天然气水合物保压岩心分析及转移系统设计

赵义，刘协鲁，刘海龙，阮海龙

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

天然气水合物是一种白色固体物质，有极强的燃烧力，主要由水分子和烃类气体分子(主要是甲烷)组成，它是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等)下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物(碳的电负性较大，在高压下能吸引与之相近的氢原子形成氢键，构成笼状结构)[1]。一旦温度升高或压强降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。天然气水合物被视作是一种潜在的能源来源，其资源量超过了石油、天然气和煤炭的总剩余资源量。陆上天然气水合物因多年冻土带特征沿极地大陆架分布，近海天然气水合物则赋存于水深超过500 m且温度低于2℃的海洋沉积物中[2]。

目前确定天然气水合物中天然气的原位浓度的唯一直接方法就是在保持原位压力的情况下获取地层岩心，通过天然气水合物保压岩心分析及转移系统将岩心从保压取样器中转移出，完成对保压岩心的初步测试分析及低温高压保存。天然气水合物保压岩心分析及转移系统是保压取心器和使用保压岩心样品的研究人员之间的接口，它将取心器的保压岩心转移到测量室，无损分析可以提供基础地球物理数据、X射线图像及二次取样，并转移到定制的压力室以便运输或进一步分析。

1 国内外研究现状

对于天然气水合物保压岩心分析及转移技术，目前我国与世界先进水平存在较大的差距，特别是近年来随着海域天然气水合物钻探技术的发展，保压岩心分析和转移技术得到了突破性的进展，具有代表性为英国Geotek公司的PCATS系统(见表1)。PCATS系统构思于20世纪90年代，被大量用于综合大洋钻探计划(IODP)、大洋钻探计划(ODP)等海域天然气水合物钻探航次，经过多年实践改进，岩心分析及转移技术已趋于成熟[3-7]。2010年在韩国进行的UBGH-2航次，使用PCATS系统对20份GHOBS进行了切割，并对一些岩心进行了X射线断层分析。2015年和2016年广州海洋地质调查局天然气水合物调查(GMGS)，利用辉固公司的“航海者号”钻探船在南中国海完成了天然气水合物第三和第四钻探航次，这两个航次主要集中在神狐海域，水深1292 m，主要利用PCTB完成了保压取心，利用PCATS以及PCATS三轴系统完成了保压岩心的分析以评价用于未来开发的天然气水合物储层[8，9]。

我国海域天然气水合物钻探起步较晚，制约了天然气水合物资源勘探技术的发展[10]，国内天然气水合物保压取心技术已经取得了一定的进展(北京探矿工程研究所研制的TKP系列天然气水合物保温保压取样器于2015年在中国南海水深1200 m海域成功取得保压岩心[11])，但是还没有成熟的天然气水合物保压岩心分析及转移系统，前几次在中国海域完成的海域天然气水合物勘探航次都是花费重金租赁国外的技术装备。随着国家对天然气水合物资源勘探的重视，迫切需要发展具有我国自主知识产权的天然气水合物保压岩心分析及转移技术装备。基于上述情况，笔者基于北京探矿工程研究所研制的TKP天然气水合物保温保压取样器设计了符合我国海域天然气水合物勘探需要的保压岩心分析及转移系统。

表1 PCATS系统参数

2 天然气水合物保压岩心分析及转移系统设计

天然气水合物保压岩心分析及转移系统是钻孔与实验室之间最重要的联系纽带，提供了从取心高压室中取出岩心、采集岩心的背景数据，以及将岩心切割并在保压条件下转移至匀运输单元和专门分心单元的方法[12，13]。该系统由恒压补液单元、岩心转移单元、岩心切割单元、测试单元组成。

2.1 恒压补液单元的设计

恒压补液单元的主要作用为：在天然气水合物样品转移过程中将海水通过高压管路充入保压岩心分析及转移系统内，通过压力传感器、溢流模块、控制模块将系统内的压力维持在设定的压力值，使整个保压岩心转移过程压力稳定，减少转移过程中由于压力的变化给岩心带来的扰动。设计的恒压补液单元主要由高压泵、溢流阀、高压表、压力传感器、压力控制器等组成(图1)。

图1 恒压补液单元原理图

2.2 岩心转移单元的设计

在实际天然气水合物勘探工程中，利用保压取样器从地下或海底采集的保压岩心都需要将岩心从保压取样器岩心筒中转移出，目前有两种方式，一种是将取样器在冰浴(特制的冰水混合物槽)中冷却，释放压力取出保压样品，这种方式将会使保压岩心中的天然气水合物释放，很大程度上降低了保压岩心的科研价值；另一种方式是通过岩心转移将保压岩心在一定的压力、温度环境下转移出来，这种方式能减小环境变化对水合物保压岩心的扰动，最大程度的保留岩心地层原始特性，通过这种方式在海上采取的保压岩心可以通过特制的存储罐运输到陆地实验室，进一步对保压岩心进行科学研究。

岩心转移单元主要由推杆、快速连接夹、球阀、岩心爪组成(见图2)。具体的工作过程为：①将保压取样器的保压岩心筒与对接口相连接，岩心转移单元专门设计了与TKP保压取样器相匹配的接口，可以方便、快捷地与取样器相连接；②用快速连接夹将样品转移单元与对接口相连；③用恒压补液系统使岩心转移单元内的压力与保压岩心筒内的压力一致；④用推杆驱动岩心爪将保压岩心筒内岩心取出，运输进岩心转移单元中；⑤关闭球阀，卸去对接口，此时保压岩心就被留在岩心转移单元内，完成岩心转移过程。

图2 岩心转移单元结构示意图

2.3 岩心切割单元的设计

岩心切割单元(图3)的主要作用是将保压岩心在带压的环境下根据需要切割成多个小段，分别存储在岩心存储室内，以方便对岩心的不同分析测试。岩心切割单元主要由衬管切割器、不锈钢铡刀组成，工作时首先将岩心衬管用衬管切割器分段，然后将其中的岩心物用不锈钢铡刀切开。

图3 岩心切割单元示意图

2.4 测试分析单元的设计

测试单元的主要作用是在保压的环境下驱动岩心爪将岩心存储单元的岩心拉到传感器区，利用传感器对保压岩心进行测试。该测试分析系统主要有伽马密度测量系统、纵波波速测量系统和X射线系统组成，这些系统均被安装在一个铝制的耐高压室内。所有传感器都由中央计算机运行岩心分析程序来控制。通过岩心测试分析单元可以研究岩心内的密度和速度各向异性，还可以得到完整的岩心三维X射线图片，通过这些数据可以准确分析判定岩心中水合物的存在富集段，为天然气水合物取样岩心的现场切割以及保压转移提供依据。

3 结语

保压岩心分析及转移不仅是未来天然气水合物资源勘探技术的发展趋势，也是重要技术手段之一。随着我国对海洋天然气水合物资源勘探工作逐步展开，研制具有自主知识产权的天然气水合物保压岩心分析及转移系统技术，摆脱国外在相关方面对我国进行的技术封锁与束缚，已成为摆在我们面前急需解决的问题。本系统的研制开发可实现与国产天然气水合物保压取样器对接，实现对样品的保压转移，最大程度地提取保压样品的各项技术参数，系统的实现可为天然气水合物的勘探和开发提供丰富的基础资料，其研究意义重大。

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