海洋天然气水合物探测及取样钻具研制

李小洋， 王汉宝， 张永勤， 梁 健， 刘秀美， 尹 浩

(1.中国地质科学院勘探技术研究所，河北 廊坊 065000； 2.上海金泰工程机械有限公司，上海 201805)

0 引言

天然气水合物是一种高效清洁能源，其燃烧产生的热量比同等条件下煤、石油、天然气产生的多，但是污染却比这些常规燃料要小得多。而且天然气水合物资源丰富，据估算，世界天然气水合物总量相当于全球已探明煤、石油、天然气等常规能源总量的2倍[1-4]。目前已探明的天然气水合物总量的90%分布在水深300～4000 m的大陆架、大洋中脊、海沟和海岭等海底沉积物中[5-6]。我国海域辽阔，初步探明海底天然气水合物资源储量也十分可观。在天然气水合物资源调查评价中，往往先通过地球物理方法探测海底拟反射层(bottom simulating reflector，缩写为BSR)，然后根据BSR确定水合物的分布区域和埋藏深度，通过钻探取样来确定水合物的具体赋存层位和物化特性[7-9]。但通过取样发现物探方法并不能完全准确地反映水合物的埋藏深度，并且目前国内采用的水合物取样需要依靠国外的取样技术来完成，受到了极大的限制[10]。为此，结合大量的绳索取心实践经验和前期的保压取样技术研究，项目组研发了一种绳索打捞式组合钻具，包含水合物超前探测钻具、保温保压取样钻具和大直径取样钻具，旨在通过水合物地层的超前探测、保真取样和非水合物地层补充取样来获取真实完整的水合物地层数据。

1 钻具功能设计

在前期研究天然气水合物保压取心技术的基础上[11-12]，同时结合海洋天然气调查单位提出的新问题和新要求，项目组提出了一种组合式绳索打捞钻具。组合式钻具包括随钻测量钻具、保温保压取样钻具和大直径非保压取样钻具。3种钻具在同规格钻杆(Ø139.7 mm)内根据不同的钻进目的可自由更换，具体钻具技术指标见表1。组合式钻具主要功能设定如下。

表1 组合式绳索打捞钻具主要技术指标

(1)随钻测量钻具：根据测井结果显示，含有水合物的地层电阻率有比较明显的变化[13]，然而海底地层温度比较稳定，即使钻遇水合物地层，地层温度也没有太大的变化。因此随钻测量钻具主要用于测量地层的电阻率，并通过泥浆脉冲将判断依据传输到井口的接收装置，据此判定钻遇地层是否含有水合物。

(2)当判断是水合物可疑地层时，停止钻进，通过绳索打捞方式将随钻测量钻具提出，向井内下入保温保压取样钻具来获取海底的原状样品，避免在取样过程中水合物分解[14]。

(3)大直径非保压取样钻具作为一种辅助手段，目的是为针对非水合物地层获取更大直径的岩心，为海洋地质研究提供更多的样品。

2 钻具结构设计

根据组合式钻具的功能，综合考虑3种规格钻具的规格尺寸和使用要求，结合绳索打捞的工艺方法，完成了随钻测量钻具、保温保压取样钻具和大直径非保压取样钻具的设计方案，具体论述如下：

(1)随钻测量钻具：主要包括打捞机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、电阻率测量系统和传扭机构等。其中电阻率测量系统可以分为井口和井下两部分。井口部分主要负责数据的接收和解析，以图形、数据的方式显示出来，工作原理见图1。井下部分(见图2)主要进行数据采集、发送及存储，具体由电阻率测量短节、泥浆脉冲发生器及电池短节完成。电阻率测量短节通过安装在超前钻头上的测量电极实时测量地层的电阻率，并将数据传输给泥浆脉冲发生器。泥浆脉冲发生器将测量的数据首先进行存储，后经过编码产生泥浆压力波，将数据传递到井口。电池短节为井下电阻率测量短节和泥浆脉冲发生器供电并实时记录电池组的电量消耗情况。

1-立管；2-三通接头；3-压力传感器；4-无线压力传感器主机；5-吸盘天线；6-无线收发器；7-连接电缆；8-数据处理仪

图1随钻测电阻率系统井口部分

1-循环套；2-限流环；3-大活塞；4-基座；5-悬挂脉冲器；6-扶正器；7-电池短节；8-电阻率测量短节；9-连接座；10-电极；11-盖板

图2随钻电阻率测量系统井下部分

(2)保温保压取样钻具：根据保压密封机构的特点及取样直径的要求，项目组设计了一种板阀式保温保压取样钻具，主要包括打捞机构、双弹卡机构、悬挂及单动机构、脱钩机构、板阀机构及取样管等。保压取样钻具的技术关键是确保取样管能够回收及板阀顺利关闭，为此专门设计了双弹卡机构和脱钩——板阀机构。通过双弹卡机构在钻进取心时确保钻具和取样管的轴向定位；在绳索打捞时，依靠双弹卡机构的回收解卡带动取样管向上运动，实现取样管回收到保压筒内。通过脱钩-板阀机构实现板阀的关闭和良好密封。当取样管回收越过板阀的上端时，在自重的作用下，板阀自动翻转关闭。取样管继续向上回收，触发行程控制实现取样管与双弹卡机构的脱开，以自由落体冲击到板阀上端面，将板阀密封面压紧，实现良好密封(具体结构见图3)，克服目前保压取样钻具保压成功率不高的难题[15]。

1-捞矛头；2-上弹卡；3-下弹卡；4-外管；5-中管；6-测压接头；7-脱钩机构；8-活塞式蓄能器；9-温压记录仪；10-板阀机构；11-钻头；12-超前钻头

图3天然气水合物保温保压取心钻具结构图

(3)大直径非保压取样钻具：根据陆域冻土水合物钻井取样经验，同时结合海洋钻井的新要求，设计了一种大直径非保压取样钻具，主要针对水合物目标层位上下部分进行非保压取样，满足海洋地质研究的需要。大直径非保压取样钻具包括打捞机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构和取样管等。当钻遇软弱地层时，采用超前取样钻头，减少了泥浆对沉积层岩心的冲蚀，最大限度的保证岩样的原状。钻遇坚硬地层时，通过绳索打捞方式更换超前取样钻头，可以获取直径更大的岩心。具体钻具结构见图4。

1-打捞机构；2-弹卡定位机构；3-单动机构；4-取样管；5-钻头

图4大直径非保压钻具结构示意图

3 钻进工艺

组合式绳索打捞钻具适用于2500 m(水深+钻深)以内的海域，根据水合物调查评价过程中的实际需要相互更换，通过绳索打捞的方式在同规格的钻杆内进行3种钻具的投放和回收，无需进行提钻。随钻测量钻具采用超前钻头的结构形式，与外钻头配合进行全面钻进。在超前钻头侧面安装有电阻率测量电极，这样可以使测量电极直接与地层接触，减少测量误差。测量的数据传输到泥浆脉冲发生器后进行存储、编码，以泥浆压力波的形式返回到井口。经过调研发现，随钻测量系统直接发送电阻率数据的研发成本太高，且电量消耗较大。综合考虑后采用间接的方法，即通过泥浆脉冲发生器先将测量的数据与设定的门限值(以不含水合物地层的电阻率值作为门限值的设定依据)比较，如果地层电阻率大于门限值，脉冲发生器连续产生3个脉冲波；如果地层电阻率小于门限值，脉冲发生器只产生1个脉冲波。井口分析人员根据收到的脉冲数来判定是否钻遇水合物地层。随钻测量钻具还有数据存储装置，将钻具打捞出来即可将数据拷贝出来，还原地层的真实电阻率。

当发现井口接收到的脉冲出现异常后，可通过绳索打捞工具及时将随钻测量钻具打捞出来，下入保温保压取样钻具进行取样操作。为了提高水合物地层的岩样采取率，采用超前钻头取样的方式进行钻进，减少泥浆对岩心的冲蚀。保压取样采用回转取心的方式获取岩心，取心长度可以达到3 m。同时对地层的适应性较好，不仅能钻进软弱地层，也可以钻进坚硬地层。大直径非保压取样钻具作为一种辅助的取样方法，钻具结构简单，适应性强，取心直径大，可以在不含水合物地层根据需要获取高质量的岩心，为海洋地质研究提供第一手资料。

4 室内测试

完成组合式绳索打捞钻具的总体方案和钻具设计后，征询相关专家意见并优化图纸，接着进行钻具的加工、组装、调试和相关室内性能测试与试验，以检验其综合性能。现将研发进展和测试成果总结如下。

4.1 盐水测试

随钻测量钻具不仅能够进行全面钻进，提高钻进速度，更重要的是可以超前测量地层电阻率，为水合物判层提供依据。由于该钻具研发费用高昂，为了保证钻具的可靠性，课题组在钻具正式加工前先制作了1套物理样机(组成见图5)，用于模拟随钻测量钻具的整个工作过程。随钻测量物理样机包括电源、测量部分、数据处理及无线发射端和数据接收端。其中电源采用的是28 V直流电，保证整个测量系统的动力供应；测量端是把电阻率测量电极分别放置在3种NaCl溶液(电阻率已知)中，并通过查看数据接收情况来检查整个模拟过程的工作性能；数据处理及无线发射端由于没有泥浆，无法产生压力波，暂时只能通过无线发射端发射编码过的数据来模拟数据传输过程；数据接收端通过无线接收器和数据解码器将获得的编码数据解码，最后在计算机上显示出结果。将测量电极从60 Ω·m的NaCl溶液拿出来放到20 Ω·m的NaCl溶液中，数据接收端很快就通过波形显示出电阻率的变化(见图6)。

1-电源；2-测量电极；3-数据处理及发送；4-数据接收及显示

图5随钻测量钻具物理样机组成

图6 从60 Ω·m的NaCl溶液到20 Ω·m的NaCl溶液电阻率变化波形

4.2 保压测试

为了验证保温保压取样钻具的可靠性及保压效果，设计了保压测试。保压测试主要通过加压泵，向钻具的保压筒内加压，然后观察保压筒螺纹连接处及板阀密封处的渗水情况。按照设计的保压能力，测试时把最大压力加压到30 MPa，保压2 h后记录压力稳定值为28 MPa(见图7)，2 h内压力损失为2 MPa，压力损失是设计值的6.7%，低于设计要求的20%。

图7 保压筒保压2 h前后压力变化

5 结语

组合式绳索打捞钻具结合了随钻测量和绳索取心的优点，既实现了钻井过程中对水合物地层的识别，增加了取样的目的性和有效性，又兼顾了绳索取心的工艺要求，确保了保压取心和大直径取心的可靠性，为多样的地质需求提供了一种有效方法和手段。经过相关的室内试验和测试，组合式绳索打捞钻具达到了设计目的，已经具备了海上试验的基础条件。