深海天然气水合物钻探取心技术

收稿日期:2009204201

基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)“天然气水合物钻探取心关键技术”课题(2006AA09A207)

作者简介:王智锋(19752),男,河南沈丘人,工程师,博士研究生,现从事井下工具研究及科研技术管理工作,E 2mail :wan 2

gzf @https://www.360docs.net/doc/6413081919.html, 。

文章编号:100123482(2009)0920012204

深海天然气水合物钻探取心技术

王智锋1,2,许俊良2,薄万顺2

(1.中国石油大学石油工程学院,山东东营257061;2.胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营257017)

摘要:天然气水合物作为一种高效、清洁的新能源,已经引起世界广泛关注,由于其不稳定性,采用

的钻探取心装置必须具备保真功能。简要介绍了国内外4种天然气水合物取心装置及国内取心工具研究进展,叙述了胜利石油管理局钻井工艺研究院承担国家“863计划”重大专项“天然气水合物钻探取心关键技术”采取的取心工具方案。关键词:天然气水合物;取心;保压;钻探中图分类号:TE952 文献标识码:A

G as H ydrate Drilling Coring T echnology

WAN G Zhi 2feng 1,2,XU J un 2liang 2,BO Wan 2shun 2

(1.College of Pet roleum Engineeing ,China Universit y of Pet roleum ,Dongy ing 257061,China;

2.D rilling Technolog y Research I nstitute ,S hengli Pet roleum A dminist ration B ureau ,Dong ying 257017,China )

Abstract :As a new kind of high efficiency and clean energy resource ,nat ural gas hydrate has ex 2tensively attracted attentions all aro und t he world.The device used for sampling t he nat ural gas hydrate core must po ssess t he p roperties of warm preservation and p ressure preservation due to it s instability.The developing sit uations at home and abroad for sampling of t he nat ural gas hy 2drate ,a new preliminary concept for sampling of t he nat ural gas hydrate were int roduced.The coring tool research project included in t he “Key coring technology for nat ural hydrate ”was de 2scribed ,a major p roject of national “863”plan.

K ey w ords :gas hydrate ;coring ;pressure preservation ;drilling

天然气水合物(gas hydrate )是一种白色固体结晶物质,外形像冰,有极强的燃烧力,可作为上等能源,俗称为“可燃冰”。据理论计算,1m 3的天然气水合物可释放出164m 3的甲烷气和0.8m 3的水[122]。这种固体水合物只能存在于一定的温度和压力条件下,一般要求温度低于0～10℃,压力高于10M Pa ,一旦温度升高或压力降低,甲烷气则会逸出,固体水合物便趋于崩解。由于这一特殊性,若要获得其样品具有一定的难度,从海底到地面压力和温度都要发生很大的变化,要实现岩心样品保持接

近原始状态,必须利用特殊的取心设备。

1　国外钻探取心技术现状

[127]

目前,国外钻井船使用的保压取心器主要有国

际深海钻探计划(DSDP )使用的保压取心筒PCB ;国际大洋钻探计划(ODP )使用的保压取心器PCS 、活塞取心器A PC ;日本研制的P TCS ;欧盟研发的H YACE 等。1.1　保压取心器PCS

PCS 是一种自由下落式展开、液压驱动、钢缆

　2009年第38卷 石油矿场机械　第9期第12页 OI L FIE LD EQUIPMENT 2009,38(9):12～15　

回收的保压取心工具,它既采用了传统的油田压力取心技术,又采用了DSDP 计划发展起来的取心技术。研制PCS 很大程度上是希望提高取心率和维持天然气水合物的稳定性。PCS 靠自由落体展开,坐落锁紧在井底钻具B HA 里并一起旋转。理论上在70M Pa 的高压下PCS 可取到长86cm 、直径 42mm 的岩心样品。PCS 在Leg146等航次取得了接近原位压力的岩心、气体和水样品。

PCS 由锁紧装置、启动装置、蓄能器装置、多支管装置、球阀装置和可拆卸的岩心室(样品腔)等6部分组成(如图1)。其工作过程是:取心作业一旦结束,孔底岩心样品被切断提取,关闭钻探泥浆泵;同时取心钢丝绳和PCS 相连接,向上提起B HA 上的固定座以释放启动球,然后下降PCS 使之回到B HA 固定座上;重新启动钻探泥浆泵,给钻杆柱加压,这样就会使PCS 的启动装置工作,将样品腔关闭;之后通过取心钢丝绳将PCS 提取出来。一旦提到甲板,可以利用分离系统将气体或液体样品分离出来,还可以将样品腔直接放入冷藏室保存

。

1—锁紧装置;2—多支管装置;3—启动装置;4—蓄能装置;5—样品腔;6—球阀装置

图1　保压取心器PCS 结构

1.2　保温保压取心器PTCS

该取心器是由日本石油公司石油开发技术中心委托美国Aumann &Associates 进行设计、制作和

室内试验,其总体结构和工作原理与ODP 2PCS 相似。保温功能主要通过岩心衬管和内管之间增加保温材料和注入液态氮,并在钻进过程中配合泥浆冷却装置和低温泥浆实现。

该钻具分别于1997年在加拿大的马更些三角洲、1998年在石油公团柏崎试验场进行正式试验,反复对保温保压取心器进行了改革、改进。日本在“南海海槽”海洋探井使用保温保压取心器在主孔及追加探井进行了取心,其中,主孔从海面以下1175～1254m 井段共取心27次,进尺79m ,取岩心2911m ,采取率37%;追加探井从海面以下1149～1233m 井段的4层水合物层,共取心12次,进尺36m ,取岩心1619m ,采取率47%。1.3　保压取心筒DSDP 2PCB

DSDP 2PCB 是深海钻探计划使用的保压取心

筒,有3种型号,其中Ⅲ型PCB 是在I 型、II 型基础上改制的,由一套绳索高压取心筒组成,其底部装有球阀,球阀有直径 58mm 的孔,在其上部有取心机构、排气孔和减压阀。取心筒沿着钻具下放并与钻头锁紧,卡断岩心后,下放绳索打捞工具并开锁到PCB 上,向上提升绳锁,产生的拉力激活一系列机构,首先使球阀和排气孔关闭,最后打开释放机构,使取心筒脱离钻具。在PCB 被提升过程中,减压阀通过排出浮动活塞蓄压器中的氮气保持内部压力不大于3414M Pa ,或者通过沉淀池和过滤器排出过高的压力;而且浮动活塞蓄压器被预先充以2715M Pa 氮气,一旦筒内压力超过27.5M Pa ,将引起活塞压缩氮气;当取心室的压力超过3414M Pa ,减压阀打开仅使氮气排出,这样,使天然气保持在岩样中,且使减压阀不会被沉积物堵塞。当PCB 到达甲板上时,岩心的压力和温度可被监测,高压天然气和流体在控制的条件下被排除。这种特制的绳索取心系统允许在同一回次中取出几段保压岩心。1.4　欧盟保压取心系统H YACE

1997年,欧盟海洋科学和技术计划(MAST )研

制了新型的天然气水合物保压取心器H YACE 系统。H YACE 是另一种保持原位压力的沉积物取心器,为适应不同海底底质条件,H YACE 又分为冲击式采样器FPC (Fugro Pressure Corer )和旋转式采样器HRC (Hyace Rotary Corer )2种。

FPC 利用震动冲击装置驱动钻头前部的取心

筒,可贯入沉积物中1m 左右。当采样完成后,钢

缆提升取心筒至压力腔,通过一个特殊的翻板阀密封保持压力,最高保持压力为25M Pa 。该冲击式采

?

31?　第38卷　第9期 王智锋,等:深海天然气水合物钻探取心技术

样器适用于在非岩性沉积物(从软泥、砂到砂砾)中取心,样品直径 58mm。

HRC利用反转马达驱动钻头前部管靴,可深入沉积物达1m左右,与FPC类似,HRC也是通过一个特殊的翻板阀密封保持压力,最高压力可达25 M Pa。该旋转式采样器可在硬质岩的沉积物中采样,样品直径 50mm。

2　国内钻探取心技术现状[527]

国内大庆油田曾研制过M Y2215型保压取心工具,主要结构由上接头、球挂式差动装置、悬挂轴承总成、单向阀总成、内筒、外筒、球阀总成、岩心爪总成、取心钻头和密闭总成等组成。保压取心筒是一种双筒单动式取心筒,外筒与取心钻头连接,传递钻压和扭矩;内筒是非旋转的薄壁管,悬挂在用钻井液润滑的轴承上,它不但是容纳岩心的容器,同时也是作为岩心切割后的壳体,其长度适合于运输。工具上部差动装置具有伸缩功能,并带有锁闭和释放机构,内外六方传递扭矩。工具下部是球阀总成,也是工具下部密闭系统。当钻完进尺后,上提钻具割断岩心,然后投入1个 50mm钢球,使之坐于滑套球座上,待钻井液返出且泵压正常,说明滑套到位。此时在外筒重力作用下,内外六方脱开,外筒下移,其重力作用在球阀半滑环上,半滑环使球体产生一定扭矩并旋转90°而关闭球阀,使岩心密封在内筒中。压力补偿系统包括高压氮气储气室和1个可调节的压力调节器,以及相关的供给氮气阀门机构,阀门机构可预先调节到规定压力,起钻过程中可恒定地向内筒补充压力,直到与地层压力平衡为止。工具下井前,在内筒中预先填充一种非浸蚀性的胶体密闭液,在钻进过程中不断把岩心包封起来,保护岩心免遭钻井液污染。割心时,上提钻具,岩心爪卡断岩心,并把岩心封闭在球阀内。

该工具使用常规钻杆提钻取出岩样,在油田取心中获得过较好的成绩,但保压成功率仍有待提高。

“十五”期间,在国家高技术研究发展计划(863计划)中部署了天然气水合物的取心研究,其中,浙江大学研制的天然气水合物重力活塞式保真取样器(如图2)采用重力活塞将取心管插入海底沉积物中取心,取心长度最多10m。四川海洋特种技术研究所与青岛海洋一所联合研制了“天然气水合物深水浅孔保温保压取心钻具”(如图3),钻孔深度10m

。

图2　

深水浅孔保真取心器

图3　深水浅孔保温保压取心钻具

自1999年国土资源部启动天然气水合物海上勘查以来,历时9a,累计投入经费5亿元。20072 05,由中国地质调查局统一组织,广州海洋地质调查局具体实施,委托辉固国际集团公司Bavenit号钻探船实施钻探,采用国外保压取心工具在海底以下183～201m、191～225m、水深1230m及1245m 获得天然气水合物样品。据报道,中国将建造首座深水特大型装备———中国海油深水半潜式钻井平台,该平台属国际第6代海上半潜式钻井平台,最大作业水深3000m,最大钻井深度12000m,并配备目前最先进的钻井设备、卫星导航与定位系统。预计于2011年建造完成该平台,建成后,可在中国南海、东南亚、墨西哥湾和西非深水海域进行作业,若能实现石油和天然气水合物同船勘探,将会加快新能源的实施步伐[829]。

3　胜利油田钻井院天然气水合物钻探取心工具方案设计

a)　伸出式深海水合物钻探取心装置　当进行

?

4

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?石油矿场机械 2009年9月　

取心钻探作业时,取心管伸出钻头下边,边转动边加压,有利于提高取心收获率。利用绳索回收保温保压筒缩短岩样从井底到地面的时间,有利于岩样保压保温。该工具主要针对海底30m以下的沉积物取心。

b)　绳索旋转式保温保压取心设备　针对沉积物以下的硬岩层取心,当进行取心作业时,从井口将取心装置投入(或钢丝绳送入)大尺寸钻杆内,取心装置坐在外套上,通过地面泵送的液体和转动钻具使取心钻头钻进取心。当取心结束,从井口下入绳索打捞系统与打捞机构对接,锁定机构自动解锁,活塞及保样管上行,拉杆与保温保压筒脱开,保样管随同活塞上行,当活塞到达保温保压筒上端时,保样管进入保温保压筒内,安装在保温保压筒内的控制系统工作,启动球阀关闭,使保样管处于密封腔室内,起到保温保压的作用。采用绳索转动式水合物钻探取心设备可以实现在硬岩层中的连续取心,不受岩层深浅的限制。取心结束利用绳索上提取心装置,速度快,有利于缩短岩样从井底到地面的时间和岩样的保温保压。该取心装置不仅具有压力补偿机构,而且在保压保温筒下面设置了温度压力记录仪,真实地反应出岩样在海底的温度压力状况。由于在该装置保温保压筒的顶部设有悬挂轴承结构,在钻具带动取心钻头旋转时,保温保压筒及保样筒相对不转,有利于岩样收获率的提高。

c)　钻柱式保温保压取心设备　当进行取心作业时,从井口将取心装置与钻具连接好,利用常规钻杆将取心装置下到井底取心层位,开泵循环钻井液进行取心作业。当取心结束,从井口投入一钢球坐到挡球塞处,开泵憋压剪断固定挡球塞的销钉,使挡球塞下落,球挂机构释放拉杆和保温保压筒,上提钻具,差动装置差动,外套下落,连接杆、拉杆、活塞、保样筒及割心机构一起上行,保温保压筒随着外套不动。当活塞到达保温保压筒顶部,保样筒及割心机构已经进入到球阀上面,设置在保温保压筒内的控制系统发出指令,球阀关闭,使保样筒处于密封腔室内,起到保温保压的作用。采用钻柱式水合物钻探取心装置可以实现在硬岩层中的连续取心,不受岩层深浅的限制。取心结束利用钻具上提取心装置,在上提过程中,当保样筒内的压力降低时,压力补偿装置进行压力补偿,使岩心处于接近地层的压力,对岩心进行保温保压。

4　结论

1)　天然气水合物勘探和开发研究的关键之一是钻探取心技术,深水深层取心十分重要,因为海域天然气水合物多赋存于洋底深层。深水浅层取心器在海洋底取样深度不超过10m,即使能取得天然气水合物岩心,也无法准确地判断整个天然气水合物矿的埋藏深度、规模,以及岩石稳定性等重要信息,只有进行洋底深部钻探,才能取得矿床评价所需真实信息。

2)　在天然气水合物钻探取样中,采用保温保压取心器,防止在提钻时温压改变引起天然气水合物分解;采用绳索取心钻进方法,减少钻具升降时间和次数,减少抽吸作用对井壁产生的损坏,防止长时间停止泥浆循环后井内温度上升引起的天然气水合物分解。

3)　天然气水合物的勘探是一个新的领域,在进行钻探取心技术研究的同时,需要其他相关技术的配套和支持,因而急需开展钻井、泥浆、完井等方面的技术研究。

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