海洋天然气水合物保温保压取样钻具研制

2021-07-16李小洋张永勤王志刚施山山

钻采工艺 2021年3期

李小洋，李宽，张永勤，王志刚，施山山

中国地质科学院勘探技术研究所

0 引言

天然气水合物是由水和天然气在高压、低温条件下产生的一种固态物质，有“可燃冰”、“固体瓦斯”之称，被普遍认为将是21世纪最具潜力的接替煤炭和石油的新型洁净能源之一，也是目前尚未开发的储量巨大的一种新能源，在我国广阔的管辖海域和专属经济区内有着巨大的资源前景［1-4］。

海洋天然气水合物一般赋存于水深300～1 500 m、海底表层向下200～800 m的沉积物中，为了对海洋天然气水合物资源进行准确评价，并掌握其储存状况，需要获取大量的水合物岩样［5-6］。由于海底地层水合物赋存于高压低温环境下，为获得有关水合物真实特性的资料及数据，在进行水合物钻探取样时，需尽可能地保持水合物原始赋存状态，避免水合物分解［7-8］。目前国外研究开发的水合物保压取样钻具比较成熟，在国际深海钻探计划和大洋钻探计划中进行了实际应用，但是保压取样平均成功率在50%～70%左右［9-10］。我国开展天然气水合物保压取心钻具及施工技术研究较晚，本世纪初，中国地质科学院勘探技术研究所在国内率先开展了水合物保压取样技术的研发，鉴于条件的限制，保压取样钻具样机在室内及陆地实钻中进行了可行性试验，取得了初步成果，为后续工作的开展提供了重要的技术参考［11-12］。之后，浙江大学研发了一种重力取样式保压取样器具，适用于海底较浅的地层取样［13］。北京探矿工程研究所研制的海洋保温保压取样钻具进行了相关海试，取得了一定的研究成果［14］。综合国内外相关保温保压取样技术大多以板阀或球阀等机械结构来实现保压腔的下端保压［15］，由于井底的环境比较复杂，造成保压阀（板阀或球阀）无法关闭或关闭不严，致使保压取样器具的保压成功率不是很高。为了解决这个难题，中国地质科学院勘探技术研究所水合物项目组结合前期的保压取样钻具研究经验［16］，开展了一种新型板阀自闭式保温保压取样钻具的研制。通过设计、论证分析、海上试验，研制出了结构更加合理、可靠的保压取样钻具，进一步提高了保压阀关闭的可靠性，为海洋水合物钻探取样提供了一种有效可行的技术方法。

1 保压取样钻具设计及关键技术

1.1 设计思路

国内外进行海洋天然气水合物调查评价过程中，直接对天然气水合物地层进行取样是确定其赋存环境及物化特性的一种高效快速技术手段。通过调研国内外海域水合物保温保压取样钻具的技术资料，确定采用绳索打捞的方式进行保压取样钻具的快速回收和投放，相比于起钻取样可节省大量的辅助时间。根据在海洋地质调查钻井施工中广泛使用的钻杆规格，按照外径127 mm钻杆（内径105 mm）来设计Ø105 mm规格的绳索打捞式保压取样钻具及配套工艺。设计完成的Ø105 mm规格的海洋天然气保压取样钻具结构见图1，技术参数见表1。

图1 天然气水合物保温保压取心钻具结构图

表1 研制的海洋保温保压取样钻具技术参数

1.2 保压取样钻具结构及工作原理

研制的HYB-1型保温保压取样钻具主要由打捞矛头、弹卡、悬挂机构、保压筒、取样管、板阀和超前钻头等组成。需要进行保压取样时，首先通过绳索绞车将取样钻具投放到井底。在钻进取样的过程中，通过弹卡和悬挂机构实现钻具轴向位置的锁定。随着钻头回转和向下钻进，形成的岩样沿着卡簧座进入取样管。当进尺长度达到取样管最大长度时，使用绳索绞车下放打捞器，进行绳索取心。通过打捞器上拉打捞矛，带动取样管沿轴向向上运动，当取样管下端越过板阀时，板阀在自重作用下翻转关闭，实现取样筒的保压密封。继续向上拉动时，弹卡解锁，将整个取样钻具从井底打捞到井口。考虑到天然气水合物大多赋存在未成岩沉积地层，因此保压取样钻具采用超前钻头的方式，防止外钻头水眼喷出的钻井液冲蚀岩样，并采用特制的爪簧来防止进入取样管的岩心脱落（见图2）。

图2 研制的超前钻头和爪簧

基于钻具的模块化设计，在保压取样钻具打捞到钻探船上之后，快速拧卸钻具，将保压筒（见图1）与其他部件分离。与此同时，操作人员可将事先调整好的另外一套保压取样钻具下入井内进行取样作业，以便提高施工效率。然后操作人员对保压筒进行压力测试，通过测压接头来检测保压筒内的压力情况，进而分析获取的水合物岩心是否有效。如果检测压力远低于取样处的静水压力，说明取样失败，需重新取样；如果检测压力与取样处的静水压力相近，则下一步需要和保压转移装置进行对接，进行水合物岩心的分割、转移和实验室分析。

1.3 保压阀密封技术

在水合物取样过程中，为了避免水合物岩样因为离开原来的赋存环境而分解，需要尽可能的维持取样管内的压力与取样处压力相同。鉴于目前使用的保压取样钻具在井下复杂工况下经常出现保压阀密封不严而导致取样失败，研究了板阀—脱钩技术、压力补偿和刮泥技术来提高了保压阀密封可靠性。

1.3.1 板阀—脱钩技术

当上提取样管最下端越过板阀最上端时，板阀在自重作用下翻转关闭，继续上提取样管，当提到特定位置后触发脱钩机构，取样管与其他零部件分离，以自由落体运动冲击到板阀上，使得取样管给板阀上端面施加一定的冲击力，将板阀上的密封面压紧，确保板阀密封可靠（见图3）。

图3 板阀—脱钩技术示意图

1.3.2 压力补偿

压力补偿是一种主动保压方式，是通过蓄能器来实现的。蓄能器是一种在液压、气动系统中应用比较广泛的压力补偿装置，通过体积的变化来储存能量，当系统需要的时候可以将存储的能量释放出来用以补充损失的压力，维持整个系统的压力平衡。设计保压取心钻具采用活塞式蓄能器，在下井前将相应压力的氮气注入到蓄能器中，当取心钻具下到井底后蓄能器将取样处的压力转化成压缩能储存起来。当取样过程中，保压筒出现压力渗漏时，蓄能器自动将存储的能量释放出来，用以补充保压筒内的压力损失。

1.3.3 刮泥技术

取样管外壁上设置密封圈，与板阀座中心孔内壁组成了刮泥器。刮泥器的主要作用：在钻井过程中能够最大限度的阻止井底淤泥或沙粒上返到板阀处的空腔，减少沉积物在板阀处的堆积。同时在取样过程中，取样管被向上拉动，此时取样管外壁上的密封圈将板阀座中心孔内壁上的附着泥沙刮掉，减少板阀密封不严的可能性。

1.4 温压记录仪

为了能够及时收集保压筒内岩样的温度和压力变化，研制了一种可以在水深2 500 m工作的温压记录仪，它能够在水下实时采集周围环境的温度和压力，并存储数据，通过可充电式锂电池进行供电。为了近距离接触岩心，将温压记录仪安装在取样管的上端。在取样作业时，温压记录仪伴随保压取样钻具一起下到井底，可以实时采集取样作业全工作时段的温度和压力数据。其中在钻具投放和到达井底钻进过程中，取样钻具是一个开放的空间，获取的温压数据是周围环境的表征，但在钻具回收过程中，取样钻具是一个封闭的空间，获取的温压数据反映了保压筒内温度和压力的变化情况。通过温压记录仪采集数据，不仅能够获得天然气水合物的原位赋存环境，确定水合物储存的稳定温压区域，同时还可以检测取样钻具的保温保压效果，实时记录水合物在离开原位环境后的物理变化状态。

2 室内温压测试

2.1 压力及功能性测试

为了验证保压钻具的保压可靠性及保压密封效果，设计了压力测试试验。首先将保压取样钻具投放到外管中，然后使用打捞器拉动取样钻具的捞矛头向上运动，模拟取样钻具各部件的运动情况，主要检测取样管运动、板阀翻转及脱钩等动作。在板阀关闭后，拆卸钻具，保留保压筒，接着通过测压接头向保压筒内加压，观察螺纹连接处及板阀密封处有无渗漏。按照目前海洋天然气水合物的实际钻井需求，将保压筒加压到30 MPa，保压2 h后记录压力稳定值为28 MPa，能够满足水合物的取样要求。

2.2 保温测试

在保压筒内壁喷涂了硅酸盐隔热保温涂层，其导热系数低至0.032 W/（m·K），具备良好的隔热保温效果。在测试过程中，保压筒一端用丝堵封堵，另一端用板阀密封，将冰水混合物灌注到保压筒中，通过温压记录仪和丝堵处的电子温度计每隔20 min测量保压筒中的温度，并与周围的环境温度进行比对，以此来检验保温涂层的保温效果，试验对比数据见表2。在9∶30～11∶50时间段内保压筒内温度升高为1℃，说明保压涂层的保温效果良好，能够有效隔绝外界环境与保压筒内部的热传导，避免了岩心中水合物因温度升高过快而导致的局部分解。

表2 保压筒保温测试数据记录表

3 海上取样试验

2020年1月12日～16日，在渤海某海域进行保温保压取样钻具的海上钻井取样试验，水深210 m，泥线以下185～197 m进行了10个回次的取样试验，其中8个回次板阀成功关闭，实现了保压取样，总体岩心收获率为72.14%。在钻进过程中，直接使用海水进行循环，采用小泵量、减压钻进的方式来控制钻进速度。针对8个回次的成功保压取样，现场进行了压力检测，测得保压筒内的最大压力为4.0 MPa，最小压力为3.6 MPa，与取样处静水压力相比，压力损失为12.4%，满足了设计要求。

2个回次保压失败主要是由于板阀处密封不严导致泄压的，分析原因为这2个回次钻遇的地层从淤泥质黏土逐渐变为粉砂质黏土，近钻头处钻井液中悬浮的坚硬颗粒越来越多，进而在板阀附近出现了聚集，最终导致了板阀密封失效。