液氮天然气水合物孔底冷冻绳索取芯钻具.pdf

本发明公开了一种内管提拉式液氮天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具，是由内管总成和外管总成两部分组成，在冷冻过程中通过内管提拉机构将内管提入储冷机构，然后液氮对岩心管内的水合物岩心进行冷冻，保证水合物岩心不分解。使用液氮做为冷冻剂，冷冻过程中液氮快速气化，可实现快速冷冻，冷冻效好；将绳索取心与孔底冷冻结合，实现不提钻快速取心；钻进时内管总成不回转，因而在较大程度上避免了因钻具回转产生的机械力对水合物岩心的破坏，更有效地提高了岩心采取率、完整度和代表性。通过将装满岩心的岩心管提入到冷冻腔内的方法来实现冷源与水合物岩心的对流换热过程，本发明结构简单，取样及冷冻过程容易实现，冷冻效率高，其配套的取样方法步骤简单。

权利要求书
1.  一种液氮天然气水合物孔底冷冻绳索取芯钻具，其特征在于：是由内管总成和外管总成两部分组成，内管总成是由捞矛头(1)、第一弹性销(2)和弹卡回收管(3)组成，捞矛头(1)通过第一弹性销(2)与弹卡回收管(3)铰接，弹卡回收管(3)与弹卡架(9)通过第二弹性销(4)铰接，第二弹性销(4)与弹卡架(9)的连接为可动连接，第二弹性销(4)与弹卡回收管(3)之间为固定连接，弹卡回收管(3)可在自身重力和打捞器拉力作用下延竖直方向移动固定的距离，弹卡(7)为两片通过第三弹性销(8)形成可转动的连接，扭簧(6)保持弹卡(7)在弹卡架(9)内保持张开，第三弹性销(8)与弹卡架(9)通过第三弹性销(8)形成固定连接，两片弹卡(7)卡在弹卡挡头(5)上，第一内接手(11)与弹卡架(9)通过螺纹连接，第一内接手(11)通过螺纹与悬挂环(12)连接，第一内接手(11)上开有均匀分布的八个斜孔，其中四个斜孔位于悬挂环(12)上部，另外四个斜孔位于悬挂环(12)下部，当悬挂环(12)与座环(13)接触后，原本从内管总成与外管之间间隙流动的泥浆通道被堵死，泥浆通过第一内接手(11)上部的斜孔进入，从第一内接手(11)下部的斜孔流出完成泥浆循环，悬挂环(12)与座环(13)的接触式连接使内管总成悬挂在外管总成内，使卡簧座(41)与钻头(42)之间保持2-4毫米间隙，第一内接手(11)与上轴承座(15)通过螺纹连接，第一轴承(14)上部与上轴承座(15)接触，并随上轴承座转动，第一轴承(14)下部与下轴承座(18)接触保持不动，当岩芯在岩芯管内卡住时，第一轴承(14)作为易损件承受上顶力，第二轴承(17)上部与下轴承座(18)接触，第二轴承(17)下部与上轴承座(15)接触，第二轴承(17)提供上顶力使下轴承座(18)不向下移动，第一油嘴(16)与下轴承座(18) 通过螺纹接触；第一轴承(14)与第二轴承(17)实现了岩芯管(3)4的单动功能，保证在钻进过程中岩芯管(34)中的水合物岩芯不会受到扰动；第一弹簧(19)上部与第二轴承(17)接触并提供上顶力使第二轴承(17)能够保持下轴承座(18)不动，第一弹簧(19)下部与档环(20)接触，档环(20)与上轴承座(15)接触，防松垫片(21)上部与档环(20)连接，第一弹簧(19)下部与小圆螺母(22)连接，小圆螺母(22)为第一弹簧(19)提供上顶力；在内管总成投入到孔内时，悬挂环(12)坐落在座环(13)上，在卡断岩芯时，卡簧40带动卡簧座(41)下移压缩第一弹簧(19)，卡簧座(41)与钻头(42)接触将拔断岩芯的力传递到外管上；第二内接手(23)通过螺纹与下轴承座(18)连接，第二内接手(23)与连接杆(26)通过螺纹连接，密封圈(24)由连接杆(26)压入到储冷腔体管(25)的环状槽内，连接杆(26)与储冷腔体管(25)为轴孔配合，连接杆(26)可在储冷腔体管(25)的孔内做直线运动，在钻进结束后打捞器带动连接杆(26)，连接杆(26)带动岩芯管(34)上移，第一重力管(33)带动储冷腔体管(25)下移，岩芯管(34)进入到储冷腔体管(25)的液氮腔(27)内，液氮腔(27)为存储液氮的腔体，液氮腔(27)内的液氮吸热大量气化对岩芯管(34)内的水合物岩芯进行冷冻；真空腔(28)起到隔热保温的作用，下保温垫(29)套在连接杆(26)上起到保温和密封的作用，减少液氮的散热和避免液氮泄露；连接杆(26)下部与止逆阀座(31)通过螺纹连接，止逆阀球(30)座于止逆阀座(31)的上部，在岩芯进入岩芯管(34)内部时岩芯管(34)内部的冲洗液顶开止逆阀球(30)从连接杆(26)上的泄流口流入内管总成和外管的间隙中，同时保证外部的泥浆冲洗液不会流回岩芯管内；储冷腔体管(25)与第一重力管(33)通过螺纹连接，第一重力管(33)与岩芯管(34) 之间拥有一定的间隙，在打捞器提动岩芯管(34)向上移动时，第一重力管(33)能够自由下落；第三轴承(35)上部与第一重力管(33)连接，第三轴承(35)下部与外轴承座(37)连接，在钻进过程中外轴承座(37)座在带槽悬挂环(36)上随外管一起转动，带槽悬挂环(36)上的槽为泥浆冲洗液通路，第二重力管(38)与重第一力管(33)通过螺纹连接，钻进过程中由于第三轴承(35)的作用不随外轴承座(37)转动可保证岩芯管(34)的单动性能；第二油嘴(39)与外轴承座(37)通过螺纹连接，每次钻进开始前通过第二油嘴(39)上的小口将润滑油加入外轴承座(37)与第三轴承(35)内的间隙内，润滑油可对转动的第三轴承(35)起到润滑、散热和防水的作用；卡簧(40)座于卡簧座(41)的锥形孔中，在钻进结束后卡簧(40)抱死岩芯柱带动卡簧座(41)下移与钻头(42)接触，将拔断岩芯的力传递到外管上保证内管总成不受力；排气阀球(44)由第二弹簧(46)堵在储冷腔体管(25)的排气孔上，排气阀座(45)与储冷腔体管(25)通过螺纹连接，第二弹簧(46)下部与排气阀座(45)接触，液氮腔(27)内的液氮在冷冻水合物岩芯的过程中会产生大量氮气使液氮腔(27)内的压力升高，当液氮腔(27)内的压力大于第二弹簧(46)的预紧力时，第二弹簧(46)受到排气阀球(44)的压力而收缩，氮气从储冷腔体管(25)的排气孔排出；
外管总成的结构是，弹卡挡头(5)与第一外管(10)通过螺纹连接，第一外管(10)通过螺纹与第三扩孔器(43)连接，第一扩孔器(43)与第二外管(32)通过螺纹连接，第二外管(32)通过螺纹与第二扩孔器(47)连接，第二扩孔器(47)与钻头(42)通过螺纹连接。

说明书液氮天然气水合物孔底冷冻绳索取芯钻具
技术领域
本发明涉及一种孔底冷冻绳索取芯钻具，尤其适用于海洋及陆地冻土带天然气水合物钻探孔底冷冻取样。
背景技术
随着经济的高速发展，能源的消耗也日益增长，石油、煤和天然气等常规能源大量消耗，从其剩余储量来看，常规能源已经无法继续长期支撑现代工业。目前全球海底天然气水合物中甲烷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。因而，天然气水合物成为世界各国在能源战略平衡发展中必须加以考虑的重要后备能源。在未来成为煤、石油、天然气等常规能源的替代能源也被人类所共识。
天然气水合物形成和赋存在高压低温的环境下，当温度或者压力条件变化超过平衡条件，就会导致天然气水合物分解。怎样才能获取更高保真度的天然气水合物样品，是国内外钻探工作者共同面临的问题。目前国内外的天然气水合物保真取样器主要由两种设计思路：一种是孔底保温保压取样器，一种是孔底冷冻取样器。
孔底保温保压取样器的设计思路是当水合物岩芯进入保压岩芯室后，通过球阀或翻板阀关闭岩芯管底部使岩芯保持初始压力，并利用压力补偿装置控制压力，以维持岩芯压力在提离孔底的整个过程中保持不变，提到地表后再进行冷冻保存。对孔内岩芯的保温主要是通过保温材料来实现被动式保温。 这种通过机械式被动保压的方式来抑制水合物分解对于整个取芯器的强度和实用性，特别是球阀或翻板阀的强度和密封性的要求是很高的。如果球阀或翻板阀的密封性稍有些下降，那么岩芯就不能保持初始压力，导致取芯失败。同时，在实际取芯过程中球阀和翻板阀实现翻转动作的翻转机构的可靠性不能保证。当取样器的设计压力达到一定程度后，如果想再要增加压力，那么取样器的材料和和密封性能将需要做很大的提高，以现在的工业水平是很难实现的，并且经济性较差。
根据天然气水合物温压特性曲线，其分解压力随着温度的降低而降低。如果能够把天然气水合物岩芯冷冻到-45摄氏度，即使压力小于一个大气压，也可以保证水合物岩芯不分解。孔底冷冻取样器的思路是当钻进回次结束，水合物岩芯充满岩芯管后，利用冲洗液压力或重力将冷冻剂注入到岩芯管周围环装密封的冷冻腔体内部，冷冻剂与水合物岩芯通过热交换实现对水合物岩芯的冷冻。现有的孔底冷冻取样器所采用的冷冻剂主要有两种：一种是采用干冰作为冷冻剂，酒精做为载冷剂；另一种是采用液氮作为冷冻剂。由于干冰为固态，需采用酒精作为载冷剂，先与干冰反应成为低温酒精后，才能注入冷冻腔内实现冷冻，这就使取样器结构更加复杂；冷东效率低，效果差，由于必须采用酒精作为载冷剂，有很大一部分冷量被酒精带走，不能实现冷冻剂冷量的充分利用。采用液氮作为冷冻剂虽然可以避免上述问题，但是在注入过程当中液氮会大量气化，导致液氮无法注入到冷冻腔内，在此过程中液氮大量浪费，这样就导致液氮的使用量加大，同时取样器的尺寸和重量增加。液氮注入过程中大量气化降低了液氮的使用效率，同时会导致对岩芯的冷冻不均匀，从而导致水合物岩芯部分分解。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种结构简单、动作容易实现、液氮使用率高、冷冻效果好的液氮天然气水合物孔底冷冻绳索取芯钻具。本发明使用液氮在孔底降低水合物岩芯温度来抑制天然气水合物分解。采用液氮为冷冻剂，当钻进结束后，将装有水合物岩芯的岩芯管提入装有液氮的储冷腔内，通过液氮气化吸热的方式在孔底冷冻岩芯，抑制天然气水合物的分解。
本发明是由内管总成和外管总成两部分组成，内管总成是由捞矛头、第一弹性销和弹卡回收管组成，捞矛头通过第一弹性销与弹卡回收管铰接，打捞机构通过打捞器与打捞机构的连接实现将钻具内管总成放入孔内和回收的过程；同时通过打捞器提起打捞机构时带动岩芯管向上移动，从而实现内管提拉的过程。
弹卡回收管与弹卡架通过第二弹性销铰接，第二弹性销与弹卡架的连接为可动连接，第二弹性销与弹卡回收管之间为固定连接，弹卡回收管可在自身重力和打捞器拉力作用下延竖直方向移动固定的距离。弹卡为两片通过第三弹性销形成可转动的连接，扭簧保持弹卡在弹卡架内保持张开，第三弹性销c与弹卡架通过第三弹性销形成固定连接，两片弹卡卡在弹卡挡头上，保证在钻进过程中内管总成不会因为岩芯进入岩芯管时产生的上顶力使内管总成向上移动造成“飞管”事故；同时弹卡机构的上定位功能保证内管不会在钻进过程中由于岩芯的上顶力而使岩芯管过早进入储冷机构中导致冷冻取芯失败。
第一内接手与弹卡架通过螺纹连接，第一内接手通过螺纹与悬挂环连接，第一内接手上开有均匀分布的八个斜孔，其中四个斜孔位于悬挂环上部，另外四个斜孔位于悬挂环下部，当悬挂环与座环接触后，原本从内管总成与外管之间间隙流动的泥浆通道被堵死，泥浆通过第一内接手上部的斜孔进入， 从第一内接手下部的斜孔流出完成泥浆循环。悬挂环与座环的接触式连接使内管总成悬挂在外管总成内，使卡簧座与钻头之间保持-毫米间隙，以防止损坏卡簧座和钻头，并保证岩芯管不会因为与钻头接触而转动和岩芯管的通水性能。
第一内接手与上轴承座通过螺纹连接，第一轴承上部与上轴承座接触，并随上轴承座转动，第一轴承下部与下轴承座接触保持不动，当岩芯在岩芯管内卡住时，第一轴承作为易损件承受上顶力，第二轴承上部与下轴承座接触，第二轴承下部与上轴承座接触，第二轴承提供上顶力使下轴承座不向下移动，第一油嘴与下轴承座通过螺纹接触，每次钻进开始前通过油嘴上的小口将润滑油加入上轴承座和下轴承座的间隙内，润滑油可对转动的第一轴承和第二轴承起到润滑、散热和防水的作用。第一轴承与第二轴承实现了岩芯管的单动功能，保证在钻进过程中岩芯管中的水合物岩芯不会受到扰动。
第一弹簧上部与第二轴承接触并提供上顶力使第二轴承能够保持下轴承座不动，第一弹簧下部与档环接触，档环与上轴承座接触，防松垫片上部与档环连接，第一弹簧下部与小圆螺母连接，小圆螺母为第一弹簧提供上顶力，将单动机构上部的机构与下部的机构连接起来；在内管总成投入到孔内时，悬挂环坐落在座环上，内管总成下部的机构由于自身重力会向下移动，第一弹簧可起到缓冲作用；在卡断岩芯时，卡簧带动卡簧座下移压缩第一弹簧，卡簧座与钻头接触将拔断岩芯的力传递到外管上。
第二内接手通过螺纹与下轴承座连接，第二内接手与连接杆通过螺纹连接，密封圈由连接杆压入到储冷腔体管的环状槽内，连接杆与储冷腔体管为轴孔配合，连接杆可在储冷腔体管的孔内做直线运动，在钻进结束后打捞器带动连接杆，连接杆带动岩芯管上移，第一重力管带动储冷腔体管下移，岩 芯管进入到储冷腔体管的液氮腔内，液氮腔为存储液氮的腔体，液氮腔内的液氮吸热大量气化对岩芯管内的水合物岩芯进行冷冻。真空腔起到隔热保温的作用。下保温垫套在连接杆上起到保温和密封的作用，减少液氮的散热和避免液氮泄露。
连接杆下部与止逆阀座通过螺纹连接，止逆阀球座于止逆阀座的上部，在岩芯进入岩芯管内部时岩芯管内部的冲洗液顶开止逆阀球从连接杆上的泄流口流入内管总成和外管的间隙中，同时保证外部的泥浆冲洗液不会流回岩芯管内。
储冷腔体管与第一重力管通过螺纹连接，第一重力管与岩芯管之间拥有一定的间隙，在打捞器提动岩芯管向上移动时，第一重力管能够自由下落。第三轴承上部与第一重力管连接，第三轴承下部与外轴承座连接，在钻进过程中外轴承座座在带槽悬挂环上随外管一起转动，带槽悬挂环上的槽为泥浆冲洗液通路，第二重力管与重第一力管通过螺纹连接，钻进过程中由于第三轴承的作用不随外轴承座转动可保证岩芯管的单动性能。第二油嘴与外轴承座通过螺纹连接，每次钻进开始前通过第二油嘴上的小口将润滑油加入外轴承座与第三轴承内的间隙内，润滑油可对转动的第三轴承起到润滑、散热和防水的作用。
卡簧座于卡簧座的锥形孔中，在钻进结束后卡簧抱死岩芯柱带动卡簧座下移与钻头接触，将拔断岩芯的力传递到外管上保证内管总成不受力。
排气阀球由第二弹簧堵在储冷腔体管的排气孔上，排气阀座与储冷腔体管通过螺纹连接，第二弹簧下部与排气阀座接触，液氮腔内的液氮在冷冻水合物岩芯的过程中会产生大量氮气使液氮腔内的压力升高，当液氮腔内的压力大于第二弹簧的预紧力时，第二弹簧受到排气阀球的压力而收缩，氮气从储 冷腔体管的排气孔排出。
外管总成的结构是，弹卡挡头与第一外管通过螺纹连接，第一外管通过螺纹与第三扩孔器连接，第一扩孔器与第二外管通过螺纹连接，第二外管通过螺纹与第二扩孔器连接，第二扩孔器与钻头通过螺纹连接。
本发明的取芯方法包括以下步骤：
a、在井台上首先将排气阀球、排气阀座和第二弹簧卸下，用低温氮气或液氮从排气口注入到液氮腔内对液氮腔进行预冷。
b、预冷结束后将液氮注入到液氮腔内，在注入液氮之前，要根据孔深估算出液氮的用量，将乘以消耗系数后的液氮量注入液氮腔内。
c、将排气阀球、排气阀座、第二弹簧安装到储冷腔体管上，并调好排气阀的排气压力，当打捞器提内管总成时保证内管提拉机构能够克服排气阀的压力使重力管能够顺利下移。
d、通过第一油嘴与第二油嘴将润滑油分别注入到单动机构(第一轴承与上轴承座、第二油嘴、下轴承座和第二轴承)和内管提拉机构的第三轴承内，满足轴承在转动过程中的润滑、散热和防水的要求。
e、将内管总成投入到孔内进行钻进。
f、钻进结束后投入打捞器，打捞器上的打捞钩将捞矛头锁住后上提，内管提拉机构的第一重力管由于自身重力下移，储冷机构(储冷腔体管与连接杆、液氮腔、真空腔和下保温垫)在第一重力管的带动下一同下移到岩芯管的外侧，液氮腔内的液氮对岩芯管内的水合物岩芯进行冷冻，卡簧座的外圆面带有一定的锥度，卡簧座的锥形外圆面与储冷腔体管的下口形成过盈配合起到密封作用，避免液氮腔内的液氮泄露造成冻孔。
g、打捞器与内管总成连接后迅速提动内管，避免在孔底冷冻过程中冲洗 液因液氮漏冷而造成冻孔，由于液氮的冷冻能力较强，在提内管的过程中即可完成冷冻。
h、内管总成到达地面后将第一重力管恢复到原来位置，卸下卡簧座将冷冻的岩芯取出后放入液氮鑵中保存。
本发的有益效果：
本发明采用单纯的冷冻取样，使用液氮做为冷冻剂，冷冻过程中液氮快速气化，可实现快速冷冻，冷冻效好；将绳索取芯与孔底冷冻结合，实现不提钻快速取芯；钻进时内管总成不回转，因而在较大程度上避免了因钻具回转产生的机械力对水合物岩芯的破坏，更有效地提高了岩芯采取率、完整度和代表性。通过将装满岩芯的岩芯管提入到冷冻腔内的方法来实现冷源与水合物岩芯的对流换热过程，用将岩芯管提入液氮腔进行冷冻的方式代替将液氮注入岩芯管外部冷冻腔对岩芯管进行冷冻的方式，这样可以避免液氮在注入过程中大量气化导致的液氮冷源无法注入冷冻腔底部，从而造成水合物岩芯冷冻不均匀，造成液氮的浪费等缺点，同时内管提拉式液氮天然气水合物孔底冷冻绳索取芯钻具的结构简单，取样及冷冻过程容易实现，冷冻效率高，其配套的取样方法步骤简单。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的上段部分示意图。
图3是本发明的中段部分示意图。
图4是本发明的下段部分示意图。
其中：1.捞矛头、2.第一弹性销、3.弹卡回收管、4.第二弹性销、5. 弹卡挡头、6.扭簧、7.弹卡、8.第三弹性销、9.弹卡架、10.第一外管、11.第一内接手、12.悬挂环、13.座环、14.第一轴承、15.上轴承座、16.第一油嘴、17.第二轴承、18.下轴承座、19.第一弹簧、20.档环、21.垫片、22.圆螺母、23.第二内接手、24.密封圈、25.储冷腔体管、26.连接杆、27.液氮腔、28.真空腔、29.下保温垫、30.止逆阀球、31.止逆阀座、32.第二外管、33.第一重力管、34.岩芯管、35.第三轴承、36、带槽悬挂环、37.外轴承座、38.第二重力管、39.第二油嘴、40.卡簧、41.卡簧座、42.钻头、43.第一扩孔器、44.排气阀球、45.排气阀座、46第二弹簧、47.第二扩孔器。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明是由内管总成和外管总成两部分组成，内管总成是由捞矛头1、第一弹性销2和弹卡回收管3组成，捞矛头1通过第一弹性销2与弹卡回收管3铰接，打捞机构通过打捞器与打捞机构的连接实现将钻具内管总成放入孔内和回收的过程；同时通过打捞器提起打捞机构时带动岩芯管34向上移动，从而实现内管提拉的过程。
弹卡回收管3与弹卡架9通过第二弹性销4铰接，第二弹性销4与弹卡架9的连接为可动连接，第二弹性销4与弹卡回收管3之间为固定连接，弹卡回收管3可在自身重力和打捞器拉力作用下延竖直方向移动固定的距离。弹卡7为两片通过第三弹性销8形成可转动的连接，扭簧6保持弹卡7在弹卡架9内保持张开，第三弹性销8与弹卡架9通过第三弹性销8形成固定连接，两片弹卡7卡在弹卡挡头5上，保证在钻进过程中内管总成不会因为岩芯进入岩芯管时产生的上顶力使内管总成向上移动造成“飞管”事故；同时弹卡机构的上定位功能保证内管不会在钻进过程中由于岩芯的上顶力而使岩芯管过早进 入储冷机构中导致冷冻取芯失败。
第一内接手11与弹卡架9通过螺纹连接，第一内接手11通过螺纹与悬挂环12连接，第一内接手11上开有均匀分布的八个斜孔，其中四个斜孔位于悬挂环12上部，另外四个斜孔位于悬挂环12下部，当悬挂环12与座环13接触后，原本从内管总成与外管之间间隙流动的泥浆通道被堵死，泥浆通过第一内接手11上部的斜孔进入，从第一内接手11下部的斜孔流出完成泥浆循环。悬挂环12与座环13的接触式连接使内管总成悬挂在外管总成内，使卡簧座41与钻头42之间保持2-4毫米间隙，以防止损坏卡簧座41和钻头42，并保证岩芯管34不会因为与钻头42接触而转动和岩芯管34的通水性能。
第一内接手11与上轴承座15通过螺纹连接，第一轴承14上部与上轴承座15接触，并随上轴承座转动，第一轴承14下部与下轴承座18接触保持不动，当岩芯在岩芯管内卡住时，第一轴承14作为易损件承受上顶力，第二轴承17上部与下轴承座18接触，第二轴承17下部与上轴承座15接触，第二轴承17提供上顶力使下轴承座18不向下移动，第一油嘴16与下轴承座18通过螺纹接触，每次钻进开始前通过油嘴上的小口将润滑油加入上轴承座15和下轴承座18的间隙内，润滑油可对转动的第一轴承14和第二轴承17起到润滑、散热和防水的作用。第一轴承14与第二轴承17实现了岩芯管34的单动功能，保证在钻进过程中岩芯管34中的水合物岩芯不会受到扰动。
第一弹簧19上部与第二轴承17接触并提供上顶力使第二轴承17能够保持下轴承座18不动，第一弹簧19下部与档环20接触，档环20与上轴承座15接触，防松垫片21上部与档环20连接，第一弹簧19下部与小圆螺母22连接，小圆螺母22为第一弹簧19提供上顶力，将单动机构上部的机构与下 部的机构连接起来；在内管总成投入到孔内时，悬挂环12坐落在座环13上，内管总成下部的机构由于自身重力会向下移动，第一弹簧19可起到缓冲作用；在卡断岩芯时，卡簧40带动卡簧座41下移压缩第一弹簧19，卡簧座41与钻头42接触将拔断岩芯的力传递到外管上。
第二内接手23通过螺纹与下轴承座18连接，第二内接手23与连接杆26通过螺纹连接，密封圈24由连接杆26压入到储冷腔体管25的环状槽内，连接杆26与储冷腔体管25为轴孔配合，连接杆26可在储冷腔体管25的孔内做直线运动，在钻进结束后打捞器带动连接杆26，连接杆26带动岩芯管34上移，第一重力管33带动储冷腔体管25下移，岩芯管34进入到储冷腔体管25的液氮腔27内，液氮腔27为存储液氮的腔体，液氮腔27内的液氮吸热大量气化对岩芯管34内的水合物岩芯进行冷冻。真空腔28起到隔热保温的作用。下保温垫29套在连接杆26上起到保温和密封的作用，减少液氮的散热和避免液氮泄露。
连接杆26下部与止逆阀座31通过螺纹连接，止逆阀球30座于止逆阀座31的上部，在岩芯进入岩芯管34内部时岩芯管34内部的冲洗液顶开止逆阀球30从连接杆26上的泄流口流入内管总成和外管的间隙中，同时保证外部的泥浆冲洗液不会流回岩芯管内。
储冷腔体管25与第一重力管33通过螺纹连接，第一重力管33与岩芯管34之间拥有一定的间隙，在打捞器提动岩芯管34向上移动时，第一重力管33能够自由下落。第三轴承35上部与第一重力管33连接，第三轴承35下部与外轴承座37连接，在钻进过程中外轴承座37座在带槽悬挂环36上随外管一起转动，带槽悬挂环36上的槽为泥浆冲洗液通路，第二重力管38与重第一力管33通过螺纹连接，钻进过程中由于第三轴承35的作用不随外轴承座 37转动可保证岩芯管34的单动性能。第二油嘴39与外轴承座37通过螺纹连接，每次钻进开始前通过第二油嘴39上的小口将润滑油加入外轴承座37与第三轴承35内的间隙内，润滑油可对转动的第三轴承35起到润滑、散热和防水的作用。
卡簧40座于卡簧座41的锥形孔中，在钻进结束后卡簧40抱死岩芯柱带动卡簧座41下移与钻头42接触，将拔断岩芯的力传递到外管上保证内管总成不受力。
排气阀球44由第二弹簧46堵在储冷腔体管25的排气孔上，排气阀座45与储冷腔体管25通过螺纹连接，第二弹簧46下部与排气阀座45接触，液氮腔27内的液氮在冷冻水合物岩芯的过程中会产生大量氮气使液氮腔27内的压力升高，当液氮腔27内的压力大于第二弹簧46的预紧力时，第二弹簧46受到排气阀球44的压力而收缩，氮气从储冷腔体管25的排气孔排出。
外管总成的结构是，弹卡挡头5与第一外管10通过螺纹连接，第一外管10通过螺纹与第三扩孔器43连接，第一扩孔器43与第二外管32通过螺纹连接，第二外管32通过螺纹与第二扩孔器47连接，第二扩孔器47与钻头42通过螺纹连接。
本发明的取芯方法包括以下步骤：
a、在井台上首先将排气阀球44、排气阀座45和第二弹簧46卸下，用低温氮气或液氮从排气口注入到液氮腔27内对液氮腔进行预冷。
b、预冷结束后将液氮注入到液氮腔27内，在注入液氮之前，要根据孔深估算出液氮的用量，将乘以消耗系数后的液氮量注入液氮腔27内。
c、将排气阀球44、排气阀座45、第二弹簧46安装到储冷腔体管25上，并调好排气阀的排气压力，当打捞器提内管总成时保证内管提拉机构能够克 服排气阀的压力使重力管能够顺利下移。
d、通过第一油嘴16与第二油嘴39将润滑油分别注入到单动机构(第一轴承14与上轴承座15、第二油嘴16、下轴承座18和第二轴承17)和内管提拉机构的第三轴承35内，满足轴承在转动过程中的润滑、散热和防水的要求。
e、将内管总成投入到孔内进行钻进。
f、钻进结束后投入打捞器，打捞器上的打捞钩将捞矛头1锁住后上提，内管提拉机构的第一重力管33由于自身重力下移，储冷机构(储冷腔体管25与连接杆26、液氮腔27、真空腔28和下保温垫29)在第一重力管33的带动下一同下移到岩芯管34的外侧，液氮腔27内的液氮对岩芯管34内的水合物岩芯进行冷冻，卡簧座41的外圆面带有一定的锥度，卡簧座41的锥形外圆面与储冷腔体管25的下口形成过盈配合起到密封作用，避免液氮腔27内的液氮泄露造成冻孔。
g、打捞器与内管总成连接后迅速提动内管，避免在孔底冷冻过程中冲洗液因液氮漏冷而造成冻孔，由于液氮的冷冻能力较强，在提内管的过程中即可完成冷冻。
h、内管总成到达地面后将第一重力管33恢复到原来位置，卸下卡簧座41将冷冻的岩芯取出后放入液氮鑵中保存。