深海天然气水合物钻探取样中的“桩效应”分析

2013-12-04朱杰然

钻探工程 2013年8期

朱杰然

(1.中国石油大学〈华东〉，山东东营257061;2.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257017)

0 引言

天然气水合物是21世纪一种重要的战略资源，已经吸引了各国政府和科学家的高度关注，我国目前也正积极开展天然气水合物的调查及勘探、开发的研究工作［1，2］。天然气水合物勘探的关键之一是取样技术，由于海域天然气水合物多赋存于海洋海床深部，只有进行海洋深部钻探，才能取得矿床评价所需信息。目前国外已设计并投入使用的取样工具有很多种，我国也研制了一些深海沉积物取样器，但主要用于获取海床表层的沉积物样品［3，4］，目前还未见可用于深海、深层岩心保真取样的工具。笔者在参与研制深海天然气水合物取样工具的过程中，进行了一些相关的理论探讨工作。

国内外已经进行的深海科学钻探工程表明，由于取样过程中的“桩效应”［5，6］等问题，钻探过程中的岩心取样率很难保证。因此，针对深海天然气水合物钻探取样过程中“桩效应”现象进行力学分析，对钻具的优化设计及后续海洋平台上的实际取样过程的操作均具有十分重要的现实意义。目前国际上对钻探过程的“桩效应”现象的机理还缺乏统一的认识，理论上增加取样筒孔径可以增加取样率，但是地质钻探过程所采用的取样筒的尺寸限制非常苛刻［7］，取样筒的最大内径控制在10 cm左右。本文从解析的角度对深海天然气水合物钻探取样过程中可能存在的“桩效应”现象做了一定的分析。

1 “桩效应”的解析分析

深海取样工具如图1所示，钻井工作过程中，护筒及筒外岩层切削工具在驱动力的作用下旋转，切削海床上部地层，到达目标层位后，取样筒在静压作用下刺入岩层中，获取样品。随着样品进入取样筒中高度增加，筒内的样品与取样筒内壁的摩擦阻力增加，当总摩阻力达到某一数值时，取样筒下部的岩层受力达到极限状态，不再进入取样筒内。进入取样筒的样品像“瓶塞”一样阻止下部的岩层进入取样筒，就出现了“桩效应”。

图1 深海取样工具取样筒部位结构

由于取样筒一般为圆筒形，可以近似认为岩心受力是一个轴对称问题。任取样筒内一段高为dz的岩心微分体，其受力情况如图2，由竖向静力平衡可得:

图2“桩效应”力学分析

式中:A——取样筒横截面积;σv——竖向应力;τv——样品与取样筒内壁的摩擦力;U——取样筒内部圆周长。

将式(1)两边取微分，可得:

式中:D——取样筒的内径。

忽略取样过程对岩层的扰动及样品筒中样品的压缩，样品与取样筒之间的摩擦力可以写为:

式中:μ——样品与取样筒之间的摩擦系数;k——岩层的静止侧压力系数。

将式(3)代入式(2)，可得到样品竖向应力的微分方程:

式(4)在z=0处的边界条件为:

式中:P0——取样层位的平均竖向应力，即P0=γ'H;γ'、H——分别为岩层的有效重度和取样深度。

式(2)的解为:

设产生“桩效应”时的取样高度为d，则岩心和取样筒之间的摩擦力为:

将式(3)代入式(7)可得:

当“桩效应”产生时，取样筒下方的土体达到极限状态，可知:

将式(8)代入式(9)可得:

从式(10)中可知，取样高度和取样管管径、样品与管之间的摩擦系数、海床的原位压力以及侧压力系数和强度参数等相关。从以上的分析可知，取样高度随取样筒内径D的增加而增加，随样品与取样管之间的摩擦系数μ的增加而减小。

为了验证解析分析的正确性，本文计算了D和μ变化时取样高度的变化。计算所用的参数如下:取样筒内径D的变化范围为4～10 cm，样品和取样筒之间的摩擦系数μ的变化范围为0.2～0.5，取样深度为100 m，海床表层土体的有效重度为7.5 kN/m3，水合物(结冰状态)的内摩擦角取35°，粘聚力为300 kPa。

图3、图4给出了取样筒内径和土－管之间摩擦系数变化时取样高度的变化，由图可知:取样高度随取样筒内径呈线性变化，当取样筒内径为10 cm时，取样高度可接近0.45 m。深海深层取样筒的总长度约为1.0 m，因此其取样率约为45%。当土－管之间的摩擦系数增加时，取样高度减小。当μ达到0.5时，取样率不到20%，技术、经济上是不合理的。

图3 取样高度随取样筒内径的变化

图4 取样高度随取样筒与样品之间摩擦系数的变化

2 参数分析

工程钻井实践表明，“桩效应”不仅表现为取样筒内的样品“堵塞”取样筒，还表现为取样筒下部的岩层在荷载的作用下，发生塑性流动，无法进入取样筒内。因此，“桩效应”还和取样筒下部岩层的极限承载力有关，岩层的承载能力越小，特别是取样筒从较硬的岩层进入较软的岩层时，越容易出现“桩效应。因此取样率还和目标岩层的强度指标、取样深度相关。由于目前获得的深海沉积层的土工参数资料非常少见，本文根据文献调研的数据［8～11］，通过参数分析，研究了样品长度随岩层的内摩擦角φ、粘聚力c和取样深度H的关系。

图5给出了目标岩层的内摩擦角φ对取样高度的影响。图5(a)和图5(b)分别给出了取心筒内径D和土－管之间摩擦系数μ变化时取样高度的变化。由图可知，取样高度随岩层内摩擦角的增加而显著增加。从图5(a)可知，当岩层内摩擦角为25°时，采用10 cm内径的取样筒也仅能达到约30%的取样率;当岩层内摩擦角为45°时，其最大取样率可接近80%。从图5(b)可知，当岩层内摩擦角为45°时，最大取样率可达60%;当岩层内摩擦角为25°时，最大取样率约为20%。

图5 岩层内摩擦角对取样高度的影响

图6给出了目标岩层粘聚力c对取样高度的影响，图6(a)和图6(b)分别给出了取心筒内径D和土－管之间摩擦系μ变化时取样高度的变化。与内摩擦角变化时类似，由图6可知，岩层粘聚力提高也有助于提高取样率。综合图5和图6分析可知，提高目标岩层的强度可以提高采样率。由于天然气水合物在取样过程中容易受钻杆的扰动，强度指标降低，实际取样工具的设计应考虑从技术上减少对岩层的扰动。

天然气水合物一般赋存于水深＞300 m的海床底下，在南海水底的水合物一般埋藏在水深超过1000 m的海底160 m左右的岩层中。本文研究了取样深度对取样高度的影响(图7)。图7(a)和图7(b)分别给出了取心筒内径D和土－管之间摩擦系数μ变化时取样高度的变化。由图7可知，随着取样深度增加，取样高度减小，但是减小的幅度非常小。