劉協(xié)魯，阮海龍，陳云龍，趙義，蔡家品，梁濤，劉海龍，李春，吳海霞，沈立娜

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 前言

近年來，隨著國家對海域天然氣水合物勘探開發(fā)工作的重視，國內已涌現(xiàn)出一批高質量的保溫保壓取樣鉆具[1-5]，并開始應用于海域天然氣水合物鉆探取樣作業(yè)中，能夠通過鉆探取樣，采集保持原位狀態(tài)的天然氣水合物樣品，但我國目前尚無標準化作業(yè)規(guī)范。此外，由于天然氣水合物形成條件較為特殊，其鉆探取樣作業(yè)均是在高壓、低溫條件下完成[6]，為了避免作業(yè)中可能出現(xiàn)的高壓泄漏、低溫凍傷等風險，保證鉆探取樣作業(yè)的安全和質量，我所開展了技術規(guī)程編制工作。

1 規(guī)程編制工作

1.1 行業(yè)調研

依托地質調查項目，對海域天然氣水合物取樣作業(yè)的實施情況進行了調研，與國內相關涉海單位進行了多次交流溝通，參考海域天然氣水合物地質勘查有關的技術成果與資料[7-10]，并檢索了國外相關作業(yè)規(guī)程和資料[11-12]，以此為基礎完成了對規(guī)程內容的限定。

1.2 編制的目的和意義

目前，我國已經初步具備了自主實施海域天然氣水合物鉆探能力，在已經實施的取樣作業(yè)航次中，大多沿用傳統(tǒng)海上地質鉆探的方法和規(guī)程，缺少對于天然氣水合物取樣作業(yè)中遇到的高壓、低溫等危險因素的識別與防范措施。因此，為了保證安全、高效地實施海域天然氣水合物鉆探取樣作業(yè)，有必要制定相關的技術規(guī)程。

2 規(guī)程的主要技術內容

規(guī)程共分范圍、規(guī)范性引用文件、術語和定義、基本規(guī)定、前期準備、泥漿規(guī)范、鉆井作業(yè)、取心段和取心終止條件、巖心采集、鉆臺巖心處理及放置、數(shù)據(jù)記錄與報告編制等11個章節(jié)。其中“范圍”章節(jié)對規(guī)程規(guī)定的內容進行了總結?！耙?guī)范性引用文件”章節(jié)對規(guī)程引用的文件進行了介紹?！靶g語和定義”章節(jié)對規(guī)程中涉及的專業(yè)術語，如天然氣水合物、保溫保壓取心進行和定義。

2.1 基本規(guī)定

本章節(jié)中對鉆探取樣目的進行規(guī)定，鉆探取樣時對孔位及取樣層位、水深、取樣方法及取樣技術的要求進行了規(guī)定，要求取心作業(yè)在預測層位以上2 m 開始，一直超過其下部2 m結束，鉆進過程中每回次量測水深，并采用保溫保壓繩索取心系統(tǒng)。

2.2 前期準備

本章節(jié)對前期準備的目的進行了介紹，其目的在于確保所有工作人員熟知操作目的及風險，確保所有鉆探取心操作符合健康、安全、環(huán)保的要求，確保所有取心和分析設備功能完備。

本章節(jié)對前期準備的安全規(guī)定進行了介紹，要求操作前必須制定前期計劃，包括項目工程管理、人員安排及時間表等。天然氣水合物的取心作業(yè)必須能夠與傳統(tǒng)鉆井任務對接，在巖心處理過程中需劃定安全警戒區(qū)域，制定與保溫保壓取樣鉆具相適應的操作規(guī)程，取心及巖心處理必須由專業(yè)人員操作。

本章節(jié)根據(jù)不同作業(yè)階段的特點，對取心作業(yè)計劃階段、鉆井計劃和準備階段以及操作階段的風險、影響和控制手段進行了規(guī)定，并列出了風險評估及風險控制表。

對前期準備中的操作注意事項進行了說明，包括團隊角色和人員職責、溝通協(xié)調和設備安裝調試等方面。

對作業(yè)區(qū)域的選取進行了說明，需要采用兩個集裝箱，分別是用于取心工具拆裝調試及巖心常溫分析的常溫集裝箱和用于巖心低溫存儲的冷凍集裝箱。不同作業(yè)團隊應分別對作業(yè)區(qū)域進行安全評估，確?；ゲ桓蓴_。

2.3 泥漿規(guī)范

本章節(jié)對規(guī)范泥漿的目的和安全原則進行了介紹，并提出了技術要求。對泥漿進行規(guī)范的目的是為了在保障鉆井安全的前提下，盡可能保證取心效果，同時降低對環(huán)境的影響。

在使用泥漿時，應至少秉承以下原則：在現(xiàn)場對泥漿組成材料的安全性數(shù)據(jù)表、應急化學藥品進行有效的公共檢查，所有人員必須使用適當?shù)姆雷o用品，以防靠近泥漿系統(tǒng)造成潛在危害；作業(yè)時必須穿防水裝備；一旦與泥漿發(fā)生接觸，應立即清洗。

對泥漿的技術要求，首先應最優(yōu)化泥漿化學性質減少對巖心的污染；對天然氣水合物具備一定的抑制性能，盡可能減少天然氣水合物分解，同時抑制管道內水合物的再生成；泥漿密度應允許鉆具組合在井底或者接近井底沒有黏住鉆頭的風險；在低溫環(huán)境下，泥漿仍應具備保護井壁、攜帶巖屑、清潔井眼的能力；應選用無毒性、易降解且費用相對低廉的泥漿處理劑。

2.4 鉆井作業(yè)

本章節(jié)對鉆井作業(yè)的目的、安全原則和技術要求進行了介紹。鉆井作業(yè)的目的，是在保障井控安全的前提下，用最低的鉆井成本獲得高質量巖心和巖心采取率。

鉆井作業(yè)的安全原則首先是井控要求比任何技術要求都重要。對于取心器和繩索取心系統(tǒng)，必須注意保證工具和規(guī)程完全符合安全操作，同時要合理穿透儲層段，避免儲層流體的影響以及鉆柱的壓差卡鉆。

鉆井作業(yè)的技術要求主要是針對鉆具組合、鉆壓、鉆頭以及鉆探工藝參數(shù)選擇，從而實現(xiàn)在鉆進過程中減少對儲層的破壞，降低對儲層的擾動，維護井壁穩(wěn)定，避免沖刷儲層，以利于最終獲取高質量的巖心。

2.5 取心段和取心終止條件

本章節(jié)對取心段和取心終止條件的總則、安全原則、操作細節(jié)和取心終止點進行了介紹。其總則是建立明確的取心段作業(yè)的啟動點和終止點。

取心段和取心終止條件的安全原則是在取心段作業(yè)時，要保證孔隙壓力在合適的范圍內。如果發(fā)生井控事故，應將井孔安全放在首位，需首先考慮如何安全控制該鉆井，而不是考慮如何繼續(xù)獲得巖心并達到終止條件。

取心段的選擇是由現(xiàn)場的地質學家根據(jù)已有地質資料確定，取心終止條件是由地質學家、首席科學家共同研究決定的。當預算有限時，如果取心作業(yè)超出計劃2～3 d，監(jiān)督團隊要綜合考慮經濟因素和技術因素，在有足夠的預算和適當?shù)募夹g條件時繼續(xù)操作，否則應建議終止取心作業(yè)。

取心終止點的選擇主要遵循三點原則：第一，已完成了制定的取心目標；第二，取心作業(yè)期間出現(xiàn)問題，且在96 h內無法采取有效的解決措施，由首席科學家決定取心作業(yè)是否終止；第三，當取心作業(yè)破壞了鉆孔，導致后續(xù)其他作業(yè)(包括測井作業(yè)等)不能安全進行時，由首席科學家決定取心作業(yè)是否終止。

2.6 巖心采集

本章節(jié)對巖心采集的總則、安全原則、技術要求、數(shù)據(jù)記錄和取心回次終點進行了介紹。其總則是盡可能提高目標儲層的巖心采取率及巖心質量，并在最短時間內回收巖心。同時，在取心過程中降低掉塊、掉心、孔壁刮擦等因抽吸泥漿造成的鉆井風險，避免破壞井孔結構，以免影響后續(xù)作業(yè)。

巖心采集時的安全原則是取心過程中井控安全優(yōu)先于取心。在取心作業(yè)開始前，需進行任務風險評估及安全規(guī)程的建立和修訂；每次換班時，要復習一遍任務風險評估；當在較小環(huán)空打撈回收較大巖心管時，需要預防抽吸，取心團隊需根據(jù)具體情況進行評估并給出回收速度。

巖心采集的技術要求主要從八個方面進行了論述，包括巖心筒長度和取心計劃進尺、巖心內筒類型、取心鉆具組合、組裝取心工具、水合物狀態(tài)保持、抽吸、膨脹間隙流體和機械損傷。其總體要求是：①制定鉆具組合下鉆規(guī)程，避免在入井的過程中使鉆頭、巖心筒以及鉆具組合受到損傷；②目的層每回次進尺與取心筒長度相匹配；③應盡量減少獲取巖心的時間，從而降低對天然氣水合物樣品的擾動；④選擇合適的鉆井工藝(包括轉速、鉆壓以及泥漿排量等)，以保障巖心取心率；⑤取心過程中應盡量保持鉆柱穩(wěn)定，監(jiān)測扭矩及其變化，避免卡鉆或損壞取心工具等事故；⑥提鉆前需進行安全會議，評估討論危險并進行安全作業(yè)演練；⑦起下鉆時，鉆桿需安裝護絲，以避免螺紋及密封區(qū)域受損；⑧確定巖心回收的最佳速度時，需要考慮水合物分解、作業(yè)效率、抽吸風險及流體介質對保壓巖心的影響。

在巖心采集時，可以選擇性安裝溫度壓力記錄儀，采集記錄巖心從井底回收至甲板過程中的溫度與壓力變化。在條件允許的情況下，可備份微型溫度壓力記錄儀。

在取心回次終點，應根據(jù)可能出現(xiàn)的堵心、ROP過高、扭矩和泵壓異常、巖心破碎掉塊等實際情況進行操作，但不允許進行類似傳統(tǒng)的“提高轉速微燒鉆”取心操作，否則可能使內管總成跟隨外管總成一起轉動，最終導致巖心損壞。當巖心管裝滿或回次終止時，使用繩索打撈系統(tǒng)將巖心回收到甲板。

2.7 鉆臺巖心處理及放置

本章節(jié)主要對鉆臺巖心處理及放置的總則、安全原則、技術要求和巖心放置進行介紹。其總則是將巖心和取心內管安全無損地從鉆臺轉移至操作區(qū)域，并經濟高效地處置巖心。

鉆臺巖心處理及放置的安全原主要有四點：①取心團隊在巖心躺放前需與鉆井團隊進行風險評估和討論，確保操作過程的安全并兼顧作業(yè)效率；②每次換班前需重復交接風險評估；③由于取心鉆具較沉重，搬運過程中應注意安全，保持平穩(wěn)，這是整個取心操作過程中最容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)；④在巖心切割操作時，需注意安全，避免巖心掉落。

鉆臺巖心處理及放置的技術要求主要包括甲板處理要求和內管拆卸兩個方面。在甲板處理時，要求一旦巖心到達地表，需盡快移離鉆臺，避免影響后續(xù)鉆井操作。巖心管較長時，需要使用吊裝設備協(xié)助躺放。在退巖心過程中，需要振動或敲擊巖心管時，要避免破壞巖心。當使用油基泥漿時，在回收和轉移內管總成過程中需要注意對外部包裹塑料材質進行防護，防止污染巖心。在拆卸內管時，需要輕緩，嚴格要求鉆井團隊人員按照規(guī)程進行巖心處理操作。取心團隊、監(jiān)督團隊應和鉆井團隊充份溝通，使其了解巖心處理的重要性。取心鉆具總成需在操作臺處拆缷，巖心管的躺放、卡簧的拆除應由取心工程師進行操作。當取心鉆具內巖心未取滿時，內部很可能充滿泥漿，在拆缷時使用泥漿桶接收泥漿，以免溢至鉆臺。

放置巖心時，現(xiàn)場需要準備巖心支架，以防在取心鉆具總成從鉆臺轉移至操作臺時損壞巖心。從取心鉆具總成內取出襯管后，應快速且安全地將其轉移至巖心后處理操作區(qū)域。巖心轉移裝置為巖心后處理團隊提供了一個安全且不影響鉆井操作的環(huán)境。

2.8 數(shù)據(jù)記錄與報告編制

本章節(jié)主要從取心回次過程中、取心回次之后和取心完成后三個方面介紹。

在取心回次過程中，取心團隊持續(xù)監(jiān)控取心過程中的參數(shù)和動態(tài)，并與鉆井團隊人員密切溝通，以防發(fā)生意外事故。當鉆井扭矩、機械鉆速、立管壓力發(fā)生異常時，鉆井團隊人員應立刻與監(jiān)督團隊、取心團隊溝通判斷取心是否正常，并及時調整作業(yè)參數(shù)。根據(jù)常規(guī)井控和安全要求，應持續(xù)監(jiān)控鉆井的實時參數(shù)，并與計劃表中的理論值進行比較，如果實時參數(shù)與計劃表不符，需立即通知鉆井團隊。

在取心回次之后，每取心回次后需要由鉆井團隊將實時參數(shù)根據(jù)鉆進情況制成圖表。實時參數(shù)應包括：回次參數(shù)，即回次鉆深、鉆桿余尺、實時水深、孔深；鉆進參數(shù)，包括大鉤高度、大鉤載荷、鉆壓、轉速、扭矩、泥漿泵泵沖、泥漿壓力、泥漿流量、機械鉆速，鉆進參數(shù)應以固定刻度(宜選用 16 cm/h)制成圖表。每取心回次后需要由鉆井團隊將實時運行數(shù)據(jù)(井深/回次速率)以Excel格式提供給取心團隊，并將紙質版圖表提供給監(jiān)督團隊、地質學家和首席科學家用來討論修正取心回次計劃。取心完成后需向首席科學家提交回次取心記錄表(Excel或Word文件)，記錄表中應包含以取心回次為單位的取心參數(shù)的詳細記錄，主要有：取心鉆具類型、蓄能器初始壓力、鉆壓、轉速、扭矩、泥漿流量、樣品管壓力、處理方式、樣品描述和取心鉆具工作情況。

取心完成后，取心團隊需向首席科學家提交取心作業(yè)技術報告，報告應包括作業(yè)目的、作業(yè)條件、作業(yè)情況、安全與環(huán)境保護、作業(yè)質量評述等方面的內容。

3 結語

“海域天然氣水合物取樣技術規(guī)程”充分考慮了天然氣水合物勘探取樣作業(yè)中的各種因素，為該礦產的勘探開發(fā)提供了可靠、安全的取樣方法，填補了我國在天然氣水合物勘探取樣方面的技術空白。該規(guī)程的制定與后續(xù)貫徹實施，將有利于進一步提升該類礦產的勘探取樣技術水平，有效保障勘探作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。