海洋天然氣水合物保溫保壓取樣鉆具研制

李小洋，李 寬，張永勤，王志剛，施山山

中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所

0 引言

天然氣水合物是由水和天然氣在高壓、低溫條件下產(chǎn)生的一種固態(tài)物質(zhì)，有“可燃冰”、“固體瓦斯”之稱，被普遍認為將是21世紀最具潛力的接替煤炭和石油的新型潔凈能源之一，也是目前尚未開發(fā)的儲量巨大的一種新能源，在我國廣闊的管轄海域和專屬經(jīng)濟區(qū)內(nèi)有著巨大的資源前景［1-4］。

海洋天然氣水合物一般賦存于水深300～1 500 m、海底表層向下200～800 m的沉積物中，為了對海洋天然氣水合物資源進行準確評價，并掌握其儲存狀況，需要獲取大量的水合物巖樣［5-6］。由于海底地層水合物賦存于高壓低溫環(huán)境下，為獲得有關水合物真實特性的資料及數(shù)據(jù)，在進行水合物鉆探取樣時，需盡可能地保持水合物原始賦存狀態(tài)，避免水合物分解［7-8］。目前國外研究開發(fā)的水合物保壓取樣鉆具比較成熟，在國際深海鉆探計劃和大洋鉆探計劃中進行了實際應用，但是保壓取樣平均成功率在50%～70%左右［9-10］。我國開展天然氣水合物保壓取心鉆具及施工技術研究較晚，本世紀初，中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所在國內(nèi)率先開展了水合物保壓取樣技術的研發(fā)，鑒于條件的限制，保壓取樣鉆具樣機在室內(nèi)及陸地實鉆中進行了可行性試驗，取得了初步成果，為后續(xù)工作的開展提供了重要的技術參考［11-12］。之后，浙江大學研發(fā)了一種重力取樣式保壓取樣器具，適用于海底較淺的地層取樣［13］。北京探礦工程研究所研制的海洋保溫保壓取樣鉆具進行了相關海試，取得了一定的研究成果［14］。綜合國內(nèi)外相關保溫保壓取樣技術大多以板閥或球閥等機械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)保壓腔的下端保壓［15］，由于井底的環(huán)境比較復雜，造成保壓閥（板閥或球閥）無法關閉或關閉不嚴，致使保壓取樣器具的保壓成功率不是很高。為了解決這個難題，中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所水合物項目組結(jié)合前期的保壓取樣鉆具研究經(jīng)驗［16］，開展了一種新型板閥自閉式保溫保壓取樣鉆具的研制。通過設計、論證分析、海上試驗，研制出了結(jié)構(gòu)更加合理、可靠的保壓取樣鉆具，進一步提高了保壓閥關閉的可靠性，為海洋水合物鉆探取樣提供了一種有效可行的技術方法。

1 保壓取樣鉆具設計及關鍵技術

1.1 設計思路

國內(nèi)外進行海洋天然氣水合物調(diào)查評價過程中，直接對天然氣水合物地層進行取樣是確定其賦存環(huán)境及物化特性的一種高效快速技術手段。通過調(diào)研國內(nèi)外海域水合物保溫保壓取樣鉆具的技術資料，確定采用繩索打撈的方式進行保壓取樣鉆具的快速回收和投放，相比于起鉆取樣可節(jié)省大量的輔助時間。根據(jù)在海洋地質(zhì)調(diào)查鉆井施工中廣泛使用的鉆桿規(guī)格，按照外徑127 mm鉆桿（內(nèi)徑105 mm）來設計?105 mm規(guī)格的繩索打撈式保壓取樣鉆具及配套工藝。設計完成的?105 mm規(guī)格的海洋天然氣保壓取樣鉆具結(jié)構(gòu)見圖1，技術參數(shù)見表1。

圖1 天然氣水合物保溫保壓取心鉆具結(jié)構(gòu)圖

表1 研制的海洋保溫保壓取樣鉆具技術參數(shù)

1.2 保壓取樣鉆具結(jié)構(gòu)及工作原理

研制的HYB-1型保溫保壓取樣鉆具主要由打撈矛頭、彈卡、懸掛機構(gòu)、保壓筒、取樣管、板閥和超前鉆頭等組成。需要進行保壓取樣時，首先通過繩索絞車將取樣鉆具投放到井底。在鉆進取樣的過程中，通過彈卡和懸掛機構(gòu)實現(xiàn)鉆具軸向位置的鎖定。隨著鉆頭回轉(zhuǎn)和向下鉆進，形成的巖樣沿著卡簧座進入取樣管。當進尺長度達到取樣管最大長度時，使用繩索絞車下放打撈器，進行繩索取心。通過打撈器上拉打撈矛，帶動取樣管沿軸向向上運動，當取樣管下端越過板閥時，板閥在自重作用下翻轉(zhuǎn)關閉，實現(xiàn)取樣筒的保壓密封。繼續(xù)向上拉動時，彈卡解鎖，將整個取樣鉆具從井底打撈到井口?？紤]到天然氣水合物大多賦存在未成巖沉積地層，因此保壓取樣鉆具采用超前鉆頭的方式，防止外鉆頭水眼噴出的鉆井液沖蝕巖樣，并采用特制的爪簧來防止進入取樣管的巖心脫落（見圖2）。

圖2 研制的超前鉆頭和爪簧

基于鉆具的模塊化設計，在保壓取樣鉆具打撈到鉆探船上之后，快速擰卸鉆具，將保壓筒（見圖1）與其他部件分離。與此同時，操作人員可將事先調(diào)整好的另外一套保壓取樣鉆具下入井內(nèi)進行取樣作業(yè)，以便提高施工效率。然后操作人員對保壓筒進行壓力測試，通過測壓接頭來檢測保壓筒內(nèi)的壓力情況，進而分析獲取的水合物巖心是否有效。如果檢測壓力遠低于取樣處的靜水壓力，說明取樣失敗，需重新取樣；如果檢測壓力與取樣處的靜水壓力相近，則下一步需要和保壓轉(zhuǎn)移裝置進行對接，進行水合物巖心的分割、轉(zhuǎn)移和實驗室分析。

1.3 保壓閥密封技術

在水合物取樣過程中，為了避免水合物巖樣因為離開原來的賦存環(huán)境而分解，需要盡可能的維持取樣管內(nèi)的壓力與取樣處壓力相同。鑒于目前使用的保壓取樣鉆具在井下復雜工況下經(jīng)常出現(xiàn)保壓閥密封不嚴而導致取樣失敗，研究了板閥—脫鉤技術、壓力補償和刮泥技術來提高了保壓閥密封可靠性。

1.3.1 板閥—脫鉤技術

當上提取樣管最下端越過板閥最上端時，板閥在自重作用下翻轉(zhuǎn)關閉，繼續(xù)上提取樣管，當提到特定位置后觸發(fā)脫鉤機構(gòu)，取樣管與其他零部件分離，以自由落體運動沖擊到板閥上，使得取樣管給板閥上端面施加一定的沖擊力，將板閥上的密封面壓緊，確保板閥密封可靠（見圖3）。

圖3 板閥—脫鉤技術示意圖

1.3.2 壓力補償

壓力補償是一種主動保壓方式，是通過蓄能器來實現(xiàn)的。蓄能器是一種在液壓、氣動系統(tǒng)中應用比較廣泛的壓力補償裝置，通過體積的變化來儲存能量，當系統(tǒng)需要的時候可以將存儲的能量釋放出來用以補充損失的壓力，維持整個系統(tǒng)的壓力平衡。設計保壓取心鉆具采用活塞式蓄能器，在下井前將相應壓力的氮氣注入到蓄能器中，當取心鉆具下到井底后蓄能器將取樣處的壓力轉(zhuǎn)化成壓縮能儲存起來。當取樣過程中，保壓筒出現(xiàn)壓力滲漏時，蓄能器自動將存儲的能量釋放出來，用以補充保壓筒內(nèi)的壓力損失。

1.3.3 刮泥技術

取樣管外壁上設置密封圈，與板閥座中心孔內(nèi)壁組成了刮泥器。刮泥器的主要作用：在鉆井過程中能夠最大限度的阻止井底淤泥或沙粒上返到板閥處的空腔，減少沉積物在板閥處的堆積。同時在取樣過程中，取樣管被向上拉動，此時取樣管外壁上的密封圈將板閥座中心孔內(nèi)壁上的附著泥沙刮掉，減少板閥密封不嚴的可能性。

1.4 溫壓記錄儀

為了能夠及時收集保壓筒內(nèi)巖樣的溫度和壓力變化，研制了一種可以在水深2 500 m工作的溫壓記錄儀，它能夠在水下實時采集周圍環(huán)境的溫度和壓力，并存儲數(shù)據(jù)，通過可充電式鋰電池進行供電。為了近距離接觸巖心，將溫壓記錄儀安裝在取樣管的上端。在取樣作業(yè)時，溫壓記錄儀伴隨保壓取樣鉆具一起下到井底，可以實時采集取樣作業(yè)全工作時段的溫度和壓力數(shù)據(jù)。其中在鉆具投放和到達井底鉆進過程中，取樣鉆具是一個開放的空間，獲取的溫壓數(shù)據(jù)是周圍環(huán)境的表征，但在鉆具回收過程中，取樣鉆具是一個封閉的空間，獲取的溫壓數(shù)據(jù)反映了保壓筒內(nèi)溫度和壓力的變化情況。通過溫壓記錄儀采集數(shù)據(jù)，不僅能夠獲得天然氣水合物的原位賦存環(huán)境，確定水合物儲存的穩(wěn)定溫壓區(qū)域，同時還可以檢測取樣鉆具的保溫保壓效果，實時記錄水合物在離開原位環(huán)境后的物理變化狀態(tài)。

2 室內(nèi)溫壓測試

2.1 壓力及功能性測試

為了驗證保壓鉆具的保壓可靠性及保壓密封效果，設計了壓力測試試驗。首先將保壓取樣鉆具投放到外管中，然后使用打撈器拉動取樣鉆具的撈矛頭向上運動，模擬取樣鉆具各部件的運動情況，主要檢測取樣管運動、板閥翻轉(zhuǎn)及脫鉤等動作。在板閥關閉后，拆卸鉆具，保留保壓筒，接著通過測壓接頭向保壓筒內(nèi)加壓，觀察螺紋連接處及板閥密封處有無滲漏。按照目前海洋天然氣水合物的實際鉆井需求，將保壓筒加壓到30 MPa，保壓2 h后記錄壓力穩(wěn)定值為28 MPa，能夠滿足水合物的取樣要求。

2.2 保溫測試

在保壓筒內(nèi)壁噴涂了硅酸鹽隔熱保溫涂層，其導熱系數(shù)低至0.032 W/（m·K），具備良好的隔熱保溫效果。在測試過程中，保壓筒一端用絲堵封堵，另一端用板閥密封，將冰水混合物灌注到保壓筒中，通過溫壓記錄儀和絲堵處的電子溫度計每隔20 min測量保壓筒中的溫度，并與周圍的環(huán)境溫度進行比對，以此來檢驗保溫涂層的保溫效果，試驗對比數(shù)據(jù)見表2。在9∶30～11∶50時間段內(nèi)保壓筒內(nèi)溫度升高為1℃，說明保壓涂層的保溫效果良好，能夠有效隔絕外界環(huán)境與保壓筒內(nèi)部的熱傳導，避免了巖心中水合物因溫度升高過快而導致的局部分解。

表2 保壓筒保溫測試數(shù)據(jù)記錄表

3 海上取樣試驗

2020年1月12日～16日，在渤海某海域進行保溫保壓取樣鉆具的海上鉆井取樣試驗，水深210 m，泥線以下185～197 m進行了10個回次的取樣試驗，其中8個回次板閥成功關閉，實現(xiàn)了保壓取樣，總體巖心收獲率為72.14%。在鉆進過程中，直接使用海水進行循環(huán)，采用小泵量、減壓鉆進的方式來控制鉆進速度。針對8個回次的成功保壓取樣，現(xiàn)場進行了壓力檢測，測得保壓筒內(nèi)的最大壓力為4.0 MPa，最小壓力為3.6 MPa，與取樣處靜水壓力相比，壓力損失為12.4%，滿足了設計要求。

2個回次保壓失敗主要是由于板閥處密封不嚴導致泄壓的，分析原因為這2個回次鉆遇的地層從淤泥質(zhì)黏土逐漸變?yōu)榉凵百|(zhì)黏土，近鉆頭處鉆井液中懸浮的堅硬顆粒越來越多，進而在板閥附近出現(xiàn)了聚集，最終導致了板閥密封失效。

4 結(jié)論及建議

（1）通過研究保壓閥密封、井下溫壓記錄和保溫隔熱技術，形成了一套海洋天然氣水合物保溫保壓取樣鉆具及取樣技術，著重在提高保壓閥密封可靠性方面，提出了“板閥—脫鉤技術”，并通過海上鉆井試驗驗證了該技術措施的有效性和可靠性。

（2）室內(nèi)功能性測試和海上鉆井試驗表明，研制的保溫保壓取樣鉆具及工藝能夠有效滿足天然氣水合物取樣技術要求，保壓閥密封成功率在75%左右，總體巖心收獲率為72.14%。

（3）下一步在保壓閥的密封結(jié)構(gòu)方面進行改進，避免固體顆粒的粘附和聚集，使之適應多種地層的取樣要求。同時積極參與我國的海洋天然氣水合物勘查和試采工作，優(yōu)化完善保溫保壓取樣鉆具及配套工藝，為水合物的資源評價和未來的商業(yè)化開采提供技術支撐。