天然氣水合物非干擾繩索式保溫保壓取樣鉆具的研究

任 紅，許俊良，朱杰然

(中石化集團勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257017)

天然氣水合物非干擾繩索式保溫保壓取樣鉆具的研究

任 紅，許俊良，朱杰然

(中石化集團勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257017)

由于天然氣水合物存在環境和性質的特殊性，使保溫保壓取樣技術成為獲得原位天然氣水合物最有效的方法之一。保溫保壓取樣鉆具是獲得天然氣水合物真正物化特性的主要器具。通過多年對天然氣水合物保溫保壓取樣鉆具的試驗研究，設計了專門用于取海底沉積物和未成巖地層中水合物的非干擾繩索式保溫保壓取樣鉆具。介紹了鉆具的結構、特點，及其配套的保溫保壓系統關鍵機構的功能、特點。對取心工藝和進行的海上功能性試驗進行了詳細說明，試驗結果達到了設計要求。

天然氣水合物;鉆探;保溫保壓取樣鉆具;試驗研究

0 引言

天然氣水合物俗稱“可燃冰”，其成分中80%～99.9%為甲烷，被認為是未來人類最理想的替代能源之一。同時，水合物對全球氣候變化有著重要的影響和控制作用。有數據表明，天然氣水合物所含的主要氣體甲烷是一種重要的溫室氣體，會對全球氣候變化造成影響。另外，水合物的分解能引發海底天然氣的快速釋放和沉積層液化，產生大面積海底滑坡等自然災害，對海洋工程具有毀滅性的破壞作用［1，2］。由于其所具有的巨大能源潛力和環境效應，世界各國對其研究及相關技術開發十分重視。美國、日本等國把天然氣水合物開發列為國家能源戰略，正在就如何商業開采天然氣水合物進行研究，并且制定了天然氣水合物商業開發日程［3］。

鉆探取樣是識別天然氣水合物最直接有效的方法，也是進行水合物研究工作不可缺少的手段。國際上水合物鉆探取樣技術已經取得了長足的進展，并且在實踐應用中不斷地加以完善。目前已應用各種取樣工具在世界許多地方(例如在Blake海嶺、里海、加拿大Mallik地區、日本Nankai海槽、印度、中國、韓國，等)獲得了海洋和永凍土地區的水合物樣品［3］。2007年5月，國內在南海北部的神狐海域使用AMIGE公司的Bavenit號深水鉆探調查船成功地進行了天然氣水合物鉆探作業，在水深1200多米的深水海底，成功地鉆取了高純度的天然氣水合物樣品［4］。雖然獲得了天然氣水合物樣品，但我國水合物取心技術與國際先進水平還有很大差距［3］。目前我國正在進行天然氣水合物取心設備的研制，經過10多年的研發，取心設備的關鍵技術已經取得重大突破，進行了現場模擬試驗，并取得了良好的效果。下面就對其中一種適用于取海底沉積物和未成巖地層中水合物的工具作簡要介紹。

1 天然氣水合物非干擾繩索式取樣鉆具的研制

根據天然氣水合物賦存條件，它有可能存在于海底沉積物和未成巖地層中。由于海底沉積物和未成巖地層非常軟，巖樣不成形，若使用普通旋轉式工具可能使沉積物變成泥漿，難以取得樣品。針對這一難題，設計了一套專用于取海底沉積物和未成巖地層中水合物的非干擾繩索式取樣鉆具。它主要由控制鎖定機構、保溫保壓系統和取樣機構等組成。

1.1 控制鎖定機構

控制鎖定機構主要由打撈機構、彈卡機構、縱向鎖定機構、徑向鎖定機構組成。功能是實現工具的上提、下入、縱向和徑向鎖定。

打撈機構(見圖1)上部連接鋼絲繩，與繩索絞車連接。下部有一個活動棘爪，可抓住彈卡機構(見圖2)上部的矛頭。在繩索絞車驅動下，帶動取心工具內總成上提下放。取心內總成下放到位后，投入專用釋放工具，打撈機構會自動釋放鉆具內總成。彈卡機構(見圖2)主要起限位作用，當工具內總成下入到位后，彈卡機構的鎖塊自動彈出，卡在外筒的槽中，防止工具錯位。縱向鎖定機構在彈卡機構下部，當彈卡機構限位后，開泵使縱向鎖定機構的釋放元件在上下壓差作用下，剪斷縱向鎖定機構的銷釘，縱向鎖塊隨之伸出，卡入外筒槽中，防止工具內總成沿軸向移動，并將外筒軸壓傳遞給工具內總成。徑向鎖定機構在鉆頭上部，當彈卡機構限位后，其上的鍵和外筒上的鍵槽嚙合，將外筒扭矩傳遞給鉆具內總成。

圖1 繩索打撈機構

圖2 彈卡機構

1.2 取樣機構

取樣機構主要由非干擾取樣管、取樣鉆頭、巖心管、割心機構和全面鉆進轉換鉆頭塞等組成。功能主要是完成巖樣的鉆取、存放、截斷和取樣結束后實現全面鉆進。

為避免鉆具旋轉鉆進中對海底沉積物和未成巖地層中水合物的擾動，在鉆頭前端伸出1.5 m以上的非干擾取樣管(見圖3)，避免了鉆井液的沖刷，有利于巖樣采取率的提高。在縱向和徑向鎖定機構的作用下，工具可實現不轉動只靠下壓獲取巖樣，伸出的非干擾取樣管避免了巖樣被擾動。為更有利于天然氣水合物巖樣進入巖心管，經過對各種材料的對比分析，最終采用了低摩阻的復合材料管或鋁合金管做巖心管，它摩擦系數低，根據“樁效應”原理分析能夠更好的滿足取樣長度的需要［5］。取樣結束后，為迅速實現全面鉆進，設計了與取樣鉆具配合的鉆頭塞(見圖4)。

圖3 取樣鉆頭與非干擾取樣管

圖4 取樣鉆頭與鉆頭塞

2 天然氣水合物保溫保壓系統的研制

天然氣水合物保溫保壓系統由保溫保壓管、高壓密封球閥、控制機構、補壓機構等組成。可保持天然氣水合物巖樣的原位溫度、壓力，實時記錄巖樣的溫度、壓力，并在巖樣提升過程中對巖樣進行壓力補償。

2.1 保溫保壓管

為了保持巖樣原位溫度，盡量減少外界對巖樣的溫度影響，保溫保壓管采用金屬雙層管抽真空被動保溫方式。即采用超高真空絕熱方式，在保溫保壓管的內層管與外層管之間抽真空，同時超高真空層內外噴涂等離子隔熱材料。保溫保壓管外層表面噴涂防陽光輻射涂料。通過大量的傳熱模擬分析和室內模擬試驗，無論是熱量計算、筒壁厚度還是涂層位置、厚度，設計都能滿足獲取水合物樣品的需要。2.2 高壓密封球閥及控制機構

天然氣水合物保溫保壓系統的保壓功能主要由保溫保壓管的上部密封接頭和下部高壓密封球閥實現。上部密封接頭在差動實現巖心筒上提后，與巖心筒上部活塞配合實現上部密封。在巖心筒全部進入保溫保壓筒后，下部高壓密封球閥(見圖5)在控制機構的作用下關閉，實現下部密封。高壓密封球閥由液壓驅動齒輪、齒條機構關閉。

圖5 高壓密封球閥

控制機構(見圖6)安裝在保溫保壓管外側，主要由霍爾傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、電氣控制系統、溫度記錄儀、壓力記錄儀等組成。可根據傳感器接收到的信號控制磁閥開啟，實現系統的保壓功能。除此之外，它還承擔著實時記錄保溫保壓管內溫度、壓力數據的任務。在提出工具后，可連接計算機查看數據，分析樣品溫度、壓力變化情況。

圖6 控制機構

具體功能如下:

(1)實時采集溫度、壓力數據，并將采集的數據存儲到存儲器中;

(2)具有系統自檢功能，能夠對自身工作情況進行檢測;

(3)可以根據壓力數據模式設置采集時間間隔;

(4)可以根據壓力數據模式設置電磁閥驅動參數;

(5)可以根據霍爾傳感器信號設置電磁閥驅動參數;

(6)可以設定時間參數來驅動電磁閥;

(7)具備真時鐘，實時記錄采集數據及動作時間;

(8)具備與PC通訊功能，可以將數據傳遞給PC及由PC設置參數;

(9)具備電池實際容量分析功能，以分析電池壽命;

(10)具備采集數據掉電保護功能。

2.3 壓力補償機構

為保證天然氣水合物樣品在提升過程中的壓力，在保溫保壓系統中又增加了壓力補償機構。它根據壓力平衡原理，在工具上提過程中，一旦保溫保壓管內壓力降低，高壓腔內的氮氣將推動活塞為巖樣增壓，起到補壓功能。

3 天然氣水合物非干擾繩索取心工藝

工作時，先由打撈機構送入非干擾繩索式保溫保壓取樣鉆具內部總成，當懸掛機構坐在外筒臺階上時，釋放工具，打撈機構自動釋放鉆具內總成。彈卡機構的鎖塊彈出，與外筒鎖定。徑向鎖定機構的鍵和鍵槽嚙合，鉆進時將外筒扭矩傳遞給鉆具內總成。開泵后縱向鎖定機構的釋放元件在上下壓差作用下，剪斷縱向鎖定機構的銷釘，使縱向鎖塊伸出，卡入外筒。

到達泥線后先不開泵、不轉動，下壓鉆具大概1.5 m，使非干擾取樣管進入海底沉積物或未成巖巖層取樣。下壓1.5 m后可以開始轉動，非干擾取樣管后面的鉆頭開始工作，鉆具整體下移，增加進尺。當取滿巖樣后，投入打撈機構，抓住彈卡機構上端的打撈矛頭，隨著繩索絞車的提升，彈卡機構解鎖，帶動內筒上提。當內筒上升到球閥上端時，觸發霍爾元件，啟動關閉球閥的液壓系統，球閥關閉密封內筒。此時保溫保壓筒縱向鎖定機構的鎖塊在彈簧作用下復位解鎖，使保溫保壓筒隨內筒一起上提。上提保溫保壓取樣鉆具內總成過程中，保溫保壓筒內的壓力補償機構開始發揮作用，及時補充保溫保壓筒內的壓力，使巖樣基本處于原位壓力狀態。

取樣結束后，可在彈卡機構下直接連接帶周向鎖定裝置和小鉆頭的轉換機構，用打撈機構送入井內使小鉆頭插入原鉆頭后，實現全面鉆進。

4 天然氣水合物非干擾繩索式取樣鉆具海上試驗

2010年10月4～7日，在CB25GA區塊利用勝利六號鉆井平臺在CB25GA－7井對天然氣水合物非干擾繩索式取樣鉆具進行了海試(見圖7)。目的是獲取海水底以下的泥層，檢驗鉆具各關鍵部件的工作性能和整體性能。

圖7 勝利六號鉆井平臺試驗情況

CB25GA－7井的泥線深度約為33.6 m，在取樣作業前為了實現鉆具鎖定機構的銷子被剪斷，先開泵實施。鉆具到泥線的深度為38.6 m后，不轉動下壓1 m，取得巖心長度0.6 m(見圖8)(造成只取出0.6 m巖心的原因是因為泥線深度由平臺提供的，不準確)。鉆具提出井口后通過現場快速測試技術對保壓情況進行了測試，實行不同時間段間隔測試，第一次測試壓力為4.25 MPa，在16.5 h后測壓為4.213 MPa，降低0.037 MPa，保壓情況良好，工具試驗獲得了較好的效果。因為井隊要進行一開作業，所以本次只做了一個筒次的試驗。

5 結論與建議

通過對非干擾不擾動繩索式保溫保壓取樣鉆具的試驗研究，可以得到以下結論:

(1)設計的取心工藝通過現場驗證完全可行，技術路線正確，作業方法準確，符合現場作業要求，能夠順利實施;

(2)工具結構設計合理，原理可行，所有機構都得到實現，幾項關鍵技術獲得成功實施，試驗達到了預想的目標。

圖8 取得的巖心

非干擾繩索式保溫保壓取樣鉆具的研制成功，為水合物海底淺層沉積層取樣提供了可能。通過試驗也發現了一些問題，最主要的是采用該工具可取得的巖心直徑太小(30 mm)，根據“樁效應”原理，巖心直徑越大取樣效果越理想，因此在今后的工具改進過程中要盡量增大保溫保壓筒的徑向尺寸，即增大巖心直徑，從而提高巖心采取率，為之后的巖樣分析提供更好的條件。

［1］張永勤，孫建華，趙海濤，等.天然氣水合物保真取樣鉆具的試驗研究［J］，探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(9):62－65.

［2］F.Abegg，H.－J.Hohnberg，T.Pape，et al.Development and application of pressure-core-sampling systems for the investigation of gas-and gas-hydrate-bearing sediments［J］.Deep-Sea Research，Ⅰ55(2008):1590－1599.

［3］白玉湖，李清平.天然氣水合物取樣技術及裝置進展［J］.石油鉆探技術，2010，38(6):116－122.

［4］胡海良，唐海雄，羅俊豐，等.深水天然氣水合物鉆井及取心技術［J］.石油鉆采工藝，2009，31(2):27－30.

［5］王媛，仇性啟.天然氣水合物保溫保壓筒最佳長度選擇［J］.石油化工設備，2009，38(5):51－53.

Development of Non-interference Wire-line Pressure-temperature-preserving Sampling Drilling Tool for Gas Hydrate

REN Hong，XU Jun-liang，ZHU Jie-ran(Shengli Drilling Technology Research Institute of SINOPEC，Dongying Shandong 257017，China)

Due to the existing environment and special properties of gas hydrate，the only way to recover in-situ gas hydrate is to depend on the pressure-temperature-preserving sampling technique.And the pressure-temperature-preserving sampling system is the most important equipment to get the real physical and chemical properties of gas hydrate.Through the research on pressure-temperature-preserving sampling system for gas hydrate for many years，a non-interference wire-line pressuretemperature-preserving undisturbed sampling drilling tool was designed to get seabed sediments and hydrates in non-diagenetic formations.The sampling tool was introduced about its structure and characteristics，and the functions and features of the key mechanisms for matching pressure-temperature-preserving system were presented.The paper also detailed the coring technology as well as offshore function test and the test results met the design requirements.

gas hydrate;drilling;pressure-temperature-preserving sampling drilling tool;test research

P634.4+3

A

1672－7428(2012)06－0001－04

2012－02－07;

2012－04－16

國家高新技術(863)計劃重大課題“天然氣水合物鉆探取心關鍵技術”的部分內容(2006AA09A207)

任紅(1980－)，女(漢族)，遼寧鐵嶺人，勝利石油管理局鉆井工藝研究院工程師，地質工程專業，博士，從事國家科技重大專項“淺層天然氣水合物鉆探取心技術”研究與石油鉆井新產品開發工作，山東省東營市北一路827號工具所，renhongzjy@163.com。