保壓取樣技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀綜述

劉協(xié)魯，陳云龍，阮海龍，蔡家品，趙義，劉海龍，李春

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

保壓取樣技術(shù)是使取出的樣品始終保持原始壓力狀態(tài)的一種特殊取樣技術(shù)。與常規(guī)取樣技術(shù)相比，保壓取樣技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于采獲的巖樣能夠始終保持原始的壓力狀態(tài)，巖樣的物理性質(zhì)不會因壓力釋放而發(fā)生破壞，巖樣中的流體也不會因?yàn)闇囟群蛪毫Φ淖兓l(fā)生揮發(fā)及流失，這對于正確認(rèn)識儲層地質(zhì)情況、進(jìn)行儲量精確計(jì)算、合理制定開發(fā)方案具有重要意義。

早在20世紀(jì)30年代，美國就提出了壓力取心技術(shù)。經(jīng)過幾十年的研究與探索，保壓取樣技術(shù)已發(fā)展出了保溫保壓取樣、保壓密閉取樣等多種取樣技術(shù)以及相應(yīng)的取樣工具，使得保壓取樣技術(shù)在天然氣水合物、煤層氣、石油、天然氣等多種能源領(lǐng)域中進(jìn)行了大量應(yīng)用，是目前采獲原位樣品的最重要手段。同時(shí)，隨著對原位樣品需求的增加，保壓取樣技術(shù)的應(yīng)用也逐漸進(jìn)入生物、水資源等領(lǐng)域。

1 在天然氣水合物勘探中的應(yīng)用

作為天然氣水合物勘查評價(jià)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，保壓取樣是識別、獲取水合物最直接有效的手段。由于受溫度和壓力影響較大，在天然氣水合物勘探中主要采用保溫保壓取樣技術(shù)，取樣方式主要采用繩索取樣。

得益于國際大洋鉆探計(jì)劃的實(shí)施，美國、日本、歐盟等國家對天然氣水合物保壓取樣工具的研究起步較早，已發(fā)展出多種類型的天然氣水合物保壓取樣工具[1-3]，如日本研制的PTCS和Hybrid PCS，歐盟研制的FPC和HRC以及大洋鉆探計(jì)劃中的PCS和PCB。這些鉆具借助國際大洋鉆探計(jì)劃以及諸多以天然氣水合物為目的的商業(yè)鉆探航次的實(shí)施，通過在實(shí)踐應(yīng)用中不斷完善，已成功應(yīng)用于世界各地的天然氣水合物鉆探取樣工作中，并能夠與后續(xù)轉(zhuǎn)移、處理裝置對接，形成了完整的保壓取樣技術(shù)鏈條。

相比之下，我國對天然氣水合物保壓取樣工具的研究起步較晚，目前國內(nèi)已經(jīng)形成了多種類型的取樣鉆具，部分鉆具的性能指標(biāo)已達(dá)到甚至超過了國外同類產(chǎn)品，并對相應(yīng)的天然氣水合物取樣技術(shù)規(guī)程、取樣工藝等進(jìn)行了研究[4]，具備了自主實(shí)施天然氣水合物鉆探取樣作業(yè)的能力。但受限于后續(xù)保壓轉(zhuǎn)移、處理裝置的研究，保壓取樣工具的應(yīng)用較為有限，與國外存在較大差距。

表1為國內(nèi)外主要保壓取樣鉆具的性能參數(shù)和在天然氣水合物勘探中的應(yīng)用情況，圖1為北京探礦工程研究所研發(fā)的天然氣水合物保溫保壓取樣鉆具示意圖。

表1 保壓取樣鉆具技術(shù)參數(shù)及在天然氣水合物勘探中的應(yīng)用情況

圖1 北京探礦工程研究所研發(fā)的天然氣水合物保溫保壓取樣鉆具

2 在石油天然氣行業(yè)中的應(yīng)用

在石油和天然氣勘探，尤其是在頁巖油、頁巖氣等非常規(guī)能源勘探中，由于常規(guī)取心會因鉆井液沖刷巖心，導(dǎo)致驅(qū)走巖樣中所含油氣水組分；在巖樣回收過程中，由于環(huán)境壓力變化，使巖心中的氣體和原油中的輕質(zhì)組分膨脹而發(fā)生逸散，導(dǎo)致無法正確認(rèn)識地質(zhì)情況、準(zhǔn)確計(jì)算油氣儲量。因此，在頁巖氣和頁巖油勘探中，通常采用保壓密閉取樣技術(shù)，作業(yè)方式通常為提鉆取樣。

盡管保壓取樣技術(shù)在20世紀(jì)30年代就已經(jīng)提出，但直到1982年才投入生產(chǎn)應(yīng)用。在該技術(shù)發(fā)展之初，主要采用的是美國克里斯坦森研制的保壓密閉取心工具(PCBBL型)。

我國對此項(xiàng)技術(shù)研究較晚，大慶油田在1979年開展了對此項(xiàng)技術(shù)的研究，自行研制了BYM-Ⅰ型保壓取心工具，并不斷進(jìn)行了改進(jìn)和試驗(yàn)，1985年7次下井試驗(yàn)時(shí)平均保壓率80.2%，先后在大慶長垣、古龍地區(qū)、海拉爾探區(qū)和新肇地區(qū)完成了保壓取心工作。1986年在此基礎(chǔ)上研制了適用于中深探井的BYM-Ⅱ型保壓取心工具，在檢333井現(xiàn)場試驗(yàn)中保壓率85.4%。2006年研制了適合于大慶深層的BYM-Ⅲ型保壓取心工具，在徐深12井深層火山巖和礫巖地層應(yīng)用，井口測試內(nèi)筒壓力為33 MPa，進(jìn)尺2.2 m，心長2.2 m，巖心收獲率100%，保壓率94.3%[16]。

中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院在2014年研制出GWY194-70BB型保壓取心工具[17]，由于保壓能力與巖心直徑兩項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)與國外同類產(chǎn)品存在明顯的差距，又以該型號鉆具為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)研發(fā)了GW-CP194-80A型保壓取心工具[18]，巖心直徑由70 mm提升至80 mm，保壓能力由20 MPa提升至60 MPa，并在遼河、大慶、四川等油氣田進(jìn)行了5口井27筒次的現(xiàn)場試驗(yàn)和應(yīng)用，取得了平均取心收獲率87.5%、保壓成功率92.6%的良好效果。

保壓取心技術(shù)不僅可以應(yīng)用于油氣勘探，在油田進(jìn)入生產(chǎn)后，也可應(yīng)用保壓取心技術(shù)采獲儲層巖心，獲取準(zhǔn)確的儲層油氣水飽和度數(shù)據(jù)，了解油層水淹情況。2002年，丘陵油田為準(zhǔn)確獲取油層油氣水飽和度數(shù)據(jù)，采用保壓取心技術(shù)在油田構(gòu)造相對完整的主體部位進(jìn)行了7筒保壓取心，平均密閉率82.1%，保壓率93.1%，保壓冷凍巖心孔隙中油氣水三相回收率達(dá)95%以上，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求[19]。

雖然保壓密閉取樣設(shè)備昂貴、技術(shù)工藝復(fù)雜、使用成本高，但隨著對儲量計(jì)算精度的要求逐漸提高，保壓密閉取樣技術(shù)開始越來越多地應(yīng)用到石油天然氣勘探中。

3 在煤層氣勘探中的應(yīng)用

煤層氣含量是表征煤儲層特征的關(guān)鍵參數(shù)之一，對于煤層氣資源勘探開發(fā)、靶區(qū)優(yōu)選、煤礦井瓦斯涌出量預(yù)測等都至關(guān)重要。以往進(jìn)行煤層氣取心時(shí)，大多采用大直徑繩索打撈取心鉆具等常規(guī)取心鉆具獲取巖心，然后采用回歸法計(jì)算煤層氣含量。但根據(jù)越來越多的國內(nèi)外煤層氣勘探開發(fā)、煤礦開采以及瓦斯涌出、通風(fēng)排放數(shù)據(jù)顯示，采用此種方法計(jì)算得出的數(shù)據(jù)普遍低于實(shí)際含氣量，因此，國內(nèi)逐漸將保壓取樣技術(shù)引入到煤層氣取心中。

由于煤層與油氣儲層在埋藏深度、壓力、溫度以及儲層非均質(zhì)性等方面有明顯不同，油氣保壓密閉取心工藝復(fù)雜、費(fèi)用高，而且油氣保壓密閉取心的測試內(nèi)容與煤層氣有所不同，國內(nèi)多家單位對煤層氣保壓取樣技術(shù)開展了研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。

中煤科工集團(tuán)孫四清等研制了地面井煤層氣含量精準(zhǔn)測試密閉取心鉆具，采用提鉆保壓取心工藝，保壓能力達(dá)到10 MPa以上，適用于埋深1000 m以內(nèi)的密閉取心，并在淮南潘三煤礦和淮北蘆嶺煤礦開展了2口井的對比試驗(yàn)，結(jié)果顯示利用保壓取心法采獲的煤層氣含量要比常規(guī)取心法獲得的煤層氣含量高20.23%～40.34%[20，21]，中國石油華北油田公司朱慶忠等研發(fā)的GW-CP194-80W型煤層氣雙保壓取心工具，采用提鉆保壓取心工藝，單次取心長度1.5 m，巖心直徑80 mm，雙保壓筒額定圍壓20 MPa，該型工具于2019年在沁水盆地M97-X井進(jìn)行了試驗(yàn)，鉆具出井后測得圍壓為13.5 MPa，內(nèi)壓為10.6 MPa，取出0.85 m結(jié)構(gòu)完整的煤巖樣品，取得較好效果[22]。王西貴等針對深層超深層煤層氣研發(fā)了深層超深層煤層氣保壓取心工具，同樣采用提鉆保壓取心工藝，單次獲取煤心長度4.5 m，煤心直徑75 mm，保壓能力30 MPa，目前尚未見到該型鉆具的應(yīng)用實(shí)例。中國地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所的李小洋等研制了煤層氣調(diào)查評價(jià)鉆探保壓取心鉆具，取心管長度為1.2 m，取心直徑85 mm，最大保壓能力為20 MPa，目前尚未見到該型鉆具的應(yīng)用實(shí)例。

4 在其他行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用

由于保持樣品原始壓力不會導(dǎo)致氣體氣相組分散失和有機(jī)組分分解，保壓取樣技術(shù)也逐漸應(yīng)用到其他領(lǐng)域。

作為海洋資源探測的主要任務(wù)之一，對深海水樣開展分析，不僅可以提高對海洋生物、海洋物質(zhì)循環(huán)甚至氣候變化的認(rèn)識，而且利用海水中標(biāo)志性氣體的異常信息，還能夠?yàn)殚_發(fā)利用海洋資源提供可靠的線索[25-28]。近些年來，在深海水樣取樣，尤其是在海底極端環(huán)境流體取樣分析方面，為減小對樣品物理化學(xué)性質(zhì)及微生物活性的影響，研究者開始在深潛器上搭載保壓取樣技術(shù)，下潛到指定海域進(jìn)行取樣。

國外對此方面的研究發(fā)展較快，已研發(fā)了一系列用于極端環(huán)境的深海流體取樣設(shè)備。其中，比較著名的是美國研制的帶有蓄能裝置的“Jeff”氣密保壓采樣器[29]。該采樣器在樣品回收過程和保壓轉(zhuǎn)移過程中均能夠利用蓄能器中的預(yù)充壓氮?dú)饩S持樣品壓力，同時(shí)還配備了溫度檢測裝置，可實(shí)時(shí)監(jiān)測熱液溫度。

相比之下，盡管我國開展此方面的工作較晚，但隨著近年來國家對海洋資源開發(fā)的加大投入，我國在海底熱液保壓取樣等技術(shù)方面取得了不少成果。浙江大學(xué)是國內(nèi)最早進(jìn)行深海保真取樣器研制的單位，以氣密等壓取樣器工作原理為基礎(chǔ)，自主研制了深海氣密保壓熱液取樣器，并在中美聯(lián)合深潛科考航次中搭載美國Alvin深潛器成功采集到高質(zhì)量熱液樣品[30]。此外，浙江大學(xué)還研制出了深海萬米級氣密保壓取樣器“GTP”并搭載我國“原位試驗(yàn)號”、“萬泉號”深淵著陸器，在馬里亞納海溝成功采獲氣密保壓樣品[31]。

5 結(jié)語

我國的保壓取樣技術(shù)總體起步較晚，但隨著近年來國家對此項(xiàng)技術(shù)的重視，以及國內(nèi)對自主研制裝備的認(rèn)識逐漸提高，國內(nèi)在天然氣水合物、石油、天然氣、煤層氣以及深海水樣等領(lǐng)域開展了大量的研究，取得了一些成就。由于后續(xù)樣品處理技術(shù)、成本昂貴、工藝復(fù)雜等條件限制，國內(nèi)保壓取樣技術(shù)并未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，我國應(yīng)繼續(xù)加大對此技術(shù)的研究與利用。