一种天然气水合物保温保压取芯器的制作方法

1.本发明涉及取芯技术领域，尤其涉及的是一种天然气水合物保温保压取芯器。


背景技术：

2.天然气水合物又称可燃冰(以下简称可燃冰)是一种储量巨大的新能源，具有能量密度高、对环境污染性小的优点，是极具开采价值的自然资源。可燃冰取芯是研究其成藏机理、物化性质和储量分布的重要手段，但由于可燃冰只能在低温高压环境中稳定存在，且对于温度压力的变化较为敏感，故开发可燃冰保温保压取芯技术尤为关键。
3.目前可燃取芯的技术方案可分为两大类，一类是从“保压”入手，维持可燃冰的原位压力，另一类从“保温”入手，维持甚至降低可燃冰在取芯过程中的温度。
4.采用保压取芯方案的包括：国际深海钻探计划(deep sea drilling project，dsdp)采用的保压取芯筒(pressure core barrel，pcb)；国际大洋钻探计划(ocean drilling program，odp)采用的活塞取芯器(advanced piston corer，apc)和保压取芯器(pressure core sampler，pcs)；hy
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ace、(the hydrate autoclave coring equipment system)采用的冲击式取芯器(fu
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gro pressure corer，fpc)和旋转式取芯器(hy
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ace rotary corer，hrc)，r.v.sonne、巡游采用的多重高压取芯器(the multiple autoclave corer，mac)以及动态高压活塞取芯器(dynamic autoclave piston corer，dapc)，通过将取得的可燃冰岩芯密闭在岩芯舱内达到保压的目的。
5.采用保温取芯方案的包括：重庆大学研制的半导体式冰冻取芯器(pressure temperature core sampler，ptcs)和吉林大学研制的天然气水合物孔底冷冻取样器，通过对可燃冰降温冰冻达到“保温”的目的。
6.上述技术方案在保压方面，由于采用球阀密封，造成取芯率低、保压能力弱的缺陷；在保温方案，部分保压取芯方案采用了隔热保温材料，只能在短时间内减缓岩芯的升温过程，岩芯升温不可避免，另一类采用冷冻的手段，导致可燃冰岩芯被冰冻，没有维持在原位温度，导致可燃冰岩芯结构及物理性质发生变化。
7.因此，亟需研发出一种可以在取芯过程中具有保持原位压力和温度能力的取芯器。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种天然气水合物保温保压取芯器，旨在解决现有技术中取芯过程中取芯器保温保压能力弱的技术问题。
9.本发明提供了一种天然气水合物保温保压取芯器，包括外管以及设于所述外管内的岩芯管，所述取芯器还包括：蓄能器，所述蓄能器设于所述岩芯管内，所述蓄能器用于维持所述岩芯管内的压力恒定；感应装置，所述感应装置设于所述外管内，所述感应装置包括温度传感器；半导体制冷器，所述半导体制冷器设于所述外管；导电滑环，所述导电滑环的定子端连接有供电装置，所述导电滑环的转子端与所述半导体制冷器电连接；控制器，所述
控制器分别与所述感应装置和所述导电滑环电连接。
10.进一步的，所述半导体制冷器设于所述外管的内壁；
11.其中，所述半导体制冷器设有多个，相邻所述半导体制冷器之间设有隔热件。
12.进一步的，所述半导体制冷器包括：
13.制冷器制冷端和制冷器制热端，所述制冷器制冷端朝向所述外管的内壁一侧，所述制冷器制热端朝向所述外管的外壁一侧，所述制冷器制热端连接有散热片。
14.进一步的，所述半导体制冷器的厚度大于所述隔热件的厚度。
15.进一步的，所述外管内设有中心杆，所述外管的底端设有阀座；
16.所述岩芯管的底端与所述阀座密封连接，所述岩芯管的顶端与所述中心杆的底端密封连接；所述蓄能器与所述中心杆的底端固定连接。
17.进一步的，所述蓄能器包括：
18.沿岩芯管轴向依次设置的蓄能器注气管、蓄能器储气腔和蓄能器活塞，所述蓄能器注气管与所述蓄能器储气腔相连通，所述蓄能器活塞的第一端连通所述蓄能器储气腔，所述蓄能器活塞的第二端连通所述岩芯管。
19.进一步的，所述感应装置还包括压力传感器；所述感应装置设于所述蓄能器注气管远离所述蓄能器储气腔的一端。
20.进一步的，所述中心杆的外壁设有导电铜条，所述导电滑环的定子端通过所述导电铜条与所述供电装置电连接。
21.进一步的，所述中心杆的底端设置有安装孔，所述控制器设于所述安装孔，所述蓄能器与所述安装孔的内壁固定连接。
22.进一步的，所述控制器包括：微控制芯片和电池，所述电池与所述微控制芯片电连接，所述微控制芯片分别与所述感应装置和所述导电滑环电连接；存储器，所述存储器用于存储温度压力数据。
23.有益效果：本发明提供了一种天然气水合物保温保压取芯器，包括外管以及设于所述外管内的岩芯管，所述取芯器还包括：蓄能器，所述蓄能器设于所述岩芯管内，所述蓄能器用于维持所述岩芯管内的压力恒定；感应装置，所述感应装置设于所述外管内，所述感应装置包括温度传感器；半导体制冷器，所述半导体制冷器设于所述外管；导电滑环，所述导电滑环的定子端连接有供电装置，所述导电滑环的转子端与所述半导体制冷器电连接；控制器，所述控制器分别与所述感应装置和所述导电滑环电连接。在本技术中，当岩芯管内压力发生变化时，通过蓄能器进行调节使得岩芯管内的压力保持恒定，当检测到温度发生变化时，通过导电滑环传递半导体制冷器制冷所需的电能，从而实现岩芯管内温度和压力的智能调节，使得岩芯筒内的天然气水合物长时间保持在原位状态(同时保持可燃冰岩芯的原位温度和压力，从而保证可燃冰岩芯结构及物理性质不发生变化)。
附图说明
24.为了更清楚地说明本技术实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本技术实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
25.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于说明本技术的技术方案。
26.图1为本技术一种天然气水合物保温保压取芯器的第一结构示意图；
27.图2是本技术一种天然气水合物保温保压取芯器的第二结构示意图；
28.图3为本技术一种天然气水合物保温保压取芯器控制原理示意图。
29.附图标记：
30.100、外管；101、半导体制冷器；102、隔热件；103、导电滑环；110、弹卡；120、压环；130、压盖；140、阀盖；150、阀座；160、爆破片；170、泄压口；200、中心杆；210、导电铜条；220、电缆接口；230、电池；240、微控制芯片；300、岩芯管；310、感应装置；320、蓄能器注气管；330、注气口；340、蓄能器储气腔；350、蓄能器活塞。
具体实施方式
31.为使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
32.在申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
33.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
34.在申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
35.现有的可燃取芯的技术方案可分为两大类，一类是从“保压”入手，维持可燃冰的原位压力，另一类从“保温”入手，维持甚至降低可燃冰在取芯过程中的温度。
36.采用保压取芯方案的包括：国际深海钻探计划(deep sea drilling project，dsdp)采用的保压取芯筒(pressure core barrel，pcb)；国际大洋钻探计划(ocean drilling program，odp)采用的活塞取芯器(advanced piston corer，apc)和保压取芯器(pressure core sampler，pcs)；hy
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ace、(the hydrate autoclave coring equipment system)采用的冲击式取芯器(fu
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gro pressure corer，fpc)和旋转式取芯器(hy
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ace rotary corer，hrc)，r.v.sonne、巡游采用的多重高压取芯器(the multiple autoclave corer，mac)以及动态高压活塞取芯器(dynamic autoclave piston corer，dapc)，通过将取得的可燃冰岩芯密闭在岩芯舱内达到保压的目的。
37.采用保温取芯方案的包括：重庆大学研制的半导体式冰冻取芯器(pressure temperature core sampler，ptcs)和吉林大学研制的天然气水合物孔底冷冻取样器，通过
对可燃冰降温冰冻达到“保温”的目的。
38.上述技术方案在保压方面，由于采用球阀密封，造成取芯率低、保压能力弱的缺陷；在保温方案，部分保压取芯方案采用了隔热保温材料，只能在短时间内减缓岩芯的升温过程，岩芯升温不可避免，另一类采用冷冻的手段，导致可燃冰岩芯被冰冻，没有维持在原位温度，导致可燃冰岩芯结构及物理性质发生变化。
39.基于此，本技术实施例提供了一种天然气水合物保温保压取芯器，包括外管以及设于所述外管内的岩芯管，所述取芯器还包括：蓄能器，所述蓄能器设于所述岩芯管内，所述蓄能器用于维持所述岩芯管内的压力恒定；感应装置，所述感应装置设于所述岩芯管内，所述感应装置包括温度传感器；半导体制冷器，所述半导体制冷器设于所述外管；导电滑环，所述导电滑环的定子端连接有供电装置，所述导电滑环的转子端与所述半导体制冷器电连接；控制器，所述控制器分别与所述感应装置和所述导电滑环电连接。
40.下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本技术实施提供的天然气水合物保温保压取芯器进行详细地说明。
41.如图1和图2所示，取芯器包括外管100，以及设于外管100内的岩芯管300和中心杆200，岩芯管300通过岩芯管300上方的中心杆200固定，外管100的底部设有取芯器钻头以及阀座150，在取芯过程中，阀座150的阀盖140打开，中心杆200位置相对地层静置，取芯器钻头及岩芯管300相对地层竖直向下运动，岩芯(可燃冰)就能进入到岩芯管300中，当岩芯进入到岩芯管300后，阀盖140闭合，岩芯管300形成密封空间维持岩芯压力。
42.当岩芯管300内装入岩芯后，对取芯器上提至地面，由于取芯器上提过程中由于环境温度压力变化较大，易于引起取芯器内部温度压力变化。
43.因此本实施方式中，在保压方面，通过在取芯器内设置有蓄能器，通过蓄能器来维持岩芯管300内部的压力恒定。
44.在保温方面，通过设置了感应装置310、半导体制冷器101、导电滑环103、供电装置以及控制器来实现岩芯管300内部温度很定。
45.感应装置310用于检测取芯过程中岩芯管300内的温度状况，感应装置310设置在外管100内部，较佳的，为了使得感应装置310能够更准确的检测岩芯的实时温度，感应装置310可以设置在岩芯管300内部。
46.半导体制冷器101是指利用半导体的热电效应制取冷量的器件，又称热电制冷器。用导体连接两块不同的金属，具有相对设置的制冷端和制热端，接通直流电，则制冷端温度降低，制热端温度升高。半导体制冷器101可以设置在外管100中，且制冷端朝向岩芯管300内部，制热端朝向岩芯管300外部，以方便对岩芯管300提供制冷。
47.导电滑环103用于实现半导体制冷器101供电所需电能的传递，包括定子端和转子端，定子端连接有供电装置，转子端连接着半导体制冷器101，在取芯过程中，转子端相对地层静置，定子端转子端随着取芯器外管100一起转动。
48.供电装置连接导电滑环103，该供电装置可以设置在取芯器内部，也可以设置在取芯器外部，以便更稳定的提供长久电能支持。本领域技术人员可以根据实际需求来进行设定。
49.控制器设置在外管100内部，控制器内部设有微控制芯片240，控制器与感应装置310以及供电装置电连接，在取芯过程中，控制器接收感应装置310传递的温度信息，并对该
温度信息进行记录分析，当该温度发生变化时，则供电装置开始为导电滑环103供电，并通过导电滑环103为半导体制冷器101提供制冷，从而可以在取芯过程中长时间使岩芯管300内的温度恒定。
50.在保压方面，在岩芯管300内设置了蓄能器来维持压力的恒定。
51.具体的，蓄能器固定设置在岩芯管300内部顶端，岩芯位于岩芯管300内部底端，蓄能器用于积蓄压力能，动态维持岩芯管300内的压力稳定，当取芯过程中岩芯管300内的压力下降时，通过蓄能器对岩芯管300内的压力进行补偿，使之维持稳定；当取芯过程中岩芯管300内的压力上升时，通过蓄能器对这部分能量进行系统，从而长时间保持取芯过程中岩芯管300内部压力的恒定。
52.因此，本实施方式中，将保温保压结构一起结合在取芯器中，当岩芯管300内压力发生变化时，通过蓄能器进行调节使得岩芯管300内的压力保持恒定，当检测到温度发生变化时，通过导电滑环103传递半导体制冷器101制冷所需的电能，从而实现岩芯管300内温度和压力的智能调节，使得岩芯筒内的可燃冰长时间保持在原位状态，保证取芯过程中可燃冰不分解。
53.在上述实施方式的基础上，为了实现更好的恒温效果，所述半导体制冷器101设于所述外管100的内壁；其中，所述半导体制冷器101设有多个，相邻所述半导体制冷器101之间设有隔热件102。
54.如图2所示，半导体制冷器101设置在外管100内壁，半导体制器设在岩芯管300附近，且半导体制冷器101设有多个，多个半导体制冷器101均匀排布，以便于快速制冷。另外，本实施方式中任意相邻两个半导体制冷器101之间设有隔热件102，避免半导体制冷器101的制热端产生的热量传递给相邻半导体制冷器101的制冷端，影响制冷效果。
55.具体的，该隔热件102由隔热材料填充，用于阻止相邻半导体制冷器101之间的热传递，隔热材料可以为传统绝热材料，如玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐等，也可以为新型绝热材料，如气凝胶毡、真空板等。较佳的，所述半导体制冷器101的厚度大于所述隔热件102的厚度。
56.在上述实施方式的基础上，所述半导体制冷器101包括：制冷器制冷端和制冷器制热端，所述制冷器制冷端朝向所述外管100的内壁一侧，所述制冷器制热端朝向所述外管100的外壁一侧，所述制冷器制热端连接有散热片。
57.如图2所示，半导体制冷器101包括制冷器制冷端和制冷器制热端，制冷器制冷端和制冷器制热端相对设置，制冷器制热端朝向外管100的外壁一侧，且连接有散热片，因此，更利于半导体制冷器101工作过程中制冷器热端产生的热量散发到外部，从而提高半导体制冷器101的制冷效率。
58.在上述实施方式的基础上，所述外管100内设有中心杆200，所述外管100的底端设有阀座150；所述岩芯管300的底端与所述阀座150密封连接，所述岩芯管300的顶端与所述中心杆200的底端密封连接；所述蓄能器与所述中心杆200的底端固定连接。
59.如图1所示，沿外管100轴向依次设有中心杆200和岩芯管300，岩芯管300的顶端和岩芯管300内蓄能器均与中心杆200底端连接，外管100的底端设有阀座150，在取芯过程中，当岩芯通过阀座150进入到岩芯管300后，阀盖140闭合形成密封空间，较佳的，该阀座150可以为翻板阀，以提高取芯率。
60.在上述实施方式的基础上，所述蓄能器包括：沿岩芯管300轴向依次设置的蓄能器注气管320、蓄能器储气腔340和蓄能器活塞350，所述蓄能器注气管320与所述蓄能器储气腔340相连通，所述蓄能器活塞350的第一端连通所述蓄能器储气腔340，所述蓄能器活塞350的第二端连通所述岩芯管300；所述感应装置310设于所述蓄能器注气管320远离所述蓄能器储气腔340的一端。
61.如图2所示，蓄能器通过物理手段来维持取芯器内的压力，具体而言，蓄能器包括蓄能器注气管320、蓄能器储气腔340和蓄能器活塞350，在蓄能器注气管320上设有注气口330，通过注气口330注入高压气体，使得蓄能器储气腔340处于高压状态，蓄能器活塞350的第二端与岩芯管300相连通，当岩芯进入岩芯管300后，岩芯管300内压力上升，蓄能器活塞350往蓄能器活塞350的第一端一侧运动压缩蓄能器储气腔340体积，使得其内部压力上升直至两端压力平衡，当岩芯管300内压力下降时，由于蓄能器储气腔340内部压力大于岩芯管300内压力，蓄能器活塞350往蓄能器活塞350的第二端一侧运动，压缩体积使岩芯管300内压力趋于稳定。
62.在上述实施方式的基础上，为了便于对取芯过程中的压力数据进行实时记录分析，所述感应装置310还包括压力传感器；所述感应装置310设于所述蓄能器注气管远离所述蓄能器储气腔的一端。
63.如图1所示，本实施例中感应装置310包括压力传感器和温度传感器，该温度传感器和压力传感器可以为集成压力和温度检测功能的温压传感器，也可以是分别设置在岩芯管内。由于该感应装置310包括温度传感器和压力传感器，因此可以实时检测岩芯管300内的温度压力数据。
64.较佳的，本实施例中感应装置310为温压传感器，该温压传感器可以设置在蓄能器注气管320远离蓄能器储气腔340的一端，由于蓄能器注气管320设于岩芯管300内，且蓄能器注气管320与蓄能器储气腔相连通，因此，可以更准确的检测到岩芯管300内的温度压力数据。
65.在上述实施方式的基础上，所述中心杆200的外壁设有导电铜条210，所述导电滑环103的定子端通过所述导电铜条210与所述供电装置电连接。
66.如图1所示，中心杆200的环绕设置有导电铜条210，该导电铜条210连接导电滑环103的定子端，在中心杆200的第一端还设置有电缆接口220，通过该电缆接口220实现导电铜条210与外部供电装置连通，从而通过外部供电装置为半导体制冷器101制冷提供稳定持久的电能支持。
67.值得注意的是，在另一些实施列中，供电装置也可以设置在中心杆200内，通过该供电装置为半导体制冷器101制冷提供电能。具体的，该供电装置可以为容量较大的锂电池230，以便于对半导体制冷器101提供稳定持久的电能支持。
68.在上述实施方式的基础上，所述控制器包括：微控制芯片240和电池230，所述电池230与所述微控制芯片240电连接，所述微控制芯片240分别与所述感应装置310和所述导电滑环103电连接，所述中心杆200的底端设置有安装孔，所述电池230和所述微控制芯片240均设于所述安装孔，所述电池230位于所述安装孔的孔底，所述蓄能器与所述安装孔的内壁固定连接。
69.具体的，在中心杆200的底端设有安装孔，控制器固定安装在该安装孔内，控制器
包括电池230和微控制芯片240，电池230和微控制芯片240安装在安装孔内，在微控制芯片240的底部通过导线连接感应装置310。
70.值得注意的是，该微控制芯片240内也可以集成电池，当该微控制芯片240内部设有集成电池时，中心杆200内亦无需设置该电池230
71.在上述实施方式的基础上，所述控制器包括：存储器，所述存储器用于存储温度压力数据。
72.具体的，该控制器还包括储存器，存储器将感应装置310检测到的温度压力数据进行存储，当取芯器上提至地面后，取芯器与外部转移设备对接，完成岩芯的转运存储，取出控制器读取其温度压力数据，便于采集岩芯管300温压信息，实现随钻测量。
73.较佳的，该取芯器外管100的底端还设有爆破片160和与之配合的泄压口170，当底层压力过高时，爆破片160碎裂，内部压力通过该泄压口170泄压，可以避免高压损伤取芯器内部其他零件。
74.较佳的，该取芯器外管100的顶端还设有弹卡110，需要取芯时，通过弹卡110收缩，使得岩芯管300和外管100脱离，从而通过中心杆200把岩芯管300提升上来。另外，在取芯器的顶端还设有压环120和压盖130，该压环120用于弹卡110限位，避免弹卡110张角过大，该压盖130用于固定压环120。
75.综上，本发明提供了一种天然气水合物保温保压取芯器，包括外管100以及设于所述外管100内的岩芯管300，其特征在于，所述取芯器还包括：蓄能器，所述蓄能器设于所述岩芯管300内，所述蓄能器用于维持所述岩芯管300内的压力恒定；感应装置310，所述感应装置310设于所述岩芯管300内；半导体制冷器101，所述半导体制冷器101设于所述外管100；导电滑环103，所述导电滑环103的定子端连接有供电装置，所述导电滑环103的转子端与所述半导体制冷器101电连接；控制器，所述控制器分别与所述感应装置310和所述导电滑环103电连接，在本技术中，当岩芯管300内压力发生变化时，通过蓄能器进行调节使得岩芯管300内的压力保持恒定，当检测到温度发生变化时，通过导电滑环103传递半导体制冷器101制冷所需的电能，从而实现岩芯管300内温度和压力的智能调节，使得岩芯筒内的可燃冰长时间保持在原位状态(同时保持可燃冰岩芯的原位温度和压力，从而保证可燃冰岩芯结构及物理性质不发生变化)。
76.以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。