深水海底天然氣水合物取樣設備與技術

王明田

(中海油田服務股份有限公司，天津 300451）

深水工程地質勘察是深水海域油氣田勘探開發的基礎性工作[1]，必須先行，其目的是為海上深水勘探、開發平臺場址、深水管線路由提供工程地質基礎資料[2]。海底表層取樣是深水工程地質勘察的重要組成部分，主要是獲取海底表層、淺層沉積物（包括天然氣水合物）樣品[3-4]。天然氣水合物是一種在高壓低溫環境條件下由水和天然氣形成的冰態、結晶狀籠形化合物，主要分布于水深大于300 m的海域及陸地永久凍土帶沉積物中。在工程勘察中，淺層天然氣和天然氣水合物是需要查明的重要災害性地質條件之一[2]。“十一五”期間，國家科技重大專項“深水工程勘察船及配套技術”課題的研究，成功設計并研制了具有獨立知識產權的海底表層保溫保壓取樣器，填補了國內空白。本文主要介紹深水海底水合物取樣技術以及我國自行研制的海底保溫保壓水合物取樣裝置。

1 取樣器總體結構

海底表層土質取樣所采用的取樣設備有：蚌式取樣器(抓泥斗)、箱式取樣器、重力取樣器、重力活塞式取樣器、振動活塞取樣器，上述幾種取樣器所取樣品的長度一般較短，且不能保溫保壓[6-7]。

課題研制的保溫保壓海底水合物取樣系統（以下簡稱取樣器）可以保溫、保壓地獲取3 000 m水深的深海海底表面以下23.5 m長的淺表層沉積物（可能存在天然氣水合物）樣品。此裝置包含相應的卸壓取氣系統、船載輔助支架、取樣器尾部平移下擺驅動系統、π 型架等取樣器收放輔助設備。

如圖1所示，該取樣器主要由保真取樣筒(含保真筒、密封艙、襯筒等)、吊放架(含夾板、活塞及主纜等)、重錘機構(含重錘、重錘纜、杠桿等)、導流裝置以及配件（蓄能器、雙向閥）等組成[7]。當重錘到達海底后，觸動杠桿上抬，松開釋放纜，使得保真筒在整個取樣器自重作用下自由地插入沉積物中，而活塞則在接近海底后在其吊放纜的作用下僅以絞車的放纜速度下降，相對于自由落體的保真筒上升。由于活塞與襯筒之間有較好的密封，因而在活塞的下方可以形成局部真空，使樣品更順利地進入襯筒內，并補償襯筒內壁的摩擦。

圖1 海底水合物保真取樣器結構示意圖

1.1 保真取樣筒

保真取樣筒（如圖2所示）可以對海底表層的松軟沉積物直接進行保真取樣，樣品最大容量160 L，最大取樣深度23.5 m，最大工作水深3 000 m，利用設備自帶的壓力補償器保持樣品壓力，并通過隔熱材料鍍層被動保溫，主要由襯筒、保真筒、連接頭與密封艙4部分構成。在取樣器下落時，密封艙一直位于保真筒的上方，與導流裝置一起提供下插力；取樣器回收時，保真筒自下而上穿過密封艙，使翻板閥關閉，實現保壓功能。密封艙上方還裝有導向筒，以確保保真筒穿過上密封裝置的全過程中運動的可靠性。壓力補償器裝在取樣器最上方的導流裝置內，與密封艙的容腔用管路相連。當取樣裝置下水前，保真筒位于密封艙下方，密封艙上方的4個鎖舌機構可以擋住保真筒上端面，使之不會在取樣過程中上移，從而使沉積物全部進入襯筒內。活塞相對于自由落體的保真筒與襯筒上升，在活塞的下方形成相對壓差，將樣品吸入襯筒內，并補償襯筒內壁的摩擦。

圖2 保真取樣筒

1.2 重力活塞式取樣機構

圖1中吊放架、重錘機構(含重錘、重錘纜、杠桿等)、導流裝置屬于取樣機構，當取樣器下放到距離海底還有一段距離時，重錘先觸底，杠桿失去平衡，松開釋放纜，使得保真筒自由下落并取樣。

1.3 釋壓閥與氣體分離裝置接口

為提取從樣品中分解的甲烷氣體和其他溶解氣體組份，將釋壓閥(一種微小流量溢流閥)安裝在保真筒體上，與密封艙連接，可以通過電液比例方式打開，并進行連續調壓，使甲烷氣體和其他溶解氣體組份在沒有壓力突變的緩慢卸壓過程中充分溢出，并記錄壓力下降量與溢出氣體總量之間的數學關系，便于后續設備進行總量檢測與分析。提取的氣體組分貯存在特制容器中，可以通過船載色譜儀分析其成份，也可送往岸基實驗室作進一步分析。保真筒體內壓降至常壓后，才能將沉積物樣品取出。

1.4 保真筒體的耐壓及壓力補償

保真筒體在取樣時內外壓力是平衡的，但提到海平面后，會產生30 MPa的內外壓差。考慮到使用場合是海洋環境，采用普通鋼材將由于筒體的磨蝕造成對樣品的污染，因此，需要一種高強度的不銹鋼材料做保真筒體來承受內壓。該保真筒體材料需由專業廠家進行熱處理強化，以及相關的強度與韌性檢驗。

另外，保真筒體在承受30 MPa內壓時會產生4‰左右的體積膨脹，按照2℃海水2.4 GPa的體積彈性模量計算，該膨脹將產生8.16 MPa(20%)的壓力下降，再加上其他彈性體（如密封圈等）的變形，很難達到預期的保壓效果，因而還需要增加壓力補償裝置，將壓力變動量控制在20%的設計要求之內。利用蓄能器補壓是實現壓力補償的最佳方式。因此蓄能器是取樣器的關鍵部件之一，其上端皮囊內充入高純氮氣，下端則通過帶有雙向閥的液壓管路與保壓筒相通。皮囊的充氣壓力取取樣點原位壓力的70%。以獲得最多的海水補償量。從蓄能器獲得的補償容積量為：

當該容積大于取樣筒取樣時損失的海水體積時，就可實現保壓功能。

2 取樣深（長）度計算及參數

取樣器與土的相互作用模型用于確定取樣器取樣動態過程中管側摩阻力和管端阻力（包括靜阻力和動阻力）。取樣過程底質受到沖擊型動荷，瞬態變化，管土作用非常復雜，它是一個軸對稱三維動態問題，要描述該問題，不僅要了解管與土動本構模型而且還要弄清管土接觸面的滑移機理[8]。在一定簡化條件下，取樣器與土的相互作用可借用國內外一些學者提出的許多模型來近似模擬管土相互作用，本保溫保壓取樣器采用了Smith法求解[9]，取樣器取樣過程的控制方程為：

式中：τ 為剪切阻力；Js為樁側土阻尼系數；l 為樁的沉降；β1為管外側摩擦阻力折減系數；β2為管內側摩擦阻力折減系數；din為取樣管內徑；dout為取樣管外徑。

經計算，質量8.0 t的取樣器取樣深度可達68 m，5.0 t取樣器最大取樣深度可達到54 m左右，2.5 t取樣器最大取樣深度可達到28 m，取樣深度隨著取樣器質量的增加而增加。其中底質越軟其取樣深度越深，而插土前初始速度大小對取樣深度的影響并不很明顯；取樣器取樣深度隨著內徑的增加而增加，隨著外徑的增加而減少，相同尺寸下減少外徑尺寸要比增加內徑尺寸的所獲得取樣深度更深，效果更好；可以看出底質的軟硬及取樣器的質量大小是取樣器能否插土更深，取得更多的樣品的兩大關鍵因素。另外內外徑的變化也對取樣效果有一定影響。

（1）不同取樣器質量條件下的變化關系曲線如圖3。（初始速度為1 m/s，軟底質土層，取樣器內外徑分別為90 mm，130 mm）

圖3 不同質量條件下的取樣深度變化關系曲線

圖4 不同底質條件下的取樣深度變化關系曲線

（2）不同底質條件下的關系曲線如圖4。（初始速度為1 m/s，取樣器質量為2.5 t，取樣器內外徑分別為90 mm，130 mm）

3 取樣器的收放裝置

收放裝置按運動及功能可以分為3大部分：平移機構、π架和輔助支架。它們通過平移機構平移和π 架、取樣器支架的旋擺運動實現了取樣器收放功能，如圖5所示。

將支架準確定位，同時將取樣器對正放于支架上，取樣器的收放通過專用取樣絞車、π 型架及取樣器收放輔助設備綜合操作來完成。

當確認取樣管已完全插入海底后，操作絞車緩慢提升，當確認取樣管拔出海底并進入密封艙后，可操作絞車快速提升，邊觀察水下取樣器姿態邊提升取樣器，至取樣器完全提離水面時停止絞車，啟動π 架液壓缸，取樣器至支架正上方面時停止π 架轉動，至支架及取樣器完全露出水面，最后使支架及取樣器完全坐落在枕木上。

圖5 取樣系統示意圖（取樣器放置在輔助支架內）

4 取樣器的技術性能及應用

本項目研制的取樣器結構實現了大長度保真取樣、快速壓力補償技術、下封口引水沖洗技術以及機械化長柱狀取樣器側舷投放回收技術。2011年5月，應用我們所研制的該型取樣器，在中國南海北部及東南海域共進行5次海上取樣試驗，驗證了取樣器性能和能力。實際取樣實驗表明，取樣器性能完全達到設計指標，滿足深水保溫保壓取樣技術要求，在作業水深3960m海域、取樣管長22.9 m時、獲取樣長18.05 m（見圖6），取樣率達到78.8%；在6 h內采樣器壓力下降0.2 MPa，壓力僅下降了0.667%，最高保壓能力達6 h/100%，而設計保壓指標為6 h內的壓力變動量不超過20%；海底溫度與出水時溫度相差不超過6℃，所取樣品質量滿足工程地質勘察技術要求，樣品已被用于相關科學研究。該型取樣器完全可滿足深水大型鉆井船、生產開發平臺等海上結構物全下錨深度內沉積物及天然氣水合物保壓采樣的技術要求，研制技術挑戰長柱狀沉積物保真取樣的深度極限，領先國際水平(目前德國太陽號船上的保壓取樣設備，采集2 m長的沉積物樣品，設備總長6.7 m)。

圖6 在南海深水海域應用研制的取樣器所獲取的樣品

5 結論

成功研發并制造的具有獨立知識產權的海底保溫保壓取樣器，打破了國外深水勘察技術封鎖，填補了國內空白。研制的海底保溫保壓取樣器可達23.5 m超長柱狀保壓取樣，技術領先國際水平。研究成果將在深海大型油氣田鉆采前對全下錨深度內的災害性地質取樣調查中廣泛應用，與目前通用的鉆探[10]相比，其作業成本成數量級降低，具有很高的社會與經濟效益，以及廣闊的應用前景。

[1]郭友釗.走向深海[M].北京：民族出版社，2002.

[2]王明田.深水井場工程勘察技術探討[J].中國造船，2005，46（增刊）：62-70.

[3]補家武，鄢泰寧，等.海底取樣技術發展現狀及工作原理概述－海底取樣技術專題之一[J].探礦工程,2001(2)：44-48.

[4]鄢泰寧，補家武，等.海底取樣器工作機理分析及選用原則：－海底取樣技術專題之二[J].探礦工程,2001(3)：19-22.

[5]沈建忠.國際大洋鉆探計劃研究方向與鉆探目標[J].地球學報，1999(02):9-16.

[6]Robert WDay.Subsurface Exploration[M].Fundation Engineering Handbook,McGraw-Hill,2006.

[7]臧啟運，韓貽兵.重力活塞取樣器取樣技術研究[J].海洋技術,1999,18(2)：56-61.

[8]宋歡齡.重力活塞取樣過程中某些問題的分析及其對策[J].海洋科學，1993(2)：17-18.

[9]Smith E A L.Pile-driving analysis by the wave equation[C]//A History of Progress:Selected U SPapers in Geotechncal Engineering.United states:American Society of Civil Engineers,2002:837-863.

[10]Austin Jr JA.Theintegrated ocean drillingpro gram:Utilizing new drillingplat formsfor ocean research[J].Marine Technology Society Journal，2004,38(2):44-54.