海洋天然气水合物保温保压取样工具对比研究

刘协鲁，赵义，刘海龙，阮海龙，陈云龙，沈立娜，吴海霞，梁秋平

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

作为一种高度压缩的新型清洁环保能源，天然气水合物主要被发现于深海和永久冻土带的浅地层中。目前世界各国均争相开展天然气水合物勘查评价工作，中国、美国、日本均进行了海域天然气水合物试采工作，获取了大量的参数，以期早日实现商业开采。作为天然气水合物勘查评价的一项关键技术，保温保压取样是识别、获取水合物最直接有效的手段。得益于ODP、DSDP等计划的实施，美国、日本、欧盟等国家对天然气水合物保温保压取样工具的研究起步较早，通过在实践应用中不断完善，已发展出多种类型的天然气水合物保温保压取样工具，并成功应用于世界各地的天然气水合物钻探取样工作中。前人已从不同角度对国外天然气水合物保温保压取样工具进行了概述，本文在此基础上，重在阐述目前国内外天然气水合物保温保压取样工具的结构特点及技术指标，并对应用情况进行了介绍和对比，以期为国内天然气水合物取样工具的研制提供一些参考。

1 国外天然气水合物保温保压取样工具

1.1 日本研制的PTCS和Hybrid PCS

PTCS是1998年由日本国家石油公司委托美国Aumann&Associates公司进行设计、制造，并在2004年进行了升级。其内筒采用的密封机构为球阀，通过球阀的开关实现保压功能。而保温功能的实现主要在岩心衬管和内管之间增加保温材料，通过注入液态氮和热电冷却装置，并结合低温钻井液实现的。

Hybrid PCS是日本海洋科学技术研究机构(JAMSTEC)在PTCS的基础上发展而来，它可以与综合大洋发现计划(IODP)的其他取心工具兼容，如液压活塞取心器。与PTCS不同的是，Hybrid PCS可以与Geotek公司的PCATS(保压岩心分析和转移系统)进行对接，从而实现在原位状态下对岩心进行分析。Hybrid PCS的密封机构与PTCS一致，也是采用球阀密封，但密封位置有所不同。Hybrid PCS与PTCS的不同详见图1。

图1 PTCS和Hybrid PCS结构对比图

1.2 DSDP采用的PCB

PCB是深海钻探计划DSDP使用的保压取样钻具，采用双管单动式取心筒，由钻头卡心部分、球阀机构、内外岩心筒总成、压力补偿系统、轴承悬挂总成及上部差动机构等部分组成。其保压功能主要是靠球阀的关闭以及由高压氮气储气室和压力调节器组成的压力补偿系统实现的。由于球阀调整所耗时间较长，需2～5 h，故该取样器的使用频率受球阀的限制。该取样器的基体结构见图2。

1.泄压阀；2.蓄能器；3.取样口；4.样品短节；5.流体排出孔；6.机械孔；7.泄压短节；8.岩心内衬；9.MP35N岩心筒；10.岩心抓；11.球阀；12.支撑轴承；13.闩；14.岩心；15.非保压岩心；16.保压岩心图2 DSDP PCB的基本结构

1.3 ODP采用的PCS

为了提高取心率并保持天然气水合物岩样的稳定性，Pettigrew设计了PCS并成功在ODP中代替了PCB的使用。PCS可以与ODP中使用的其他工具联合使用，从而实现从松软到坚硬的不同地层都中能取出原位压力的样品。PCS主要组成部分如图3所示，由锁紧装置、起动装置、蓄能器装置、多支管装置、球阀装置、可拆卸的样品腔组成，蒋国盛等(2001)对各装置的功能特点进行了较为详尽的介绍，张凌等(2009)对PCS取样腔内部密封结构特点进行了详细的分析。

1.球托；2.非旋转岩心筒；3.岩心；4.球阀；5.导向钻头；6.循环喷嘴；7.岩心抓；8.岩心筒轴承；9.启动球；10.台肩；11.PCS横闩图3 ODP-PCS的基本机构及工作流程示意

1.4 欧盟研制的FPC和HRC

欧盟根据ODP实施中发现的问题和建议，提出了HYACE(hydrate autoclave coring equipment)项目。其中辉固(Fugro)据此开发出了冲击取心工具，即FPC；而HRC(现已变成FRPC，即Fugro旋转保压取心器)则是由德国设计研发的。HRC与FPC类似，保压功能都是通过翻板阀开关实现的，有所不同的是，FPC通过液压循环产生的锤击驱动岩心筒进入到沉积物层，而HRC则是在钻井液的作用下，逆向螺杆马达驱动钻头前部的管靴深入到沉积物中。FPC是被设计用来在非固结的沉积物中进行取心，包括松软到坚硬的黏土以及含砂或砾的沉积物中；而HRC则是用在稍微固结的地层中，可从层状沉积物或岩石中取样。二者的基本机构如图4和图5所示。

1.岩心抓；2.活塞；3.卡爪；4.销钉；5.承撞件；6.活塞杆；7.联顶环；8.ODP-BHA；9.打捞颈；10.泄压机构；11.阀；12.振动块；13.锤室；14.密封；15.渣孔；16.高压釜；17.套；18.阀；19.蓄能器；20.外筒；21.衬里；22.ODP牙轮钻头图4 FPC的基本结构

1.PCD取心钻头；2.内筒；3.瓣阀；4.多用途中心杆；5.延长挡板；6.万向节；7.具有销装置的台肩；8.ODP-BHA；9.支撑台；10.分流器；11.滑动转筒；12.内高压釜；13.外筒；14.活塞；15.ODP牙轮钻头图5 HRC的基本结构

2 国内天然气水合物保温保压取样工具

2.1 中海油田服务股份有限公司研制的海底水合物保真取样器

该取样器的研制是依托国家重大专项“深水工程勘察船及配套技术”项目，主要由保真取样筒、吊放架、重锤机构、导流装置及相关配件等组成。取样器释放后，依靠自身重力插入沉积物中进行取样。该取样器采用被动保温方式，使用隔热材料镀层进行保温，样品压力则是依靠压力补偿器。取样器的结构如图6所示。

图6 海底水合物保真取样器结构示意图

该型取样器于2011年在中国南海通过5次海上取样试验，验证取样器的性能和能力。结果显示，样品质量能够满足工程地质勘查技术要求。

2.2 中石化胜利石油管理局钻井工艺研究院研制的WEPC、WRPC和DRPC

WEPC(Wireline Extend Pressure Corer)绳索伸出式保压取样器进行取样作业时，边转动边加压，作业结束后，绳索打捞系统与打捞机构对接后，解锁锁定机构，活塞与保样管上行，进入到保温保压筒内后球阀关闭，实现保压(图7)。该型取样器的岩心长度为3 m，直径为32 mm，最大压力为20 MPa。

WRPC(Wireline Rotary Pressure Corer)绳索旋转式保压取样器进行取样作业时，通过转动钻具实现取样钻头钻进取样，可以在硬岩层中进行钻探取样。该型取样器采用板阀作为密封机构，并具有压力补偿机构和温度压力记录仪，其岩心长度为3 m，岩心直径为48 mm，最大压力为20 MPa。

1.外筒；2.打捞头；3.限位及锁定总成；4.压力补偿装置；5.保温保压机构；6.控制机构；7.大取样钻头；8.球阀机构；9.伸长管；10.岩样；11.岩心爪；12.小取样钻头图7 WEPC工具结构示意图

DRPC(Drill-stem Rotary Pressure Corer)钻柱式旋转保压取样器进行取样作业时，将取心装置与钻具在井口连接好，利用钻杆将取心装置放至指定层位。结束后需从井口投入钢球至挡球塞，通过憋压剪断挡球塞的销钉，使其下落，球挂机构释放拉杆和保温保压筒。该型取样器采用球阀作为密封机构，同样具有压力补偿装置和温度压力记录仪，其岩心长度为3 m，岩心直径为56 mm，最大压力为20 MPa。

以上3种工具在胜利油田浅海区域进行了功能性试验，目前并未见有实际取样工程作业的相关资料。

2.3 中国地质调查局北京探矿工程研究所研制的TKP-1型保温保压取样器

该型取样器的研制是依托中国地质调查局地质调查项目“水域地层原位钻探取样器具设计及工艺研究”。该型取样器采用模块化设计，主要由打捞矛头、驱动段、蓄能器、阀组段、保压岩心筒和保压阀段组成。取样器的保温机构采用真空管结构，即使用双层管结构，管中间进行抽真空处理，从而减缓样品与外界的热交换。保压功能的实现则是通过活塞式蓄能器和翻板密封机构，能够自动对样品管进行压力补偿。取样器的结构如图8所示。

图8 TKP-1型保温保压取样钻具结构示意图

3 技术指标对比

3.1 取样工具参数对比

由表1可知，目前国内外保温保压取样钻具的投放方式均为绳索提放，这是由于海洋钻探的特殊性导致。在密封机构的选择上，各型取样器的选择有所不同，在同尺寸的钻杆中，使用翻板阀作为密封机构的取样钻具的样品直径要稍大于使用球阀的取样钻具，这可能是因为翻板和球阀的结构不同引起的。而在样品长度的选择上，PTCS和Hybrid PCS的样品长度最长，均为3.5 m，其他均为1 m左右。在最大工作压力方面，ODP-PCS最高，Hybrid PCS略高于TKP-1，其他类型的取样工具均低于30 MPa。

表1 不同类型保温保压取样钻具参数表

3.2 取样工程作业参数对比

表2列出了国内外不同类型取样器在实际取样工程作业中保压成功率的数据。TKP-1型保温保压取心工具的保压成功率最高，达到77.7%，其次为ODP-PCS取样器在Leg204和Leg201航次中的数据，Hybrid PCS和Fugro的2种取样钻具的数据相差不大。

表2 不同类型保温保压取样钻具作业参数表

表3列出了国内外不同类型取样器在实际取样工程作业中岩心收获率的数据。从表中可知，ODP-PCS在Leg204和Leg201航次中的岩心收获率最高，达到95%，其次为Hybrid PCS和TKP-1，Fugro的2种取样钻具的数据相对较低。值得注意的是，尽管在表2和表3中，Fugro的2种取样钻具的数据并不是很理想，但在经过了持续的工程实际应用和相应的改进后，Fugro的FPC和FRPC已是目前天然气水合物航次中应用最广泛的保压取心设备。

表3 不同类型保温保压取样钻具作业参数表

3.3 保温功能

前人也曾对不同钻具的保温性能进行研究，结果表明，PCB、PCS、FPC和HRC均不具有保温功能，PTCS的保温功能是通过绝热管和热电冷却技术实现。TKP-1的保温功能是通过真空管的设计实现的。通过室内试验和海上验证，使用真空管取样能达到较好的保温效果。

3.4 取样工具间的适配性

对于PCS、Hybrid PCS、FPC和HRC来说，它们所采用的井下钻具组合(BHA)与常规取心工具是相同的，即在常规取心与保压取心作业转换时，不会因为取样工具的不同而转换整个钻进系统。TKP-1也同样如此，它与北京探工所研制的常规取心钻具(如压入活塞式取样钻具、超前伸缩式取样钻具等)和非常规取心工具(如匀速取样钻具)使用的BHA是相同的。

3.5 与岩心处理系统的适配性

在使用保温保压取样钻具取到原位样品后，通常会在钻探船上直接进行带压转移、测试等工作，目前国际上通用的是由Geotek公司研制的PCATS系统。Hybrid PCS、FPC和HRC均可与PCATS实现对接。日本早期研制的PTCS的内岩心筒也不适用于PCATS。相比之下，由于我国深海勘查技术装备基础薄弱，尽管已研制出TKP-1型保温保压取样钻具，并对相匹配的岩心处理系统开展了一定的研究和室内试验，但却并未进行海上试验，尚未实现工程应用。

4 结论与建议

(1)从以上参数、性能指标以及适配性来看，在岩心直径、保压成功率等方面TKP-1型保温保压取样钻具已经达到了国际先进水平，与常规取心工具使用的BHA也一致，具有较强的操作灵活性。

(2)在过去几十年中，由于各国对天然气水合物这一未来能源的投入逐渐增大，保温保压取样工具取得了显著的进展。通过有计划的开展海域钻探项目，取样工具不断改进，目前已经非常成熟。相比之下，由于我国天然气水合物研究起步较晚，设备匮乏，在勘查评价之初，均采用国外设备，为此付出了高昂的租赁费用。近些年来，在国家的大力支持下，国内对保温保压钻具的研究不断深入，最终研制成功TKP-1型保温保压取样钻具，并实现工程应用，成功打破国外垄断。相信在我国的天然气水合物勘查评价工作中推广应用后，TKP-1型取样钻具也能够不断完善改进，继续提高样品收获率和保压性能，以期更准确的反映海底各个深度地层所包涵的信息，最终更好地服务于我国天然气水合物资源勘查工程。

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