海洋天然氣水合物探測及取樣鉆具研制

李小洋， 王漢寶， 張永勤， 梁 健， 劉秀美， 尹 浩

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 2.上海金泰工程機(jī)械有限公司，上海 201805)

0 引言

天然氣水合物是一種高效清潔能源，其燃燒產(chǎn)生的熱量比同等條件下煤、石油、天然氣產(chǎn)生的多，但是污染卻比這些常規(guī)燃料要小得多。而且天然氣水合物資源豐富，據(jù)估算，世界天然氣水合物總量相當(dāng)于全球已探明煤、石油、天然氣等常規(guī)能源總量的2倍[1-4]。目前已探明的天然氣水合物總量的90%分布在水深300～4000 m的大陸架、大洋中脊、海溝和海嶺等海底沉積物中[5-6]。我國海域遼闊，初步探明海底天然氣水合物資源儲量也十分可觀。在天然氣水合物資源調(diào)查評價(jià)中，往往先通過地球物理方法探測海底擬反射層(bottom simulating reflector，縮寫為BSR)，然后根據(jù)BSR確定水合物的分布區(qū)域和埋藏深度，通過鉆探取樣來確定水合物的具體賦存層位和物化特性[7-9]。但通過取樣發(fā)現(xiàn)物探方法并不能完全準(zhǔn)確地反映水合物的埋藏深度，并且目前國內(nèi)采用的水合物取樣需要依靠國外的取樣技術(shù)來完成，受到了極大的限制[10]。為此，結(jié)合大量的繩索取心實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和前期的保壓取樣技術(shù)研究，項(xiàng)目組研發(fā)了一種繩索打撈式組合鉆具，包含水合物超前探測鉆具、保溫保壓取樣鉆具和大直徑取樣鉆具，旨在通過水合物地層的超前探測、保真取樣和非水合物地層補(bǔ)充取樣來獲取真實(shí)完整的水合物地層數(shù)據(jù)。

1 鉆具功能設(shè)計(jì)

在前期研究天然氣水合物保壓取心技術(shù)的基礎(chǔ)上[11-12]，同時(shí)結(jié)合海洋天然氣調(diào)查單位提出的新問題和新要求，項(xiàng)目組提出了一種組合式繩索打撈鉆具。組合式鉆具包括隨鉆測量鉆具、保溫保壓取樣鉆具和大直徑非保壓取樣鉆具。3種鉆具在同規(guī)格鉆桿(?139.7 mm)內(nèi)根據(jù)不同的鉆進(jìn)目的可自由更換，具體鉆具技術(shù)指標(biāo)見表1。組合式鉆具主要功能設(shè)定如下。

表1 組合式繩索打撈鉆具主要技術(shù)指標(biāo)

(1)隨鉆測量鉆具：根據(jù)測井結(jié)果顯示，含有水合物的地層電阻率有比較明顯的變化[13]，然而海底地層溫度比較穩(wěn)定，即使鉆遇水合物地層，地層溫度也沒有太大的變化。因此隨鉆測量鉆具主要用于測量地層的電阻率，并通過泥漿脈沖將判斷依據(jù)傳輸?shù)骄诘慕邮昭b置，據(jù)此判定鉆遇地層是否含有水合物。

(2)當(dāng)判斷是水合物可疑地層時(shí)，停止鉆進(jìn)，通過繩索打撈方式將隨鉆測量鉆具提出，向井內(nèi)下入保溫保壓取樣鉆具來獲取海底的原狀樣品，避免在取樣過程中水合物分解[14]。

(3)大直徑非保壓取樣鉆具作為一種輔助手段，目的是為針對非水合物地層獲取更大直徑的巖心，為海洋地質(zhì)研究提供更多的樣品。

2 鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)組合式鉆具的功能，綜合考慮3種規(guī)格鉆具的規(guī)格尺寸和使用要求，結(jié)合繩索打撈的工藝方法，完成了隨鉆測量鉆具、保溫保壓取樣鉆具和大直徑非保壓取樣鉆具的設(shè)計(jì)方案，具體論述如下：

(1)隨鉆測量鉆具：主要包括打撈機(jī)構(gòu)、彈卡定位機(jī)構(gòu)、懸掛機(jī)構(gòu)、單動(dòng)機(jī)構(gòu)、電阻率測量系統(tǒng)和傳扭機(jī)構(gòu)等。其中電阻率測量系統(tǒng)可以分為井口和井下兩部分。井口部分主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和解析，以圖形、數(shù)據(jù)的方式顯示出來，工作原理見圖1。井下部分(見圖2)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送及存儲，具體由電阻率測量短節(jié)、泥漿脈沖發(fā)生器及電池短節(jié)完成。電阻率測量短節(jié)通過安裝在超前鉆頭上的測量電極實(shí)時(shí)測量地層的電阻率，并將數(shù)據(jù)傳輸給泥漿脈沖發(fā)生器。泥漿脈沖發(fā)生器將測量的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行存儲，后經(jīng)過編碼產(chǎn)生泥漿壓力波，將數(shù)據(jù)傳遞到井口。電池短節(jié)為井下電阻率測量短節(jié)和泥漿脈沖發(fā)生器供電并實(shí)時(shí)記錄電池組的電量消耗情況。

1-立管；2-三通接頭；3-壓力傳感器；4-無線壓力傳感器主機(jī)；5-吸盤天線；6-無線收發(fā)器；7-連接電纜；8-數(shù)據(jù)處理儀

圖1隨鉆測電阻率系統(tǒng)井口部分

1-循環(huán)套；2-限流環(huán)；3-大活塞；4-基座；5-懸掛脈沖器；6-扶正器；7-電池短節(jié)；8-電阻率測量短節(jié)；9-連接座；10-電極；11-蓋板

圖2隨鉆電阻率測量系統(tǒng)井下部分

(2)保溫保壓取樣鉆具：根據(jù)保壓密封機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及取樣直徑的要求，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一種板閥式保溫保壓取樣鉆具，主要包括打撈機(jī)構(gòu)、雙彈卡機(jī)構(gòu)、懸掛及單動(dòng)機(jī)構(gòu)、脫鉤機(jī)構(gòu)、板閥機(jī)構(gòu)及取樣管等。保壓取樣鉆具的技術(shù)關(guān)鍵是確保取樣管能夠回收及板閥順利關(guān)閉，為此專門設(shè)計(jì)了雙彈卡機(jī)構(gòu)和脫鉤——板閥機(jī)構(gòu)。通過雙彈卡機(jī)構(gòu)在鉆進(jìn)取心時(shí)確保鉆具和取樣管的軸向定位；在繩索打撈時(shí)，依靠雙彈卡機(jī)構(gòu)的回收解卡帶動(dòng)取樣管向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)取樣管回收到保壓筒內(nèi)。通過脫鉤-板閥機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)板閥的關(guān)閉和良好密封。當(dāng)取樣管回收越過板閥的上端時(shí)，在自重的作用下，板閥自動(dòng)翻轉(zhuǎn)關(guān)閉。取樣管繼續(xù)向上回收，觸發(fā)行程控制實(shí)現(xiàn)取樣管與雙彈卡機(jī)構(gòu)的脫開，以自由落體沖擊到板閥上端面，將板閥密封面壓緊，實(shí)現(xiàn)良好密封(具體結(jié)構(gòu)見圖3)，克服目前保壓取樣鉆具保壓成功率不高的難題[15]。

1-撈矛頭；2-上彈卡；3-下彈卡；4-外管；5-中管；6-測壓接頭；7-脫鉤機(jī)構(gòu)；8-活塞式蓄能器；9-溫壓記錄儀；10-板閥機(jī)構(gòu)；11-鉆頭；12-超前鉆頭

圖3天然氣水合物保溫保壓取心鉆具結(jié)構(gòu)圖

(3)大直徑非保壓取樣鉆具：根據(jù)陸域凍土水合物鉆井取樣經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合海洋鉆井的新要求，設(shè)計(jì)了一種大直徑非保壓取樣鉆具，主要針對水合物目標(biāo)層位上下部分進(jìn)行非保壓取樣，滿足海洋地質(zhì)研究的需要。大直徑非保壓取樣鉆具包括打撈機(jī)構(gòu)、彈卡定位機(jī)構(gòu)、懸掛機(jī)構(gòu)、單動(dòng)機(jī)構(gòu)和取樣管等。當(dāng)鉆遇軟弱地層時(shí)，采用超前取樣鉆頭，減少了泥漿對沉積層巖心的沖蝕，最大限度的保證巖樣的原狀。鉆遇堅(jiān)硬地層時(shí)，通過繩索打撈方式更換超前取樣鉆頭，可以獲取直徑更大的巖心。具體鉆具結(jié)構(gòu)見圖4。

1-打撈機(jī)構(gòu)；2-彈卡定位機(jī)構(gòu)；3-單動(dòng)機(jī)構(gòu)；4-取樣管；5-鉆頭

圖4大直徑非保壓鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

3 鉆進(jìn)工藝

組合式繩索打撈鉆具適用于2500 m(水深+鉆深)以內(nèi)的海域，根據(jù)水合物調(diào)查評價(jià)過程中的實(shí)際需要相互更換，通過繩索打撈的方式在同規(guī)格的鉆桿內(nèi)進(jìn)行3種鉆具的投放和回收，無需進(jìn)行提鉆。隨鉆測量鉆具采用超前鉆頭的結(jié)構(gòu)形式，與外鉆頭配合進(jìn)行全面鉆進(jìn)。在超前鉆頭側(cè)面安裝有電阻率測量電極，這樣可以使測量電極直接與地層接觸，減少測量誤差。測量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥酀{脈沖發(fā)生器后進(jìn)行存儲、編碼，以泥漿壓力波的形式返回到井口。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隨鉆測量系統(tǒng)直接發(fā)送電阻率數(shù)據(jù)的研發(fā)成本太高，且電量消耗較大。綜合考慮后采用間接的方法，即通過泥漿脈沖發(fā)生器先將測量的數(shù)據(jù)與設(shè)定的門限值(以不含水合物地層的電阻率值作為門限值的設(shè)定依據(jù))比較，如果地層電阻率大于門限值，脈沖發(fā)生器連續(xù)產(chǎn)生3個(gè)脈沖波；如果地層電阻率小于門限值，脈沖發(fā)生器只產(chǎn)生1個(gè)脈沖波。井口分析人員根據(jù)收到的脈沖數(shù)來判定是否鉆遇水合物地層。隨鉆測量鉆具還有數(shù)據(jù)存儲裝置，將鉆具打撈出來即可將數(shù)據(jù)拷貝出來，還原地層的真實(shí)電阻率。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)井口接收到的脈沖出現(xiàn)異常后，可通過繩索打撈工具及時(shí)將隨鉆測量鉆具打撈出來，下入保溫保壓取樣鉆具進(jìn)行取樣操作。為了提高水合物地層的巖樣采取率，采用超前鉆頭取樣的方式進(jìn)行鉆進(jìn)，減少泥漿對巖心的沖蝕。保壓取樣采用回轉(zhuǎn)取心的方式獲取巖心，取心長度可以達(dá)到3 m。同時(shí)對地層的適應(yīng)性較好，不僅能鉆進(jìn)軟弱地層，也可以鉆進(jìn)堅(jiān)硬地層。大直徑非保壓取樣鉆具作為一種輔助的取樣方法，鉆具結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，取心直徑大，可以在不含水合物地層根據(jù)需要獲取高質(zhì)量的巖心，為海洋地質(zhì)研究提供第一手資料。

4 室內(nèi)測試

完成組合式繩索打撈鉆具的總體方案和鉆具設(shè)計(jì)后，征詢相關(guān)專家意見并優(yōu)化圖紙，接著進(jìn)行鉆具的加工、組裝、調(diào)試和相關(guān)室內(nèi)性能測試與試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其綜合性能?，F(xiàn)將研發(fā)進(jìn)展和測試成果總結(jié)如下。

4.1 鹽水測試

隨鉆測量鉆具不僅能夠進(jìn)行全面鉆進(jìn)，提高鉆進(jìn)速度，更重要的是可以超前測量地層電阻率，為水合物判層提供依據(jù)。由于該鉆具研發(fā)費(fèi)用高昂，為了保證鉆具的可靠性，課題組在鉆具正式加工前先制作了1套物理樣機(jī)(組成見圖5)，用于模擬隨鉆測量鉆具的整個(gè)工作過程。隨鉆測量物理樣機(jī)包括電源、測量部分、數(shù)據(jù)處理及無線發(fā)射端和數(shù)據(jù)接收端。其中電源采用的是28 V直流電，保證整個(gè)測量系統(tǒng)的動(dòng)力供應(yīng)；測量端是把電阻率測量電極分別放置在3種NaCl溶液(電阻率已知)中，并通過查看數(shù)據(jù)接收情況來檢查整個(gè)模擬過程的工作性能；數(shù)據(jù)處理及無線發(fā)射端由于沒有泥漿，無法產(chǎn)生壓力波，暫時(shí)只能通過無線發(fā)射端發(fā)射編碼過的數(shù)據(jù)來模擬數(shù)據(jù)傳輸過程；數(shù)據(jù)接收端通過無線接收器和數(shù)據(jù)解碼器將獲得的編碼數(shù)據(jù)解碼，最后在計(jì)算機(jī)上顯示出結(jié)果。將測量電極從60 Ω·m的NaCl溶液拿出來放到20 Ω·m的NaCl溶液中，數(shù)據(jù)接收端很快就通過波形顯示出電阻率的變化(見圖6)。

1-電源；2-測量電極；3-數(shù)據(jù)處理及發(fā)送；4-數(shù)據(jù)接收及顯示

圖5隨鉆測量鉆具物理樣機(jī)組成

圖6 從60 Ω·m的NaCl溶液到20 Ω·m的NaCl溶液電阻率變化波形

4.2 保壓測試

為了驗(yàn)證保溫保壓取樣鉆具的可靠性及保壓效果，設(shè)計(jì)了保壓測試。保壓測試主要通過加壓泵，向鉆具的保壓筒內(nèi)加壓，然后觀察保壓筒螺紋連接處及板閥密封處的滲水情況。按照設(shè)計(jì)的保壓能力，測試時(shí)把最大壓力加壓到30 MPa，保壓2 h后記錄壓力穩(wěn)定值為28 MPa(見圖7)，2 h內(nèi)壓力損失為2 MPa，壓力損失是設(shè)計(jì)值的6.7%，低于設(shè)計(jì)要求的20%。

圖7 保壓筒保壓2 h前后壓力變化

5 結(jié)語

組合式繩索打撈鉆具結(jié)合了隨鉆測量和繩索取心的優(yōu)點(diǎn)，既實(shí)現(xiàn)了鉆井過程中對水合物地層的識別，增加了取樣的目的性和有效性，又兼顧了繩索取心的工藝要求，確保了保壓取心和大直徑取心的可靠性，為多樣的地質(zhì)需求提供了一種有效方法和手段。經(jīng)過相關(guān)的室內(nèi)試驗(yàn)和測試，組合式繩索打撈鉆具達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，已經(jīng)具備了海上試驗(yàn)的基礎(chǔ)條件。