劉協(xié)魯，阮海龍，趙 義，蔡家品，陳云龍，梁 濤，李 春，劉海龍，鄧都都

（北京探礦工程研究所，北京 100083）

0 引言

天然氣水合物，因資源量豐富、能量高度壓縮、清潔環(huán)保等特點(diǎn)，成為未來(lái)理想的戰(zhàn)略接替能源之一［1-7］，引起了世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視，并爭(zhēng)相開展勘查試采工作［8-11］。采獲高保真的實(shí)物樣品，開展飽和度、開采特性等分析，是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水合物資源儲(chǔ)量的基礎(chǔ)工作。確定天然氣水合物中賦予的天然氣原位濃度的唯一方法是通過保溫保壓取樣鉆具獲取地層原狀巖心。原狀天然氣水合物取樣難度大、工藝復(fù)雜，不僅需要在保溫保壓狀態(tài)下采獲，而且要保證不同地層條件下原位樣品的采取率，同時(shí)還要保證樣品在取樣過程中原位狀態(tài)的保持，對(duì)取樣技術(shù)提出了較高的要求。國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)保溫保壓取樣技術(shù)開展了大量研究，并逐漸投入水合物資源勘查鉆探應(yīng)用中。

1 國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

美國(guó)、日本、歐盟等國(guó)家對(duì)天然氣水合物保溫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溫保壓取樣工具，比如日本研制的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。這些鉆具借助于ODP、DSDP 等國(guó)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（見表1）。

表1 國(guó)外保溫保壓取樣鉆具的應(yīng)用情況Table 1 Applications of foreign pressure-temperature core samplers

相比之下，我國(guó)對(duì)海域天然氣水合物保溫保壓取樣工具的研究起步較晚，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)形成了多種類型的取樣鉆具（見表2），并對(duì)相應(yīng)的天然氣水合物取樣技術(shù)規(guī)程［16］、取樣工藝［17］等進(jìn)行了研究，但僅有部分進(jìn)行了海上取樣試驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)工程應(yīng)用的鉆具更是少見。

表2 國(guó)內(nèi)保溫保壓取樣鉆具的應(yīng)用情況Table 2 Applications of domestic pressure-temperature core samplers

盡管近年來(lái)國(guó)家對(duì)天然氣水合物資源的重視與投入逐漸加大，但在保溫保壓取樣技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用上，仍與國(guó)外存在不小的差距。為此，北京探礦工程研究所在地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目的支持下，對(duì)保溫保壓取樣技術(shù)開展了深入研究，先后研發(fā)出壓入式板閥保溫保壓取樣鉆具和回轉(zhuǎn)式球閥保溫保壓取樣鉆具。本文將從工作原理、特點(diǎn)、試驗(yàn)與應(yīng)用等方面對(duì)這2種鉆具進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

2 TKP-1 型壓入式板閥保溫保壓取樣鉆具

2.1 取樣鉆具工作原理與特點(diǎn)

TKP-1 型鉆具的工作原理是壓入取樣，即當(dāng)鉆具落入井底的外管總成中后，啟動(dòng)泥漿泵，利用鉆具上的密封，使得鉆桿內(nèi)泵壓不斷升高，當(dāng)達(dá)到液動(dòng)錘工作壓力后，液動(dòng)錘開始工作并錘斷銷釘，同時(shí)不斷推動(dòng)鉆具內(nèi)管壓入地層，完成取樣工作［21］。

在結(jié)構(gòu)方面（見圖1），壓入式板閥保溫保壓取樣鉆具采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由打撈矛頭、限位環(huán)、驅(qū)動(dòng)段、蓄能器、閥組段、保壓巖心筒和保壓閥組成。保溫功能的實(shí)現(xiàn)是依靠真空管結(jié)構(gòu)，即使用雙層管結(jié)構(gòu)，管中間進(jìn)行抽真空處理，從而減緩樣品與外界的熱交換。保壓功能的實(shí)現(xiàn)則是通過主動(dòng)保壓和被動(dòng)保壓。主動(dòng)保壓是利用活塞式蓄能器，將壓力轉(zhuǎn)換為壓縮能進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)取樣過程中出現(xiàn)壓力泄漏時(shí)，能夠釋放壓縮能對(duì)巖心筒的壓力進(jìn)行補(bǔ)充。而被動(dòng)保壓是利用安裝在鉆具下部的板閥密封機(jī)構(gòu)，在取樣結(jié)束后，板閥翻轉(zhuǎn)，對(duì)巖心筒形成密封［21-22］。

圖1 TKP-1 型壓入式板閥保溫保壓取樣鉆具結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of the press-in plate valve pressure-temperature core sampler（TKP-1）

該型取樣鉆具的特點(diǎn)如下：

（1）采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠與常規(guī)取樣鉆具共用外管總成。

（2）鉆具總長(zhǎng)度3.5 m，巖心筒長(zhǎng)度1 m，樣品直徑為52 mm。

（3）保壓性能≤20 MPa。

（4）在取心過程中，失溫速率＜5 ℃/h。

（5）適用于軟－中硬地層，組裝拆卸方便，安全可靠。

2.2 試驗(yàn)與應(yīng)用

2015 年4 月，該型取樣鉆具在中國(guó)南海100 m水深海域進(jìn)行鉆探取心試驗(yàn)，打撈成功率100%，保壓成功率達(dá)到33%。隨后對(duì)取樣器保壓機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)。同年7 月在中國(guó)南海804 m 及1392 m 水深海域再次進(jìn)行了海試，共計(jì)進(jìn)行了6 個(gè)回次的保壓取樣，5 個(gè)回次連續(xù)保壓成功，壓力損失均在10%以下，且4 個(gè)回次取到滿管樣品。

基于2 次海試的成功和取樣經(jīng)驗(yàn)，同年9 月利用該型鉆具在南海水深1309 m 海域進(jìn)行了天然氣水合物取樣作業(yè)，在天然氣水合物富集層位累計(jì)進(jìn)行了18 回次取樣作業(yè)，鉆探進(jìn)尺18 m，總計(jì)獲得巖心長(zhǎng)度＞9.85 m，巖心采取率＞54.7%；有14 回次樣品管壓力＞10 MPa，保壓成功率達(dá)到了77.7%，具體性能指標(biāo)見表3。作業(yè)中，共計(jì)收集了22 L 分解氣，并成功點(diǎn)火（見圖2）［23］。

圖2 保壓樣品紅外掃描及現(xiàn)場(chǎng)集氣點(diǎn)火Fig.2 Infrared scanning image of pressure holding sample and field gas gathering and ignition

表3 TKP-1 型鉆具在水合物取樣作業(yè)中的應(yīng)用數(shù)據(jù)Table 3 Field data of the press-in plate valve pressure-temperature core sampler in hydrate sampling

在該次天然氣水合物取樣作業(yè)中，壓入式板閥保溫保壓取樣鉆具在保壓成功率方面，略高于國(guó)外鉆具，但在樣品直徑、長(zhǎng)度、最大工作壓力以及巖心收獲率方面仍有差距（見表4）。由于該型取樣鉆具的驅(qū)動(dòng)方式為壓入式，僅適用于軟－中硬地層，在硬地層中并不適用。

表4 TKP-1 型壓入式板閥保溫保壓取樣鉆具與國(guó)外同類鉆具取樣技術(shù)指標(biāo)對(duì)比Table 4 Comparison of sampling technical indicators between the press-in plate valve pressure-temperature core sampler (TKP-1)and the foreign sampling drilling tool

3 TKP-2 型回轉(zhuǎn)式球閥保溫保壓取樣鉆具

3.1 取樣鉆具工作原理與結(jié)構(gòu)

TKP-2 型鉆具是在TKP-1 型鉆具的基礎(chǔ)上研發(fā)的，能夠采獲賦存在中硬－硬地層中的天然氣水合物樣品。該型取樣鉆具的工作原理是隨鉆取樣，即當(dāng)鉆具落入井底的外管總成中后，啟動(dòng)頂驅(qū)與泥漿泵，開始旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)時(shí)，外管帶動(dòng)取樣鉆具旋轉(zhuǎn)，巖心逐漸進(jìn)入巖心管中，取樣結(jié)束后打撈取樣工具時(shí)，通過差動(dòng)實(shí)現(xiàn)球閥翻轉(zhuǎn)關(guān)閉，保持巖心管內(nèi)部壓力。

在結(jié)構(gòu)方面（見圖3），回轉(zhuǎn)式球閥保溫保壓取樣鉆具同樣采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由打撈矛頭、聯(lián)動(dòng)卡、蓄能器、閥組段、保壓巖心筒和球閥總成組成。保溫機(jī)構(gòu)和主動(dòng)保壓機(jī)構(gòu)與TKP-1 型鉆具一致，而被動(dòng)保壓機(jī)構(gòu)則采用特殊設(shè)計(jì)研究的球閥，在取樣結(jié)束后球閥翻轉(zhuǎn)對(duì)巖心筒進(jìn)行整體密封。

圖3 TKP-2 型回轉(zhuǎn)式球閥保溫保壓取樣鉆具結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural diagram of the rotary ball valve pressure-temperature core sampler（TKP-2)

該型取樣鉆具的特點(diǎn)如下：

（1）與常規(guī)取樣鉆具共用外管總成，組裝拆卸方便，安全可靠。

（2）鉆具總長(zhǎng)度4.9 m，巖心筒長(zhǎng)度3 m，樣品直徑為51 mm。

（3）保壓性能最大為30 MPa。

（4）在取心過程中，失溫速率＜5 ℃/h。

（5）適用于中硬－硬地層。

3.2 試驗(yàn)與應(yīng)用

2018 年9 月，在南海水深630 m 海域?qū)υ撔豌@具進(jìn)行了海上試驗(yàn)。試驗(yàn)共鉆進(jìn)18 m，累計(jì)取樣試驗(yàn)18 個(gè)回次，累計(jì)取心長(zhǎng)度17.1 m，鉆具的取樣率、保壓成功率等性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，針對(duì)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的退樣操作復(fù)雜等問題，重新進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。

2019 年9 月，在地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目中，再次檢驗(yàn)了該型保溫保壓取樣鉆具在水合物區(qū)域的作業(yè)性能指標(biāo)（見圖4）。該航次依托“海洋地質(zhì)十號(hào)”調(diào)查船，在南海水深786 m 處實(shí)施，共計(jì)進(jìn)行了7 個(gè)回次保壓取樣，樣品直徑為51 mm，球閥關(guān)閉率100%，采樣過程失壓率＜10%，保壓成功率100%，巖心采取率77%（見表5）。對(duì)試驗(yàn)中3 個(gè)回次采集到的樣品進(jìn)行了氣體采集，均點(diǎn)火成功（見圖5），證實(shí)了水合物賦存，達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)效果。

圖4 回轉(zhuǎn)式球閥保溫保壓取樣鉆具現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試Fig.4 On-site commissioning of the rotary ball valve pressure-temperature core sampler

圖5 現(xiàn)場(chǎng)集氣、點(diǎn)火Fig.5 On-site gas gathering and ignition

表5 回轉(zhuǎn)式球閥保溫保壓取樣鉆具海試情況統(tǒng)計(jì)Table 5 Summary of marine trials of the rotary ball valve pressure-temperature core sampler

4 結(jié)論

隨著我國(guó)對(duì)天然氣水合物這一未來(lái)能源的投入逐漸加大，國(guó)內(nèi)已涌現(xiàn)出多種類型的保溫保壓取樣鉆具，其中壓入式板閥保溫保壓取樣鉆具和回轉(zhuǎn)式球閥保溫保壓取樣鉆具，經(jīng)過多次海上試驗(yàn)，已能夠在軟－中硬－硬地層中采獲滿足工程應(yīng)用需求的原位天然氣水合物樣品。但在工程應(yīng)用中展現(xiàn)出的巖心直徑、樣品長(zhǎng)度、最大工作壓力等性能指標(biāo)以及鉆具與后續(xù)帶壓轉(zhuǎn)移處理裝置的對(duì)接等方面，與國(guó)外成熟鉆具仍存在一定差距，這需要在今后的工作中不斷進(jìn)行改進(jìn)與升級(jí)。

盡管目前利用國(guó)內(nèi)保溫保壓取樣鉆具開展工程應(yīng)用的案例較少，但初步摸索了海域天然氣水合物保溫保壓取樣作業(yè)流程，有效推進(jìn)了海域天然氣水合物資源勘查自主化進(jìn)程。國(guó)內(nèi)保溫保壓取樣鉆具經(jīng)過不斷的研發(fā)與改進(jìn)后，能夠逐步替代國(guó)外產(chǎn)品，在天然氣水合物勘查評(píng)價(jià)工作中得到推廣應(yīng)用。

海域天然氣水合物保溫保壓取樣鉆具的研發(fā)與應(yīng)用，不僅能夠促進(jìn)水合物資源開發(fā)的科技進(jìn)步，同時(shí)對(duì)我國(guó)維護(hù)海洋權(quán)益、海洋產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都具有重要意義。