天然氣水合物保溫保壓取心工具研制及現(xiàn)場試驗

任 紅， 裴學(xué)良， 吳仲華， 周廣清， 楊啟貞， 許俊良

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000)

天然氣水合物對溫度、壓力的變化很敏感，受擾動易揮發(fā)，取心難度極大，我國一直沒有研制出適合的取心工具，也沒有進(jìn)行相關(guān)的研究。在此情況下，我國于2007和2013年分別租用國外公司的沖擊式保壓取心工具FPC和旋轉(zhuǎn)式保壓取心工具FRPC，并采用國外公司的鉆探船進(jìn)行了天然氣水合物勘探取心，證實我國蘊(yùn)藏有豐富的天然氣水合物資源。與此同時，國內(nèi)多家機(jī)構(gòu)也開始了天然氣水合物取心工具的研制開發(fā)。但由于國內(nèi)缺乏配套的鉆探設(shè)備，相關(guān)研發(fā)工作、特別是真正能進(jìn)入深海天然氣水合物層的取心工具的研制工作進(jìn)展緩慢。中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院是國內(nèi)最早開始天然氣水合物取心工具研發(fā)的單位之一，為減少鉆探過程中對天然氣水合物的擾動，通過天然氣水合物保溫保壓取心試驗[1-2]，在突破深海繩索快速取心、保溫保壓和壓力補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)后，設(shè)計了適用于海洋環(huán)境的多種作業(yè)方式的繩索式天然氣水合物保溫保壓取心工具。在室內(nèi)和淺海區(qū)域進(jìn)行功能性試驗后，于2017年5月依托深水鉆探船海洋石油708，在天然氣水合物賦存區(qū)成功取得樣品，證明了該工具的可行性，為我國海底天然氣水合物自主勘探取心提供了技術(shù)支撐。

1 繩索式保溫保壓取心工具結(jié)構(gòu)及工作原理

天然氣水合物繩索式保溫保壓取心工具包括繩索打撈回收系統(tǒng)、鎖定釋放系統(tǒng)、保溫保壓系統(tǒng)、壓力補(bǔ)償系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、控制及溫壓監(jiān)測系統(tǒng)和取樣系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 繩索式保溫保壓取心工具結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural sketch for rope type temperature-pressure preservation coring tool1.繩索打撈回收系統(tǒng)；2.鎖定釋放系統(tǒng)；3.保溫保壓系統(tǒng)；4.壓力補(bǔ)償系統(tǒng)；5.密封系統(tǒng)； 6.控制及溫壓監(jiān)測系統(tǒng)；7.取樣系統(tǒng)

其工作原理是，用繩索將內(nèi)部工具組合送入下部鉆具組合內(nèi)，鎖定釋放系統(tǒng)到位后開始取心，取心結(jié)束后，打撈內(nèi)部工具組合，巖心管差動進(jìn)入保溫保壓系統(tǒng)，關(guān)閉密封閥實現(xiàn)保溫保壓筒密封，上提過程中壓力補(bǔ)償系統(tǒng)自動工作進(jìn)行補(bǔ)壓，完成天然氣水合物的保溫保壓取心。

根據(jù)取心作業(yè)方式不同，繩索式保溫保壓取心工具分為伸縮插入式、活塞射入式、沖擊器沖擊式和馬達(dá)旋轉(zhuǎn)式4種類型，可根據(jù)天然氣水合物賦存地層情況進(jìn)行選擇，保證在不起鉆的情況下完成鉆探取心作業(yè)。

1.1 伸縮插入式保壓取心工具

伸縮插入式保壓取心工具的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 伸縮插入式保壓取心工具結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural sketch of telescopic insertion type pressure preservation coring tool1.打撈矛頭；2.鎖定彈卡；3.保溫保壓筒；4.密封閥；5.非干擾取心管

該工具適用于海底表層很軟的沉積物取心。其工作原理是，工具下放到位后鎖定彈卡彈出，進(jìn)入下部鉆具組合外筒臺肩中，起到縱向鎖定的作用，非干擾取心管提前伸出鉆頭口，取心工具靠鉆具施壓插入地層進(jìn)行取心，完成取心后，繩索打撈上提過程中取心管差動進(jìn)入保溫保壓筒，實現(xiàn)保壓取心[1-3]。

1.2 活塞射入式保壓取心工具

活塞射入式保壓取心工具的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 活塞射入式保壓取心工具結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural sketch of piston injection type pressure preservation coring tool1.打撈矛頭；2.座環(huán)；3.液壓剪銷；4.保溫保壓筒；5.密封閥；6.取心管

活塞射入式保壓取心工具適用于海底表層很軟和較軟的沉積物取心。其工作原理是，在工具下放過程中，座環(huán)到達(dá)下部鉆具組合外筒臺肩后，開泵，利用液壓剪斷銷釘，巖心管在液壓推力下沖擊進(jìn)入地層進(jìn)行取心，在打撈過程中使巖心管與保壓筒2次差動實現(xiàn)保壓取心。

1.3 沖擊器式保壓取心工具

沖擊器式保壓取心工具的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

沖擊器式保壓取心工具適用于海底硬度較大的沉積物取心。其工作原理是，取心工具下放到位后開泵，沖擊器在液力作用下開始工作，沖錘產(chǎn)生的振動沖擊力傳遞給取心工具，取心工具下端一點一點敲擊進(jìn)入地層，完成取心后繩索上提工具,上提過程中取心管差動進(jìn)入保溫保壓筒，完成保壓取心。

圖4 沖擊器沖擊外筒式保壓取心工具結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structural sketch of impact external cylinder-type pressure preservation coring tool1.打撈矛頭；2.沖擊器；3.差動釋放機(jī)構(gòu)；4.保溫保壓筒；5.密封閥；6.取心管

1.4 馬達(dá)旋轉(zhuǎn)式保壓取心工具

馬達(dá)旋轉(zhuǎn)式保壓取心工具的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 馬達(dá)旋轉(zhuǎn)式保壓取心工具結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structural sketch of motor rotation type pressure preservation coring tool1.打撈矛頭；2.馬達(dá)定子；3.馬達(dá)轉(zhuǎn)子；4.鎖定塊

馬達(dá)旋轉(zhuǎn)式保壓取心工具適用于硬地層取心。其工作原理是，取心工具下放到位后開泵，液壓推動鎖定塊彈出，將馬達(dá)定子鎖定在下部鉆具組合外筒上不轉(zhuǎn)，液力驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，帶動下部保溫保壓筒和取心管旋轉(zhuǎn)，靠取心管上的鉆鞋旋轉(zhuǎn)完成取心，之后繩索上提工具過程中，使取心管與保溫保壓筒的鎖定解鎖，差動后進(jìn)入保溫保壓筒，完成保壓取心。

2 繩索式保溫保壓取心工具關(guān)鍵技術(shù)

對天然氣水合物進(jìn)行保壓取心時，由于在鉆探船上采用不起鉆裸眼取心方式，取心工具受到海水和天然氣水合物本身特性的影響，需要其具有保持溫度和壓力、壓力補(bǔ)償、快速打撈和減小取心擾動等功能。為此，研究了以下關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 繩索打撈回收裝置

繩索打撈回收裝置用于取心結(jié)束后的快速提取，主要包括鋼絲繩、鎖繩器、軸承組合、承拉短節(jié)、安全銷和打撈塊(見圖6)[4]。軸承組合用來防止起下工具時鋼絲繩打扭。安全銷保證工具在井底遇卡不能起出時使鋼絲繩安全脫出，通過理論計算和室內(nèi)多次試驗確定安全銷為45號鋼φ10.0 mm圓柱銷。打撈塊起力的傳遞作用，張開時釋放下部鉆具組合，回收時收攏，隨打撈回收裝置一起上行。經(jīng)過室內(nèi)和海上的多次試驗，繩索打撈回收裝置均能安全完成打撈解鎖功能。

圖6 繩索打撈回收裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Structural sketch of rope fishing and recovery device

2.2 取心驅(qū)動裝置

2.2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

天然氣水合物取心比常規(guī)取心更需要減小對樣品的擾動，在幾種取心驅(qū)動方式中，采用小尺寸沖擊器(見圖7)沖擊取心管取心效果較好。沖擊器主要依靠沖錘及鉆井液構(gòu)成的液壓循環(huán)沖擊系統(tǒng)工作，其動作過程可簡單地理解為增壓和釋壓過程：沖錘上行是液壓循環(huán)沖擊系統(tǒng)的增壓過程，當(dāng)壓力增大到一定程度，沖錘便在錐套形成的高壓作用下向下行，直到?jīng)_錘與軸接觸，沖擊功傳遞給下部受沖擊體上形成沖擊取心；沖錘下行是液壓循環(huán)系統(tǒng)的釋壓過程，沖擊器的沖擊過程是液壓系統(tǒng)增壓和釋壓過程的反復(fù)循環(huán)。

圖7 沖擊器結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Schematic diagram of impactor

2.2.2 功能性試驗

采用試驗裝置對沖擊器正常工作的排量、泵壓進(jìn)行了測定。試驗結(jié)果為，沖擊器在排量為2.5～3.0 L/s時正常工作，泵壓為4～5 MPa，滿足取心工具的需要。

2.3 保壓密封閥

2.3.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

保壓密封閥是取心工具的關(guān)鍵部件，關(guān)系到天然氣水合物取心的成敗。由于保溫保壓取樣工具采用繩索取心方式，工具外徑受到鉆柱內(nèi)徑的限制，因此為了增大取心直徑，設(shè)計了相貫線式保壓密封閥，如圖8所示。

圖8 相貫線式保壓密封閥Fig.8 Intersecting line type pressure seal valve

2.3.2 功能性試驗

在室內(nèi)對其進(jìn)行了密封性試驗。試驗顯示，低壓初始密封效果很好，最低至0.5 MPa時可以密封，高壓最高試至30.0 MPa，保持30 min后壓力未降低。與其他部件組裝成保壓筒，從泄壓孔中向保壓筒施加30.0 MPa壓力，保持22 h后壓力僅降低了1.0 MPa，滿足海底天然氣水合物取心的要求。

2.4 保溫筒

2.4.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

保溫筒采用填充隔熱復(fù)合材料二氧化硅氣凝膠的方式。二氧化硅氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.013～0.016 W/(m·K)，低于靜態(tài)空氣的熱導(dǎo)系數(shù)(0.024 W/(m·K))，比相應(yīng)的無機(jī)絕緣材料低2～3個數(shù)量級，具有很好的保溫隔熱效果。

2.4.2 功能性試驗

保溫筒一端用絲堵密封，另一端放入冰塊，然后用絲堵密封。保溫保壓筒上設(shè)3個測量點(兩端絲堵和保溫筒中間)，采用測溫儀對其進(jìn)行溫度測量，每隔20 min測一次，并記錄數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知，保溫筒外側(cè)溫度與環(huán)境溫度基本一致，而非保溫筒外側(cè)溫度明顯低于環(huán)境溫度，說明保溫筒有明顯的保溫效果。

2.5 壓力補(bǔ)償裝置

2.5.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

壓力補(bǔ)償裝置為一活塞腔，采用預(yù)充氮氣推動活塞的方式對保溫保壓筒進(jìn)行壓力補(bǔ)償。

2.5.2 功能性試驗

在室內(nèi)對壓力補(bǔ)償裝置與充氣接頭進(jìn)行了聯(lián)合密封性試驗，用氮氣瓶充氣9.0 MPa，補(bǔ)償裝置開關(guān)工作正常，在水容器內(nèi)檢驗未發(fā)現(xiàn)泄漏。

表1 保溫筒保溫試驗數(shù)據(jù)Table 1 Insulation test data of heat preservation cylinder

2.6 取心管

2.6.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

取心管包括鉆鞋、巖心爪和襯管等，是最先也是最多與天然氣水合物樣品接觸的部件，是形成、截斷和臨時保存巖心的關(guān)鍵部件。隨著樣品進(jìn)入取心管后高度增加，筒內(nèi)的樣品與取心管內(nèi)壁的摩擦阻力增加，當(dāng)總摩阻力達(dá)到某一數(shù)值時，取心管下部的巖層受力達(dá)到極限狀態(tài)，不再進(jìn)入取心管內(nèi)。進(jìn)入取心管的樣品像瓶塞一樣阻止下部的樣品再進(jìn)入取心管，就出現(xiàn)了“樁效應(yīng)”。

2.6.2 分析試驗

對取心管進(jìn)行了“樁效應(yīng)”現(xiàn)象模擬分析和室內(nèi)試驗，結(jié)果如圖9所示。

試驗可知，宏觀層面(巖心)，由于管內(nèi)壁摩阻力阻止了管端樣品向管內(nèi)涌入，以及管內(nèi)壁摩阻力與管端向上擠壓力作用造成土體壓縮變形；細(xì)觀層面(土顆粒)，是“咬合與粘結(jié)”的顆粒群在巖心柱周圍向下與底部向上作用下發(fā)生向上移動與擠密的過程[5]。經(jīng)過試驗分析，對形成巖心的鉆鞋錐角進(jìn)行了設(shè)計，優(yōu)選了接觸巖心的襯管，并改進(jìn)了巖心爪，在空間受限的情況下從多方面減小了“樁效應(yīng)”對天然氣水合物取心的影響。

圖9 取心管“樁效應(yīng)”試驗結(jié)果Fig.9 Analysis test of core tube “pile effect”

3 現(xiàn)場試驗

2017年4月20日至5月10日，依托中國海油海洋石油708船，在南海LW3區(qū)塊2口井水深1 310.00 m、泥線以下100.00～123.50 m進(jìn)行了天然氣水合物取樣作業(yè)，共計取樣13回次，其中9回次保壓取樣成功。

9回次成功試驗中，都是采用小排量控制取心速度，實現(xiàn)了保壓取樣。現(xiàn)場測壓過程中，為防止壓力變化造成天然氣水合物快速分解，最高僅測至12.014 MPa。測壓結(jié)束后，采用配套的氣體收集點火裝置，對保溫保壓取樣工具中保壓樣品分解的氣體進(jìn)行了收集，先檢測了其成分，發(fā)現(xiàn)99.2%～99.7%為甲烷氣體，然后點火成功，標(biāo)志著成功取到了天然氣水合物保壓樣品。

對于保壓取樣不成功的情況，分析認(rèn)為：其中3回次主要是因為無成功的經(jīng)驗可供借鑒，對天然氣水合物賦存區(qū)地層硬度與無水合物區(qū)域地層有很大不同這一點考慮不足；同時，受海上風(fēng)浪影響船體晃動較大，對取樣工具的正常工作造成了很大影響，使取樣管伸出鉆頭后因受力發(fā)生了彎曲，卡在了保壓筒入口處，在繩索上提后沒有實現(xiàn)工具的差動，未能保壓成功。另外1回次，是因為該工具使用過程中密封配件突然失效，造成保壓不成功。

4 結(jié)論及建議

1) 通過研究保壓密封閥、保溫筒、壓力補(bǔ)償裝置、巖心管和繩索打撈回收裝置等關(guān)鍵部件，形成了天然氣水合物繩索保溫保壓取心工具及技術(shù)。

2) 室內(nèi)試驗分析和現(xiàn)場試驗表明，研制的繩索保溫保壓取心工具滿足深海天然氣水合物取心要求，為國內(nèi)天然氣水合物的自主勘探取樣提供了技術(shù)支撐。

3) 為提高保壓取樣的成功率，需進(jìn)一步改進(jìn)取心工具，建議采用新型材料提高取心管的強(qiáng)度和韌性，使之適應(yīng)天然氣水合物取樣需求；另外，建議優(yōu)化密封閥的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高初始密封效果。

參考文獻(xiàn)
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