本发明涉及石油勘探与开发石油工程钻井取芯技术领域，更具体地说是涉及一种自补偿式原位钻井取芯与测试装置。
背景技术：
对天然气水合物沉积物岩芯的研究是石油资源开发和工程地质评价研究所需的必不可少的基础资料。常规取芯钻具组合只有简单的取芯工具、扶正器及加重钻杆等组合，并没有保压措施，或者密闭取芯工具的保压时间有限，岩芯从井下回收到井口时，由于温度和压力等环境条件的变化，岩芯样品内部结构会发生改变，从而无法反应实际地层中天然气水合物的真实性质，甚至无法得到完整的岩芯样品。同时，实现井下岩芯的随钻随测、随取随测也是一个科学难题。截止目前，针对井下取芯的课题在国内已经展开了大量的科学研究，但很多也只是停留在概念化阶段，还需要不断研究与摸索。
因此，如何提供一种不但能够取出更能真实反映原位环境中的岩石力学性能与天然气水合物组分的岩芯样品，且能够实现随钻随测、随取随测、实时保真的自补偿式原位钻井取芯与测试装置是本领域亟需解决的技术问题之一。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种自补偿式原位钻井取芯与测试装置，目的就是为了能够取出更能真实反映原位环境中的岩石力学性能与天然气水合物组分的岩芯样品，实现随钻随测、随取随测、实时保真。
为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
一种自补偿式原位钻井取芯与测试装置，包括从上至下依次固定连接的安全上接头、电源基座、岩心控制基座、第一扶正接头、所述取芯内筒、取芯外筒、第二扶正接头、岩心测控基座、井下取芯钻头；
所述岩心控制基座内部设置有压力温度控制装置；相应地，岩心测控基座内部设置有压力温度测量装置和球阀启闭控制装置；所述取芯内筒套设于所述取芯外筒内部，且在所述取芯内筒和所述取芯外筒之间安装有保温装置上段、保温装置下段；所述保温装置上段和所述保温装置下段之间设置有岩芯形变测试装置；
所述取芯内筒上端设置有岩芯压力补偿装置，且通过一取芯内筒端盖与所述取芯内筒固定连接；且所述保温装置上段与所述压力补偿装置通过特制橡胶垫环相隔；所述保温装置下段下端通过一内筒固定套与所述取芯内筒限位固定；所述内筒固定套下端设置有球阀和球阀阀座；所述保温装置下段下端与所述岩心测控基座之间亦通过所述特制橡胶垫环相隔。
优选地，所述电源基座四周均布有多个电源腔室，每个所述电源腔室内均设置有锂电池电源；每个所述电源腔室上可拆卸安装有一密封盖，且每个所述电源腔室均设有特殊材质的橡胶密封垫片，与所述电源腔室内部和所述密封盖紧密贴合。
优选地，所述电源腔室设置为4个；相应的，所述密封盖亦设置为4个；且4个电源腔室沿所述电源基座圆周成90°对称分布。4个电源腔室各自工作、互不干涉，分别为压力测控模块、温度测控模块、岩芯形变测试模块和球阀启闭控制模块供电。4个电源腔室分别为第一电源腔室、第二电源腔室、第三电源腔室和第四电源腔室；所述第一电源腔室为球阀启闭控制模块供电；所述第二电源腔室为压力测控模块模块供电；所述第三电源腔室为岩芯形变测试模块供电；所述第四电源腔室为温度测控模块模块供电。
优选地，所述压力温度控制装置包括温控装置和压控装置，所述温控装置与所述压控装置呈180°对称分布在所述岩心控制基座两侧；
所述温控装置包括温度控制模块、温度数据处理模块和温控腔室密封端盖；所述温度控制模块与温度数据处理模块电连接，且均安置于所述岩心控制基座一侧预留的温控腔室内；所述温控腔室密封端盖通过螺钉与所述温控腔室固定连接；所述压控装置包括压控腔室密封端盖、压力数据处理模块和压力控制模块；所述压力数据处理模块与压力控制模块电连接，且均安置于所述岩心控制基座另一侧预留的压控腔室内；所述压控腔室密封端盖通过螺钉与所述压控腔室固定连接。
优选地，所述压力温度测量装置与所述球阀启闭控制装置呈180°对称分布在所述岩心测控基座两侧；
所述压力温度测量装置包括测量腔室密封端盖、压力测量传感器和温度测量传感器；所述压力测量传感器和所述温度测量传感器均设置于所述岩心测控基座一侧预留的测量腔室内；所述测量腔室密封端盖通过螺钉与所述测量腔室固定连接；所述球阀启闭控制装置包括球阀控制室密封端盖和球阀控制模块；所述球阀控制模块设置于所述岩心测控基座另一侧预留的球阀控制腔室内；所述球阀控制室密封端盖通过螺钉与所述球阀控制腔室固定连接。
优选地，所述保温装置上段和所述保温装置下段均包括从内至外依次设置的石墨烯层、绝缘层和保温外筒。
上述技术方案的有益效果是：石墨烯层可通电加热，有温度控制模块控制；在石墨烯层外围设置绝缘层，避免石墨烯通电对装置造成损坏；在最外层保温筒内设置隔热材料，防止热量过快散失。从而能过保证岩芯在特定温度下的质量。
优选地，所述压力补偿装置包括储气罐保护罩、控制线、氮气储气罐、输气管、储气罐底座和高压单向阀组；所述储气罐底座下端与所述取芯内筒端盖固定连接；所述氮气储气罐固定安装于所述储气罐底座上端；所述输气管上端端与所述氮气储气罐连通，其下端穿过所述取芯内筒端盖与所述取芯内筒连通；且所述输气管下端位于所述取芯内筒端盖处安装有所述高压单向阀组；所述储气罐保护罩罩设于所述氮气储气罐上方，且其下端与所述取芯内筒端盖固定连接；所述氮气储气罐通过所述控制线与所述电源基座内的所述锂电池电源电连接。
优选地，所述输气管设置为2个，相应的，所述高压单向阀组亦设置为2个。一个用来加压，一个用来泄压，因而需在所述取芯内筒端盖上避开45°线螺纹孔，沿中心面处呈180°对称开有阶梯孔，且两个所述高压单向阀组安装方向刚好相反。
优选地，所述的岩芯形变测试装置包括2个应变片、数据处理模块、数据传输模块、数据存储模块、测试上基座和测试下基座；所述测试上基座和所述测试下基座采用锥形设计、相互配合形成机械载体；2个所述应变片和所述数据处理模块之间电连接且置于机械载体内一侧，所述数据传输模块和所述数据存储模块之间电连接且置于机械载体内另一侧。
优选地，所述取芯内筒端盖下方还设置有一内筒过滤垫，且所述内筒过滤垫设置于所述取芯内筒内部顶端。
此技术方案的有益效果是：内筒过滤垫安装在取芯内筒端盖内部，采用特殊材质制作，只能通过气体，而无法通过液体和泥沙等，从而避免岩芯对高压单向阀组和氮气源装置造成损坏。
优选地，所述高压单向阀组包括阀座外壳、阀球座、阀球、弹簧和承压垫片；
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1)、本发明装置在取芯测控过程中自携锂电池电源，对井下测控模块提供能量，避免了多余电缆线的下入，降低了一次性投资，节省了能源，节约了生产和维护成本；
2)、本发明装置能够保证岩芯的原位性和保真性，实现了对岩芯的保压和保温，能够提供更为原始性的井下岩芯，为进一步测绘岩芯精准成分提供了保证。同时，在取芯和上提的过程中，还能够随时测量岩芯的形变过程，做到随钻随测、随取随测，为进一步研究岩芯内部组分提供可支撑数据；
3)、本发明装置的测试装置与钻进装置大部分合体设计，轴向长度小，可用于垂直井、小曲率半径水平井、大位移井等钻井取芯，适用性强。
附图说明
图1：装置整体外观图；
图2：装置整体内部结构图；
图3：井下供电装置结构图；
图4：岩芯控制装置结构示意图；
图5：岩芯测控装置结构示意图；
图6：岩芯压力补偿装置结构图；
图7：岩芯保温装置结构示意图；
图8：岩芯形变测试装置结构示意图。
图中：1、安全上接头；2、电源基座；3、岩心控制基座；4、第一扶正接头；5、岩心保压装置；6、取芯内筒端盖；7、特制橡胶垫环；8、内筒过滤垫；9、取芯内筒；10、保温装置上段；11、取芯外筒；12、岩心形变测试装置；13、保温装置下段；14、第二扶正接头；15、内筒固定套；16、球阀；17、球阀阀座；18、岩心测控基座；19、井下取芯钻头；
2-1、第一电源腔室；2-2、第二电源腔室；2-3、第三电源腔室；2-4、第四电源腔室；2-5、锂电池电源；
3-1、温度控制模块；3-2、温度数据处理模块；3-3、温控腔室密封端盖；3-4、压控腔室密封端盖；3-5、压力数据处理模块；3-6、压力控制模块；
5-1、保护罩；5-2、控制线；5-3、氮气储气罐；5-4、输气管；5-5、储气罐底座；ⅰ、高压单向阀组；5-6、阀座外壳；5-7、阀球座；5-8、阀球；5-9、弹簧；5-10、承压垫片；
10-1、石墨烯层；10-2、绝缘层；10-3、保温外筒；
12-1、应变片；12-2、数据处理模块；12-3、数据传输模块；12-4、数据存储模块；12-5、测试上基座；12-6、测试下基座；
18-1、球阀控制室密封端盖；18-2、球阀控制模块；18-3、测量腔室密封端盖；18-4、压力测量传感器；18-5、温度测量传感器。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。
实施例
参照图1所示，一种自补偿式原位钻井取芯与测试装置，包括从上至下依次固定连接的安全上接头1、电源基座2、岩心控制基座3、第一扶正接头4、所述取芯内筒9、取芯外筒11、第二扶正接头14、岩心测控基座18、井下取芯钻头19；所述岩心控制基座3内部设置有压力温度控制装置；相应地，岩心测控基座18内部设置有压力温度测量装置和球阀启闭控制装置；所述取芯内筒9套设于所述取芯外筒11内部，且在所述取芯内筒9和所述取芯外筒11之间安装有保温装置上段10、保温装置下段13；所述保温装置上段10和所述保温装置下段13之间设置有岩芯形变测试装置12；所述取芯内筒9上端设置有岩芯压力补偿装置5，且通过一取芯内筒端盖6与所述取芯内筒9固定连接；且所述保温装置上段10与所述压力补偿装置5通过特制橡胶垫环7相隔；所述保温装置下段13下端通过一内筒固定套15与所述取芯内筒9限位固定；所述内筒固定套15下端设置有球阀16和球阀阀座17；所述保温装置下段13下端与所述岩心测控基座18之间亦通过所述特制橡胶垫环7相隔。
本实施例中，所述电源基座四周均布有4个电源腔室，相应的，所述密封端盖亦设置为4个；且4个电源腔室沿所述电源基座圆周成90°对称分布；每个所述电源腔室内均设置有锂电池电源2-5；每个所述电源腔室上可拆卸安装有一密封盖，且每个所述电源腔室均设有特殊材质的橡胶密封垫片，与所述电源腔室内部和所述密封盖紧密贴合。4个电源腔室各自工作、互不干涉，分别为压力测控模块、温度测控模块、岩芯形变测试模块和球阀启闭控制模块供电。4个电源腔室分别为第一电源腔室2-1、第二电源腔室2-2、第三电源腔室2-3和第四电源腔室2-4；所述第一电源腔室2-1为球阀启闭控制模块供电；所述第二电源腔室2-2为压力测控模块模块供电；所述第三电源腔室2-3为岩芯形变测试模块供电；所述第四电源腔室2-4为温度测控模块模块供电。
本实施例中，所述压力温度控制装置包括温控装置和压控装置，所述温控装置与所述压控装置呈180°对称分布在所述岩心控制基座3两侧；所述温控装置包括温度控制模块3-1、温度数据处理模块3-2和温控腔室密封端盖3-3；所述温度控制模块3-1与温度数据处理模块3-2电连接，且均安置于所述岩心控制基座3一侧预留的温控腔室内；所述温控腔室密封端盖3-3通过螺钉与所述温控腔室固定连接；所述压控装置包括压控腔室密封端盖3-4、压力数据处理模块3-5和压力控制模块3-6；所述压力数据处理模块3-5与压力控制模块3-6电连接，且均安置于所述岩心控制基座3另一侧预留的压控腔室内；所述压控腔室密封端盖3-4通过螺钉与所述压控腔室固定连接。
本实施例中，所述压力温度测量装置与所述球阀启闭控制装置呈180°对称分布在所述岩心测控基座18两侧；所述压力温度测量装置包括测量腔室密封端盖18-3、压力测量传感器18-4和温度测量传感器18-5；所述压力测量传感器18-4和所述温度测量传感器18-5均设置于所述岩心测控基座18一侧预留的测量腔室内；所述测量腔室密封端盖18-3通过螺钉与所述测量腔室固定连接；所述球阀启闭控制装置包括球阀控制室密封端盖18-1和球阀控制模块18-2；所述球阀控制模块18-2设置于所述岩心测控基座18另一侧预留的球阀控制腔室内；所述球阀控制室密封端盖18-1通过螺钉与所述球阀控制腔室固定连接。
本实施例中，所述保温装置上段10和所述保温装置下段13均包括从内至外依次设置的石墨烯层10-1、绝缘层10-2和保温外筒10-3。
本实施例中，所述压力补偿装置5包括储气罐保护罩5-1、控制线5-2、氮气储气罐5-3、输气管5-4、储气罐底座5-5和高压单向阀组；所述储气罐底座5-5下端与所述取芯内筒端盖6固定连接；所述氮气储气罐5-3固定安装于所述储气罐底座5-5上端；所述输气管5-4上端端与所述氮气储气罐5-3连通，其下端穿过所述取芯内筒端盖6与所述取芯内筒9连通；且所述输气管5-4下端位于所述取芯内筒端盖6处安装有所述高压单向阀组；所述储气罐保护罩5-1罩设于所述氮气储气罐5-3上方，且其下端与所述取芯内筒端盖6固定连接；所述氮气储气罐5-3通过所述控制线5-2与所述电源基座3内的所述锂电池电源电连接。
本实施例中，所述的岩芯形变测试装置包括2个应变片12-1、数据处理模块12-2、数据传输模块12-3、数据存储模块12-4、测试上基座12-5和测试下基座12-6；所述测试上基座12-5和所述测试下基座12-6采用锥形设计、相互配合形成机械载体；2个所述应变片12-1和所述数据处理模块12-2之间电连接且置于机械载体内一侧，所述数据传输模块12-3和所述数据存储模块12-4之间电连接且置于机械载体内另一侧。
本实施例中，所述取芯内筒端盖6下方还设置有一内筒过滤垫8，且所述内筒过滤垫8设置于所述取芯内筒9内部顶端。
工作原理：当井下取芯钻头19到达指定取芯位置时，球阀启闭控制装置控制球阀16开启，准备开始取芯，随着进一步钻进，岩芯进入取芯内筒9，取芯完成后，球阀启闭控制装置控制球阀16关闭。与此同时，压力测量传感器18-5会随时测量出此位置岩芯的压力，将数据上传至数据交换与处理模块，进而传输给压力控制装置，压力控制装置接收到传来的数据会根据数据需求发出指令，从而进一步控制压力补偿装置5，进行压力的调节，达到保压的目的。压力补偿装置5可以给岩芯内筒9增压，也可以泄压，决定于压力温度测试装置实时反馈给压力控制装置的信息。同时，温度测量传感器18-6会随时测出此位置岩芯的温度，将数据上传至数据交换与处理模块，进而传输给温度控制装置，温度控制装置接收到传来的数据会根据数据需求发出指令，从而进一步控制保温装置上段10和保温装置下段13，进行温度的调节，从而达到保温的目的。在整体装置上提的过程中，岩芯形变测试装置18可以随时测量岩芯在运动过程中的形变情况，在数据测试与处理之后，自动存储在数据存储模块12-6中，取出岩芯后，将数据拷贝在上位机上，可以分析岩芯在装置取出过程中的形变过程，作进一步的基础研究。
本发明装置在取芯测控过程中自携锂电池电源，对井下测控模块提供能量，避免了多余电缆线的下入，降低了一次性投资，节省了能源，节约了生产和维护成本；能够保证岩芯的原位性和保真性，实现了对岩芯的保压和保温，能够提供更为原始性的井下岩芯，为进一步测绘岩芯精准成分提供了保证。同时，在取芯和上提的过程中，还能够随时测量岩芯的形变过程，做到随钻随测、随取随测，为进一步研究岩芯内部组分提供可支撑数据；在本装置中，测试模块与钻进机械本体装置大部分合体设计，轴向长度小，可用于垂直井、小曲率半径水平井、大位移井等钻井取芯，适用性强。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
1.一种自补偿式原位钻井取芯与测试装置，其特征在于，包括从上至下依次固定连接的安全上接头(1)、电源基座(2)、岩心控制基座(3)、第一扶正接头(4)、取芯内筒(9)、取芯外筒(11)、第二扶正接头(14)、岩心测控基座(18)、井下取芯钻头(19)；
所述岩心控制基座(3)内部设置有压力温度控制装置；相应地，岩心测控基座(18)内部设置有压力温度测量装置和球阀启闭控制装置；所述取芯内筒(9)套设于所述取芯外筒(11)内部，且在所述取芯内筒(9)和所述取芯外筒(11)之间安装有保温装置上段(10)、保温装置下段(13)；所述保温装置上段(10)和所述保温装置下段(13)之间设置有岩芯形变测试装置(12)；
所述取芯内筒(9)上端设置有岩芯压力补偿装置(5)，且通过一取芯内筒端盖(6)与所述取芯内筒(9)固定连接；且所述保温装置上段(10)与所述压力补偿装置(5)通过特制橡胶垫环(7)相隔；所述保温装置下段(13)下端通过一内筒固定套(15)与所述取芯内筒(9)限位固定；所述内筒固定套(15)下端设置有球阀(16)和球阀阀座(17)；所述保温装置下段(13)下端与所述岩心测控基座(18)之间亦通过所述特制橡胶垫环(7)相隔。
2.根据权利要求1所述的一种自补偿式原位钻井取芯与测试装置，其特征在于，所述电源基座四周均布有多个电源腔室，每个所述电源腔室内均设置有锂电池电源(2-5)；每个所述电源腔室上可拆卸安装有一密封盖，且每个所述电源腔室均设有特殊材质的橡胶密封垫片，与所述电源腔室内部和所述密封盖紧密贴合。
3.根据权利要求2所述的一种自补偿式原位钻井取芯与测试装置，其特征在于，所述电源腔室设置为4个；相应的，所述密封端盖亦设置为4个；且4个电源腔室沿所述电源基座圆周成90°对称分布。
4.根据权利要求1所述的一种自补偿式原位钻井取芯与测试装置，其特征在于，所述压力温度控制装置包括温控装置和压控装置，所述温控装置与所述压控装置呈180°对称分布在所述岩心控制基座(3)两侧；
所述温控装置包括温度控制模块(3-1)、温度数据处理模块(3-2)和温控腔室密封端盖(3-3)；所述温度控制模块(3-1)与温度数据处理模块(3-2)电连接，且均安置于所述岩心控制基座(3)一侧预留的温控腔室内；所述温控腔室密封端盖(3-3)通过螺钉与所述温控腔室固定连接；所述压控装置包括压控腔室密封端盖(3-4)、压力数据处理模块(3-5)和压力控制模块(3-6)；所述压力数据处理模块(3-5)与压力控制模块(3-6)电连接，且均安置于所述岩心控制基座(3)另一侧预留的压控腔室内；所述压控腔室密封端盖(3-4)通过螺钉与所述压控腔室固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种自补偿式原位钻井取芯与测试装置，其特征在于，所述压力温度测量装置与所述球阀启闭控制装置呈180°对称分布在所述岩心测控基座(18)两侧；
所述压力温度测量装置包括测量腔室密封端盖(18-3)、压力测量传感器(18-4)和温度测量传感器(18-5)；所述压力测量传感器(18-4)和所述温度测量传感器(18-5)均设置于所述岩心测控基座(18)一侧预留的测量腔室内；所述测量腔室密封端盖(18-3)通过螺钉与所述测量腔室固定连接；所述球阀启闭控制装置包括球阀控制室密封端盖(18-1)和球阀控制模块(18-2)；所述球阀控制模块(18-2)设置于所述岩心测控基座(18)另一侧预留的球阀控制腔室内；所述球阀控制室密封端盖(18-1)通过螺钉与所述球阀控制腔室固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种自补偿式原位钻井取芯与测试装置，其特征在于，所述保温装置上段(10)和所述保温装置下段(13)均包括从内至外依次设置的石墨烯层(10-1)、绝缘层(10-2)和保温外筒(10-3)。
7.根据权利要求1所述的一种自补偿式原位钻井取芯与测试装置，其特征在于，所述压力补偿装置(5)包括储气罐保护罩(5-1)、控制线(5-2)、氮气储气罐(5-3)、输气管(5-4)、储气罐底座(5-5)和高压单向阀组；所述储气罐底座(5-5)下端与所述取芯内筒端盖(6)固定连接；所述氮气储气罐(5-3)固定安装于所述储气罐底座(5-5)上端；所述输气管(5-4)上端端与所述氮气储气罐(5-3)连通，其下端穿过所述取芯内筒端盖(6)与所述取芯内筒(9)连通；且所述输气管(5-4)下端位于所述取芯内筒端盖(6)处安装有所述高压单向阀组；所述储气罐保护罩(5-1)罩设于所述氮气储气罐(5-3)上方，且其下端与所述取芯内筒端盖(6)固定连接；所述氮气储气罐(5-3)通过所述控制线(5-2)与所述电源基座(3)内的所述锂电池电源电连接。
8.根据权利要求1所述的一种自补偿式原位钻井取芯与测试装置，其特征在于，所述的岩芯形变测试装置包括2个应变片(12-1)、数据处理模块(12-2)、数据传输模块(12-3)、数据存储模块(12-4)、测试上基座(12-5)和测试下基座(12-6)；所述测试上基座(12-5)和所述测试下基座(12-6)采用锥形设计、相互配合形成机械载体；2个所述应变片(12-1)和所述数据处理模块(12-2)之间电连接且置于机械载体内一侧，所述数据传输模块(12-3)和所述数据存储模块(12-4)之间电连接且置于机械载体内另一侧。
9.根据权利要求1所述的一种自补偿式原位钻井取芯与测试装置，其特征在于，所述取芯内筒端盖(6)下方还设置有一内筒过滤垫(8)，且所述内筒过滤垫(8)设置于所述取芯内筒(9)内部顶端。
技术总结