南海天然氣水合物取樣技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議

任 紅

（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（即可燃冰）是資源量豐富的高效清潔能源，是未來理想的戰(zhàn)略接替能源之一[1–7]，多個(gè)國家制定了天然氣水合物的國家研究與開發(fā)計(jì)劃，并列入了國家未來能源戰(zhàn)略規(guī)劃。天然氣水合物勘探開發(fā)中，鉆探取樣是評(píng)估天然氣水合物的分布、產(chǎn)狀、賦存形態(tài)和飽和度等的重要手段，對(duì)于后續(xù)開發(fā)方案的制定有重要意義。

天然氣水合物是類冰狀物質(zhì)，對(duì)溫度壓力的變化很敏感，受到擾動(dòng)易揮發(fā)。2007年和2013年，國內(nèi)采用國外公司的沖擊式保壓取樣工具FPC和旋轉(zhuǎn)式保壓取樣工具FRPC進(jìn)行了天然氣水合物勘探取樣，證實(shí)了我國蘊(yùn)藏有豐富的天然氣水合物資源。中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院利用在井下工具和鉆探取心技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，于2007年開始進(jìn)行天然氣水合物鉆探取樣工具研制和取樣技術(shù)研究，與國內(nèi)多家天然氣水合物領(lǐng)域的科研機(jī)構(gòu)合作，突破了密封閥保壓、低溫保溫關(guān)鍵技術(shù)；2017年，依托海洋石油708深水工程勘察船在天然氣水合物賦存區(qū)成功取得保壓樣品，為我國海底天然氣水合物自主勘探取樣提供了技術(shù)支撐[8]。目前，國內(nèi)雖然在天然氣水合物鉆探取樣方面取得了一些技術(shù)進(jìn)步，也針對(duì)研究過程中遇到的各種技術(shù)難點(diǎn)提出了解決措施，但這些措施不是唯一的解決方案。為此，筆者分析了取樣工藝、取樣工具尺寸確定、低溫保溫、密封閥和取樣作業(yè)方式方面的技術(shù)難點(diǎn)，以2017年南海北部成功實(shí)施的保壓取樣方案為基礎(chǔ)，提出了相應(yīng)的技術(shù)措施；并分析總結(jié)了研發(fā)天然氣水合物鉆探取樣技術(shù)遇到的技術(shù)難點(diǎn)，為今后取樣技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善提供了技術(shù)參考。

1 取樣技術(shù)需求

1.1 南海環(huán)境的需求

南海屬熱帶海洋季風(fēng)氣候，臺(tái)風(fēng)活動(dòng)頻繁、強(qiáng)度大、活動(dòng)時(shí)間長，每月都有可能出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)。南海大部分海區(qū)處于熱帶，加之受海洋影響，全年溫度高、濕度大。南海大部分地區(qū)的全年相對(duì)濕度較大，年平均日最大相對(duì)濕度在80%以上；海流活動(dòng)較強(qiáng)，有季風(fēng)海流、黑潮暖流、上升流和潮流等。南海海域水深、域廣、風(fēng)大，既有交替的季風(fēng)，又有猛烈的臺(tái)風(fēng)，海浪之大為中國陸緣海之冠。

受季風(fēng)和臺(tái)風(fēng)等的影響，在南海能進(jìn)行平穩(wěn)作業(yè)的時(shí)間窗口較小，并且作業(yè)時(shí)間也有限。2017年海底水合物取樣的時(shí)間為4月上旬至5月上旬，處于季風(fēng)過渡期，期間風(fēng)向多變，海洋石油708深水工程勘察船的抗風(fēng)力不低于12級(jí)，保證了在9級(jí)風(fēng)海況下的安全航行，采用動(dòng)力定位不斷調(diào)整船頭方向，保證了作業(yè)安全；配備的主動(dòng)和被動(dòng)深度補(bǔ)償裝置彌補(bǔ)了海流活動(dòng)的影響。取樣工具出井口后迅速采取水域低溫冷卻措施，避免了高溫造成天然氣水合物迅速分解；取樣設(shè)備采用不銹鋼材料，并及時(shí)進(jìn)行保養(yǎng)，防止了海洋高溫潮濕環(huán)境對(duì)取樣設(shè)備造成銹蝕。

1.2 天然氣水合物性質(zhì)的需求

天然氣水合物是由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀結(jié)晶物質(zhì)[9]。其生成的溫度條件為0～10 ℃，超過20 ℃便會(huì)分解；在0 ℃條件下，壓力達(dá)到3.0 MPa就可生成。海底溫度一般在2～4 ℃，水深300 m處的壓力可以達(dá)到3.0 MPa，并且壓力越高，天然氣水合物越不容易分解，因此深海環(huán)境適合天然氣水合物的生成和保存。

天然氣水合物依賴巨厚海水層的壓力來維持其固體狀態(tài)，其分布范圍為海底到海底之下 1 000 m以淺；深度繼續(xù)增大后，由于地層溫度升高，其固體狀態(tài)遭到破壞而難以存在。南海北部海域海底沉積層的主要成分為黏土，夾雜少量細(xì)砂、粉砂，表層沉積物為淤泥質(zhì)黏土，類冰狀天然氣水合物賦存在沉積層中，在海底水壓作用下與未成巖的沉積層結(jié)合在一起呈固體狀態(tài)；但一旦被擾動(dòng)，取出到海面，因?yàn)閴毫档蜁?huì)迅速分解，所以采用常規(guī)取樣方式獲取天然氣水合物樣品十分困難，需要在保溫保壓條件下才能取到。2017年進(jìn)行天然氣水合物取樣時(shí)海水深度1 310 m，取樣層位在泥線以下100～123 m，取得的保壓樣品為泥質(zhì)粉砂。

2 取樣工藝現(xiàn)狀

由于天然氣水合物賦存于深海，采用鉆井平臺(tái)取樣，作業(yè)成本太高，因此一般采用鉆探船取樣。雖然鉆探船的作業(yè)成本較低，運(yùn)動(dòng)比較靈活，但受海洋環(huán)境影響很大，而且不能像鉆井平臺(tái)一樣下入隔水管和固定井口，鉆井液無法形成循環(huán)體系，只能采用鉆桿在海底淺層進(jìn)行裸眼作業(yè)。這也導(dǎo)致不能采用常規(guī)起鉆方式進(jìn)行取樣作業(yè)，因?yàn)橐坏┢疸@，在深海要再找到井口將非常困難，只能將鉆桿做為取樣通道進(jìn)行快速取樣。

2017年，天然氣水合物取樣采用的海洋石油708深水工程勘察船，除了具有動(dòng)力定位、主動(dòng)和被動(dòng)深度補(bǔ)償裝置外，為保障取樣作業(yè)順利完成，還在海底下放了海底基座，取樣過程中能夠抱住鉆桿，盡量減少對(duì)地層的擾動(dòng)。由于受勘察船尺寸和井架高度的限制，鉆進(jìn)時(shí)只能進(jìn)行接單根作業(yè)，采用了φ127.0 mm鉆桿，鉆具組合內(nèi)徑不小于φ104.7 mm，井架有效高度36.00 m，井架前大門高度12.50 m，大鉤最大工作載荷2 250 kN。

3 取樣工具現(xiàn)狀

由于天然氣水合物的特殊性和不起鉆的作業(yè)方式，只能采用繩索保溫保壓取樣方式，即取樣工具從鉆桿內(nèi)部下入到井底，完成取樣后，利用與絞車?yán)K索連接的特殊打撈工具將取樣工具提出井口，獲得保溫保壓樣品，然后快速循環(huán)該作業(yè)過程，實(shí)現(xiàn)連續(xù)取樣。

3.1 工具尺寸

為適應(yīng)海洋石油708深水工程勘察船的鉆具尺寸，取樣工具外徑最大只能設(shè)計(jì)為101.0 mm；受密封閥門通徑限制，為滿足后期分析樣品的要求，目前取心直徑最大能夠達(dá)到52.0 mm。

3.2 低溫保溫方式

低溫保溫方式有很多種，主要目的是阻斷對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射這3種形式的傳熱。取樣工具研發(fā)過程中，重點(diǎn)研究了真空被動(dòng)保溫、半導(dǎo)體制冷主動(dòng)保溫和填充隔熱材料被動(dòng)保溫等3種方案，3種保溫方案各有利弊。

1）真空被動(dòng)保溫是把保溫保壓筒做成雙層，兩層之間抽真空，切斷熱傳導(dǎo)；保溫保壓筒外采用等離子噴涂隔熱涂層（如圖1所示）。保溫保壓筒為密封狀態(tài)，可以避免熱對(duì)流；太陽光隔熱涂料將保溫保壓筒外部輻射的熱能反射回去，以防止外面的熱能輻射到筒內(nèi)。檢測結(jié)果表明，隔熱涂層對(duì)太陽光熱量的反射、阻隔效果非常明顯，能反射太陽光線一半以上的紅外線，一般情況下，噴涂隔熱涂層的物體表面溫度與未噴涂隔熱涂層相比低10～20 ℃。試制的保溫保壓筒真空夾層厚2.0 mm，真空度達(dá)0.08 MPa，涂層厚0.5 mm，能保持溫度盡量不變。真空被動(dòng)保溫的低溫保溫效果較好，但工藝復(fù)雜，加工難度大，且保溫筒兩端接頭無法隔熱，不可避免地會(huì)影響保溫效果[10]。

圖 1 真空被動(dòng)保溫示意Fig.1 Schematic diagram of vacuum passive heat preservation

2）半導(dǎo)體制冷主動(dòng)保溫是利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)，在直流電通過2種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，電偶的兩端可分別吸收熱量和放出熱量，可以通過改變電流大小和半導(dǎo)體材料N、P的元件對(duì)數(shù)控制吸熱量和放熱量，實(shí)現(xiàn)制冷的目的。制冷片內(nèi)部是由上百對(duì)電偶組成的熱電堆，以達(dá)到增強(qiáng)制冷的效果。低溫保溫筒就是將多組制冷片的制冷端固定在筒壁上，用蓄電池供電，使保溫筒內(nèi)保持低溫。雖然主動(dòng)制冷可以使保溫筒內(nèi)保持低溫，且不受兩端接頭的影響，但制冷片的放熱端要及時(shí)散熱，需要增大制冷片兩端溫差；另外，制冷片和電池組占用了取樣工具的很大空間，設(shè)計(jì)難度很大[10]。

3）填充隔熱復(fù)合材料被動(dòng)保溫是在雙層筒內(nèi)填充二氧化硅氣凝膠，該凝膠是一種防熱隔熱性能非常優(yōu)秀的輕質(zhì)納米多孔非晶固體材料，孔隙率達(dá)80.0%～99.8%，孔洞的典型直徑1～100 nm，比表面積200～1 000 m2/g，密度可低至3.0 kg/m3。二氧化硅氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)極低，比相應(yīng)的無機(jī)絕緣材料低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到0.013～0.016 W/(m·K)，低于靜態(tài)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)（0.024 W/(m·K)）。采用該低溫保溫方式，保溫材料和工具的結(jié)構(gòu)都簡單，其與外管噴涂隔熱涂層配合。室內(nèi)試驗(yàn)表明，在采用該低溫保溫方式的保溫筒內(nèi)裝入模擬冰塊，在室溫（20 ℃）下，放置2.5 h后保溫筒內(nèi)仍有大量冰塊，完全滿足取樣后樣品從海底到甲板再進(jìn)入帶壓轉(zhuǎn)移倉所需的時(shí)間。因此，2017年天然氣水合物取樣使用的工具都采用該低溫保溫方式[10]。

3.3 密封閥

密封閥是取樣工具的關(guān)鍵部件，關(guān)系著天然氣水合物取樣的成敗。保溫保壓取樣工具采用繩索取樣方式，取樣工具外徑受鉆柱內(nèi)徑的限制，因此增大取樣直徑主要就是增大密封閥的通徑。目前，能夠用于取樣工具的密封閥主要有球閥和板閥。球閥由于有預(yù)緊力，密封性較好，但需要能使密封球旋轉(zhuǎn)90°的聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)，不論是齒輪齒條結(jié)構(gòu)，還是能夠與密封球產(chǎn)生力矩的結(jié)構(gòu)，都需要較大的徑向空間。板閥的活動(dòng)零件只有一個(gè)密封板，結(jié)構(gòu)簡單相對(duì)，占用的空間也小，但沒有預(yù)緊力，初始密封性較差。為增大密封保壓成功率，并使取樣巖心的直徑盡可能較大，設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的球閥和板閥，通過改變結(jié)構(gòu)增大密封閥的通徑。

3.3.1 球閥

設(shè)計(jì)了2種結(jié)構(gòu)的球閥。第1種結(jié)構(gòu)的球閥在上提取樣管到位后，觸發(fā)電控機(jī)構(gòu)釋放帶壓液體，推動(dòng)齒條帶動(dòng)密封球軸線上的齒輪旋轉(zhuǎn)90°，形成密封（見圖2）。在勝利六號(hào)鉆井平臺(tái)泥線下38.60 m處進(jìn)行了密封試驗(yàn)，初始?jí)毫?.248 MPa，16.5 h后壓力為4.217 MPa，僅降低了0.031 MPa，表明其密封性很好，但取樣直徑僅為30.0 mm[10]。

第2種結(jié)構(gòu)的球閥為了增大密封球的密封通徑，將推動(dòng)密封球旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)放在軸心線側(cè)面，機(jī)械結(jié)構(gòu)觸發(fā)后，靠二者間的力矩使密封球旋轉(zhuǎn)90°形成密封。該結(jié)構(gòu)的球閥還處于試驗(yàn)階段。

圖 2 電控球閥Fig.2 Electronically controlled ball valve

3.3.2 板閥

板閥按照結(jié)構(gòu)可分為直板式密封板閥、彎月式密封板閥和相貫線式密封板閥。直板式密封板閥的板是平面板，密封面也是平面，這種板閥易加工，但通徑受空間限制難以增大。彎月式密封板閥的板與工具同軸，密封面是空間錐面，雖然增大了通徑，但密封圈槽難以加工，試制了幾種樣品，密封效果都不佳。相貫線式密封板閥的板也與工具同軸，密封面是空間曲面，雖然加工難度大，但密封圈槽能夠加工（見圖3）。設(shè)計(jì)的相貫線式密封板閥外徑為95.0 mm，通徑為60.0 mm。

圖 3 相貫線式密封板閥Fig.3 Cross-line sealing plate valve

相貫線式密封板閥室內(nèi)密封性能試驗(yàn)表明，其密封效果較好，低壓0.5 MPa就可以密封，壓力最高測試到30.0 MPa，保持30 min后壓力未降低[8]。

3.4 取樣作業(yè)方式

天然氣水合物取樣屬于深水淺層繩索取樣，取樣層位多為弱膠結(jié)地層，所以作業(yè)時(shí)要盡量減小對(duì)樣品的擾動(dòng)。對(duì)于海底淤泥質(zhì)土、黏土和松散—稍密的粉土與砂土，目前主要的取樣方式是靠液壓勻速壓入地層，這種方式對(duì)樣品擾動(dòng)最小，取樣質(zhì)量最好，可以獲取無干擾的沉積物樣品，但由于地層強(qiáng)度逐漸增大，使用范圍有限[11]。堅(jiān)硬的黏土、較致密的砂土和弱膠結(jié)土也是天然氣水合物賦存較多的地層，這些地層可以采用液力驅(qū)動(dòng)的井底沖擊器、高頻沖擊薄壁取樣管進(jìn)入地層的方式（見圖4），既能避免旋轉(zhuǎn)取樣對(duì)天然氣水合物樣品的擾動(dòng)，又能提供較大的推動(dòng)力破碎地層，而且可以用于繩索取心，因此，天然氣水合物取樣時(shí)使用的較多[12]。對(duì)于非常堅(jiān)硬的黏土、成巖地層，可以采用旋轉(zhuǎn)取樣的方式，旋轉(zhuǎn)取樣可以靠鉆桿帶動(dòng)取樣工具旋轉(zhuǎn)[13]，也可以不旋轉(zhuǎn)鉆桿，靠井下螺桿鉆具帶動(dòng)取樣工具旋轉(zhuǎn)，雖然旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)樣品有擾動(dòng)，但由于地層堅(jiān)硬，影響較小。

4 技術(shù)發(fā)展建議

2017年，海洋石油708深水工程勘察船在南海北部采用繩索提取、隔熱復(fù)合材料被動(dòng)保溫、相貫線式密封板閥保壓和液力驅(qū)動(dòng)井底沖擊器高頻沖擊取樣技術(shù)，成功取得了天然氣水合物樣品。筆者在分析天然氣水合物鉆探取樣技術(shù)研發(fā)中遇到的技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮現(xiàn)有技術(shù)，提出了今后的研究方向，為技術(shù)改進(jìn)和后續(xù)技術(shù)研究提供參考。

1）優(yōu)選適合制造天然氣水合物取樣工具的材料，進(jìn)一步改進(jìn)工具的結(jié)構(gòu)，增大繩索取心工具的取樣直徑，提高密封閥的初始密封性能，研發(fā)取樣工具與后處理設(shè)備快速對(duì)接的配套裝置，提高現(xiàn)有工具對(duì)地層的適應(yīng)性，簡化操作步驟，實(shí)現(xiàn)過程電動(dòng)化，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

圖 4 沖擊器式保壓取樣工具Fig.4 Impactor-type pressure holding sampling tool

2）研發(fā)新保溫保壓技術(shù)，如注入冷凍劑提高樣品的保溫效果，降低溫度對(duì)樣品的影響，冰凍底部樣品形成冰閥，實(shí)現(xiàn)密封保壓。

3）進(jìn)一步研發(fā)適用于天然氣水合物樣品檢測的各種聲、電和光學(xué)測量儀器，以測試水合物樣品的組成、密度、孔隙率、滲透率和熱傳導(dǎo)性等參數(shù)，建立現(xiàn)場樣品檢測綜合實(shí)驗(yàn)室。

5 結(jié)束語

天然氣水合物鉆探取樣技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，使我國在天然氣水合物這一海洋新能源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了自主勘探開發(fā)，形成的技術(shù)和裝備除了用于海底天然氣水合物資源勘探外，還可以用于海洋石油地質(zhì)勘探、海底固體礦產(chǎn)資源勘探、海洋環(huán)境及海洋生物科學(xué)研究等。今后，在完善現(xiàn)有天然氣水合物鉆探取樣技術(shù)裝備的基礎(chǔ)上，配套現(xiàn)場樣品檢測綜合實(shí)驗(yàn)室，將進(jìn)一步提高天然氣水合物鉆探取樣技術(shù)水平，增強(qiáng)我國海底天然氣水合物的勘探能力，滿足和支撐國家海洋高科技事業(yè)發(fā)展的需求。