天然气水合物岩心带压转移装置研制与现场试验

裴学良， 任 红， 吴仲华， 许俊良， 周洪国， 孙艳军

(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条件的变化很敏感，一旦温度升高或压力降低，烃类气体会逸出，固体水合物趋于崩解。因此，在钻探取样结束后，为保证将取得的保压岩心安全、完好地转移到实验室，必须配备一套与保温保压取心工具配套的岩心转移装置，将天然气水合物岩心在带压力情况下转移和保存起来，然后经过运输，转移到实验室。

目前，国外已有比较成熟的天然气水合物岩心带压转移装置[1],而国内由于天然气水合物的钻探研究起步较晚，相应的带压转移设备的研究也较少。陈家旺等人[2]研发了采用液压泵和蓄能器共同保压的带压转移装置，但该装置只适用于重力取样设备。因此，为配合钻探船和钻探取样工具，笔者研究了天然气水合物岩心带压转移技术,研制出了与天然气水合物保温保压取样工具[3-8]配套的带压转移装置。经室内和现场试验验证，该装置能够满足现场需要，为国内天然气水合物的自主勘探取样提供了一套岩心后处理设备。

1 结构及工作原理

1.1 带压转移装置结构

带压转移装置由岩心管、保温保压筒、保温保压筒上的密封阀、法兰、转移仓上密封球阀、转移仓、平移油缸拉杆、平移油缸、油缸电气液压控制系统和压力平衡系统等组成，如图1所示。其中，保温保压筒是配套取心工具存放岩心管的主要部件，转移仓用于存放带压转移后的岩心管，平移油缸拉杆和平移油缸用于连接并推动岩心管带压移动，油缸电气液压控制系统和压力平衡系统包括流量调节阀、电比例调压阀、电机和油泵等控制压力的装置。

图1 带压转移装置结构Fig.1 Structure of pressure-holding transfer device1.岩心管；2.保温保压筒；3.保温保压筒上的密封阀；4.法兰；5.转移仓上的密封球阀；6.转移仓；7.平移油缸拉杆；8.平移油缸；9.油缸电气液压控制系统；10.压力平衡系统

带压转移装置的工作介质为纯净水，工作温度为2～37 ℃，工作压力为25 MPa，最高不超过35 MPa。测试压力表的量程为0～40 MPa，使用场地需要配备220 V交流电，频率为50 Hz，功率为10 kW。带压转移装置含电缆总质量约5 000 kg，其外形尺寸为6 058 mm×2 438 mm×2 438 mm。

1.2 工作原理

带压转移装置上的转移仓与保温保压筒通过法兰连接，由平移油缸推动活塞拉动岩心管经过法兰和密封阀进入转移仓，关闭转移仓上的密封球阀后，转移仓可以脱离带压转移装置，然后转移至冷藏柜，进行冷藏保存。

通过电气液压控制系统将电能转换为液压能，通过液压油缸将液压能转换为机械动能，实现岩心管的转移操作。

通过控制平移油缸实现保温保压筒内岩心管的平移拉出，通过电磁换向阀、电比例溢流阀和电比例调速阀调节油缸运动速度，从而控制岩心管的拉出速度。在平移油缸拉杆端头和岩心管连接杆端头之间安装可自动对中的浮动连接装置，以保证岩心管的拉出动作平稳。保温保压筒与转移仓相连接，在岩心管完全进入转移仓后可关闭转移仓上的球阀，通过平衡阀平衡转移仓和保温保压筒中的压力，当平移油缸回拉时，转移仓中的介质通过平衡阀回流至保温保压筒中，实现各腔室压力平衡。

2 关键技术研究

研制带压转移装置的难点在于要保持保温保压筒、转移仓和平移油缸之间压力平衡，并在带压情况下移动保温保压筒内的岩心管。保持压力平衡需要泵源压力控制回路，带压转移需要泵源流量控制回路以驱动平移油缸，进而控制岩心管的移动。

泵源压力控制回路泵源压力控制回路首先将控制所需的压力信号传递给油泵电机组，进而控制其输出的工作介质压力，将该压力提供给需要该液压源的装置，在平移油缸运动过程中，保持保温保压筒、转移仓及平移油缸间压力动态平衡。

泵源流量控制回路泵源流量控制回路是将控制平移油缸运动的信号传递给油泵电机组，通过控制工作介质的输出流量，驱动平移油缸按所需速度前进或后退。

工作介质温度控制回路系统的回油均汇集到风冷冷却装置热端，经过散热后回到油箱。温度传感器设置在油箱内部，用于输出信号以控制冷却装置的启停。

自循环清洗回路及污染度控制、报警装置将“压力控制输出口”与“回油口”直接短接或经过其他需要清洗的产品后回接到油箱。该回路要经过两级油滤，可实现油箱油液自循环清洗以及对其他产品或装置的清洗。回路中的2个油滤均安装信号发生装置，当油滤被污染时，操作面板上的“污染”指示灯亮起，提醒工作人员清洗或更换油滤。回路中还设置了取样阀，以方便工作人员取样，检查系统清洁度。

超压安全防护措施为防止系统压力过高而发生危险，共配备有3套超压安全防护措施:1) 油泵电机组设置有安全阀，当系统压力超过安全阀压力设定值(22 MPa)时，安全阀工作泄压;2) 安装有基于系统自动判断和控制的超压报警停机系统,当系统超压时，变频器会自动停机，以防止无人值守或工作人员反应过慢而发生不安全情况;3) 电气控制面板上设置“紧急停机”蘑菇头按钮，按下该按钮时，电机油泵组立即停止工作;当紧急情况解除后通过旋转蘑菇头按钮复位，系统才能再次进入工作准备状态。

3 室内功能性试验

为保证带压转移装置能够配合保温保压取心工具在深海赋存区现场实现天然气水合物岩心的带压转移，对带压转移装置中各腔体的控制、耐压和密封情况进行了大量的室内功能性试验，并完成了岩心管的模拟带压转移。

3.1 平移油缸控制测试

为测试油缸电气液压控制系统对平移油缸的控制，将液压控制系统与平移油缸进出接口连接，打开电气控制面板上的开关，系统能够控制平移油缸灵活平稳运动，并且数字显示面板能够实时显示控制压力，数字显示压力与平移油缸管路上压力表显示的压力相同，说明油缸电气液压控制系统对平移油缸的控制能够满足带压转移装置的需要。

3.2 液压控制系统耐压测试

液压控制系统耐压测试主要是为了测试液压控制系统中管路的耐压情况，确保保压管路在试验过程中安全可靠。测试方法是从平移油缸开始，首先关闭液压管路中第一个阀门，通过水泵向管路中加压，保持5 min，观测压力表数值是否发生变化，如无变化，打开阀门，再向下一个阀门移动。通过每一段管路的检测，确定整个管路有无压力泄露。经过测试，液压控制系统各阀门、管路和接头没有泄露，能够满足下一步的测试要求。

3.3 转移仓密封测试

转移仓是带压存放转移岩心的部件，因此其密封情况对保存带压岩心至关重要。测试方法是关闭转移仓下端的球阀和上端密封机构，通过转移仓的泄压口加压至35 MPa，通过与泄压口连接的压力表实时观测压力变化情况。测试结果表明,转移仓压力保持2 h无变化，能够满足保存带压岩心的需要。

3.4 带压转移装置与保温保压筒整体功能性试验

为测试岩心管在带压情况下向转移仓中转移的情况，进行了带压转移装置与保温保压筒的整体功能性试验。试验过程为:1) 将保温保压筒与岩心管上端人为固定密封，打开保温保压筒的密封阀，向内注水；2) 关闭保温保压筒的密封阀，从泄压口排气后，向保温保压筒内注入水，加压至30 MPa；3) 连接平移油缸拉杆与岩心管拉杆间的浮动装置，再用法兰连接转移仓与保温保压筒；4) 将保温保压筒泄压口连接到压力平衡控制系统，并在泄压口处安装压力表；5) 向转移仓中注入水,加压至与保温保压筒内压力相同；6) 向平移油缸拉杆远离岩心管一端注入水，加压至比计算平衡压力略低；7) 松开保温保压筒上端固定岩心管的卡块，使岩心管在压差作用下通过密封面连通保温保压筒和转移仓；8) 在岩心管通过密封面后，及时向转移仓中补充压力，并缓慢减小平移油缸另一端的压力，使岩心管自动由保温保压筒向转移仓运动，直到平移油缸拉杆到达极限位置，完成岩心管带压力情况下向转移仓的转移。

由于岩心管、平移油缸拉杆均为细长杆件，在对接移动过程中容易发生弯曲变形，影响动密封机构的密封效果，导致转移过程中压力泄露。从前期10余次失败的试验中总结经验，增加了浮动装置并改进了动密封结构，又经过20余次试验后，最终确定采用液压缸拉动与压差推动岩心管相结合的方式，实现了岩样从保温保压筒向转移仓的带压转移。

4 现场试验

2017年4月20日至5月10日，在南海水深1 310.00 m、泥线以下100.00～123.50 m首次取得天然气水合物保压岩心，采用研制的天然气水合物岩心带压转移装置成功将水合物岩心在带压状态下从保温保压筒转移至转移仓中保存。在冷冻集装箱内将保温保压筒放置在与带压转移装置配套的试验台上，油缸电气液压控制系统控制平移油缸拉杆伸出，与保温保压筒上端伸出的岩心管接头连接，在连接保温保压筒与转移仓上法兰后，开启压力平衡系统和油缸电气液压控制系统，保证在岩心管移动过程中保温保压筒与转移仓的压力相同，直至岩心管顺利从保温保压筒转移到转移仓中。在保证转移仓上端密封后，关闭转移仓下端密封球阀，卸开法兰，将转移仓放入冷柜中冷藏。经过现场试验，带压转移装置实现了12 MPa下岩心的带压转移。储存带压天然气水合物岩心的转移仓在0～3 ℃冷藏，50 h后现场采用气体收集点火装置对转移仓中的岩心进行气体采集，并点火成功。

5 结论与建议

1) 采用液压缸拉动与压差推动岩心管相结合的方式，自主研发了天然气水合物岩心带压转移装置，实现了岩心从保温保压筒向转移仓的带压转移。

2) 室内试验结果表明,带压转移装置各腔体的控制、耐压和密封性能良好。现场试验中，在天然气水合物赋存区成功完成天然气水合物保压岩心的带压转移，且转移仓密封可靠，为国内天然气水合物的自主勘探取样提供了技术支撑。

3) 建议与天然气水合物岩心检测机构合作，在带压转移装置上增加现场带压检测设备。

参考文献
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