天然氣水合物深水深孔鉆探取心系統研制

摘 要

摘要 海底天然氣水合物在低溫(0～10℃)、高壓(大于l0 MPa)、有充分的烴類連續補給并在水參與的條件下形成。對其常規取心和提取到地面的過程中，伴隨溫度壓力的改變，很容易從固態
摘要 海底天然氣水合物在低溫(0～10℃)、高壓(大于l0 MPa)、有充分的烴類連續補給并在水參與的條件下形成。對其常規取心和提取到地面的過程中，伴隨溫度壓力的改變，很容易從固態變為氣態，造成天然氣散失而影響儲層評價的可靠性。為此優選超高真空絕熱方式設計金屬保溫筒和壓力補償方式實現保溫保壓功能，進而研制成功了天然氣水合物深水深孔鉆探取心系統：在取心實施過程中，利用取心專用鉆桿將繩索取心內筒組合送入海底進行取心作業，取心結束后，從井口放入繩索提起取心內筒總成，帶動活塞上行，產生負壓使球閥關閉，實現保溫保壓取心；當需要進行全面鉆進時，從井口投入全面鉆進鉆頭塞堵塞流道，實現取心鉆頭快速鉆進；連續取心時，用繩索提出鉆頭塞組合，然后投入取心內筒總成，實現取心作業。在勝利油田淺海區域成功地進行了該取心系統工作能試驗和現場模擬試驗，結果證明：該系統能夠實現保溫保壓取心的目的。
關鍵詞 天然氣水合物 深水 深孔 鉆探 取心 保壓 試驗 取心內筒總成
    
    天然氣水合物在低溫(0～10℃)、高壓(大于l0MPa)條件下，有充分的烴類連續補給并在水參與下形成，其主要成分是甲烷(CH4)，遇熱迅速分解，可燃。1 m3天然氣水合物在標準溫度、壓力下能釋放出164M3甲烷氣體[1]。
    迄今，全球至少有ll6個地區發現了天然氣水合物，在世界海域已有78處直接或間接發現了天然氣水合物，其中15處鉆探巖心中見到天然氣水合物。據估計，具有產出海底天然氣水合物條件的水域占世界各大洋面積的10%[4-5]。而據國際天然氣潛力委員會(PGC)的統計，世界各大洋中天然氣水合物換算成甲烷氣體高達2×1016 m3，其含碳量比迄今世界上所有已知石油、天然氣、煤炭總礦產儲量大2倍心[2-3]。
    準確地判斷整個天然氣水合物儲層的埋藏深度、礦床規模以及巖石穩定性等基礎、可靠的信息，為勘探開發計算儲量、制定開發方案提供重要依據，急需獲取海底環境的巖心，天然氣水合物鉆探取心與石油鉆探取心的最大區別是：石油在儲層中以流體狀態存在，在鉆探和提取到地面時仍以流體狀態存在，并不以溫度壓力改變而改變2[2-3]。天然氣水合物在儲層中以固體狀態存在，而當鉆探時和提取到地面時，伴隨溫度壓力的改變，很容易從固態變為氣態。研發一套能夠快速提取、保持海底溫度、壓力狀態的深水深孔保溫保壓取心系統是解決以上難題的關鍵[4-9]。
1 天然氣水合物深水深孔取心系統結構
1.1 天然氣水合物深水深孔取心系統保壓設計
    深水深孔取心系統在鎖定機構的下面設有壓力補償裝置，壓力補償系統主要由后端接頭體、充氣接頭體、殼體和活塞組成，工作前將艙體內活塞右腔加入5MPa的氮氣壓力。在20 MPa環境壓力下，艙體內活塞左腔是充滿20 MPa高壓鉆井液、海水，而環形活塞左右兩端是等直徑的，其面積也是相等的，因此艙體內活塞右腔加入的氮氣壓力為5 MPa，高壓氮氣起到延緩壓力下降的作用。內筒組合隨著繩索的上升，環境壓力減少，易使保壓筒內的壓力減小，因而對其補償，盡量保持接近原始壓力狀態。在取心系統內筒下邊設有球閥關閉機構，目的是關閉內筒的下端，使巖心保持在內筒中。
 在內筒的頂端采用止推機構鎖定內筒，在取心作業中，由于巖心和鉆壓的作用使巖心內筒上行，為了固定內筒，因而采用軸向鎖定機構。為防止內筒組合在下放時出現意外，可以采用繩索送入機構將內筒組合送入鉆具底部在收回繩索時需要釋放機構工作。

圖1 取心系統結構示意圖
    圖1是取心和全面鉆進過程中的取心系統示意圖：工具懸掛總成、鎖定機構、取心內筒、保溫保壓筒、取心外筒、球閥機構、取心鉆頭、壓力補償裝置、測溫測壓記系統及內筒回收。
1.2天然氣水合物深水深孔取心系統保溫設計
由于天然氣水合物存在環境的低溫、高壓性，因此取心系統首先要解決的問題就是保溫保壓，經過對比分析各種保溫方式，考慮鉆具外形尺寸的限制，優選金屬真空保溫管內外表面噴涂等離子保溫材料的被動保溫方式。
海水
圖2保溫筒示意圖（見附件）
 
 系統保溫筒設計如圖2，采用超高真空絕熱方式，在內層管、外層管間抽真空；高真空層內外表面噴涂等離子隔熱材料；外層管表面涂防陽光輻射涂料；在取心筒外面直接用保溫材料實施保溫。保溫結構設計簡單，現場可操作性強，使用方便。
    在球閥關閉機構附近設有壓力溫度記錄儀，實時記錄井底的溫度、壓力，工具起出后，使用現場測量儀器測量保壓保溫筒內的溫度、壓力，然后與壓力溫度記海水錄儀的回放值進行比較，可以得出取心系統的保溫保壓結果。
   
2 取心系統工作原理及主要特點
    在取心實施過程中，利用取心專用鉆桿將繩索取心內筒組合送入海底進行取心作業，取心結束后，從井口放入繩索提起取心內筒總成，帶動活塞上行，產生負壓使球閥關閉，實現保溫保壓取心。當需要進行全面鉆進時，從井口投入鉆頭塞堵塞流道，實現取心鉆頭的全面鉆進。連續取心時，用繩索提出鉆頭塞組合，然后投入取心內筒總成，實現取心作業[9-11]。
    保溫保壓取心筒及內部結構不隨外筒旋轉，避免了轉動對巖樣的干擾，實現多簡單動，有利于巖樣收獲率的提高；工具外筒帶有周向鎖定機構，可以實現取樣與全孔鉆進的轉換；靠液壓和繩索機構的聯合作用實現球閥機構關閉和釋放機構的工作，安全可靠；巖心管采用低摩阻的復合材料管或鋁合金管做成，摩擦系數低，有利于巖心的進入；鉆頭配有多種切削齒，根據地層軟硬情況可隨時設計和制造不同切削形式的取心鉆頭。利用繩索使巖樣從井底到地面的時間縮短，有利于實現保溫保壓目的。
3取心系統整機模擬實驗
3.1 保溫保壓取心系統整機工作性能試驗
    試驗設備包括超高壓加壓穩壓系統、高精度液壓壓力表、溢流閥、截止閥、連接接頭及液壓管路、氣壓管路、手搖泵等。
    試驗方法：在保溫保壓取心系統各部件組裝調試合格后，在壓力補償艙和液壓驅動艙分別充2 MPa和5 MPa氣壓后，關閉小型截止閥。將保溫保壓取心系統與超高壓加壓穩壓系統連接好，并外接l個高精度壓力表，向保溫保壓取心系統的保溫保壓筒內緩慢加壓至20 MPa。關閉手動截止閥，保壓，每隔一定時間記錄l次；注意觀測保溫保壓取心系統各密封處及連接處變化。取心筒上提到位，球閥正常關閉，保溫保壓正常，電氣控制系統工作正常，能正常設置參數和導出數據。
    試驗結論：24 h后，壓力由20 MPa降為l9.5MPa，保溫保壓取心系統工作正常。
3.2 天然氣水合物深水深孔取心系統整機模擬實驗
    在山東勝利油田的陸地3-10-斜更161進行了現場取心試驗，試驗是在Φ244.5 mm套管內通過鉆取水泥塞來模擬水合物取心，主要是檢驗天然氣水合物深水深孔取心系統的巖心進入、執行控制機構實施、割心機構關閉、保溫保壓實際效果等關鍵技術的實際作業情況。試驗井深為l95 m，取心進尺為3 m，取水泥塞長2.94 m，收獲率為98%，試驗獲得成功。試驗證明，天然氣水合物深水深孔取心系統結構設計合理，原理可行，所有機構都得到實現，試驗達到了預想的目標。
    天然氣水合物深水深孔取心系統整機在山東渤海灣淺海地區勝利CB25GA一6井進行現場取心試驗，從井深375～379.3 m間進行了2個筒次的作業，共取心4.3m，平均巖心收獲率為95.35%。最多一次取心3.1 m，收獲率為100%；工具出井口后通過現場快速測試技術對保壓情況進行了測試，實行不同時間段間隔測試，第一次測試壓力為4.25 MPa，在16.5 h后測壓為4.213 MPa，降低0.037 MPa，獲得較好的效果。
4結論與建議
 1)天然氣水合物深水深孔取心系統利用繩索結構實現深海水合物取心作業的工具結構設計，實現巖心筒快速提取，簡捷方便。
    2)設計的預緊球閥密封和板閥密封裝置保壓方式，金屬真空保溫管式被動保溫方法科學合理，安全有效。
    3)工作性能試驗和現場模擬水合物取心試驗均證明，天然氣水合物深水深孔取心系統結構合理，能夠達到保溫保壓取心的目的。
    4)需要繼續進一步完善天然氣水合物深水深孔取心系統，研制大尺寸專用鉆桿，提高天然氣水合物深水深孔取心系統鉆取巖心直徑，有效提高取心成功率；發展水合物研究團隊，加大水合物鉆探取心系統配套工藝與深水鉆探船的研究力度，為真正進入深海打下基礎【12-14】。
參 考 文 獻
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本文作者：王智鋒  管志川 許俊良
作者單位：1.中國石油大學（華東）石油工程學院 2.中國石油化工集團公司勝利油田鉆井工藝研究院