深海天然氣水合物鉆探取樣中的“樁效應(yīng)”分析

朱杰然

(1.中國(guó)石油大學(xué)〈華東〉，山東 東營(yíng)257061;2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng)257017)

0 引言

天然氣水合物是21世紀(jì)一種重要的戰(zhàn)略資源，已經(jīng)吸引了各國(guó)政府和科學(xué)家的高度關(guān)注，我國(guó)目前也正積極開展天然氣水合物的調(diào)查及勘探、開發(fā)的研究工作［1，2］。天然氣水合物勘探的關(guān)鍵之一是取樣技術(shù)，由于海域天然氣水合物多賦存于海洋海床深部，只有進(jìn)行海洋深部鉆探，才能取得礦床評(píng)價(jià)所需信息。目前國(guó)外已設(shè)計(jì)并投入使用的取樣工具有很多種，我國(guó)也研制了一些深海沉積物取樣器，但主要用于獲取海床表層的沉積物樣品［3，4］，目前還未見可用于深海、深層巖心保真取樣的工具。筆者在參與研制深海天然氣水合物取樣工具的過程中，進(jìn)行了一些相關(guān)的理論探討工作。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行的深海科學(xué)鉆探工程表明，由于取樣過程中的“樁效應(yīng)”［5，6］等問題，鉆探過程中的巖心取樣率很難保證。因此，針對(duì)深海天然氣水合物鉆探取樣過程中“樁效應(yīng)”現(xiàn)象進(jìn)行力學(xué)分析，對(duì)鉆具的優(yōu)化設(shè)計(jì)及后續(xù)海洋平臺(tái)上的實(shí)際取樣過程的操作均具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前國(guó)際上對(duì)鉆探過程的“樁效應(yīng)”現(xiàn)象的機(jī)理還缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，理論上增加取樣筒孔徑可以增加取樣率，但是地質(zhì)鉆探過程所采用的取樣筒的尺寸限制非?？量蹋?］，取樣筒的最大內(nèi)徑控制在10 cm左右。本文從解析的角度對(duì)深海天然氣水合物鉆探取樣過程中可能存在的“樁效應(yīng)”現(xiàn)象做了一定的分析。

1 “樁效應(yīng)”的解析分析

深海取樣工具如圖1所示，鉆井工作過程中，護(hù)筒及筒外巖層切削工具在驅(qū)動(dòng)力的作用下旋轉(zhuǎn)，切削海床上部地層，到達(dá)目標(biāo)層位后，取樣筒在靜壓作用下刺入巖層中，獲取樣品。隨著樣品進(jìn)入取樣筒中高度增加，筒內(nèi)的樣品與取樣筒內(nèi)壁的摩擦阻力增加，當(dāng)總摩阻力達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，取樣筒下部的巖層受力達(dá)到極限狀態(tài)，不再進(jìn)入取樣筒內(nèi)。進(jìn)入取樣筒的樣品像“瓶塞”一樣阻止下部的巖層進(jìn)入取樣筒，就出現(xiàn)了“樁效應(yīng)”。

圖1 深海取樣工具取樣筒部位結(jié)構(gòu)

由于取樣筒一般為圓筒形，可以近似認(rèn)為巖心受力是一個(gè)軸對(duì)稱問題。任取樣筒內(nèi)一段高為dz的巖心微分體，其受力情況如圖2，由豎向靜力平衡可得:

圖2“樁效應(yīng)”力學(xué)分析

式中:A——取樣筒橫截面積;σv——豎向應(yīng)力;τv——樣品與取樣筒內(nèi)壁的摩擦力;U——取樣筒內(nèi)部圓周長(zhǎng)。

將式(1)兩邊取微分，可得:

式中:D——取樣筒的內(nèi)徑。

忽略取樣過程對(duì)巖層的擾動(dòng)及樣品筒中樣品的壓縮，樣品與取樣筒之間的摩擦力可以寫為:

式中:μ——樣品與取樣筒之間的摩擦系數(shù);k——巖層的靜止側(cè)壓力系數(shù)。

將式(3)代入式(2)，可得到樣品豎向應(yīng)力的微分方程:

式(4)在z=0處的邊界條件為:

式中:P0——取樣層位的平均豎向應(yīng)力，即P0=γ'H;γ'、H——分別為巖層的有效重度和取樣深度。

式(2)的解為:

設(shè)產(chǎn)生“樁效應(yīng)”時(shí)的取樣高度為d，則巖心和取樣筒之間的摩擦力為:

將式(3)代入式(7)可得:

當(dāng)“樁效應(yīng)”產(chǎn)生時(shí)，取樣筒下方的土體達(dá)到極限狀態(tài)，可知:

將式(8)代入式(9)可得:

從式(10)中可知，取樣高度和取樣管管徑、樣品與管之間的摩擦系數(shù)、海床的原位壓力以及側(cè)壓力系數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)等相關(guān)。從以上的分析可知，取樣高度隨取樣筒內(nèi)徑D的增加而增加，隨樣品與取樣管之間的摩擦系數(shù)μ的增加而減小。

為了驗(yàn)證解析分析的正確性，本文計(jì)算了D和μ變化時(shí)取樣高度的變化。計(jì)算所用的參數(shù)如下:取樣筒內(nèi)徑D的變化范圍為4～10 cm，樣品和取樣筒之間的摩擦系數(shù)μ的變化范圍為0.2～0.5，取樣深度為100 m，海床表層土體的有效重度為7.5 kN/m3，水合物(結(jié)冰狀態(tài))的內(nèi)摩擦角取35°，粘聚力為300 kPa。

圖3、圖4給出了取樣筒內(nèi)徑和土－管之間摩擦系數(shù)變化時(shí)取樣高度的變化，由圖可知:取樣高度隨取樣筒內(nèi)徑呈線性變化，當(dāng)取樣筒內(nèi)徑為10 cm時(shí)，取樣高度可接近0.45 m。深海深層取樣筒的總長(zhǎng)度約為1.0 m，因此其取樣率約為45%。當(dāng)土－管之間的摩擦系數(shù)增加時(shí)，取樣高度減小。當(dāng)μ達(dá)到0.5時(shí)，取樣率不到20%，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上是不合理的。

圖3 取樣高度隨取樣筒內(nèi)徑的變化

圖4 取樣高度隨取樣筒與樣品之間摩擦系數(shù)的變化

2 參數(shù)分析

工程鉆井實(shí)踐表明，“樁效應(yīng)”不僅表現(xiàn)為取樣筒內(nèi)的樣品“堵塞”取樣筒，還表現(xiàn)為取樣筒下部的巖層在荷載的作用下，發(fā)生塑性流動(dòng)，無法進(jìn)入取樣筒內(nèi)。因此，“樁效應(yīng)”還和取樣筒下部巖層的極限承載力有關(guān)，巖層的承載能力越小，特別是取樣筒從較硬的巖層進(jìn)入較軟的巖層時(shí)，越容易出現(xiàn)“樁效應(yīng)。因此取樣率還和目標(biāo)巖層的強(qiáng)度指標(biāo)、取樣深度相關(guān)。由于目前獲得的深海沉積層的土工參數(shù)資料非常少見，本文根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研的數(shù)據(jù)［8～11］，通過參數(shù)分析，研究了樣品長(zhǎng)度隨巖層的內(nèi)摩擦角φ、粘聚力c和取樣深度H的關(guān)系。

圖5給出了目標(biāo)巖層的內(nèi)摩擦角φ對(duì)取樣高度的影響。圖5(a)和圖5(b)分別給出了取心筒內(nèi)徑D和土－管之間摩擦系數(shù)μ變化時(shí)取樣高度的變化。由圖可知，取樣高度隨巖層內(nèi)摩擦角的增加而顯著增加。從圖5(a)可知，當(dāng)巖層內(nèi)摩擦角為25°時(shí)，采用10 cm內(nèi)徑的取樣筒也僅能達(dá)到約30%的取樣率;當(dāng)巖層內(nèi)摩擦角為45°時(shí)，其最大取樣率可接近80%。從圖5(b)可知，當(dāng)巖層內(nèi)摩擦角為45°時(shí)，最大取樣率可達(dá)60%;當(dāng)巖層內(nèi)摩擦角為25°時(shí)，最大取樣率約為20%。

圖5 巖層內(nèi)摩擦角對(duì)取樣高度的影響

圖6給出了目標(biāo)巖層粘聚力c對(duì)取樣高度的影響，圖6(a)和圖6(b)分別給出了取心筒內(nèi)徑D和土－管之間摩擦系μ變化時(shí)取樣高度的變化。與內(nèi)摩擦角變化時(shí)類似，由圖6可知，巖層粘聚力提高也有助于提高取樣率。綜合圖5和圖6分析可知，提高目標(biāo)巖層的強(qiáng)度可以提高采樣率。由于天然氣水合物在取樣過程中容易受鉆桿的擾動(dòng)，強(qiáng)度指標(biāo)降低，實(shí)際取樣工具的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮從技術(shù)上減少對(duì)巖層的擾動(dòng)。

天然氣水合物一般賦存于水深＞300 m的海床底下，在南海水底的水合物一般埋藏在水深超過1000 m的海底160 m左右的巖層中。本文研究了取樣深度對(duì)取樣高度的影響(圖7)。圖7(a)和圖7(b)分別給出了取心筒內(nèi)徑D和土－管之間摩擦系數(shù)μ變化時(shí)取樣高度的變化。由圖7可知，隨著取樣深度增加，取樣高度減小，但是減小的幅度非常小。

圖6 巖層粘聚力對(duì)取樣高度的影響

圖7 取樣深度的影響

3 結(jié)語

計(jì)算結(jié)果表明，取樣高度隨取樣筒內(nèi)徑的擴(kuò)大而增加，隨取樣筒與樣品之間的摩擦系數(shù)的增加而減小。參數(shù)分析表明，取樣高度隨巖層內(nèi)摩擦角和粘聚力的增加而增加。取樣深度對(duì)取樣高度的影響較小。工程實(shí)踐中，為了提高取樣率，應(yīng)該主要研究如何降低取樣筒和巖心之間的摩擦阻力。

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