深海天然气水合物钻探取心技术

收稿日期:2009204201基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)“天然气水合物钻探取心关键技术”课题(2006AA09A207)作者简介:王智锋(19752),男,河南沈丘人,工程师,博士研究生,现从事井下工具研究及科研技术管理工作,E 2mail :wan 2gzf @ 。

文章编号:100123482(2009)0920012204深海天然气水合物钻探取心技术王智锋1,2,许俊良2,薄万顺2(1.中国石油大学石油工程学院,山东东营257061;2.胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营257017)摘要:天然气水合物作为一种高效、清洁的新能源,已经引起世界广泛关注,由于其不稳定性,采用的钻探取心装置必须具备保真功能。

简要介绍了国内外4种天然气水合物取心装置及国内取心工具研究进展,叙述了胜利石油管理局钻井工艺研究院承担国家“863计划”重大专项“天然气水合物钻探取心关键技术”采取的取心工具方案。

关键词:天然气水合物;取心;保压;钻探中图分类号:TE952 文献标识码:AG as H ydrate Drilling Coring T echnologyWAN G Zhi 2feng 1,2,XU J un 2liang 2,BO Wan 2shun 2(1.College of Pet roleum Engineeing ,China Universit y of Pet roleum ,Dongy ing 257061,China;2.D rilling Technolog y Research I nstitute ,S hengli Pet roleum A dminist ration B ureau ,Dong ying 257017,China )Abstract :As a new kind of high efficiency and clean energy resource ,nat ural gas hydrate has ex 2tensively attracted attentions all aro und t he world.The device used for sampling t he nat ural gas hydrate core must po ssess t he p roperties of warm preservation and p ressure preservation due to it s instability.The developing sit uations at home and abroad for sampling of t he nat ural gas hy 2drate ,a new preliminary concept for sampling of t he nat ural gas hydrate were int roduced.The coring tool research project included in t he “Key coring technology for nat ural hydrate ”was de 2scribed ,a major p roject of national “863”plan.K ey w ords :gas hydrate ;coring ;pressure preservation ;drilling 天然气水合物(gas hydrate )是一种白色固体结晶物质,外形像冰,有极强的燃烧力,可作为上等能源,俗称为“可燃冰”。

据理论计算,1m 3的天然气水合物可释放出164m 3的甲烷气和0.8m 3的水[122]。

这种固体水合物只能存在于一定的温度和压力条件下,一般要求温度低于0～10℃,压力高于10M Pa ,一旦温度升高或压力降低,甲烷气则会逸出,固体水合物便趋于崩解。

由于这一特殊性,若要获得其样品具有一定的难度,从海底到地面压力和温度都要发生很大的变化,要实现岩心样品保持接近原始状态,必须利用特殊的取心设备。

1　国外钻探取心技术现状[127]目前,国外钻井船使用的保压取心器主要有国际深海钻探计划(DSDP )使用的保压取心筒PCB ;国际大洋钻探计划(ODP )使用的保压取心器PCS 、活塞取心器A PC ;日本研制的P TCS ;欧盟研发的H YACE 等。

1.1　保压取心器PCSPCS 是一种自由下落式展开、液压驱动、钢缆　2009年第38卷 石油矿场机械　第9期第12页 OI L FIE LD EQUIPMENT 2009,38(9):12～15　回收的保压取心工具,它既采用了传统的油田压力取心技术,又采用了DSDP 计划发展起来的取心技术。

研制PCS 很大程度上是希望提高取心率和维持天然气水合物的稳定性。

PCS 靠自由落体展开,坐落锁紧在井底钻具B HA 里并一起旋转。

理论上在70M Pa 的高压下PCS 可取到长86cm 、直径 42mm 的岩心样品。

PCS 在Leg146等航次取得了接近原位压力的岩心、气体和水样品。

PCS 由锁紧装置、启动装置、蓄能器装置、多支管装置、球阀装置和可拆卸的岩心室(样品腔)等6部分组成(如图1)。

其工作过程是:取心作业一旦结束,孔底岩心样品被切断提取,关闭钻探泥浆泵;同时取心钢丝绳和PCS 相连接,向上提起B HA 上的固定座以释放启动球,然后下降PCS 使之回到B HA 固定座上;重新启动钻探泥浆泵,给钻杆柱加压,这样就会使PCS 的启动装置工作,将样品腔关闭;之后通过取心钢丝绳将PCS 提取出来。

一旦提到甲板,可以利用分离系统将气体或液体样品分离出来,还可以将样品腔直接放入冷藏室保存。

1—锁紧装置;2—多支管装置;3—启动装置;4—蓄能装置;5—样品腔;6—球阀装置图1　保压取心器PCS 结构1.2　保温保压取心器PTCS该取心器是由日本石油公司石油开发技术中心委托美国Aumann &Associates 进行设计、制作和室内试验,其总体结构和工作原理与ODP 2PCS 相似。

保温功能主要通过岩心衬管和内管之间增加保温材料和注入液态氮,并在钻进过程中配合泥浆冷却装置和低温泥浆实现。

该钻具分别于1997年在加拿大的马更些三角洲、1998年在石油公团柏崎试验场进行正式试验,反复对保温保压取心器进行了改革、改进。

日本在“南海海槽”海洋探井使用保温保压取心器在主孔及追加探井进行了取心,其中,主孔从海面以下1175～1254m 井段共取心27次,进尺79m ,取岩心2911m ,采取率37%;追加探井从海面以下1149～1233m 井段的4层水合物层,共取心12次,进尺36m ,取岩心1619m ,采取率47%。

1.3　保压取心筒DSDP 2PCBDSDP 2PCB 是深海钻探计划使用的保压取心筒,有3种型号,其中Ⅲ型PCB 是在I 型、II 型基础上改制的,由一套绳索高压取心筒组成,其底部装有球阀,球阀有直径 58mm 的孔,在其上部有取心机构、排气孔和减压阀。

取心筒沿着钻具下放并与钻头锁紧,卡断岩心后,下放绳索打捞工具并开锁到PCB 上,向上提升绳锁,产生的拉力激活一系列机构,首先使球阀和排气孔关闭,最后打开释放机构,使取心筒脱离钻具。

在PCB 被提升过程中,减压阀通过排出浮动活塞蓄压器中的氮气保持内部压力不大于3414M Pa ,或者通过沉淀池和过滤器排出过高的压力;而且浮动活塞蓄压器被预先充以2715M Pa 氮气,一旦筒内压力超过27.5M Pa ,将引起活塞压缩氮气;当取心室的压力超过3414M Pa ,减压阀打开仅使氮气排出,这样,使天然气保持在岩样中,且使减压阀不会被沉积物堵塞。

当PCB 到达甲板上时,岩心的压力和温度可被监测,高压天然气和流体在控制的条件下被排除。

这种特制的绳索取心系统允许在同一回次中取出几段保压岩心。

1.4　欧盟保压取心系统H YACE1997年,欧盟海洋科学和技术计划(MAST )研制了新型的天然气水合物保压取心器H YACE 系统。

H YACE 是另一种保持原位压力的沉积物取心器,为适应不同海底底质条件,H YACE 又分为冲击式采样器FPC (Fugro Pressure Corer )和旋转式采样器HRC (Hyace Rotary Corer )2种。

FPC 利用震动冲击装置驱动钻头前部的取心筒,可贯入沉积物中1m 左右。

当采样完成后,钢缆提升取心筒至压力腔,通过一个特殊的翻板阀密封保持压力,最高保持压力为25M Pa 。

该冲击式采・31・　第38卷　第9期 王智锋,等:深海天然气水合物钻探取心技术样器适用于在非岩性沉积物(从软泥、砂到砂砾)中取心,样品直径 58mm。

HRC利用反转马达驱动钻头前部管靴,可深入沉积物达1m左右,与FPC类似,HRC也是通过一个特殊的翻板阀密封保持压力,最高压力可达25 M Pa。

该旋转式采样器可在硬质岩的沉积物中采样,样品直径 50mm。

2　国内钻探取心技术现状[527]国内大庆油田曾研制过M Y2215型保压取心工具,主要结构由上接头、球挂式差动装置、悬挂轴承总成、单向阀总成、内筒、外筒、球阀总成、岩心爪总成、取心钻头和密闭总成等组成。

保压取心筒是一种双筒单动式取心筒,外筒与取心钻头连接,传递钻压和扭矩;内筒是非旋转的薄壁管,悬挂在用钻井液润滑的轴承上,它不但是容纳岩心的容器,同时也是作为岩心切割后的壳体,其长度适合于运输。

工具上部差动装置具有伸缩功能,并带有锁闭和释放机构,内外六方传递扭矩。

工具下部是球阀总成,也是工具下部密闭系统。

当钻完进尺后,上提钻具割断岩心,然后投入1个 50mm钢球,使之坐于滑套球座上,待钻井液返出且泵压正常,说明滑套到位。

此时在外筒重力作用下,内外六方脱开,外筒下移,其重力作用在球阀半滑环上,半滑环使球体产生一定扭矩并旋转90°而关闭球阀,使岩心密封在内筒中。

压力补偿系统包括高压氮气储气室和1个可调节的压力调节器,以及相关的供给氮气阀门机构,阀门机构可预先调节到规定压力,起钻过程中可恒定地向内筒补充压力,直到与地层压力平衡为止。

工具下井前,在内筒中预先填充一种非浸蚀性的胶体密闭液,在钻进过程中不断把岩心包封起来,保护岩心免遭钻井液污染。

割心时,上提钻具,岩心爪卡断岩心,并把岩心封闭在球阀内。

该工具使用常规钻杆提钻取出岩样,在油田取心中获得过较好的成绩,但保压成功率仍有待提高。

“十五”期间,在国家高技术研究发展计划(863计划)中部署了天然气水合物的取心研究,其中,浙江大学研制的天然气水合物重力活塞式保真取样器(如图2)采用重力活塞将取心管插入海底沉积物中取心,取心长度最多10m。