許俊良，任 紅

(勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東 東營257017)

美國休斯頓大學(xué)石油化學(xué)及能源教授米切爾·伊科諾米季斯撰文指出，未來石油不是來自美國大陸，也不是來自歐洲，更不是來自北極的野生生物保護區(qū)，而是深海和超深海。正是因為如此，世界各國為了獲得深海中的能源投入了大量的人力物力開展深?？碧脚c開發(fā)技術(shù)的研究工作。自20世紀60年代開始，俄、美、德、英、加等許多發(fā)達國家甚至一些發(fā)展中國家也對其極為重視，開展了大量的研究。自1984年始，我國科技人員對國外有關(guān)水合物調(diào)查狀況及其巨大的資源潛力進行了系統(tǒng)的資料匯集，對80年代早、中期在南海北部陸坡區(qū)完成的2萬多千米地震資料進行復(fù)查，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于1999年10月首次在我國海域南海北部西沙海槽區(qū)開展海洋天然氣水合物前期試驗性調(diào)查。2000年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“探寶號”和“海洋四號”調(diào)查船在西沙海槽繼續(xù)開展天然氣水合物的調(diào)查。2007年在我國南海北部租用輝固國際集團公司鉆探船成功鉆獲天然氣水合物實物樣品。

1 國際大洋鉆探取樣技術(shù)現(xiàn)狀［1～10］

鉆探取樣器是利用鉆探船進行海底深部取樣，利用特別手段取得接近地層原始狀態(tài)的樣品，也是識別水合物及其他礦元素的最直接的方法。目前利用該技術(shù)已經(jīng)在世界許多地方獲得了水合物的樣品，例如:布萊克海嶺、中美洲海溝、秘魯大陸邊緣、里海等地。但是，要獲得保持原位壓力和溫度的高保真巖心樣品，必須研究和采用高保真取樣器、原狀水合物巖心室內(nèi)實驗分析裝置，后者國內(nèi)還未有實質(zhì)性的進展，只能通過對巖心分離氣、液和巖心巖石骨架進行實驗分析研究。目前高保真取樣器，國外主要有國際深海鉆探計劃(DSDP)采用的保壓取樣筒PCB(Pressure Core Barrel)、國際大洋鉆探計劃(ODP)采用的保壓取樣器PCS(Pressure Core Sampler)、活塞取樣器APC(Advanced Piston Corer)。國內(nèi)針對天然氣水合物的專用取樣器還正在研制和完善中。

1.1 保壓取樣筒DSDP－PCB

DSDP－PCB是深海鉆探計劃使用的保壓取樣筒(圖1)，是由一套繩索高壓取心筒組成。在其底部裝有球閥，球閥有直徑為58 mm的孔，在其上部有取樣機構(gòu)、排氣孔和減壓閥。取樣筒沿著鉆具下放并與鉆頭鎖緊，卡斷巖心后，下放繩索打撈工具并鎖緊，向上提升繩索，產(chǎn)生的拉力激活一系列機制，首先使球閥和排氣孔關(guān)閉，最后打開釋放機構(gòu)，使取心筒脫離鉆具。在取心筒被提升過程中，泄壓閥通過排出蓄壓器中的氮氣保持內(nèi)部壓力不大于34.4 MPa，或者通過其它機構(gòu)排出過高的壓力，而且浮動活塞蓄壓器被預(yù)先充27.5 MPa氮氣，一旦筒內(nèi)壓力超過27.5 MPa，將使活塞壓縮氮氣。當巖心筒內(nèi)的壓力超過34.4 MPa，泄壓閥打開使氮氣排出，這樣，使天然氣保持在巖樣中，且使泄壓閥不會被沉積物堵塞，當PCB到達甲板上時，可監(jiān)測巖心的壓力和溫度，在有效控制的條件下排除高壓天然氣和流體。

圖1 DSDP－PCB的基體結(jié)構(gòu)

1.2 保壓取樣器ODP－PCS

ODP－PCS是在DSDP－PCB基礎(chǔ)上研制的用于ODP的保壓取樣器(圖2)，PCS是一種自由下落式展開、液壓驅(qū)動、鋼絲繩提取的取心工具。它既采用了傳統(tǒng)的油田壓力取心技術(shù)，又采用了DSDP計劃所發(fā)展起來的取心技術(shù)。PCS靠自由落體展開，坐落鎖緊在底部鉆具組合里并一起回轉(zhuǎn)。理論上在70 MPa的高壓下 PCS可取到長860 mm、直徑42 mm的巖樣，PCS在Leg146等航次取得了接近原位壓力的巖心、氣體和水樣品。

圖2 ODP－PCS的基本結(jié)構(gòu)

1.3 保壓取樣筒ESSO－PCB

ESSO－PCB主要用于含油氣層取樣，在內(nèi)管和外管間夾有第三層的傳統(tǒng)取心管，可以補償向上移動期間溫度和外部壓力的變化引起的筒內(nèi)的壓力變化，從而使得巖心可以在儲層壓力條件下，或更確切的說是在孔底的靜止泥漿壓力下取出?？扇r心直徑42.9 mm，巖心的長度165.1 mm。

上述工具在深海鉆探計劃中使用過，并取得了較好的成績。大洋深海鉆探計劃針對水合物取樣的較多，但真正取到水合物樣品的航次很少。根據(jù)目前的資料統(tǒng)計，其中Leg164和Leg204航次獲取到了水合物樣品。在Leg164航次中，有16個孔進行了鉆探取心，共取樣262次，取心進尺2080.2 m，巖心長1503.15 m，平均巖心收獲率72.26%，其中使用保壓取心工具在8個孔內(nèi)進行了取樣，共取樣39次，取心進尺39 m，巖心長12.37 m，平均巖心收獲率31.72%，其中有一個孔內(nèi)取到水合物樣品(見圖3)。在Leg204航次中的36個孔內(nèi)進行了取樣，共取樣467次，取心進尺3674.5 m，巖心長3068.29 m，平均巖心收獲率83.5%。使用的工具與取樣數(shù)據(jù)見表1。其中有一個孔內(nèi)取到水合物樣品(見圖4)。

圖3 在Leg164航次中取到的水合物巖樣

表1 Leg204航次使用的取樣工具與取樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計

1.4 FPC(Fugro Pressure Corer)壓力取心工具

1.4.1 結(jié)構(gòu)原理

圖4 在Leg204航次中取到的水合物巖樣

FPC壓力取心工具是根據(jù)氣液高壓設(shè)備項目由歐洲聯(lián)盟投資發(fā)展起來的(圖5)，是一種推力和錘擊式取心系統(tǒng)，在具有壓力和溫度環(huán)境下實現(xiàn)密封。設(shè)計的FPC壓力取樣器可以在海底的深度水合物層取心，用鉆井船或者半潛式鉆井平臺在2500 m范圍內(nèi)施工，在非常軟到硬的頁巖或松散到非常致密的土層、水泥質(zhì)的砂層或泥巖2種地層中可以獲得高質(zhì)量的水合物巖樣。

圖5 FPC的基本結(jié)構(gòu)

FPC壓力取心工具穿透地層象液體驅(qū)動推力取樣器一樣，在穿透期間當土壤阻力達到一個門限值時停止工作，一旦超過了這一個門限值(2.75 MPa泥漿壓力)，壓力驅(qū)動沖擊錘工作，進而驅(qū)動取心系統(tǒng)繼續(xù)工作?？梢栽?5 MPa的壓力和溫度環(huán)境內(nèi)實現(xiàn)密封巖心，可獲得直徑58 mm、長度1 m的保壓巖心。自2002年該工具成功應(yīng)用在各種預(yù)探井，回收多次帶壓巖心，實際回收成功率80%。

1.4.2 作業(yè)過程

當井眼深度到達取樣深度后分3個步驟進行，第一步用繩索把工具送入鉆桿內(nèi)并坐到密封臺肩上，以便切削鉆頭的底部通過主要鉆頭的孔伸出;第二步開泵，把鉆井液泵入工具，首先推動取心筒進入土壤地層直到土壤的阻力超過了2.75 MPa的泥漿壓力，然后泥漿壓力驅(qū)動沖擊錘工作，處在前面的取心筒的行程達到1 m，巖心通過切削鉆頭進入塑料襯筒內(nèi);第三步利用繩索將FPC工具回收到地面，同時拉動巖心進入高壓筒部分，特殊的聚能瓣閥自動關(guān)閉，密封和保護巖心在壓力的環(huán)境中。當工具到達甲板后立即將高壓部分從工具中分離，巖心冷卻在冰池槽內(nèi)維持水合物的穩(wěn)定，以防任何額外的損失，最后將高壓部分放進現(xiàn)場的處理實驗室。

FPC壓力取心工具的高壓部分的巖心管，在現(xiàn)場冷卻實驗室內(nèi)進行處理，將高壓部分連接到轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，在不損失壓力的情況下取回巖心。然后可以借用X射線、P波速度和伽瑪射線進行測試，在壓力環(huán)境下觀察深部的巖心分析，然后可以脫氣或者使用切割轉(zhuǎn)移箱切割，為進一步實驗可將巖心保存在高壓儲存箱內(nèi)。

1.4.3 主要參數(shù)

長度:10 m;

直徑:100 mm;

質(zhì)量:450 kg;

巖心長度:1 m;

巖心直徑:58 mm;

高壓腔最大壓力:25 MPa。

1.4.4 主要特點

(1)使用繩索通過鉆桿釋放;

(2)使巖心襯管/筒進入土壤地層的力是由內(nèi)置的沖擊錘靠鉆井液(海水)提供的;

(3)高壓部分保住巖心是在高壓環(huán)境下進行的。

1.4.5 常規(guī)鉆機設(shè)備要求

(1)回收FPC工具需要使用帶有1000～3000 kg能力的打牢繩;

(2)能與井底鉆具標準API螺紋的轉(zhuǎn)換接頭;

(3)在操作期間，工具的作用力在鉆桿上產(chǎn)生一個向上的力，為了獲得較好的巖心質(zhì)量，推薦使用一個象鉆桿夾持器一樣的底盤安裝在海底構(gòu)架上;

(4)在甲板上要有3 m×12 m的空間用來組裝、維修和服務(wù)FPC工具，另外，工具帶有自密封的7 m工作間集裝箱;

(5)泵的能力為160～250 L/min，泥漿壓力為20～50 Pa;

(6)泥漿類型，象聚合物、坂土或類似的泥漿確保鉆井過程中的裸眼潤滑。

1.5 FRPC(Fugro Rotary Pressure Corer)旋轉(zhuǎn)壓力取心器

1.5.1 結(jié)構(gòu)原理

Fugro旋轉(zhuǎn)壓力取心器是一個很早就有的HRC(Hyace Rotary Corer)旋轉(zhuǎn)取心器，是德國的克勞斯技術(shù)大學(xué)設(shè)計的，屬于HYACE(水合物高壓取心設(shè)備)項目，有歐洲聯(lián)盟投資。設(shè)計的FRPC壓力取樣器可以在海底深度的水合物承載的地層取心，用鉆井船或者半潛式鉆井平臺在2500 m范圍內(nèi)施工。最初是為沉積物和硬巖地層設(shè)計的，經(jīng)過修改，現(xiàn)在工具可以用來鉆軟、未固結(jié)和頁巖地層，增加的應(yīng)用范圍適應(yīng)各種沉積巖。

FRPC壓力取心器使用了一個內(nèi)置的水驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)馬達，通過鉆桿循環(huán)鉆井液提供能量，結(jié)合高壓系統(tǒng)，在壓力、溫度環(huán)境下對巖心進行密封，壓力高達25 MPa，能獲得直徑50 mm、長度1 m的帶壓巖心。自2002年該系統(tǒng)成功用于5種不同的預(yù)探井，回收多次全直徑和全壓的巖心，實際回收成功率90%，該系統(tǒng)一直在持續(xù)改進，成功率也在不斷提高。FRPC的切削鞋使用了窄縫、用PDC切削元件的螺旋鉆孔方式設(shè)計，減少巖心的沖刷和污染。

1.5.2 作業(yè)過程

當井眼深度到達取樣深度后分3個步驟進行:第一步用繩索把工具送入鉆桿內(nèi)并坐到密封臺肩上，以便切削鉆頭的低部通過主要鉆頭的孔伸出;第二步泵入鉆井液通過工具使內(nèi)置的水驅(qū)動旋轉(zhuǎn)馬達開始取心作業(yè)，巖心通過切削鉆頭的領(lǐng)眼部分和特殊設(shè)計的巖心抓進入塑料襯筒;第三步利用繩索將FPC工具回收到地面，同時拉動巖心進入高壓筒部分，特殊的聚能瓣閥自動關(guān)閉。為溫度穩(wěn)定，要求工具在30 min內(nèi)升到泥線位置。工具到達甲板后立即將高壓部分從工具中分離，巖心冷卻在冰池槽內(nèi)幫助維持水合物的穩(wěn)定，防止任何額外的損失。最后將高壓部分放進現(xiàn)場的處理實驗室。

1.5.3 主要參數(shù)

長度:10 m;

直徑:100 mm;

質(zhì)量:450 kg;

巖心長度:1 m;

巖心直徑:50 mm;

高壓腔最大壓力:25 MPa。

1.5.4 主要特點

(1)使用繩索通過鉆桿釋放;

(2)切削鉆頭/螺旋旋轉(zhuǎn)使用一個內(nèi)置馬達，由鉆井液提供能量;

(3)高壓部分保住巖心是在壓力環(huán)境下進行的;(4)利用鉆井液清洗切削齒;

(5)切削鉆頭的前面為窄縫領(lǐng)眼設(shè)計，避免巖心進入內(nèi)筒之前被污染;

(6)塑料襯管在取心期間不能旋轉(zhuǎn)。

1.5.5 對設(shè)備的要求

(1)井下(旋轉(zhuǎn))取心工具;

(2)用于連接切削鞋和巖心抓的各種取心短節(jié);

(3)保持壓力達到25 MPa的高壓能力;

(4)內(nèi)襯筒;

(5)與FRPC連接到卸掉的井底鉆具組合。

1.6 FHPC(Fugro Hydraulic Piston Corer)液壓活塞取心器

FHPC是一種利用繩索回收的液力活塞式取心器，所以取樣操作是連續(xù)的、不停頓的、高效率的，能提供幾乎完整的從平臺以下(200～300 m)深層段的海底沉積巖樣。使用數(shù)年證明該工具是牢固的、靈活的，維修少，比其它所知道的任何取樣工具獲得的海洋沉積物巖樣受干擾都少。用一層清潔的塑料襯管(外徑71 mm，內(nèi)徑66 mm)，設(shè)計的FHPC工具可以在短型式(4.6 m)、長型式(9.1 m)和中等多用途的型式(7.6 m)下使用，通過Fugro的井底鉆具組合進行變換，允許它的用途象其他取心系統(tǒng)一樣多樣性，比如象Fugro先進的保壓取樣器，F(xiàn)ugro的壓力取樣器(FPC)和Fugro的旋轉(zhuǎn)壓力取樣器(FRPC)。

設(shè)計的FHPC標準的切削鞋提供最優(yōu)的樣品質(zhì)量，內(nèi)徑與壁厚的比率對土工技術(shù)的取樣工具來說是比較好的。

FHPC系統(tǒng)一直作為非保壓取心工具在世界范圍內(nèi)幾個水合物項目中使用:通過硫酸鹽甲烷界面取心;回收正在分解或分解后的水合物;回收固體狀態(tài)的水合物;氣體孔隙和膨脹裂紋的可視定位。

鉆孔到取心深度后施工程序為:

(1)利用提撈繩將FHPC系統(tǒng)下放，坐到井底鉆具組合上，切削鞋正好在鉆頭位置;

(2)加壓鉆桿到啟動點(根據(jù)剪銷的數(shù)量/類型，90～195 Pa);

(3)啟動后的FHPC系統(tǒng)通過鉆頭在控制行程速度的范圍內(nèi)進入土層;

(4)泥漿壓力突然降低說明行程已結(jié)束。

2 國內(nèi)天然氣水合物取樣技術(shù)研究

我國在天然氣水合物取樣鉆探技術(shù)的研究方面起步較晚，2000年8月，國土資源部率先啟動了“天然氣水合物保壓取心鉆具研究”。2001年，國家又將“天然氣水合物保真取樣鉆具的研制”列為“863”計劃，經(jīng)過幾年的探索和研究開發(fā)，在保真取樣鉆具及鉆探施工方案等方面取得了一定的進展和成果［11］，但沒有進行海試。2006年國家“863”把“天然氣水合物勘探與開發(fā)”列為“十一五”的重大專項，“天然氣水合物鉆探取心關(guān)鍵技術(shù)”作為項目課題進行研究，經(jīng)過科研人員的攻關(guān)，解決了取樣的部分關(guān)鍵技術(shù)，并根據(jù)國內(nèi)外的資料調(diào)研和國內(nèi)的實際情況，課題組設(shè)計了3種不同方式的取樣工具，在淺海區(qū)域進行了功能性試驗并取樣(圖6，圖7)，工具性能基本達到設(shè)計要求。

圖6 出心時照片

圖7 巖心照片

2.1 WEPC(Wireline Extend Pressure Corer)繩索伸出式保壓取樣器

當進行取樣鉆探作業(yè)時，取樣管伸出鉆頭下邊，邊轉(zhuǎn)動邊加壓，有利于提高取樣收獲率。當取樣結(jié)束，從井口下入繩索打撈系統(tǒng)與打撈機構(gòu)對接，鎖定機構(gòu)自動解鎖，活塞及保樣管上行，拉桿與保溫保壓筒脫開，保樣管隨同活塞上行，當活塞到達保溫保壓筒上端時，保樣管進入保溫保壓筒內(nèi)，安裝在保溫保壓筒內(nèi)的控制系統(tǒng)工作，啟動球閥關(guān)閉，使保樣管處于密封腔室內(nèi)，起到保溫保壓的作用。利用繩索回收保溫保壓筒縮短巖樣從井底到地面的時間，有利于巖樣保壓保溫，使用該工具施工時，必須在鉆探船上進行實施。

WEPC保壓取樣器的主要參數(shù):

長度:7 m;

直徑:130 mm;

質(zhì)量:550 kg;

巖心長度:3 m;

巖心直徑:32 mm;

高壓腔最大壓力:20 MPa;

鉆頭外徑:215 mm。

2.2 WRPC(Wireline Rotary Pressure Corer)繩索旋轉(zhuǎn)式保壓取樣器

針對沉積物以下的硬巖層取樣，課題組設(shè)計了該方案。當進行取樣作業(yè)時，從井口將取樣裝置投入(或鋼絲繩送入)專用鉆桿內(nèi)，取樣裝置坐在外套上，通過地面泵送的液體和轉(zhuǎn)動鉆具使取樣鉆頭鉆進取樣。當取樣結(jié)束，從井口下入繩索打撈系統(tǒng)與打撈機構(gòu)對接，鎖定機構(gòu)自動解鎖，活塞及保樣管上行，拉桿與保溫保壓筒脫開，保樣管隨同活塞上行，當活塞到達保溫保壓筒上端時，保樣管進入保溫保壓筒內(nèi)，啟動板閥關(guān)閉，使保樣管處于密封腔室內(nèi)，起到保溫保壓的作用。采用繩索轉(zhuǎn)動式水合物鉆探取樣設(shè)備可以實現(xiàn)在硬巖層中的連續(xù)取樣，不受巖層深淺的限制。取樣結(jié)束利用繩索上提取樣裝置，速度快，有利于縮短巖樣從井底到地面的時間和巖樣的保溫保壓。該取樣裝置不僅具有壓力補償機構(gòu)，而且在保壓保溫筒下邊設(shè)置了溫度壓力記錄儀，真實地反應(yīng)出巖樣在海底的溫度壓力狀況。由于在該裝置的保溫保壓筒的頂部設(shè)有懸掛軸承結(jié)構(gòu)，在鉆具帶動取樣鉆頭旋轉(zhuǎn)時，保溫保壓筒及保樣筒相對不轉(zhuǎn)，有利于巖樣收獲率的提高。

WRPC保壓取樣器的主要參數(shù):

長度:5.5 m;

直徑:130 mm;

質(zhì)量:550 kg;

巖心長度:3 m;

巖心直徑:48 mm;

高壓腔最大壓力:20 MPa;

鉆頭外徑:215 mm。

2.3 DRPC(Drill-stem Rotary Pressure Corer)鉆柱式旋轉(zhuǎn)保壓取樣器

當進行取樣作業(yè)時，從井口將取心裝置與鉆具連接好，利用常規(guī)鉆桿將取心裝置下到井底取心層位，開泵循環(huán)鉆井液進行取心作業(yè)。當取樣結(jié)束，從井口投入一鋼球坐到擋球塞處，開泵憋壓剪斷固定擋球塞的銷釘，使擋球塞下落，球掛機構(gòu)釋放拉桿和保溫保壓筒，上提鉆具，差動裝置差動，外套下落，保樣筒及割心機構(gòu)一起上行，保溫保壓筒隨著外套不動，當活塞到達保溫保壓筒頂部，保樣筒及割心機構(gòu)已經(jīng)進入到球閥上邊，設(shè)置在保溫保壓筒內(nèi)的控制系統(tǒng)發(fā)出指令，球閥關(guān)閉，使保樣筒處于密封腔室內(nèi)，起到保溫保壓的作用。采用鉆柱式水合物鉆探取心裝置可以實現(xiàn)在硬巖層中的連續(xù)取樣，不受巖層深淺的限制。取心結(jié)束利用鉆具上提提出取心裝置，在上提過程中，當保樣筒內(nèi)的壓力降低時，壓力補償裝置進行補償壓力，使巖心處于接近地層的壓力，對巖心進行保溫保壓。該取心裝置不僅具有壓力補償機構(gòu)，而且在保壓保溫筒下邊設(shè)置了溫度壓力記錄儀，真實地反應(yīng)出巖心在海底的溫度壓力狀況。由于在該裝置的保溫保壓筒的頂部設(shè)有懸掛軸承結(jié)構(gòu)，在鉆具帶動取樣鉆頭旋轉(zhuǎn)時，保溫保壓筒及保樣筒相對不轉(zhuǎn)，有利于巖樣收獲率的提高。

DRPC保壓取樣器的主要參數(shù):

長度:6 m;

直徑:130 mm;

質(zhì)量:550 kg;

巖心長度:3 m;

巖心直徑:56 mm;

高壓腔最大壓力:20 MPa;

鉆頭外徑:244 mm。

3種工具于2010年10月在勝利油田的淺海區(qū)域進行了功能性試驗，基本滿足了設(shè)計要求，但也暴露出許多技術(shù)問題，為該工具改進提供依據(jù)。試驗用鉆桿采用特殊設(shè)計的177.8 mm套管為本體，連接螺紋為特殊設(shè)計與加工，目的是為了便于連接和拆卸。

3 結(jié)論與建議

(1)鉆探取樣技術(shù)是解決深水深孔取樣的技術(shù)手段，根據(jù)海底土層的巖石性質(zhì)設(shè)計不同結(jié)構(gòu)的天然氣水合物取樣裝置，該項技術(shù)國外發(fā)展較早，相對比較成熟，對國內(nèi)發(fā)展具有可借鑒作用。

(2)繩索保壓取樣器和鉆柱式保壓取樣器只有利用鉆探船才能施工，但可以獲取更深層的巖樣，若要進行深海油氣的開發(fā)是必須要走的路徑，所以國家要綜合利用各家的資源，采用能源聯(lián)合開發(fā)的策略，既能節(jié)約資源，又能獲得更多的能源。

(3)建議在今后的規(guī)劃中要綜合考慮，既要利用前期的研制成果，又要完善和合成所取得的技術(shù)，對需要繼續(xù)研制的課題定要給予支持與幫助，否則卻不能發(fā)揮先有的技術(shù)。

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