。
36.具体的，作为本实施例的一种实现方式，公开了所述控制部件21与所述保温部件22可拆卸连接；和/或所述保温部件22与所述保压部件23可拆卸连接。因为本实施例中公开的基于冷源的保温保压取芯器的形状属于细长形的，方便在钻孔中操作，但是同时细长形的机构不方便维修，在使用过程中如果出现故障，不好检测和更换，而将所述控制部件21与所述保温部件22，所述保温部件22与所述保压部件23设置为可拆卸连接，方便单独更换和检测，便于对基于冷源的保温保压取芯器进行维护，同时也方便运输。
37.具体的，作为本实施例的另一种实现方式，公开了所述控制部件21朝向所述保温部件22的一端设有第一对接内环，所述保温部件22朝向所述控制部件21的一端对应的设有第一对接外环，所述第一对接外环包裹在所述第一对接内环的外侧壁上；所述保温部件22朝向所述保压部件23的一端设有第二对接内环，所述保压部件23朝向所述保温部件22的一端对应的设有第二对接外环，所述第二对接外环包裹在所述第二对接内环的外侧壁上。通过设置第一对接外环与第一对接内环，以及第二对接外环与第二对接内环包裹式的对接方式，使得控制部件21与保温部件22，以及保温部件22与保压部件23连接牢固，而且这种套接的连接方式在连接位置处不会产生很大的漏气缝隙，使得套管机构20的储存内腔中可以更好地保持稳压的密闭状态。当然，为了进一步提高连接的气密性，可以在第一对接内环与第一对接外环的接触界面、第二对接内环与第二对接外环的接触界面上设置密封圈，比如橡胶密封圈或者塑料密封圈，通过挤压弹性密封圈使连接界面上的缝隙堵塞，从而进一步将套管机构20内的环境与外界环境隔绝开，获得更好的保温保压效果。具体的，在实际生产过程中，选择粘接、焊接等其他气密性好的连接方式连接控制部件21、保温部件22和保压部件23也可以。
38.参阅图2，作为本实施例的另一种实现方式，公开了所述控制部件21包括第一管套211、流量控制阀212和弹卡结构213，所述第一管套211与所述保温部件22背离所述保压部
件23的一端连接，所述取芯机构10安装在所述第一管套211的内腔中；所述流量控制阀212设于所述第一管套211的内壁上，位于所述第一管套211背离所述保温部件22的一端，所述流量控制阀212用于控制所述取芯机构10的移动；所述弹卡结构213设于所述第一管套211的外壁上，用于固定所述第一管套211。因为基于冷源的保温保压取芯器使用时要放入预先打好的孔中，而预先打的孔的孔径一般比取芯器的径向宽度要略大，这样在将取芯器放入到孔底的过程中可以减少取芯器的侧壁与孔侧壁的接触，一是减少摩擦阻力，方便取芯器顺利到达孔底部，二是防止孔侧壁破裂产生碎块，避免掉落到孔底的碎块阻挡取芯器，避免影响取样；所以取芯器放在孔底的时候不是固定的，而取样时取芯器要钻取样品，必然会产生震动，取芯器无法稳定则会影响取样，设置弹卡结构213在第一管套211上，当取芯器落到孔底的时候，弹卡结构213打开并抵接孔的侧壁，使取芯器固定，于是可以维持取样过程中的稳定，顺利进行取样。
39.具体的，本实施例中公开的基于冷源的保温保压取芯器处于初始状态时，取芯机构10在中空管道30内固定，流量控制阀212关闭，通过销钉锁紧取芯机构10，在取芯器下落到钻孔孔底的过程中保持取芯机构10不动，避免工作之前取芯机构10与套管机构20的碰撞，减少损伤，取芯器落到钻孔孔底并稳定后，通过循环流体介质流动产生的液压力剪断销钉，从而打开流量控制阀212，松开取芯机构10，使取芯机构10可自由伸出套管机构20进行钻取样品。流量控制阀212的使用简单方便，不需要电路模块、通讯模块等复杂结构的控制，使基于冷源的保温保压取芯器的结构简单，制造成本低。
40.具体的，作为本实施例的另一种实现方式，公开了所述弹卡结构213包括转动杆和弹性件，比如弹性件可以是弹簧，所述转动杆一端与所述第一管套211铰接，另一端与所述第一管套211之间设有所述弹性件。取芯器下落的过程中弹卡结构213闭合，将转动件靠向第一管套211，压缩弹性件，等到取芯器到达目标位置后，弹卡结构213张开，弹性件自然恢复，将转动件弹开，转动件一端连接在第一管套211上，另一端抵接在孔内壁上，形成支撑；可以围绕第一管套211的径向方向设置多个弹卡结构213，使第一管套211的各个方向都受到支撑，从而保持取芯器整体的稳定。这种固定方式简单方便，而且容易实现，无需复杂的控制操作。
41.参阅图3，作为本实施例的另一种实现方式，公开了所述保温部件22包括第二管套221、保温管套222、内衬管套223和冷源层224，所述第二管套221一端与所述控制部件21连接，另一端与所述保压部件23连接；所述保温管套222设于所述第二管套221的内壁上；所述内衬管套223设于所述保温管套222的内壁上，所述取芯机构10安装在所述内衬管套223的内腔中，并且所述内衬管套223和所述保温管套222之间设有储存腔；所述冷源层224设置在所述储存腔内。本技术的保温部件22不仅设置内衬管套223和保温管套222形成隔温的储存腔，减少保温部件22上传递的热量，还在储存腔内设置冷源层224增加隔温和保温的效果；具体来说，所述冷源层224包括液氮层、低温酒精层、液氮和低温酒精混合层中的至少一种，液氮和酒精的导热率都比较小，所以冷源层224上导热量非常小，温度不容易在套管机构20内外两侧传递，可以达到较好的保温效果；但是，实际使用过程中，任何保温结构不可能实现绝对隔热，所以样品不可避免的会与外界外径进行能量交换，在取出基于冷源的保温保压取芯器的过程中，外界环境不断变化，海拔高度和大气温度都在改变，不可避免地会造成基于冷源的保温保压取芯器的温度改变；此时冷源层224的存在会通过气态、液体的物理状
态变化对中空管道30进行物理控温，将样品温度尽可能地保持在初始温度，从而实现从一而终的保温保压效果。
42.参阅图4，作为本实施例的另一种实现方式，公开了所述保压部件23包括第三管套231和保压阀232，所述第三管套231与所述保温部件22背离所述控制部件21的一端连接，所述取芯机构10安装在所述第三管套231的内腔中；所述保压阀232设于所述第三管套231的内壁上，位于所述第三管套231背离所述保温部件22的一端，所述保压阀232用于控制所述保压部件23的内腔开启和封闭。取芯之前将取芯机构10插入到中空管道30内，直至保压部件23的第三管套231内腔中，此时保压阀232保持打开状态，使取芯机构10可自由移动，取芯器到达指定位置后可以直接开始取芯，按照取芯机构10的钻取路线，从设置控制部件21的一端伸入中空管道30，从设置保压部件23的一端伸出中空管道30，所以回收时样品最先经过的就是保压阀232，取芯机构10抓取样品进入中空管道30后立即关闭保压阀232，即将中空管道30的开口封闭，隔绝中空管道30内的空间，进而实现保温保压状态；而为了使样品一进入中空管道30后中空管道30就能立马关闭，将保压阀232设置在第三管套231背离保温部件22的一端是效果最好的。
43.需要说明的是，在本实施例中基于冷源的保温保压取芯器往往要伸入很深的钻孔工作，甚至是进行海底勘探工作，所以工作时受到的环境压力很大，所以本技术的第一管套211，第二管套221，以及第三管套231均可以设置为金属构件，例如不锈钢、铬铁合金、钨钢合金等等，金属材质构件的硬度大，刚性大，可以较好的适应高压环境，降低取芯器在工作过程中被环境压迫变形的风险，避免样品卡在中空管道30内，防止影响对样品的后续研究。
44.如图4所示，作为本实施例的另一种实现方式，公开了所述保压阀232包括安装在所述第三管套231的内壁上的阀座2321和固定在所述阀座2321朝向所述保温部件22的一侧的阀盖2322，所述阀盖2322可在所述阀座2321上转动，用于打开或闭合所述第三管套231的内腔。阀座2321可以设置成环形的，环形的阀座2321垂直于第三管套231的内壁设置，阀座2321的外侧接触并固定在第三管套231的内壁上，阀座2321的内侧用于穿过取芯机构10，阀盖2322则转动连接在阀座2321上，可转动到与阀座2321垂直，贴合第三管套231的内壁，从而避让取芯机构10，也可以转动到与阀座2321同一平面，遮盖阀座2321的内腔从而实现闭合，隔绝中空管道30内外环境；保压阀232的结构简单，且易于操作。为了使保压阀232在第三管套231上固定牢固，可以在安装阀座2321的时候在阀座2321的外侧壁上设置密封圈，通过挤压密封圈减小阀座2321与第三管套231之间的间隙，增加气密性，同时，为了让阀座2321上的密封圈不会滑落，可以在阀座2321的外侧壁上设置卡槽来卡住密封圈；同理，阀盖2322与阀座2321的配合也可以通过在阀盖2322的侧壁上设置密封圈来增加气密性，阀盖2322盖合到阀座2321上的时候阀盖2322的侧壁与阀座2321接触，挤压密封圈，从而增加中空管道30端口的气密性，从整体上来说，使取芯器在暂存样品时可以更好地减少热量传递，实现更好的保温保压效果；同样也可以在阀盖2322的侧壁设置一个凹槽来卡住密封圈，使阀盖2322与阀座2321配合时密封圈不会滑动。
45.具体的，作为本实施例的另一种实现方式，公开了所述阀盖2322朝向阀座2321的一侧设有第一边缘倒角；所述阀座2321朝向所述阀盖2322的一侧设有第二边缘倒角，所述第一边缘倒角的倾斜角度与所述第二边缘倒角的倾斜角度相同。阀盖2322与阀座2321的接触界面为倾斜表面，增长了两者之间的接触缝隙，增加了热量通过接触缝隙传递的难度，同
时阀盖2322与阀座2321之间的接触界面面积增加，贴合更加紧密，不易翻动，有利于保持良好密封状态。而且，可以将阀盖2322上的密封圈设置在第一边缘倒角上，这样即使不在第一边缘倒角上设置凹槽密封圈也不容易滑动；当然了，在第一边缘倒角上设置凹槽会更稳定。
46.具体的，作为本实施例的另一种实现方式，公开了所述基于冷源的保温保压取芯器还包括取芯钻头40，所述取芯钻头40安装在所述保压部件23背离所述保温部件22的一端。本实施例中公开的取芯钻头40可设置与保压结构套接，保持稳定牢固的连接；同时取芯钻头40的外侧壁上设有螺纹刀口，用于在钻孔的孔底钻出切口，将样品独立分割出来，并且取芯钻头40可设置内部中空，与中空管道30连通，取芯机构10可以一直伸到钻头的内腔中，随着取芯钻头40向下钻进，取芯钻头40在钻孔的孔底钻出环形切口，环形切口内的柱状样品通过取芯机构10抓取，然后提起值中空管道30中，这样的取样方式将切割与取样同步进行，而且取完样在原地将样品移动到中空管道30内进行保温保压的储存，可以尽可能地实现保持样品原始温度和压力的目标。
47.作为本技术的另一实施例，本技术还公开了一种基于冷源的保温保压取芯器的取芯方法，其中，采用如上任一所述的基于冷源的保温保压取芯器取芯。
48.参阅图5，作为本实施例的一种实现方式，公开了所述基于冷源的保温保压取芯器的取芯方法包括：
49.s100、打开控制部件21和保压部件23，伸出取芯机构10到套管机构20外，并转动所述取芯机构10，获得样品；
50.s200、收回所述取芯机构10至所述套管机构20内，将样品移入所述套管机构20的中空管道30内；
51.s300、关闭所述保压部件23，完成取芯。
52.本技术公开的基于冷源的保温保压取芯器的取芯方法是先在地面上将取芯机构10、控制结构、保温结构、保压结构等部件装配好，然后进钻杆内孔将取芯器投入至钻孔孔底，然后开始取芯作业，通过取芯机构10的移动，将样品抓取后直接送入套管机构20内进行保温保压储存，并就地关闭保压部件23，封闭中空管道30，尽可能地保存样品的初始温度与压力，然后再取出取芯器，并运输到实验室，对于样品的原始相态、原始物理性质、原始化学性质等等方面进行研究，这样的取芯方式可维持初始温度和初始压力，对该样品的研究和推广应用有很大的促进作用。
53.综上所述，本技术的实施例公开了一种基于冷源的保温保压取芯器，其中，包括取芯机构10和套管机构20，所述套管机构20上设有中空管道30，所述取芯机构10安装在所述中空管道30内；所述套管机构20包括沿所述取芯机构10的轴向方向依次连接的控制部件21、保温部件22和保压部件23。本技术中的基于冷源的保温保压取芯器可用于多种环境下的取芯，在预先打好的钻孔中放入基于冷源的保温保压取芯器，基于冷源的保温保压取芯器滑到钻孔的最底端开始取芯，通过外部钻杆传动给取芯机构10提供动力或者通过内部设置液动马达连接取芯机构10提供动力，使取芯机构10旋转钻进进行取芯，取芯后取芯机构10携带样品进入到套管机构20的中空管道30内，套管机构20上设置了保温部件22和保压部件23，所以可以使中空管道30内保持原始温度和压力，即采集的样品可维持初始温度和初始压力，并且在此状态下取出取芯器，从而获得保持着初始温度与压力的样品，便于后续分析研究。
54.应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
55.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。