天然气水合物保温保压取心工具研制及现场试验

任 红， 裴学良， 吴仲华， 周广清， 杨启贞， 许俊良

(中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257000)

天然气水合物对温度、压力的变化很敏感，受扰动易挥发，取心难度极大，我国一直没有研制出适合的取心工具，也没有进行相关的研究。在此情况下，我国于2007和2013年分别租用国外公司的冲击式保压取心工具FPC和旋转式保压取心工具FRPC，并采用国外公司的钻探船进行了天然气水合物勘探取心，证实我国蕴藏有丰富的天然气水合物资源。与此同时，国内多家机构也开始了天然气水合物取心工具的研制开发。但由于国内缺乏配套的钻探设备，相关研发工作、特别是真正能进入深海天然气水合物层的取心工具的研制工作进展缓慢。中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院是国内最早开始天然气水合物取心工具研发的单位之一，为减少钻探过程中对天然气水合物的扰动，通过天然气水合物保温保压取心试验[1-2]，在突破深海绳索快速取心、保温保压和压力补偿等关键技术后，设计了适用于海洋环境的多种作业方式的绳索式天然气水合物保温保压取心工具。在室内和浅海区域进行功能性试验后，于2017年5月依托深水钻探船海洋石油708，在天然气水合物赋存区成功取得样品，证明了该工具的可行性，为我国海底天然气水合物自主勘探取心提供了技术支撑。

1 绳索式保温保压取心工具结构及工作原理

天然气水合物绳索式保温保压取心工具包括绳索打捞回收系统、锁定释放系统、保温保压系统、压力补偿系统、密封系统、控制及温压监测系统和取样系统等，如图1所示。

图1 绳索式保温保压取心工具结构示意Fig.1 Structural sketch for rope type temperature-pressure preservation coring tool1.绳索打捞回收系统；2.锁定释放系统；3.保温保压系统；4.压力补偿系统；5.密封系统； 6.控制及温压监测系统；7.取样系统

其工作原理是，用绳索将内部工具组合送入下部钻具组合内，锁定释放系统到位后开始取心，取心结束后，打捞内部工具组合，岩心管差动进入保温保压系统，关闭密封阀实现保温保压筒密封，上提过程中压力补偿系统自动工作进行补压，完成天然气水合物的保温保压取心。

根据取心作业方式不同，绳索式保温保压取心工具分为伸缩插入式、活塞射入式、冲击器冲击式和马达旋转式4种类型，可根据天然气水合物赋存地层情况进行选择，保证在不起钻的情况下完成钻探取心作业。

1.1 伸缩插入式保压取心工具

伸缩插入式保压取心工具的结构如图2所示。

图2 伸缩插入式保压取心工具结构示意Fig.2 Structural sketch of telescopic insertion type pressure preservation coring tool1.打捞矛头；2.锁定弹卡；3.保温保压筒；4.密封阀；5.非干扰取心管

该工具适用于海底表层很软的沉积物取心。其工作原理是，工具下放到位后锁定弹卡弹出，进入下部钻具组合外筒台肩中，起到纵向锁定的作用，非干扰取心管提前伸出钻头口，取心工具靠钻具施压插入地层进行取心，完成取心后，绳索打捞上提过程中取心管差动进入保温保压筒，实现保压取心[1-3]。

1.2 活塞射入式保压取心工具

活塞射入式保压取心工具的结构如图3所示。

图3 活塞射入式保压取心工具结构示意Fig.3 Structural sketch of piston injection type pressure preservation coring tool1.打捞矛头；2.座环；3.液压剪销；4.保温保压筒；5.密封阀；6.取心管

活塞射入式保压取心工具适用于海底表层很软和较软的沉积物取心。其工作原理是，在工具下放过程中，座环到达下部钻具组合外筒台肩后，开泵，利用液压剪断销钉，岩心管在液压推力下冲击进入地层进行取心，在打捞过程中使岩心管与保压筒2次差动实现保压取心。

1.3 冲击器式保压取心工具

冲击器式保压取心工具的结构如图4所示。

冲击器式保压取心工具适用于海底硬度较大的沉积物取心。其工作原理是，取心工具下放到位后开泵，冲击器在液力作用下开始工作，冲锤产生的振动冲击力传递给取心工具，取心工具下端一点一点敲击进入地层，完成取心后绳索上提工具,上提过程中取心管差动进入保温保压筒，完成保压取心。

图4 冲击器冲击外筒式保压取心工具结构示意Fig.4 Structural sketch of impact external cylinder-type pressure preservation coring tool1.打捞矛头；2.冲击器；3.差动释放机构；4.保温保压筒；5.密封阀；6.取心管

1.4 马达旋转式保压取心工具

马达旋转式保压取心工具的结构如图5所示。

图5 马达旋转式保压取心工具结构示意Fig.5 Structural sketch of motor rotation type pressure preservation coring tool1.打捞矛头；2.马达定子；3.马达转子；4.锁定块

马达旋转式保压取心工具适用于硬地层取心。其工作原理是，取心工具下放到位后开泵，液压推动锁定块弹出，将马达定子锁定在下部钻具组合外筒上不转，液力驱动马达转子旋转，带动下部保温保压筒和取心管旋转，靠取心管上的钻鞋旋转完成取心，之后绳索上提工具过程中，使取心管与保温保压筒的锁定解锁，差动后进入保温保压筒，完成保压取心。

2 绳索式保温保压取心工具关键技术

对天然气水合物进行保压取心时，由于在钻探船上采用不起钻裸眼取心方式，取心工具受到海水和天然气水合物本身特性的影响，需要其具有保持温度和压力、压力补偿、快速打捞和减小取心扰动等功能。为此，研究了以下关键技术。

2.1 绳索打捞回收装置

绳索打捞回收装置用于取心结束后的快速提取，主要包括钢丝绳、锁绳器、轴承组合、承拉短节、安全销和打捞块(见图6)[4]。轴承组合用来防止起下工具时钢丝绳打扭。安全销保证工具在井底遇卡不能起出时使钢丝绳安全脱出，通过理论计算和室内多次试验确定安全销为45号钢φ10.0 mm圆柱销。打捞块起力的传递作用，张开时释放下部钻具组合，回收时收拢，随打捞回收装置一起上行。经过室内和海上的多次试验，绳索打捞回收装置均能安全完成打捞解锁功能。

图6 绳索打捞回收装置结构示意Fig.6 Structural sketch of rope fishing and recovery device

2.2 取心驱动装置

2.2.1 结构及工作原理

天然气水合物取心比常规取心更需要减小对样品的扰动，在几种取心驱动方式中，采用小尺寸冲击器(见图7)冲击取心管取心效果较好。冲击器主要依靠冲锤及钻井液构成的液压循环冲击系统工作，其动作过程可简单地理解为增压和释压过程：冲锤上行是液压循环冲击系统的增压过程，当压力增大到一定程度，冲锤便在锥套形成的高压作用下向下行，直到冲锤与轴接触，冲击功传递给下部受冲击体上形成冲击取心；冲锤下行是液压循环系统的释压过程，冲击器的冲击过程是液压系统增压和释压过程的反复循环。

图7 冲击器结构示意Fig.7 Schematic diagram of impactor

2.2.2 功能性试验

采用试验装置对冲击器正常工作的排量、泵压进行了测定。试验结果为，冲击器在排量为2.5～3.0 L/s时正常工作，泵压为4～5 MPa，满足取心工具的需要。

2.3 保压密封阀

2.3.1 结构及工作原理

保压密封阀是取心工具的关键部件，关系到天然气水合物取心的成败。由于保温保压取样工具采用绳索取心方式，工具外径受到钻柱内径的限制，因此为了增大取心直径，设计了相贯线式保压密封阀，如图8所示。

图8 相贯线式保压密封阀Fig.8 Intersecting line type pressure seal valve

2.3.2 功能性试验

在室内对其进行了密封性试验。试验显示，低压初始密封效果很好，最低至0.5 MPa时可以密封，高压最高试至30.0 MPa，保持30 min后压力未降低。与其他部件组装成保压筒，从泄压孔中向保压筒施加30.0 MPa压力，保持22 h后压力仅降低了1.0 MPa，满足海底天然气水合物取心的要求。

2.4 保温筒

2.4.1 结构及工作原理

保温筒采用填充隔热复合材料二氧化硅气凝胶的方式。二氧化硅气凝胶的导热系数可低至0.013～0.016 W/(m·K)，低于静态空气的热导系数(0.024 W/(m·K))，比相应的无机绝缘材料低2～3个数量级，具有很好的保温隔热效果。

2.4.2 功能性试验

保温筒一端用丝堵密封，另一端放入冰块，然后用丝堵密封。保温保压筒上设3个测量点(两端丝堵和保温筒中间)，采用测温仪对其进行温度测量，每隔20 min测一次，并记录数据。试验数据见表1。

由表1可知，保温筒外侧温度与环境温度基本一致，而非保温筒外侧温度明显低于环境温度，说明保温筒有明显的保温效果。

2.5 压力补偿装置

2.5.1 结构及工作原理

压力补偿装置为一活塞腔，采用预充氮气推动活塞的方式对保温保压筒进行压力补偿。

2.5.2 功能性试验

在室内对压力补偿装置与充气接头进行了联合密封性试验，用氮气瓶充气9.0 MPa，补偿装置开关工作正常，在水容器内检验未发现泄漏。

表1 保温筒保温试验数据Table 1 Insulation test data of heat preservation cylinder

2.6 取心管

2.6.1 结构及工作原理

取心管包括钻鞋、岩心爪和衬管等，是最先也是最多与天然气水合物样品接触的部件，是形成、截断和临时保存岩心的关键部件。随着样品进入取心管后高度增加，筒内的样品与取心管内壁的摩擦阻力增加，当总摩阻力达到某一数值时，取心管下部的岩层受力达到极限状态，不再进入取心管内。进入取心管的样品像瓶塞一样阻止下部的样品再进入取心管，就出现了“桩效应”。

2.6.2 分析试验

对取心管进行了“桩效应”现象模拟分析和室内试验，结果如图9所示。

试验可知，宏观层面(岩心)，由于管内壁摩阻力阻止了管端样品向管内涌入，以及管内壁摩阻力与管端向上挤压力作用造成土体压缩变形；细观层面(土颗粒)，是“咬合与粘结”的颗粒群在岩心柱周围向下与底部向上作用下发生向上移动与挤密的过程[5]。经过试验分析，对形成岩心的钻鞋锥角进行了设计，优选了接触岩心的衬管，并改进了岩心爪，在空间受限的情况下从多方面减小了“桩效应”对天然气水合物取心的影响。

图9 取心管“桩效应”试验结果Fig.9 Analysis test of core tube “pile effect”

3 现场试验

2017年4月20日至5月10日，依托中国海油海洋石油708船，在南海LW3区块2口井水深1 310.00 m、泥线以下100.00～123.50 m进行了天然气水合物取样作业，共计取样13回次，其中9回次保压取样成功。

9回次成功试验中，都是采用小排量控制取心速度，实现了保压取样。现场测压过程中，为防止压力变化造成天然气水合物快速分解，最高仅测至12.014 MPa。测压结束后，采用配套的气体收集点火装置，对保温保压取样工具中保压样品分解的气体进行了收集，先检测了其成分，发现99.2%～99.7%为甲烷气体，然后点火成功，标志着成功取到了天然气水合物保压样品。

对于保压取样不成功的情况，分析认为：其中3回次主要是因为无成功的经验可供借鉴，对天然气水合物赋存区地层硬度与无水合物区域地层有很大不同这一点考虑不足；同时，受海上风浪影响船体晃动较大，对取样工具的正常工作造成了很大影响，使取样管伸出钻头后因受力发生了弯曲，卡在了保压筒入口处，在绳索上提后没有实现工具的差动，未能保压成功。另外1回次，是因为该工具使用过程中密封配件突然失效，造成保压不成功。

4 结论及建议

1) 通过研究保压密封阀、保温筒、压力补偿装置、岩心管和绳索打捞回收装置等关键部件，形成了天然气水合物绳索保温保压取心工具及技术。

2) 室内试验分析和现场试验表明，研制的绳索保温保压取心工具满足深海天然气水合物取心要求，为国内天然气水合物的自主勘探取样提供了技术支撑。

3) 为提高保压取样的成功率，需进一步改进取心工具，建议采用新型材料提高取心管的强度和韧性，使之适应天然气水合物取样需求；另外，建议优化密封阀的结构，进一步提高初始密封效果。

参考文献
References

[1] 任红，许俊良，朱杰然.天然气水合物非干扰绳索式保温保压取样钻具的研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2012，39(6)：1-4.

REN Hong,XU Junliang,ZHU Jieran.Development of non-interference wire-line pressure-temperature-preserving sampling drilling tool for gas hydrate[J].Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling),2012,39(6):1-4.

[2] 马清明，任红，许俊良.天然气水合物钻探取样：WEPC工具研制[J].非常规油气，2014，1(3)：47-51.

MA Qingming,REN Hong,XU Junliang.Gas hydrate drill coring sample：WEPC system development[J].Unconventonal Oil & Gas,2014,1(3):47-51.

[3] 王智锋，管志川，许俊良.天然气水合物深水深孔钻探取心系统研制[J].天然气工业，2012，32(5)：46-48.

WANG Zhifeng,GUAN Zhichuan,XU Junliang.Research and development of a gas hydrate coring system in the deep sea water[J].Natural Gas Industry,2012,32(5):46-48.

[4] 裴学良，许俊良，朱杰然.套管钻井底部钻具组合送入与回收装置的研制[J].油气田地面工程，2013，32(6)：24-25.

PEI Xueliang,XU Junliang,ZHU Jieran.Development of combined delivery and recovery device for drilling tools at the bottom of casing drilling[J].Oil-Gasfield Surface Engineering,2013,32(6):24-25.

[5] 许俊良，刘键，任红.天然气水合物取样高度探讨[J].石油矿场机械，2010，39(10)：12-15.

XU Junliang,LIU Jian,REN Hong.Discussion of gas hydrate core sample height[J].Oil Field Equipment,2010,39(10):12-15.