李小洋，李 寬，張永勤，王志剛，施山山

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)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(chēng)，被普遍認(rèn)為將是21世紀(jì)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(kāi)發(fā)的儲(chǔ)量巨大的一種新能源，在我國(guó)廣闊的管轄海域和專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)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(duì)海洋天然氣水合物資源進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，并掌握其儲(chǔ)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(guān)水合物真實(shí)特性的資料及數(shù)據(jù)，在進(jìn)行水合物鉆探取樣時(shí)，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(guó)外研究開(kāi)發(fā)的水合物保壓取樣鉆具比較成熟，在國(guó)際深海鉆探計(jì)劃和大洋鉆探計(jì)劃中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，但是保壓取樣平均成功率在50%～70%左右［9-10］。我國(guó)開(kāi)展天然氣水合物保壓取心鉆具及施工技術(shù)研究較晚，本世紀(jì)初，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了水合物保壓取樣技術(shù)的研發(fā)，鑒于條件的限制，保壓取樣鉆具樣機(jī)在室內(nèi)及陸地實(shí)鉆中進(jìn)行了可行性試驗(yàn)，取得了初步成果，為后續(xù)工作的開(kāi)展提供了重要的技術(shù)參考［11-12］。之后，浙江大學(xué)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(jìn)行了相關(guān)海試，取得了一定的研究成果［14］。綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)保溫保壓取樣技術(shù)大多以板閥或球閥等機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)保壓腔的下端保壓［15］，由于井底的環(huán)境比較復(fù)雜，造成保壓閥（板閥或球閥）無(wú)法關(guān)閉或關(guān)閉不嚴(yán)，致使保壓取樣器具的保壓成功率不是很高。為了解決這個(gè)難題，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所水合物項(xiàng)目組結(jié)合前期的保壓取樣鉆具研究經(jīng)驗(yàn)［16］，開(kāi)展了一種新型板閥自閉式保溫保壓取樣鉆具的研制。通過(guò)設(shè)計(jì)、論證分析、海上試驗(yàn)，研制出了結(jié)構(gòu)更加合理、可靠的保壓取樣鉆具，進(jìn)一步提高了保壓閥關(guān)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(shù)方法。

1 保壓取樣鉆具設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 設(shè)計(jì)思路

國(guó)內(nèi)外進(jìn)行海洋天然氣水合物調(diào)查評(píng)價(jià)過(guò)程中，直接對(duì)天然氣水合物地層進(jìn)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(shù)手段。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外海域水合物保溫保壓取樣鉆具的技術(shù)資料，確定采用繩索打撈的方式進(jìn)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(shí)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(lái)設(shè)計(jì)?105 mm規(guī)格的繩索打撈式保壓取樣鉆具及配套工藝。設(shè)計(jì)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(jiàn)圖1，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)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(shù)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(jī)構(gòu)、保壓筒、取樣管、板閥和超前鉆頭等組成。需要進(jìn)行保壓取樣時(shí)，首先通過(guò)繩索絞車(chē)將取樣鉆具投放到井底。在鉆進(jìn)取樣的過(guò)程中，通過(guò)彈卡和懸掛機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆具軸向位置的鎖定。隨著鉆頭回轉(zhuǎn)和向下鉆進(jìn)，形成的巖樣沿著卡簧座進(jìn)入取樣管。當(dāng)進(jìn)尺長(zhǎng)度達(dá)到取樣管最大長(zhǎng)度時(shí)，使用繩索絞車(chē)下放打撈器，進(jìn)行繩索取心。通過(guò)打撈器上拉打撈矛，帶動(dòng)取樣管沿軸向向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)取樣管下端越過(guò)板閥時(shí)，板閥在自重作用下翻轉(zhuǎn)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)取樣筒的保壓密封。繼續(xù)向上拉動(dòng)時(shí)，彈卡解鎖，將整個(gè)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(lái)防止進(jìn)入取樣管的巖心脫落（見(jiàn)圖2）。

圖2 研制的超前鉆頭和爪簧

基于鉆具的模塊化設(shè)計(jì)，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(jiàn)圖1）與其他部件分離。與此同時(shí)，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(jìn)行取樣作業(yè)，以便提高施工效率。然后操作人員對(duì)保壓筒進(jìn)行壓力測(cè)試，通過(guò)測(cè)壓接頭來(lái)檢測(cè)保壓筒內(nèi)的壓力情況，進(jìn)而分析獲取的水合物巖心是否有效。如果檢測(cè)壓力遠(yuǎn)低于取樣處的靜水壓力，說(shuō)明取樣失敗，需重新取樣；如果檢測(cè)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(jìn)行對(duì)接，進(jìn)行水合物巖心的分割、轉(zhuǎn)移和實(shí)驗(yàn)室分析。

1.3 保壓閥密封技術(shù)

在水合物取樣過(guò)程中，為了避免水合物巖樣因?yàn)殡x開(kāi)原來(lái)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(fù)雜工況下經(jīng)常出現(xiàn)保壓閥密封不嚴(yán)而導(dǎo)致取樣失敗，研究了板閥—脫鉤技術(shù)、壓力補(bǔ)償和刮泥技術(shù)來(lái)提高了保壓閥密封可靠性。

1.3.1 板閥—脫鉤技術(shù)

當(dāng)上提取樣管最下端越過(guò)板閥最上端時(shí)，板閥在自重作用下翻轉(zhuǎn)關(guān)閉，繼續(xù)上提取樣管，當(dāng)提到特定位置后觸發(fā)脫鉤機(jī)構(gòu)，取樣管與其他零部件分離，以自由落體運(yùn)動(dòng)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(jiàn)圖3）。

圖3 板閥—脫鉤技術(shù)示意圖

1.3.2 壓力補(bǔ)償

壓力補(bǔ)償是一種主動(dòng)保壓方式，是通過(guò)蓄能器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。蓄能器是一種在液壓、氣動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛的壓力補(bǔ)償裝置，通過(guò)體積的變化來(lái)儲(chǔ)存能量，當(dāng)系統(tǒng)需要的時(shí)候可以將存儲(chǔ)的能量釋放出來(lái)用以補(bǔ)充損失的壓力，維持整個(gè)系統(tǒng)的壓力平衡。設(shè)計(jì)保壓取心鉆具采用活塞式蓄能器，在下井前將相應(yīng)壓力的氮?dú)庾⑷氲叫钅芷髦?，?dāng)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(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)取樣過(guò)程中，保壓筒出現(xiàn)壓力滲漏時(shí)，蓄能器自動(dòng)將存儲(chǔ)的能量釋放出來(lái)，用以補(bǔ)充保壓筒內(nèi)的壓力損失。

1.3.3 刮泥技術(shù)

取樣管外壁上設(shè)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(guò)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(shí)在取樣過(guò)程中，取樣管被向上拉動(dòng)，此時(shí)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(yán)的可能性。

1.4 溫壓記錄儀

為了能夠及時(shí)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(shí)時(shí)采集周?chē)h(huán)境的溫度和壓力，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)可充電式鋰電池進(jìn)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(shí)，溫壓記錄儀伴隨保壓取樣鉆具一起下到井底，可以實(shí)時(shí)采集取樣作業(yè)全工作時(shí)段的溫度和壓力數(shù)據(jù)。其中在鉆具投放和到達(dá)井底鉆進(jìn)過(guò)程中，取樣鉆具是一個(gè)開(kāi)放的空間，獲取的溫壓數(shù)據(jù)是周?chē)h(huán)境的表征，但在鉆具回收過(guò)程中，取樣鉆具是一個(gè)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(guò)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(chǔ)存的穩(wěn)定溫壓區(qū)域，同時(shí)還可以檢測(cè)取樣鉆具的保溫保壓效果，實(shí)時(shí)記錄水合物在離開(kāi)原位環(huán)境后的物理變化狀態(tài)。

2 室內(nèi)溫壓測(cè)試

2.1 壓力及功能性測(cè)試

為了驗(yàn)證保壓鉆具的保壓可靠性及保壓密封效果，設(shè)計(jì)了壓力測(cè)試試驗(yàn)。首先將保壓取樣鉆具投放到外管中，然后使用打撈器拉動(dòng)取樣鉆具的撈矛頭向上運(yùn)動(dòng)，模擬取樣鉆具各部件的運(yùn)動(dòng)情況，主要檢測(cè)取樣管運(yùn)動(dòng)、板閥翻轉(zhuǎn)及脫鉤等動(dòng)作。在板閥關(guān)閉后，拆卸鉆具，保留保壓筒，接著通過(guò)測(cè)壓接頭向保壓筒內(nèi)加壓，觀(guān)察螺紋連接處及板閥密封處有無(wú)滲漏。按照目前海洋天然氣水合物的實(shí)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(mǎn)足水合物的取樣要求。

2.2 保溫測(cè)試

在保壓筒內(nèi)壁噴涂了硅酸鹽隔熱保溫涂層，其導(dǎo)熱系數(shù)低至0.032 W/（m·K），具備良好的隔熱保溫效果。在測(cè)試過(guò)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(guò)溫壓記錄儀和絲堵處的電子溫度計(jì)每隔20 min測(cè)量保壓筒中的溫度，并與周?chē)沫h(huán)境溫度進(jìn)行比對(duì)，以此來(lái)檢驗(yàn)保溫涂層的保溫效果，試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。在9∶30～11∶50時(shí)間段內(nèi)保壓筒內(nèi)溫度升高為1℃，說(shuō)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(dǎo)，避免了巖心中水合物因溫度升高過(guò)快而導(dǎo)致的局部分解。

表2 保壓筒保溫測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

3 海上取樣試驗(yàn)

2020年1月12日～16日，在渤海某海域進(jìn)行保溫保壓取樣鉆具的海上鉆井取樣試驗(yàn)，水深210 m，泥線(xiàn)以下185～197 m進(jìn)行了10個(gè)回次的取樣試驗(yàn)，其中8個(gè)回次板閥成功關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了保壓取樣，總體巖心收獲率為72.14%。在鉆進(jìn)過(guò)程中，直接使用海水進(jìn)行循環(huán)，采用小泵量、減壓鉆進(jìn)的方式來(lái)控制鉆進(jìn)速度。針對(duì)8個(gè)回次的成功保壓取樣，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了壓力檢測(cè)，測(cè)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?kù)o水壓力相比，壓力損失為12.4%，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

2個(gè)回次保壓失敗主要是由于板閥處密封不嚴(yán)導(dǎo)致泄壓的，分析原因?yàn)檫@2個(gè)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(jiān)硬顆粒越來(lái)越多，進(jìn)而在板閥附近出現(xiàn)了聚集，最終導(dǎo)致了板閥密封失效。

4 結(jié)論及建議

（1）通過(guò)研究保壓閥密封、井下溫壓記錄和保溫隔熱技術(shù)，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(shù)，著重在提高保壓閥密封可靠性方面，提出了“板閥—脫鉤技術(shù)”，并通過(guò)海上鉆井試驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)措施的有效性和可靠性。

（2）室內(nèi)功能性測(cè)試和海上鉆井試驗(yàn)表明，研制的保溫保壓取樣鉆具及工藝能夠有效滿(mǎn)足天然氣水合物取樣技術(shù)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(jìn)行改進(jìn)，避免固體顆粒的粘附和聚集，使之適應(yīng)多種地層的取樣要求。同時(shí)積極參與我國(guó)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(píng)價(jià)和未來(lái)的商業(yè)化開(kāi)采提供技術(shù)支撐。