張永勤

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000）

國(guó)外天然氣水合物勘探現(xiàn)狀及我國(guó)水合物勘探進(jìn)展

張永勤

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000）

概述了國(guó)外天然氣水合物調(diào)查研究的進(jìn)展情況,介紹了我國(guó)在天然氣水合物調(diào)查研究的歷史、工作過程及目前取得的進(jìn)展。詳細(xì)地介紹了我國(guó)陸地永久凍土天然氣水合物鉆探取樣器具、工藝方法、應(yīng)用現(xiàn)狀及鉆探取樣施工取得的成果,提出了我國(guó)未來陸地凍土天然氣水合物勘探開發(fā)工作任務(wù)和建議。

天然氣水合物;永久凍土帶;鉆探取樣;開采利用

0 引言

天然氣水合物是由水與氣體分子(以甲烷為主）在低溫高壓及氣體濃度大于其溶解度條件下形成的貌似冰的結(jié)晶狀固體物質(zhì),點(diǎn)燃可燃燒,人們俗稱“可燃冰”,英文簡(jiǎn)稱GH(Gas Hydrate）或MH (Methane Hydrate）。人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)已有200多年的歷史,起初由于能源和環(huán)境沒有對(duì)人類生存和發(fā)展構(gòu)成一定的威脅,所以人們對(duì)它的存在并沒有給予足夠的重視和關(guān)注。隨著人類發(fā)展對(duì)能源需求的不斷增加以及對(duì)環(huán)境氣候的不利影響,科技界開始尋找新的可替代石油或天然氣的能源。通過科學(xué)家的多年探索研究發(fā)現(xiàn),天然氣水合物廣泛地存在于海底和陸地永久凍土帶,由于天然氣水合物的特殊生存環(huán)境、可產(chǎn)生自身體積164倍的甲烷氣體、而且單位能量的甲烷燃燒釋放出來的溫室氣體CO2僅為煤炭的1/2。依據(jù)科學(xué)家最新和較為保守的估算,全球海洋和陸地上已發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物礦藏所蘊(yùn)藏的甲烷氣體約為(1～5）×1015m3(1000～5000萬億m3）,超過了全世界天然氣的總儲(chǔ)量,因此,天然氣水合物被認(rèn)為極有可能成為未來最有遠(yuǎn)景的新型凈潔性接替能源,所以引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。

中國(guó)繼2007年于南海北部陸坡發(fā)現(xiàn)海底天然氣水合物之后,又于2008年11月在青藏高原祁連山脈木里地區(qū)永久凍土帶鉆獲了水合物實(shí)物樣品。這一發(fā)現(xiàn)突破了陸域天然氣水合物只生存于兩極地區(qū)的永久凍土帶(俄、加美等國(guó)的陸域水合物即屬于此）的認(rèn)識(shí),首次在中緯度地區(qū)的高海拔凍土帶找到了天然氣水合物,具有較大的戰(zhàn)略及科學(xué)研究意義,也為陸域天然氣水合物資源的勘查開發(fā)與環(huán)境研究開啟了新的篇章。

1 國(guó)外天然氣水合物勘探現(xiàn)狀

1965年,蘇聯(lián)在西伯利亞的的永久凍土中首次發(fā)現(xiàn)天然產(chǎn)出的天然氣水合物。1971年,美國(guó)在其東海岸大陸邊緣利用地震反射剖面發(fā)現(xiàn)了具有水合物標(biāo)志的BSR(擬海底反射層）。20世紀(jì)70年代以來,美國(guó)、日本、加拿大、俄羅斯、挪威、德國(guó)、印度、巴西等國(guó)相繼投入大量資金進(jìn)行天然氣水合物調(diào)查研究。1979年,國(guó)際深海鉆探計(jì)劃(DSDP）在大西洋和太平洋中直接發(fā)現(xiàn)了海底天然氣水合物。從此以后,揭開了人類全面進(jìn)行陸地及海洋天然氣水合物調(diào)查研究的序幕。從2001年開始,美國(guó)、加拿大、日本、中國(guó)、俄羅斯及印度等國(guó)都進(jìn)一步加大了對(duì)水合物資源的勘查調(diào)研究的投資力度,并開始了對(duì)水合物開發(fā)工藝的研究和開采試驗(yàn)。

為了獲得水合物鉆探取樣的施工經(jīng)驗(yàn)和驗(yàn)證加拿大Mackenzine凍土區(qū)天然氣水合物異常,1998年,加拿大地質(zhì)調(diào)查局負(fù)責(zé)組織,美國(guó)、日本參與鉆探施工的名為Mallik2L-38測(cè)試井,深度達(dá)1150 m,取出部分水合物巖心樣品證實(shí)了天然氣水合物的存在,實(shí)現(xiàn)了對(duì)陸域凍土天然氣水合物認(rèn)識(shí)上的飛躍。

此后,加拿大地質(zhì)調(diào)查局又聯(lián)合德國(guó)、印度和I CDP等國(guó)家和國(guó)際組織,于2002年在該地區(qū)再次進(jìn)行了Mallik5L-38井鉆探取樣和試開采施工項(xiàng)目,并成功開展了開采試驗(yàn)。2004年12月,在日本千葉舉行了該項(xiàng)目的階段性成果總結(jié)會(huì)。來自項(xiàng)目參與國(guó)家及非項(xiàng)目參與國(guó)的100多位科學(xué)家參加了成果總結(jié)和學(xué)術(shù)交流會(huì)議。為了未來能夠開發(fā)利用陸地凍土天然氣水合物,加拿大地調(diào)局于2007～2008年,又組織有關(guān)國(guó)家在Mallik進(jìn)行了代號(hào)Mal-lik 2007及Mallik 2008的開采試驗(yàn)研究。2007年共進(jìn)行了17 h的開采試驗(yàn),2008年又連續(xù)進(jìn)行了6天的開采試驗(yàn),都采用了降壓開采方法。開采試驗(yàn)的層段為1093～1105 m。在2008年的6天連續(xù)開采試驗(yàn)中,平均每天的采氣量為2000 m3。從2004～2008年,加拿大、美國(guó)及日本等國(guó)家一直在對(duì)Mallik凍土水合物進(jìn)行開采試驗(yàn)及環(huán)境等方面的研究,并曾相繼發(fā)布幾十份有關(guān)研究進(jìn)展報(bào)告。

20世紀(jì)90年代,美國(guó)對(duì)阿拉斯加北坡海岸帶永久凍土區(qū)進(jìn)行了天然氣水合物調(diào)查評(píng)價(jià),并實(shí)施了鉆探施工。2003年3月31日,Andarko石油公司、Maurer技術(shù)公司和美國(guó)能源部開始在阿拉斯加州鉆第一口專門進(jìn)行天然氣水合物調(diào)查研究井——“熱冰1”井,該井鉆探目的是驗(yàn)證北極天然氣水合物存在的地質(zhì)學(xué)、地球物理和地球化學(xué)模型。2008年10月,以美國(guó)能源部和地質(zhì)調(diào)查局為首的項(xiàng)目組對(duì)阿拉斯加北坡進(jìn)行了大規(guī)模的陸地永久凍土區(qū)天然氣水合物全面綜合的調(diào)查評(píng)價(jià)及開采試驗(yàn)研究。鉆探取樣施工進(jìn)行的資源評(píng)價(jià)結(jié)果表明,在阿拉斯加北坡陸地永久凍土區(qū),天然氣水合物可能存在的甲烷資源量達(dá)85.4萬億立方英尺(85.4Trillion Cu-bic Feet Gas）。在504 ft的水合物層段的巖心采取率為85%,采用的泥漿溫度為華氏30℉。美國(guó)在阿拉斯加北坡實(shí)施的永久凍土區(qū)天然氣水合物取樣鉆探施工主要借助低溫環(huán)境,采用普通繩索取心施工技術(shù),配合低溫泥漿護(hù)心技術(shù)措施。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局等有關(guān)機(jī)構(gòu)還發(fā)起墨西哥灣及阿拉斯加永久凍土天然氣水合物國(guó)際合作項(xiàng)目(Joint Industry Pro-ject）,該項(xiàng)目計(jì)劃從2001年到2011年聯(lián)合國(guó)內(nèi)外感興趣的企業(yè)及科研機(jī)構(gòu),對(duì)墨西哥灣海域水合物實(shí)施地質(zhì)調(diào)查及鉆探開發(fā)試驗(yàn)研究,同時(shí)還計(jì)劃聯(lián)合國(guó)內(nèi)外感興趣的企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)從2011年開始對(duì)阿拉斯加進(jìn)行陸地水合物調(diào)查評(píng)價(jià)及開采試驗(yàn)研究,目前正對(duì)感興趣的國(guó)家、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)發(fā)出邀請(qǐng)。

日本是進(jìn)行水合物調(diào)查研究最積極的國(guó)家,從1998年開始,在日本經(jīng)濟(jì)貿(mào)易省的領(lǐng)導(dǎo)下,每年投入60億日元,有20多個(gè)機(jī)構(gòu)200多位科學(xué)家參與天然氣水合物的調(diào)查研究,1999年日本利用美國(guó)Transocean Inc.公司管理的JO IDES Resolution深水鉆井船首次在其南海海槽(Nankai Trough）實(shí)施海洋天然氣水合物取樣鉆探施工,取得了一定的進(jìn)展。2004年1月18日～5月18日,日本在其南海槽再次租用美國(guó)Transocean Inc.公司的JO IDES Resolu-tion深水鉆井船,在水深2033～772 m進(jìn)行了世界上最大規(guī)模的海洋水合物取樣鉆探施工,完成了32口水合物鉆探取樣孔,對(duì)該海域水合物資源進(jìn)行了全面調(diào)查評(píng)價(jià),并進(jìn)行了開采試驗(yàn)研究。

2006年,印度租用美國(guó)JO IDES Resolution深水鉆井以及挪威Fugro公司的取樣鉆具完成了21口天然氣水合物取心鉆探井,并取出了天然氣水合物巖心樣品,在印度天然氣水合物勘探方面取得了突破性進(jìn)展。

迄今,ODP是世界上完成海洋天然氣水合物鉆探取樣調(diào)查評(píng)價(jià)次數(shù)最多國(guó)際機(jī)構(gòu),曾先后完成了Leg124、Leg139、Leg141、Leg146、Leg164、Leg196、Leg204及 IODP的Leg311等航次的天然氣水合物鉆探取樣的調(diào)查評(píng)價(jià)工作。另外,美國(guó)、挪威、歐盟等國(guó)家也在相關(guān)海域進(jìn)行了天然氣水合物鉆探取樣調(diào)查評(píng)價(jià)工作。目前韓國(guó)正在進(jìn)行海洋水合物調(diào)查取樣鉆探施工的準(zhǔn)備工作,預(yù)計(jì)2011年進(jìn)行鉆探取樣施工。

目前在天然氣水合物鉆探取樣技術(shù)方面,在海域,除了具有滿足深水鉆探施工的鉆井船外,在取樣及取樣工藝方面,要求取樣鉆具要盡可能地保持水合物的原始狀態(tài),因此,國(guó)內(nèi)外一些專業(yè)機(jī)構(gòu)在不斷研發(fā)鉆探取樣過程中可以保持水合物原始狀態(tài)的保溫保壓取樣鉆具(PTCS）。在水合物發(fā)現(xiàn)與識(shí)別方面,在海洋,人們通過海底擬反射層(BSR）初步判定海底是否有可能存在天然氣水合物,但在陸域永久凍土區(qū),人們還沒有一種找到一種較準(zhǔn)確的確定水合物是否存在或水合物異常的方法。

最新得到的有關(guān)信息表明,美國(guó)、加拿大及日本原計(jì)劃2015～2016年對(duì)其本土的天然氣水合物進(jìn)行商業(yè)開采,但目前由于資源量及開采技術(shù)還存在一些技術(shù)問題,所以商業(yè)開采的時(shí)間可能要向后推遲。美國(guó)和加拿大可能要推遲到2025年左右。

目前在天然氣水合物調(diào)查研究方面取得最終突破的技術(shù)環(huán)節(jié)之一是開發(fā)出能鉆獲并保持水合物樣品原始狀態(tài)的鉆具及施工技術(shù)。多年來國(guó)外許多機(jī)構(gòu)相繼開展天然氣水合物鉆探取樣鉆具的研究,除了日本與美國(guó)合作開發(fā)的保壓保溫取心系統(tǒng)(Pres-sure&Temperature Coring System—PTCS）鉆具外,目前在天然氣水合物保壓取心鉆具研究取得進(jìn)展的還有ODP的ODP-PCS及深海鉆探計(jì)劃的DSDPPCB保壓取心鉆具、美國(guó)Christensen公司的PCB保壓取心鉆具、美國(guó)PCBBl保壓取心鉆具、ESSOPCB保壓取心鉆具、挪威Fugro公司的FPC保壓取心鉆具、歐盟的HRC保壓取心鉆具等。目前上述保壓取心鉆具有的看到實(shí)際應(yīng)用情況的報(bào)道,有的沒有實(shí)際應(yīng)用情況的報(bào)道,但從實(shí)際應(yīng)用的效果看,都不十分理想。

經(jīng)過一些國(guó)家和國(guó)際機(jī)構(gòu)的不斷努力,迄今在地球上層先后發(fā)現(xiàn)了130多處天然氣水合物成礦點(diǎn),為人類不斷探索和開發(fā)利用新型接替能源提供新的希望。全球有可能存在天然氣水合物及已經(jīng)鉆取水合物樣品的分布圖如圖1所示。

圖1 全球可能有水合物存在及已經(jīng)鉆取水合物樣品的分布圖

2 中國(guó)天然氣水合物調(diào)查研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

中國(guó)在水合物的室內(nèi)研究及海上和陸地調(diào)查方面起步較晚,20世紀(jì)90年初才開始關(guān)注國(guó)外有關(guān)的報(bào)道和研究成果,并由中國(guó)科學(xué)院蘭州地質(zhì)所和中國(guó)石油大學(xué)等單位率先開始水合物實(shí)驗(yàn)室合成研究工作。1995年,在中國(guó)大洋協(xié)會(huì)、地質(zhì)礦產(chǎn)部和國(guó)家科委的支持下,中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所曾先后在南海、東海和太平洋國(guó)際海底開展了天然氣水合物的調(diào)查研究工作,并發(fā)現(xiàn)了一系列與天然氣水合物有關(guān)的地球化學(xué)和自生礦物異常標(biāo)志。在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的資助下,1999年10月,廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在我國(guó)南海海域開始了一系列有關(guān)天然氣水合物地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)調(diào)查,在神狐等有關(guān)海洋發(fā)現(xiàn)了重要的地球物理標(biāo)志——BSR及其他異常標(biāo)志,顯示出良好的尋找天然氣水合物的前景。2007年5月,中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局租用挪威Fu-gro公司的深水鉆井船及取樣工藝方法在我國(guó)南海北部神狐海域?qū)嵤┝酥袊?guó)首次海洋天然氣水合物鉆探取樣調(diào)查評(píng)價(jià)工作,使我國(guó)海洋天然氣水合物調(diào)查取得了突破性進(jìn)展。

2000年,在國(guó)土資源部的資助下,中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所在國(guó)內(nèi)第一個(gè)開始天然氣水合物保壓取心鉆具研發(fā),2001年,又在國(guó)家“十五”“863”項(xiàng)目的資助下,進(jìn)行了不同結(jié)構(gòu)海洋天然氣水合物保壓取樣鉆具及施工工藝的研究。曾先后開發(fā)出了提鉆保壓取心鉆具和繩索打撈不提鉆保壓取心鉆具,在電子致冷、蓄能器壓力補(bǔ)償及球閥關(guān)閉取樣管等結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有益的探索,并對(duì)所試制的鉆具樣機(jī)在室內(nèi)和陸地地?zé)峋M(jìn)行了可行性試驗(yàn)。在陸地700多米深的地?zé)峋M(jìn)行鉆探取樣試驗(yàn)證明,結(jié)構(gòu)原理及各機(jī)構(gòu)是可行的,為進(jìn)一步完善水合物保真取樣鉆具及我國(guó)未來鉆探取樣施工應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。因此,“十一五”“863”計(jì)劃繼續(xù)支持研發(fā)和完善天然氣水合物保真取樣鉆具。

3 中國(guó)陸地永久凍土帶天然氣水合物鉆探技術(shù)研究及進(jìn)展

3.1 中國(guó)凍土分布及形成天然氣水合物的條件

我國(guó)是世界上永久凍土分布面積第三大國(guó),約占世界永久凍土面積的10%,凍土總面積約210萬km2,主要分布在我國(guó)青藏高原、西部高原和東北大小興安嶺(參見圖2）。其中青藏高原永久凍土區(qū)面積占世界永久凍土面積的7%,大約占我國(guó)永久凍土區(qū)面積的60%～70%。青藏高原永久凍土屬于高海拔和較低緯度地區(qū),其分布特點(diǎn)是:緯度越高,永久凍土分布的最低海拔線越低;緯度越低,多年凍土分布的最低海拔線越高。青藏高原中部高原分布的最低海拔線達(dá)4500 m以上,向北分布的最低海拔線隨緯度的增高而降低,向南分布的最低海拔線隨緯度的降低而增高。雖然青藏高原的南緣緯度很低,但在終年積雪、海拔很高的山頂部也有永久凍土的存在。青藏高原永久凍土層的厚度隨海拔和緯度的不同而變化,高原中部永久凍土層最厚,向北隨海拔的降低而減薄,向南因緯度的降低而減薄。

圖2 中國(guó)凍土類型及其分布

青藏高原除上述地區(qū)之外,沿青藏鐵路永久凍土的分布:北至昆侖山,南至安多以南,永久凍土層呈大面積整體式分布。在南、北接近整體或多年凍土分布的邊緣地帶兼有島狀融區(qū),昆侖山以北,安多以南為多島狀永久凍土帶。在垂直分布上,青藏高原永久凍土層與季節(jié)凍土層大多是銜接的。青藏高原永久凍土總體分布有3個(gè)低溫中心,青藏鐵路穿過2個(gè)低溫中心,其溫度值低于-6℃。上述3個(gè)低溫中心的分布與凍土分布具有密切聯(lián)系。除了青藏高原外,我國(guó)東北地區(qū)的漠河盆地也具備形成天然氣水合物的溫壓條件。漠河地區(qū)的年平均氣溫最低,地溫梯度最低(1.6℃/100 m）,凍土最發(fā)育,有充足的氣源,是東北凍土區(qū)天然氣水合物成礦條件最好的地區(qū)。圖3為漠河盆地鉆取的冰層巖心樣品。

圖3 漠河盆地鉆取的冰層巖心樣品

根據(jù)收集和掌握的地質(zhì)資料,2004年中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所向中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局提出了“陸地永久凍土天然氣水合物鉆探技術(shù)研究”的地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目,2005年該項(xiàng)目得以批準(zhǔn)立項(xiàng)并正式實(shí)施,其項(xiàng)目編號(hào)為科[2005]018-02。

3.2 陸地永久凍土天然氣水合物鉆探技術(shù)研究

根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)書研究?jī)?nèi)容及目的要求,項(xiàng)目組針對(duì)所掌握的國(guó)內(nèi)外水合物鉆探技術(shù)、鉆具結(jié)構(gòu)及我國(guó)陸地永久凍土區(qū)的地質(zhì)地理環(huán)境、水合物的物化特性等開始了有關(guān)計(jì)算、鉆具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及鉆具和輔助器具的試制加工、鉆探施工方案的研究及制定等全面工作。

3.2.1 陸地永久凍土帶取樣鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試制

根據(jù)加拿大及美國(guó)等在陸地永久凍土帶實(shí)施天然氣水合物取樣鉆探施工資料及經(jīng)驗(yàn),結(jié)合我國(guó)祁連山脈地區(qū)的地質(zhì)地理情況,確定了以繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)方式為主體的鉆具基本結(jié)構(gòu)及其施工工藝。為了盡可能取出保持水合物原始狀態(tài)的水合物層段樣品,參考國(guó)外水合物保壓取心鉆具結(jié)構(gòu),以保壓為主,保溫為輔的總體思路?？紤]到鉆進(jìn)施工中地層復(fù)雜可能存在孔壁不穩(wěn)定等因素,鉆探施工中途有可能換徑,所以鉆具結(jié)構(gòu)尺寸初步考慮3個(gè)規(guī)格,即第一種規(guī)格的鉆桿可以作為第二規(guī)格的套管。根據(jù)鉆探施工的主要目的、目標(biāo)區(qū)的地層情況、保壓鉆具的復(fù)雜程度及可靠性等,為了能確保完成鉆探施工和取出所期望的水合物樣品,除了研制保壓鉆具外,還研制了3種特殊規(guī)格的繩索打撈快速取樣鉆具,以確保取樣鉆探施工的實(shí)施,以便對(duì)所發(fā)現(xiàn)的陸地凍土區(qū)的異常現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證。所研發(fā)的保壓鉆具及繩索打撈鉆具鉆頭外徑完全一致,即在同一鉆孔內(nèi)可以互換使用。

3.2.2 保壓鉆具結(jié)構(gòu)的思考與確定

根據(jù)加拿大Mallik及美國(guó)Alaska陸地永久凍土層天然氣水合物取心鉆探施工所采用的鉆具結(jié)構(gòu)形式及施工經(jīng)驗(yàn),水合物取心鉆具的結(jié)構(gòu)決定采用主動(dòng)保壓和被動(dòng)保溫方式,并采取繩索打撈不提鉆取心。從鉆具的結(jié)構(gòu)以及巖心進(jìn)入巖心容納管的方式看,經(jīng)過分析,最佳的保壓方式是利用球閥旋轉(zhuǎn)封閉巖心容納管的下端面,實(shí)踐證實(shí),只有球閥封閉方式占用的空間最小。從球閥的結(jié)構(gòu)原理看,要想關(guān)閉球閥,必須將球閥轉(zhuǎn)動(dòng)90°,要想使球閥的中空球體轉(zhuǎn)動(dòng)90°,必須給球體轉(zhuǎn)軸施加一定的轉(zhuǎn)矩。經(jīng)過分析,在多種給球體轉(zhuǎn)軸施加轉(zhuǎn)矩的方式中,齒輪齒條方式是比較簡(jiǎn)單可行的。隨著鉆進(jìn)的進(jìn)行,在巖心裝滿巖心容納管后,利用繩索打撈裝置提拉內(nèi)管總成的矛頭,首先使鉆具內(nèi)彈卡鉗收縮,以便將穿過球閥并到達(dá)鉆頭內(nèi)臺(tái)階的巖心卡簧座上行到球閥球體上端一定距離,隨著卡簧座的上行,齒條開始受到鉆具的軸向力,并帶動(dòng)齒輪開始轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)球閥球體轉(zhuǎn)動(dòng)90°后,齒條上與齒輪嚙合的齒剛好走完,隨著打撈裝置提升,齒條繼續(xù)上行,但齒輪并不轉(zhuǎn)動(dòng),所以球閥封住巖心容納管的下端。此時(shí)再繼續(xù)提升打撈裝置,鉆具的外彈卡鉗開始收縮,整個(gè)鉆具的內(nèi)管總成即被提出鉆桿外到達(dá)地表,即完成取心鉆進(jìn)和打撈過程。曾在室內(nèi)對(duì)兩種規(guī)格的保壓取心鉆具進(jìn)行了試驗(yàn),成功率達(dá)到了95%,保持壓力可以達(dá)到10 MPa。野外現(xiàn)場(chǎng)的保壓取心鉆具如圖4所示。

圖4 繩索打撈保壓取心鉆具內(nèi)管總成齒輪齒條關(guān)閉球閥機(jī)構(gòu)

3.2.3 保壓取心鉆具的尺寸確定及試制

在鉆具徑向結(jié)構(gòu)尺寸的確定方面,從既滿足科學(xué)研究要求又能結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用出發(fā),首先根據(jù)取心直徑、球閥關(guān)閉機(jī)構(gòu)最小允許尺寸、可能得到的地質(zhì)巖心鉆探常用管材直徑、地質(zhì)巖心鉆機(jī)的鉆進(jìn)能力等現(xiàn)實(shí)情況,從鉆具結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)的難易程度看,鉆具徑向尺寸越大,各功能的實(shí)現(xiàn)及可靠性就越容易實(shí)現(xiàn),目前國(guó)外水合物保壓取樣鉆具的徑向尺寸都在220 mm以上,根據(jù)目前我國(guó)地質(zhì)鉆探管材規(guī)格,從上一級(jí)鉆桿內(nèi)徑可以作為下級(jí)鉆桿套管的考慮,確定了“127、108 mm二種規(guī)格保壓保溫取心鉆具。從結(jié)構(gòu)分析和實(shí)際加工試制情況看,如果小規(guī)格保壓鉆具在各個(gè)功能和可靠性方面都較好實(shí)現(xiàn),那么大直徑保壓鉆具更容易實(shí)現(xiàn)。室內(nèi)試驗(yàn)證明,所選擇的上述兩種規(guī)格鉆具的功能和可靠性都能夠較理想實(shí)現(xiàn),為下一步海洋天然氣水合物取樣鉆具改進(jìn)和完善提供重要參考。根據(jù)對(duì)上述2種規(guī)格鉆具的室內(nèi)試驗(yàn),將保壓取樣鉆具徑向尺寸提高到168 mm,鉆具的各機(jī)構(gòu)和動(dòng)作及可靠性就可十分可靠地實(shí)現(xiàn)。目前正在試制168 mm規(guī)格鉆具。保壓取心鉆具的關(guān)鍵是球閥關(guān)閉的可靠性和密封性能,在相同取心直徑的情況下,徑向尺寸越大,球閥關(guān)閉機(jī)構(gòu)動(dòng)作就更容易實(shí)現(xiàn)。

3.3 陸地永久凍土帶天然氣水合物鉆進(jìn)工藝的研究與應(yīng)用

陸地永久凍土帶天然氣水合物取心鉆具及其鉆探施工工藝研究是國(guó)內(nèi)巖心鉆探全新的鉆具和技術(shù)方法,尤其是在海拔4200 m施工環(huán)境下,再加之施工地層極為復(fù)雜,軟硬互層、破碎不穩(wěn)定,所以施工難度較大。因此,鉆具及鉆探施工工藝要在保證鉆進(jìn)的同時(shí),還要盡可能保證取出真實(shí)的地質(zhì)樣品,特別是有水合物異常的地層,能夠保持完整或真實(shí)的巖心樣品。所以,取心鉆具及施工工藝的研究除了具有常規(guī)取心鉆探的特點(diǎn)外,還必須從鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆頭切削刃類型及唇面結(jié)構(gòu)、鉆壓、回轉(zhuǎn)速度、泥漿性能及循環(huán)量、泥漿溫度、取心方式、回次進(jìn)尺等進(jìn)行認(rèn)真的考慮。尤其是泥漿要具有耐低溫及護(hù)壁保心的性能。根據(jù)施工前對(duì)該地區(qū)地層資料的收集及以往凍土層取心鉆探施工遇到的困難,地層破碎、坍塌及遇水膨脹、泥質(zhì)頁(yè)巖及油頁(yè)巖地層進(jìn)尺極慢等是鉆探施工過程中最關(guān)鍵的工藝難題。要想取得較好的鉆探取樣效果,必須保證泥漿具有良好穩(wěn)定孔壁和冷卻巖心以及對(duì)鉆頭具有較好刻取性能起到積極的輔助作用。為了滿足陸地凍土天然氣水合物鉆探取樣技術(shù)研究及地質(zhì)調(diào)查取樣實(shí)際需要,在工藝研究及施工方案中采取了綜合鉆探取樣技術(shù),將保壓取樣鉆具及常規(guī)繩索快速取心技術(shù)方法結(jié)合起來,以滿足地質(zhì)鉆探取樣要求為主要目的。

2008年10月18日,經(jīng)過多年的研究和精心準(zhǔn)備,我國(guó)第一口陸地久凍土帶天然氣水合物科學(xué)鉆探施工井在海拔4200 m的青海木里地區(qū)正式開鉆,施工現(xiàn)場(chǎng)見圖5。鉆探施工過程中,曾先后采用了所研制的保壓鉆具及繩索取心鉆具。保壓鉆具在應(yīng)用過程中雖然能能夠取出巖心,但孔徑的限制使得鉆具的球閥密封結(jié)構(gòu)難度較大,再加上要求泥密度大、粘度高及含砂量較高,使的鉆具的密封可靠性受到一定影響。為了完成鉆探施工并能夠?qū)ふ姨烊粴馑衔?所以主要采用特制的大直徑繩索取心鉆具。

圖5 中國(guó)第一口陸地永久凍土帶水合物DK-1科學(xué)鉆探試驗(yàn)孔開鉆典禮

尤其是泥漿要具有耐低溫及護(hù)壁保心的性能。根據(jù)施工前對(duì)該地區(qū)地層資料的收集及以往煤田取心鉆探施工遇到的困難,地層破碎、坍塌及遇水膨脹、泥質(zhì)頁(yè)巖及油頁(yè)巖地層進(jìn)尺極慢等是鉆探施工過程中最關(guān)鍵的工藝難題。要想取得較好的鉆探效果,必須保證泥漿具有良好穩(wěn)定孔壁和冷卻巖心以及鉆頭具有較好刻取效果的性能,為此,專門配制了水合物低溫鹽水泥漿,初步泥漿性能如表1。

表1 不同低溫泥漿體系配方及性能控制

上述泥漿雖然在低溫狀態(tài)下具有良好的流動(dòng)性,但抑制泥頁(yè)巖及破碎地層不夠可靠。

在2008年的鉆探取樣施工過程中,曾在133.5～135.5 m、142.9～147.7 m、165.3～165.5 m三個(gè)層段發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物,并取出了人們所期望的水合物巖心樣品(如圖6所示）,為我國(guó)進(jìn)一步開展陸地永久凍土天然氣水合物調(diào)查評(píng)價(jià)提供非常有價(jià)值的信息。

圖6 鉆探施工取出的水合物樣品在現(xiàn)場(chǎng)試燃

為了進(jìn)一步證實(shí)該地區(qū)水合物的存在及獲得更多具有說服力的水合物樣品,決定2009年繼續(xù)實(shí)施取樣鉆探施工。針對(duì)2008年鉆探取樣施工中遇到的技術(shù)難題,項(xiàng)目組從鉆具結(jié)構(gòu)、泥漿性能、取心方法、鉆頭唇面形式、鉆孔結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了認(rèn)真準(zhǔn)備。首先,采用美國(guó)百瑞得公司(Baroid）的泥漿材料配合國(guó)產(chǎn)抗鹽高聚物配置低溫高性能泥漿。泥漿配方為:蘇打0.5～1.0 kg/m3;膨潤(rùn)土(QU IK-GEL）8～24 kg/m3;頁(yè)巖/粘土穩(wěn)定劑(EZMUD GOLD）0.75～1.0 kg/m3;KCl 180 kg/m3;抗絮凝劑三聚磷酸鈉0.25 kg/m3;抗鹽共聚物1.0%～3%。泥漿初期性能為:密度1.06～1.14 g/cm3;漏斗粘度23～26 s;凝固點(diǎn)-2℃;泥皮厚度1.5 mm;失水量6～7 mL。由于鉆進(jìn)過程中受地下水、巖粉等影響,泥漿的性能在不斷發(fā)生變化,所以要時(shí)刻觀測(cè)泥漿的性能以便及時(shí)調(diào)整。由于本次采用的泥漿具有良好的穩(wěn)定孔壁、抑制泥巖及油頁(yè)巖膨脹等性能,使得鉆孔較穩(wěn)定和破碎地層取心效果較好。在鉆頭結(jié)構(gòu)方面,由于泥巖及油頁(yè)巖地層塑性較大,孕鑲鉆頭鉆進(jìn)速度較慢,所以采用特制唇面的大水口及帶底噴水眼復(fù)合片金剛石鉆頭。在鉆具及取心方面,采用1.5 m短巖心管、半合管及PV透明三層襯管的技術(shù)措施,取得了能夠觀察到較原始結(jié)構(gòu)的巖心樣品。2009年6月16日,在孔深133 m取出了具有水合物異常的巖心樣品(圖7）。

圖7 DK-2孔取出的水合物樣品及試燃

3.4 陸地永久凍土天然氣水合物取樣施工及取得成果

本項(xiàng)目的重要成果是尋找到了陸地凍土天然氣水合物異常區(qū)域,開發(fā)了為凍土帶進(jìn)行水合物取樣鉆探施工的鉆具、工藝方法、取樣技術(shù)等,摸索總結(jié)了陸地永久凍土帶施工經(jīng)驗(yàn)。施工的實(shí)踐證明,陸地凍土天然氣水合物鉆探取樣施工采用繩索取心鉆探工藝、采用大直徑鉆具(巖心直徑91～95 mm）、低溫泥漿(0～2℃）、短回次進(jìn)尺(1～1.5 m）等技術(shù),完全可高效低成本地滿足鉆探取樣施工需求。利用本項(xiàng)目研究成果實(shí)施鉆探取樣施工,并發(fā)現(xiàn)獲取了天然氣水合物樣品,使我國(guó)凍土區(qū)天然氣水合物地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)及水合物取樣鉆探技術(shù)取得重大突破,為我國(guó)進(jìn)一步開展凍土區(qū)天然氣水合物調(diào)查研究及相關(guān)地學(xué)研究指引了方向并奠定了良好的基礎(chǔ),同時(shí)也充分證明了課題組前期的地質(zhì)資料收集與信息研究、野外踏勘及鉆探取樣工作是真實(shí)可靠的,鉆具的研究與設(shè)計(jì)制造、工藝方法的研究、施工方案研究及鉆探施工準(zhǔn)備工作是可行實(shí)用的,所以該項(xiàng)目的初期成果是非常明顯的。2009年在2008年的基礎(chǔ)上,實(shí)施了DK-2、DK-3及DK-4鉆孔施工,并取得了水合物樣品和發(fā)現(xiàn)水合物異常,經(jīng)過青島海洋地質(zhì)研究所水合物測(cè)試中心測(cè)試鑒定,證實(shí)了甲烷水合物的真實(shí)存在,該成果得到了黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人及部、局領(lǐng)導(dǎo)肯定和贊揚(yáng)。該成果的取得對(duì)我國(guó)實(shí)施陸地水合物調(diào)查研究、勘探開發(fā)試驗(yàn),特別是海洋天然氣水合物的勘探開發(fā)及新能源的勘探具有十分重要意義。2010年,曾先后在祁連山木里地區(qū)和東北漠河地區(qū)實(shí)施了陸地凍土天然氣水合物取樣鉆探取樣施工,目前在祁連山的2個(gè)取樣鉆探孔已經(jīng)完成,漠河盆地鉆探取樣施工正在進(jìn)行當(dāng)中。同時(shí)還在木里地區(qū)進(jìn)行了水合物開采試驗(yàn)研究,開采鉆探施工正在進(jìn)行當(dāng)中。目前我國(guó)陸地凍土帶天然氣水合物的調(diào)查研究及取樣鉆探技術(shù)研究已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,引起了國(guó)際同行的關(guān)注和好評(píng),并同美國(guó)、加拿大、俄羅斯等有關(guān)凍土水合物研究機(jī)構(gòu)建立了聯(lián)系,并達(dá)成相關(guān)合作意向。

4 中國(guó)未來天然氣水合物調(diào)查評(píng)價(jià)鉆探取樣技術(shù)研究的方向及建議

通過幾年對(duì)海洋及陸地永久凍土帶天然氣水合物保真取樣鉆具及鉆探取樣施工技術(shù)的研究,收集和掌握了國(guó)外在海洋及陸地永久凍土天然氣水合物取樣鉆探施工的信息,對(duì)水合物的真實(shí)物性有了全面了解,特別是水合物的“自保護(hù)效應(yīng)”。天然氣水合物的“自保護(hù)效應(yīng)”對(duì)進(jìn)行水合物鉆探取樣施工及工藝器具與方法確定具有重要的作用。由于天然氣水合物具有“自保護(hù)效應(yīng)”,所以在水合物的鉆探取樣施工不要把問題復(fù)雜化,不要把水合物的物化性能神秘化。實(shí)際上,由于水合物的“自保護(hù)效應(yīng)”,在鉆探取樣過程中,水合物實(shí)物樣品并不像鞭炮和其他易燃?xì)怏w一樣,在自然狀態(tài)下立刻分解釋放。如果把水合物的特性神秘化和復(fù)雜化,必將使水合物的調(diào)查評(píng)價(jià)取樣施工復(fù)雜化,制約了我國(guó)水合物調(diào)查評(píng)價(jià)和勘探開發(fā)的進(jìn)度。因?yàn)?保溫保壓取樣鉆具的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,制造難度大,可靠性較低,實(shí)際上,不用保壓取樣鉆具也可以滿足調(diào)查評(píng)價(jià)取樣要求,即采取綜合鉆探取樣方法,比如低溫泥漿和繩索打撈快速取樣鉆探法,采用低溫泥漿和雙壁鉆桿閉路反循環(huán)“實(shí)時(shí)”取樣采氣結(jié)合測(cè)井等綜合技術(shù)措施。美國(guó)、加拿大及我國(guó)祁連山陸地永久凍土層天然氣水合物鉆探取樣都沒有采用保壓取樣鉆具,而且都可以鉆獲滿足地質(zhì)取樣要求的水合物樣品。中國(guó)在天然氣水合物鉆探技術(shù)方面應(yīng)注重簡(jiǎn)單實(shí)用且能滿足地質(zhì)取樣要求的綜合鉆探取樣技術(shù)。為了探索新的取樣方法,吉林大學(xué)曾進(jìn)行了孔底冷凍取樣技術(shù)的研究,目前取得了一定進(jìn)展。為未來開采利用做好技術(shù)儲(chǔ)備,中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所等正在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)開采試驗(yàn)研究,已試制出降壓和電及太陽(yáng)能加熱地下增溫的綜合開采設(shè)備和技術(shù)方法,即將在祁連山陸地凍土水合物發(fā)現(xiàn)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。

盡管目前我國(guó)陸地凍土天然氣水合物取樣鉆探技術(shù)取得一定進(jìn)展,但在專用設(shè)備及施工效率和成本方面還不盡理想,特別是陸地及海洋天然氣水合物取樣鉆探施工專用設(shè)備方面目前還是空白,在海洋天然氣水合物鉆探技術(shù)及施工設(shè)備方面,我們?cè)谌鱼@具研究方面取得一定進(jìn)展,但海洋鉆探設(shè)備方面和國(guó)外相差較遠(yuǎn),目前我國(guó)還沒有超過千米深水鉆井作業(yè)船,無法滿足深水天然氣水合物鉆探取樣施工要求。在地質(zhì)探測(cè)方面,我國(guó)在海洋水合物調(diào)查評(píng)價(jià)方面取得一定進(jìn)展,像地球物理、地球化學(xué)等方面都取得一定科研成果,但在陸地凍土天然氣水合物調(diào)查評(píng)價(jià)方面,我國(guó)還沒有找到一種較有效的技術(shù)方法發(fā)現(xiàn)凍土區(qū)水合物異常和標(biāo)志。目前的鉆探施工區(qū)域及鉆孔位置的確定,并不是由于地質(zhì)探測(cè)技術(shù)確定的,完全根據(jù)以往其他礦種鉆探施工提供的異常和地質(zhì)資料,推斷某些凍土帶可能存在水合物異常,從而較盲目地采用鉆探取樣方法加以驗(yàn)證。因此,為了推進(jìn)我國(guó)海洋及陸地天然氣水合物調(diào)查評(píng)價(jià)的進(jìn)程,我國(guó)除了完善和優(yōu)化現(xiàn)有取樣鉆具和施工技術(shù)外,要加速天然氣水合物鉆探施工設(shè)備的開發(fā)研究,首先要加速陸地永久凍土帶天然氣水合物地質(zhì)探測(cè)和識(shí)別技術(shù)的研究,為布置鉆探取樣施工驗(yàn)證提供更準(zhǔn)確信息,要加速水合物鉆探測(cè)井技術(shù)的研究,目前我國(guó)還沒有專門水合物測(cè)井技術(shù)手段。要開展水合物分布特征及異常標(biāo)志研究、資源量計(jì)算方法的研究。為了未來開發(fā)利用,要加強(qiáng)水合物開采方法及環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)技術(shù)的研究。

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Exploration Current Status of the Gas Hydrate Abroad and the Progress of the Gas Hydrate in China

ZHANG Yong-qin(The Institute of Exploration Techniques,CAGS,Langfang Hebei 065000,China）

This paper outlines the progress of the gas hydrate survey research abroad,and introduces the history,working process and some progress of the gas hydrate survey in China.And some drilling and sampling tools,drilling technologies, application status and drilling achievement for the gas hydrate in the permafrost are introduced in details and the task of the exploration and development and some opinionsof the gas hydrate in the permafrost in the future are presented in the paper. Key words:gas hydrate;the permafrost land;drilling sampling;mining and using

TD87;P634

:A

:1672-7428(2010）10-0001-08

2010-09-10

張永勤(1960-）,男(漢族）,山東人,中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所新技術(shù)一室主任、教授級(jí)高級(jí)工程師,中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院第一批科技創(chuàng)新基地成員、國(guó)土資源部專家?guī)斐蓡T、全國(guó)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員、科技部咨詢專家,從事探礦工程技術(shù)研究工作,河北省廊坊市金光道77號(hào),zyqiet@cniet.com。