任 紅，許俊良，朱杰然

(中石化集團(tuán)勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257017)

天然氣水合物非干擾繩索式保溫保壓取樣鉆具的研究

任 紅，許俊良，朱杰然

(中石化集團(tuán)勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257017)

由于天然氣水合物存在環(huán)境和性質(zhì)的特殊性，使保溫保壓取樣技術(shù)成為獲得原位天然氣水合物最有效的方法之一。保溫保壓取樣鉆具是獲得天然氣水合物真正物化特性的主要器具。通過(guò)多年對(duì)天然氣水合物保溫保壓取樣鉆具的試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)用于取海底沉積物和未成巖地層中水合物的非干擾繩索式保溫保壓取樣鉆具。介紹了鉆具的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，及其配套的保溫保壓系統(tǒng)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的功能、特點(diǎn)。對(duì)取心工藝和進(jìn)行的海上功能性試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

天然氣水合物;鉆探;保溫保壓取樣鉆具;試驗(yàn)研究

0 引言

天然氣水合物俗稱(chēng)“可燃冰”，其成分中80%～99.9%為甲烷，被認(rèn)為是未來(lái)人類(lèi)最理想的替代能源之一。同時(shí)，水合物對(duì)全球氣候變化有著重要的影響和控制作用。有數(shù)據(jù)表明，天然氣水合物所含的主要?dú)怏w甲烷是一種重要的溫室氣體，會(huì)對(duì)全球氣候變化造成影響。另外，水合物的分解能引發(fā)海底天然氣的快速釋放和沉積層液化，產(chǎn)生大面積海底滑坡等自然災(zāi)害，對(duì)海洋工程具有毀滅性的破壞作用［1，2］。由于其所具有的巨大能源潛力和環(huán)境效應(yīng)，世界各國(guó)對(duì)其研究及相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)十分重視。美國(guó)、日本等國(guó)把天然氣水合物開(kāi)發(fā)列為國(guó)家能源戰(zhàn)略，正在就如何商業(yè)開(kāi)采天然氣水合物進(jìn)行研究，并且制定了天然氣水合物商業(yè)開(kāi)發(fā)日程［3］。

鉆探取樣是識(shí)別天然氣水合物最直接有效的方法，也是進(jìn)行水合物研究工作不可缺少的手段。國(guó)際上水合物鉆探取樣技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，并且在實(shí)踐應(yīng)用中不斷地加以完善。目前已應(yīng)用各種取樣工具在世界許多地方(例如在Blake海嶺、里海、加拿大Mallik地區(qū)、日本Nankai海槽、印度、中國(guó)、韓國(guó)，等)獲得了海洋和永凍土地區(qū)的水合物樣品［3］。2007年5月，國(guó)內(nèi)在南海北部的神狐海域使用AMIGE公司的Bavenit號(hào)深水鉆探調(diào)查船成功地進(jìn)行了天然氣水合物鉆探作業(yè)，在水深1200多米的深水海底，成功地鉆取了高純度的天然氣水合物樣品［4］。雖然獲得了天然氣水合物樣品，但我國(guó)水合物取心技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平還有很大差距［3］。目前我國(guó)正在進(jìn)行天然氣水合物取心設(shè)備的研制，經(jīng)過(guò)10多年的研發(fā)，取心設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)取得重大突破，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，并取得了良好的效果。下面就對(duì)其中一種適用于取海底沉積物和未成巖地層中水合物的工具作簡(jiǎn)要介紹。

1 天然氣水合物非干擾繩索式取樣鉆具的研制

根據(jù)天然氣水合物賦存條件，它有可能存在于海底沉積物和未成巖地層中。由于海底沉積物和未成巖地層非常軟，巖樣不成形，若使用普通旋轉(zhuǎn)式工具可能使沉積物變成泥漿，難以取得樣品。針對(duì)這一難題，設(shè)計(jì)了一套專(zhuān)用于取海底沉積物和未成巖地層中水合物的非干擾繩索式取樣鉆具。它主要由控制鎖定機(jī)構(gòu)、保溫保壓系統(tǒng)和取樣機(jī)構(gòu)等組成。

1.1 控制鎖定機(jī)構(gòu)

控制鎖定機(jī)構(gòu)主要由打撈機(jī)構(gòu)、彈卡機(jī)構(gòu)、縱向鎖定機(jī)構(gòu)、徑向鎖定機(jī)構(gòu)組成。功能是實(shí)現(xiàn)工具的上提、下入、縱向和徑向鎖定。

打撈機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖1)上部連接鋼絲繩，與繩索絞車(chē)連接。下部有一個(gè)活動(dòng)棘爪，可抓住彈卡機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2)上部的矛頭。在繩索絞車(chē)驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)取心工具內(nèi)總成上提下放。取心內(nèi)總成下放到位后，投入專(zhuān)用釋放工具，打撈機(jī)構(gòu)會(huì)自動(dòng)釋放鉆具內(nèi)總成。彈卡機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2)主要起限位作用，當(dāng)工具內(nèi)總成下入到位后，彈卡機(jī)構(gòu)的鎖塊自動(dòng)彈出，卡在外筒的槽中，防止工具錯(cuò)位。縱向鎖定機(jī)構(gòu)在彈卡機(jī)構(gòu)下部，當(dāng)彈卡機(jī)構(gòu)限位后，開(kāi)泵使縱向鎖定機(jī)構(gòu)的釋放元件在上下壓差作用下，剪斷縱向鎖定機(jī)構(gòu)的銷(xiāo)釘，縱向鎖塊隨之伸出，卡入外筒槽中，防止工具內(nèi)總成沿軸向移動(dòng)，并將外筒軸壓傳遞給工具內(nèi)總成。徑向鎖定機(jī)構(gòu)在鉆頭上部，當(dāng)彈卡機(jī)構(gòu)限位后，其上的鍵和外筒上的鍵槽嚙合，將外筒扭矩傳遞給鉆具內(nèi)總成。

圖1 繩索打撈機(jī)構(gòu)

圖2 彈卡機(jī)構(gòu)

1.2 取樣機(jī)構(gòu)

取樣機(jī)構(gòu)主要由非干擾取樣管、取樣鉆頭、巖心管、割心機(jī)構(gòu)和全面鉆進(jìn)轉(zhuǎn)換鉆頭塞等組成。功能主要是完成巖樣的鉆取、存放、截?cái)嗪腿咏Y(jié)束后實(shí)現(xiàn)全面鉆進(jìn)。

為避免鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中對(duì)海底沉積物和未成巖地層中水合物的擾動(dòng)，在鉆頭前端伸出1.5 m以上的非干擾取樣管(見(jiàn)圖3)，避免了鉆井液的沖刷，有利于巖樣采取率的提高。在縱向和徑向鎖定機(jī)構(gòu)的作用下，工具可實(shí)現(xiàn)不轉(zhuǎn)動(dòng)只靠下壓獲取巖樣，伸出的非干擾取樣管避免了巖樣被擾動(dòng)。為更有利于天然氣水合物巖樣進(jìn)入巖心管，經(jīng)過(guò)對(duì)各種材料的對(duì)比分析，最終采用了低摩阻的復(fù)合材料管或鋁合金管做巖心管，它摩擦系數(shù)低，根據(jù)“樁效應(yīng)”原理分析能夠更好的滿(mǎn)足取樣長(zhǎng)度的需要［5］。取樣結(jié)束后，為迅速實(shí)現(xiàn)全面鉆進(jìn)，設(shè)計(jì)了與取樣鉆具配合的鉆頭塞(見(jiàn)圖4)。

圖3 取樣鉆頭與非干擾取樣管

圖4 取樣鉆頭與鉆頭塞

2 天然氣水合物保溫保壓系統(tǒng)的研制

天然氣水合物保溫保壓系統(tǒng)由保溫保壓管、高壓密封球閥、控制機(jī)構(gòu)、補(bǔ)壓機(jī)構(gòu)等組成。可保持天然氣水合物巖樣的原位溫度、壓力，實(shí)時(shí)記錄巖樣的溫度、壓力，并在巖樣提升過(guò)程中對(duì)巖樣進(jìn)行壓力補(bǔ)償。

2.1 保溫保壓管

為了保持巖樣原位溫度，盡量減少外界對(duì)巖樣的溫度影響，保溫保壓管采用金屬雙層管抽真空被動(dòng)保溫方式。即采用超高真空絕熱方式，在保溫保壓管的內(nèi)層管與外層管之間抽真空，同時(shí)超高真空層內(nèi)外噴涂等離子隔熱材料。保溫保壓管外層表面噴涂防陽(yáng)光輻射涂料。通過(guò)大量的傳熱模擬分析和室內(nèi)模擬試驗(yàn)，無(wú)論是熱量計(jì)算、筒壁厚度還是涂層位置、厚度，設(shè)計(jì)都能滿(mǎn)足獲取水合物樣品的需要。2.2 高壓密封球閥及控制機(jī)構(gòu)

天然氣水合物保溫保壓系統(tǒng)的保壓功能主要由保溫保壓管的上部密封接頭和下部高壓密封球閥實(shí)現(xiàn)。上部密封接頭在差動(dòng)實(shí)現(xiàn)巖心筒上提后，與巖心筒上部活塞配合實(shí)現(xiàn)上部密封。在巖心筒全部進(jìn)入保溫保壓筒后，下部高壓密封球閥(見(jiàn)圖5)在控制機(jī)構(gòu)的作用下關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)下部密封。高壓密封球閥由液壓驅(qū)動(dòng)齒輪、齒條機(jī)構(gòu)關(guān)閉。

圖5 高壓密封球閥

控制機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖6)安裝在保溫保壓管外側(cè)，主要由霍爾傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、電氣控制系統(tǒng)、溫度記錄儀、壓力記錄儀等組成?？筛鶕?jù)傳感器接收到的信號(hào)控制磁閥開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保壓功能。除此之外，它還承擔(dān)著實(shí)時(shí)記錄保溫保壓管內(nèi)溫度、壓力數(shù)據(jù)的任務(wù)。在提出工具后，可連接計(jì)算機(jī)查看數(shù)據(jù)，分析樣品溫度、壓力變化情況。

圖6 控制機(jī)構(gòu)

具體功能如下:

(1)實(shí)時(shí)采集溫度、壓力數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中;

(2)具有系統(tǒng)自檢功能，能夠?qū)ψ陨砉ぷ髑闆r進(jìn)行檢測(cè);

(3)可以根據(jù)壓力數(shù)據(jù)模式設(shè)置采集時(shí)間間隔;

(4)可以根據(jù)壓力數(shù)據(jù)模式設(shè)置電磁閥驅(qū)動(dòng)參數(shù);

(5)可以根據(jù)霍爾傳感器信號(hào)設(shè)置電磁閥驅(qū)動(dòng)參數(shù);

(6)可以設(shè)定時(shí)間參數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥;

(7)具備真時(shí)鐘，實(shí)時(shí)記錄采集數(shù)據(jù)及動(dòng)作時(shí)間;

(8)具備與PC通訊功能，可以將數(shù)據(jù)傳遞給PC及由PC設(shè)置參數(shù);

(9)具備電池實(shí)際容量分析功能，以分析電池壽命;

(10)具備采集數(shù)據(jù)掉電保護(hù)功能。

2.3 壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

為保證天然氣水合物樣品在提升過(guò)程中的壓力，在保溫保壓系統(tǒng)中又增加了壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。它根據(jù)壓力平衡原理，在工具上提過(guò)程中，一旦保溫保壓管內(nèi)壓力降低，高壓腔內(nèi)的氮?dú)鈱⑼苿?dòng)活塞為巖樣增壓，起到補(bǔ)壓功能。

3 天然氣水合物非干擾繩索取心工藝

工作時(shí)，先由打撈機(jī)構(gòu)送入非干擾繩索式保溫保壓取樣鉆具內(nèi)部總成，當(dāng)懸掛機(jī)構(gòu)坐在外筒臺(tái)階上時(shí)，釋放工具，打撈機(jī)構(gòu)自動(dòng)釋放鉆具內(nèi)總成。彈卡機(jī)構(gòu)的鎖塊彈出，與外筒鎖定。徑向鎖定機(jī)構(gòu)的鍵和鍵槽嚙合，鉆進(jìn)時(shí)將外筒扭矩傳遞給鉆具內(nèi)總成。開(kāi)泵后縱向鎖定機(jī)構(gòu)的釋放元件在上下壓差作用下，剪斷縱向鎖定機(jī)構(gòu)的銷(xiāo)釘，使縱向鎖塊伸出，卡入外筒。

到達(dá)泥線(xiàn)后先不開(kāi)泵、不轉(zhuǎn)動(dòng)，下壓鉆具大概1.5 m，使非干擾取樣管進(jìn)入海底沉積物或未成巖巖層取樣。下壓1.5 m后可以開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，非干擾取樣管后面的鉆頭開(kāi)始工作，鉆具整體下移，增加進(jìn)尺。當(dāng)取滿(mǎn)巖樣后，投入打撈機(jī)構(gòu)，抓住彈卡機(jī)構(gòu)上端的打撈矛頭，隨著繩索絞車(chē)的提升，彈卡機(jī)構(gòu)解鎖，帶動(dòng)內(nèi)筒上提。當(dāng)內(nèi)筒上升到球閥上端時(shí)，觸發(fā)霍爾元件，啟動(dòng)關(guān)閉球閥的液壓系統(tǒng)，球閥關(guān)閉密封內(nèi)筒。此時(shí)保溫保壓筒縱向鎖定機(jī)構(gòu)的鎖塊在彈簧作用下復(fù)位解鎖，使保溫保壓筒隨內(nèi)筒一起上提。上提保溫保壓取樣鉆具內(nèi)總成過(guò)程中，保溫保壓筒內(nèi)的壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)開(kāi)始發(fā)揮作用，及時(shí)補(bǔ)充保溫保壓筒內(nèi)的壓力，使巖樣基本處于原位壓力狀態(tài)。

取樣結(jié)束后，可在彈卡機(jī)構(gòu)下直接連接帶周向鎖定裝置和小鉆頭的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，用打撈機(jī)構(gòu)送入井內(nèi)使小鉆頭插入原鉆頭后，實(shí)現(xiàn)全面鉆進(jìn)。

4 天然氣水合物非干擾繩索式取樣鉆具海上試驗(yàn)

2010年10月4～7日，在CB25GA區(qū)塊利用勝利六號(hào)鉆井平臺(tái)在CB25GA－7井對(duì)天然氣水合物非干擾繩索式取樣鉆具進(jìn)行了海試(見(jiàn)圖7)。目的是獲取海水底以下的泥層，檢驗(yàn)鉆具各關(guān)鍵部件的工作性能和整體性能。

圖7 勝利六號(hào)鉆井平臺(tái)試驗(yàn)情況

CB25GA－7井的泥線(xiàn)深度約為33.6 m，在取樣作業(yè)前為了實(shí)現(xiàn)鉆具鎖定機(jī)構(gòu)的銷(xiāo)子被剪斷，先開(kāi)泵實(shí)施。鉆具到泥線(xiàn)的深度為38.6 m后，不轉(zhuǎn)動(dòng)下壓1 m，取得巖心長(zhǎng)度0.6 m(見(jiàn)圖8)(造成只取出0.6 m巖心的原因是因?yàn)槟嗑€(xiàn)深度由平臺(tái)提供的，不準(zhǔn)確)。鉆具提出井口后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)試技術(shù)對(duì)保壓情況進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)行不同時(shí)間段間隔測(cè)試，第一次測(cè)試壓力為4.25 MPa，在16.5 h后測(cè)壓為4.213 MPa，降低0.037 MPa，保壓情況良好，工具試驗(yàn)獲得了較好的效果。因?yàn)榫?duì)要進(jìn)行一開(kāi)作業(yè)，所以本次只做了一個(gè)筒次的試驗(yàn)。

5 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)非干擾不擾動(dòng)繩索式保溫保壓取樣鉆具的試驗(yàn)研究，可以得到以下結(jié)論:

(1)設(shè)計(jì)的取心工藝通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證完全可行，技術(shù)路線(xiàn)正確，作業(yè)方法準(zhǔn)確，符合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求，能夠順利實(shí)施;

(2)工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，原理可行，所有機(jī)構(gòu)都得到實(shí)現(xiàn)，幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)獲得成功實(shí)施，試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)想的目標(biāo)。

圖8 取得的巖心

非干擾繩索式保溫保壓取樣鉆具的研制成功，為水合物海底淺層沉積層取樣提供了可能。通過(guò)試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，最主要的是采用該工具可取得的巖心直徑太小(30 mm)，根據(jù)“樁效應(yīng)”原理，巖心直徑越大取樣效果越理想，因此在今后的工具改進(jìn)過(guò)程中要盡量增大保溫保壓筒的徑向尺寸，即增大巖心直徑，從而提高巖心采取率，為之后的巖樣分析提供更好的條件。

［1］張永勤，孫建華，趙海濤，等.天然氣水合物保真取樣鉆具的試驗(yàn)研究［J］，探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(9):62－65.

［2］F.Abegg，H.－J.Hohnberg，T.Pape，et al.Development and application of pressure-core-sampling systems for the investigation of gas-and gas-hydrate-bearing sediments［J］.Deep-Sea Research，Ⅰ55(2008):1590－1599.

［3］白玉湖，李清平.天然氣水合物取樣技術(shù)及裝置進(jìn)展［J］.石油鉆探技術(shù)，2010，38(6):116－122.

［4］胡海良，唐海雄，羅俊豐，等.深水天然氣水合物鉆井及取心技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2009，31(2):27－30.

［5］王媛，仇性啟.天然氣水合物保溫保壓筒最佳長(zhǎng)度選擇［J］.石油化工設(shè)備，2009，38(5):51－53.

Development of Non-interference Wire-line Pressure-temperature-preserving Sampling Drilling Tool for Gas Hydrate

REN Hong，XU Jun-liang，ZHU Jie-ran(Shengli Drilling Technology Research Institute of SINOPEC，Dongying Shandong 257017，China)

Due to the existing environment and special properties of gas hydrate，the only way to recover in-situ gas hydrate is to depend on the pressure-temperature-preserving sampling technique.And the pressure-temperature-preserving sampling system is the most important equipment to get the real physical and chemical properties of gas hydrate.Through the research on pressure-temperature-preserving sampling system for gas hydrate for many years，a non-interference wire-line pressuretemperature-preserving undisturbed sampling drilling tool was designed to get seabed sediments and hydrates in non-diagenetic formations.The sampling tool was introduced about its structure and characteristics，and the functions and features of the key mechanisms for matching pressure-temperature-preserving system were presented.The paper also detailed the coring technology as well as offshore function test and the test results met the design requirements.

gas hydrate;drilling;pressure-temperature-preserving sampling drilling tool;test research

P634.4+3

A

1672－7428(2012)06－0001－04

2012－02－07;

2012－04－16

國(guó)家高新技術(shù)(863)計(jì)劃重大課題“天然氣水合物鉆探取心關(guān)鍵技術(shù)”的部分內(nèi)容(2006AA09A207)

任紅(1980－)，女(漢族)，遼寧鐵嶺人，勝利石油管理局鉆井工藝研究院工程師，地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)，博士，從事國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“淺層天然氣水合物鉆探取心技術(shù)”研究與石油鉆井新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作，山東省東營(yíng)市北一路827號(hào)工具所，renhongzjy@163.com。