摘要：天然氣水合物是一種潛在的巨大能源，發展天然氣水合物勘探技術，準確確定天然氣水合物的分布與蘊藏量，對我國天然氣水合物產業的建立具有至關重要的作用。在調研國內外相關資料的基礎上，介紹了目前國內外天然氣水合物取樣裝置的研究現狀，包括深海潛水觀測取樣裝置、深海淺孔取樣裝置和深海深孔取樣裝置。并建議開展海洋鉆井船的研制工作，可優先考慮將石油勘探鉆井船改裝成天然氣水合物勘探鉆井船；同時還要保證其取樣位置的穩定性，可采取動平衡原理，通過渦輪旋轉來抵消海流的作用。與深海深取樣技術配套的海洋鉆井船，可實現對深海的天然氣水合物的鉆探取樣工作。

關鍵詞：天然氣水合物；取樣；裝置；鉆井船；研究

    天然氣水合物的勘探方法主要有3種^[1～3]：①地震勘探法，如地震地球物理探查、電磁探測、流體地球化學探查、海底微地貌勘測等；②測井識別法，分為隨鉆測井法和電纜測井法；③勘探取樣法，即地質取樣法，采用取樣裝置從海底取出沉積物樣品，該方法是證實天然氣水合物存在的直接手段。目前，在世界海域內已有60處直接或間接發現了天然氣水合物，其中在18處鉆探巖心中見到了天然氣水合物，42處有天然氣水合物的地震標志BSRE^[2～3]。國內對天然氣水合物的勘探剛剛起步，開展天然氣水合物勘探取樣裝置的研究工作意義重大。

    深海潛水觀測取樣裝置，主要是應用深潛器HOV(Human Occupied Vehicles)對暴露在海底的天然氣水合物進行觀測和取樣^[4]。深潛器主要用于深海的觀測，同時可取得海底表面巖心或海水的少量樣品。目前世界上可用的載人深潛器共有5臺^[5]，分別是日本的“深海6500”號、美國的“阿爾文”號、法國的“鸚鵡螺”號、俄羅斯的“和平”號及“密斯特”號，它們的最大深潛深度均為6500m^[6～8]。我國“十五”國家高技術研究發展計劃(863計劃)重大專項研制的“和諧號”潛水器，最大下潛深度為7000m，由載人艙、調壓水艙、浮力材料、2個配重塊、攝像機、采樣籃和機械手等組成。當需要下潛時，調壓水艙注水，開始下潛；當需要在水中懸停時，拋出1個配重塊，實現懸停；可調壓載水艙主要用于潛水器的下潛；浮力材料增加潛水器的浮力；推力器提供潛水器換向以及前進的動力；攝像機用于海底成像；采樣籃和機械手用于海底采樣。該潛水器在深海7000m的高壓、低溫環境下，可連續工作7h。

    深海淺孔取樣裝置包括：電視抓斗、重力活塞式取樣器、液壓油缸驅動取樣鉆具和HYACE系統等，主要用于取樣深度較淺(一般不超過10m)的取樣作業。

    電視抓斗主要用于大洋礦產資源勘查，特別是大洋富鈷結殼勘查、海底熱液硫化物的前期調查以及海底天然氣水合物的勘探^[9]。電視抓斗通過爪斗機構控制斗體的閉合來抓取樣品，不具備保溫保壓功能。最初的電視抓斗是于20世紀70年代末由德國Preussag公司研制的。1996年德國E Suess教授等人，用巨大抓斗在約800m水深下的海底淺表沉積物處(約50cm深)取到了大量的層塊狀天然氣水合物，以及一些小結核和小塊狀天然氣水合物。目前，我國“十五”國家高技術研究發展計劃大洋礦產資源勘查(取樣)項目研制出的貝殼式電視抓斗，最大工作水深可達到6000m，抓樣面積大于等于1m²，在南海進行海洋試驗期間，單次抓取的板狀結殼樣品重達800kg。

    重力活塞式取樣器主要用于海底淺表層取樣，施工時需配備調查船和滿足要求的絞車及起吊設備，取樣器切割頭依靠自重在離水底一定距離處自由落體插入沉積物中取樣。在此過程中，活塞在取樣筒內相對于取樣筒向上移動，活塞與保真取樣筒之間有較好的密封，在活塞的下方可以形成局部真空，樣品順利地進入取樣筒內。取樣器回收時，活塞帶動保真取樣筒自下而上穿過球閥或平板閥，實現保壓功能?；钊饺庸埽梢酝七t出現“樁效應”，提高取樣率及降低對樣品的擾動，目前國內外應用廣泛，技術比較成熟。

    1) 國外早在20世紀50～60年代就盛行重力活塞取樣器的理論研究和相應的科學實驗^[10]，法國調查船Marion Dufresne號上使用的Kullenberg型重型取心器重量達12000kg，樣管長可達60m，在北大西洋取到過最長達53m的柱狀巖心。這些取樣器不具備保溫保壓功能，目前國外的重力活塞取樣器主要向保溫保壓功能發展。

    2) 1986年中國科學院海洋研究所研制出我國第1臺重力活塞取樣器(CH型)^[11]，可以采取3m左右的巖心，在硬地層中取樣管不超過3m，在軟泥黏土中可接10m以上的管子。2004年欒剛發明了鏢式保溫保壓深水海床取樣器^[12]，此取樣器采用高壓球形閥和保壓閥封閉取樣管保壓，防腐隔熱罩設有保溫隔熱層實現樣品的保溫。

3) 我國“十五”國家高技術研究發展計劃大洋礦產資源勘查(取樣)項目研制出的重力活塞式天然氣水合物保真取樣器^[13～14](圖1)，由重力活塞式取樣機構、保真取樣筒、附件與接口3部分組成。特點：回收主纜，可將樣品轉移到保真取樣筒內；翻板閥密封上下封口，實現保壓功能；采用蓄能器進行壓力補償，保真筒體、密封艙本體內外表面涂保溫材料層實現沉積物保溫。此取樣器適用于在3000m深海的表層保真取樣，可以采集長達10m的沉積物，樣機試驗表明，此取樣器操作安全可靠，保真效果好。

    1) 我國“十五”國家高技術研究發展計劃資源與環境技術領域海洋資源開發技術主題課題研制的“天然氣水合物深水淺孔保溫保壓取心鉆具”，可用在3000m或以下的深海進行天然氣水合物的鉆取^[15]。保溫保壓筒是1個1m左右的細長狀雙層真空耐壓圓筒，是鉆具的主體。利用交變液壓油缸往復裝置驅動取樣管，獲取海底沉積物巖心；取樣管外部均涂了隔熱漆，使巖心從海底取出的溫升不超過5℃；取樣管完成取樣時，被收回到保溫保壓筒內，取樣管上端設計的活塞和保溫保壓筒下部的平板閘閥將保溫保壓筒內完全密封起來，達到了保壓的目的；壓力補償機構采用儲氣瓶，當取樣管內壓力低于設定值時，壓力補償機構會自動打開氣瓶向內補充壓力，以達到保壓的目的。

    2) 長沙礦山研究院在中國大洋協會、科技部國家高技術研究發展計劃的支持下，于2000年開始了我國第1臺深海淺地層巖心取樣鉆機的研制^[16～17]，目前在海上使用的已經是第4代產品，2005年該設備實現了100次的深海成功取樣。深海淺地層巖心取樣鉆機采用全液壓驅動設計，保壓裝置采用彈簧加活塞結構。取樣管外部包裹保溫材料、內部設有恒溫調節裝置，實現巖心的保溫。深海淺地層巖心取樣鉆機可深入4000m海水鉆探取樣，鉆孔深度為700mm，取心直徑為60mm，并根據需要實現一次下水在不同點鉆取1～3個巖心。此取樣鉆機目前還未應用到天然氣水合物的勘探中。

    1997年開始的歐盟海洋科學和技術計劃(MAST)研制了新型的天然氣水合物保壓取心器

HYACE系統^[18～19]。HYACE是一種保持原位壓力的沉積物取樣器，分為兩種：沖擊式取樣器FPC和旋轉式取樣器HRC。FPC利用震動沖擊裝置驅動鉆頭前部的取心筒，可吃入沉積物中1m左右。當取樣完成后，鋼纜提升取心筒至壓力腔，通過一個特殊的翻板閥密封保持壓力。HRC與FPC的不同之處在于利用反轉馬達作驅動動力。HYACE系統的性能與ODP-PCS相比有較大的提高，樣品直徑加大，并且在取樣結束后，采取的樣品可以無壓降地轉移到其他壓力腔中，實現實驗室內的保真分析。

    天然氣水合物存在于海底以下500～1200m，對于海底以下幾百米到數千米的深孔，必須采用海洋石油鉆井平臺或具有動力定位的鉆井船，并配備相應的鉆桿、鉆具等進行深海深孔取樣鉆進。該型天然氣水合物保壓保溫取心鉆具由6個重要部分(件)組成^[20]：①承載電纜連接器；②保溫保壓取心管；③可開合式機架及傳動裝置；④深海密封和保溫保壓控制裝置；⑤鉆頭驅動裝置與水密電機；⑥取心鉆頭。取心鉆頭安裝在取樣鉆具下端。特點是短程鉆、小噸位、電力或電池驅動、具保真性、低投入與高技術。取樣時鉆頭鉆進巖層，巖心通過取樣鉆頭孔進入取樣管，當巖心裝滿取樣管需要結束取樣時，在孔口將打撈裝置經過鉆桿內部靠自重投放到孔底，打撈裝置在孔底抓住取樣管，然后利用鉆井船甲板上的絞車將打撈裝置及取樣管提出。

張永勤等^[21]承擔的“十五”國家高技術研究發展計劃項目“深水深孔天然氣水合物保真取樣鉆具的研制”，分別研制了繩索打撈不起鉆保真取樣鉆具和投球起鉆式保壓取樣鉆具：①繩索打撈不起鉆取樣鉆具系統(圖2)主要由內管總成、外管總成、鉆桿、打撈裝置、繩索絞車等組成，不起鉆可實現連續取心作業。齒條齒輪機構使球閥旋轉90°，密封巖心容管。為了更可靠地保持水合物的原始狀態，在鉆具結構上設有蓄能壓力補償裝置。電子制冷裝置由保溫層和電子制冷器組成，保持樣品的溫度。繩索打撈不起鉆取樣技術具有勞動強度低、效率高、輔助肘間少等優點，主要技術參數為：鉆孔直徑為174～190mm；巖心直徑為30～40mm；單次取心長度為3m。②投球起鉆式保壓取樣鉆具可直接連接到現有的石油鉆井鉆桿上進行鉆進取樣，但取樣時必須起出孔內的全部鉆桿及鉆具，球閥關閉時采用泥漿作為動力介質，該鉆具與現有海洋石油鉆機配套鉆井施工時無需進行任何設備改造，利用現有的Ф114mm、Ф127mm、Ф140mm鉆桿即可鉆井施工。

    根據天然氣水合物勘查的需要，最好設置水深為2000～3000m、在沉積巖中鉆進500～1000m能力的海洋鉆井船^[22]。而世界上能在水深超過2000m條件下工作的鉆井船僅35艘，其中能適用于天然氣水合物勘查的非常有限。目前，只有Fugro公司簽約的M/S BUCENTAUR，M/r PHOLAS、BAVENI及Mr WALTER海洋調查船能夠進行水深1500m左右的勘查。由于目前國內外海洋鉆井船主要用于油氣勘查，若用以進行天然氣水合物鉆探，必須根據鉆探天然氣水合物的需要，進行相應改造，特別是需要設有泥漿冷卻裝置及氣體處理裝置。日本學者分析認為漂浮式生產系統經過改進，可能成為開發海底天然氣水合物的生產裝置，包括伸縮腿平臺(TLP)、油船型及半潛型(FPS/FPSO)、單柱型(SPAR)，目前其設置的最大水深分別為991m、911m、588m。

    天然氣水合物的BSR標志，針對的是一個海底區域，而并不是一個確切的位置，這意味著天然氣水合物的取樣具有一定的盲目性。若海底無BSR標志，可采用HOV直接觀測海底情況，確定海底天然氣水合物是否存在，或采用鉆探取樣和測井技術相結合的方法檢測天然氣水合物。若海底地層較軟且天然氣水合物埋藏不深，可采用深海淺孔取樣裝置；若埋藏較深或海底沉積物較硬，則應采用深海深孔鉆探取樣裝置。相對于其他取樣裝置，深海深孔取樣裝置不受海底地層礦藏軟硬及埋藏深淺的影響，利用繩索打撈裝置可實現不起鉆連續取心作業，基本實現樣品的保溫保壓，具有廣闊的應用前景。根據以上分析，可以得出以下認識：

    1) 國外在20世紀60年代就已經開始研制天然氣水合物的取樣裝置，目前已在多處取得天然氣水合物樣品。而國內天然氣水合物取樣裝置仍處于研制階段，還沒有真正投入天然氣水合物的勘探中，更沒有天然氣水合物的采樣史。鑒于此，我們應借鑒國外的成功經驗，完善我國取樣裝置的設計和制造技術，盡快勘探出我國海域內的天然氣水合物。

    2) 天然氣水合物只存在于一定的溫度和壓力下，從海底鉆取的天然氣水合物隨溫度升高或壓力降低，會很快分解。保溫保壓技術是能否取出天然氣水合物樣品的關鍵。深海淺孔、深孔取樣技術都具有一定的保溫保壓功能，但其保溫保壓效果并不是很理想，如何提高取樣管的保溫保壓性能是目前急需解決的問題。

    3) 與深海深孔取樣技術配套的海洋鉆井船，目前國內還不具備生產制造能力。因此，應大力開展海洋鉆井船的研制工作，可優先考慮將石油勘探鉆井船改裝成天然氣水合物勘探鉆井船，同時還要保證其取樣位置的穩定性，可采取動平衡原理，通過渦輪旋轉來抵消海流的影響。

[1] 吳鳳鳴.21世紀的新能源——可燃冰[J].質量指南，2003(13)：25.

[2] JEFFERY B，STANLEY I.Global distribution of methane hydrate in ocean sediment [J].Energy&Fuels，2005，19(2)：459-470.

[3] 樊栓獅，劉鋒，陳多福.海洋天然氣水合物的形成機理探討[J].天然氣地球科學，2004，15(5)：524-530.

[4] GORDON J.The future of methane as an energy resource[J].Annual Review of Energy，1990，(15)：53-83.

[5] 廖又明.載人深潛器HOV在海洋開發中的運用及現狀[J].江蘇船舶，2002，19(5)：38-42.

[6] 于保華.90年代深潛器技術最新進展[J].海洋信息，1995(6).19-20.

[7] 顧繼紅，胡震.美國載人深潛器新ALVIN號研制[J].中外船舶科技，2006(4)：5-9.

[8] 吳時國，羅永康.關于我國發展載人深潛器的建議[J].海洋科學，2001，25(11)：23-24.

[9] 葉建良，殷琨，蔣國盛，等.天然氣水合物勘探技術綜述[J].探礦工程，2003(4)：43-46.

[10] 臧啟運，韓貽兵，徐孝詩.重力活塞取樣器取樣技術研究[J].海洋技術，1999，18(2)：56-61.

[11] 張君元，楊光富.重力活塞采樣器海上采樣技術的研究[J].海洋科學，1983(6)：19-22.

[12] 欒剛.鏢式保溫保壓深水海床取樣器保壓裝置：中國，200320101236.1[P].2003-10-17.

[13] 李世倫，程毅，秦華偉，等.重力活塞式天然氣水合物保真取樣器的研制[J].浙江大學學報：工學版，2006，40(5)：888-892.

[14] 李世倫，顧臨怡，葉瑛，等.保真取樣一體式的深海沉積物取樣器：中國，200420110786.4[P].2004-12-01.

[15] 張德玉，姜正陸，余平，等.天然氣水合物深水淺孔保溫保壓取心鉆具：中國，200610020518.7[P].2006-03-20.

[16] 萬步炎，黃筱軍.深海淺地層巖心取樣鉆機的研制[J].礦業研究與開發，2006，(S1)：49-51.

[17] 萬步炎，黃筱軍，錢鑫炎.深海硬巖保真取心器：中國，200610032362.4[P].2006-09-30.

[18] 程毅.天然氣水合物保真取樣技術的研究[D].杭州：浙江大學，2006.

[19] 李常茂，耿瑞倫.關于天然氣水合物鉆探的思考[J].探礦工程，2000(3)：5-8.

[20] 許紅，吳河勇，徐祿俊，等.區別于DSDP-ODP的深海保壓保溫天然氣水合物鉆探取心技術[J].海洋地質動態，2003(6)：24-27.

[21] 張永勤，孫建華，趙海濤.天然氣水合物保真取樣鉆具的試驗研究[J].探礦工程：巖土鉆掘工程，2007(9)：62-65.

[22] 李常茂，耿瑞倫.關于天然氣水合物鉆探的思考[J].探礦工程，2000(3)：5-8.

 

(本文作者：朱海燕¹ 劉清友¹ 王國榮¹ 俞祖英² 姜正陸² 鐘雨師¹ 1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室 西南石油大學；2.四川海洋特種技術研究所)