天然氣水合物深水深孔鉆探取心系統(tǒng)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(xù)補給并在水參與的條件下形成。對其常規(guī)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(tài)
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(xù)補給并在水參與的條件下形成。對其常規(guī)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(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，造成天然氣散失而影響儲層評價的可靠性。為此優(yōu)選超高真空絕熱方式設(shè)計金屬保溫筒和壓力補償方式實現(xiàn)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(tǒng)：在取心實施過程中，利用取心專用鉆桿將繩索取心內(nèi)筒組合送入海底進行取心作業(yè)，取心結(jié)束后，從井口放入繩索提起取心內(nèi)筒總成，帶動活塞上行，產(chǎn)生負(fù)壓使球閥關(guān)閉，實現(xiàn)保溫保壓取心；當(dāng)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(xiàn)取心鉆頭快速鉆進；連續(xù)取心時，用繩索提出鉆頭塞組合，然后投入取心內(nèi)筒總成，實現(xiàn)取心作業(yè)。在勝利油田淺海區(qū)域成功地進行了該取心系統(tǒng)工作能試驗和現(xiàn)場模擬試驗，結(jié)果證明：該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)保溫保壓取心的目的。
關(guān)鍵詞 天然氣水合物 深水 深孔 鉆探 取心 保壓 試驗 取心內(nèi)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(xù)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(biāo)準(zhǔn)溫度、壓力下能釋放出164M3甲烷氣體[1]。
    迄今，全球至少有l(wèi)l6個地區(qū)發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物，在世界海域已有78處直接或間接發(fā)現(xiàn)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(jù)估計，具有產(chǎn)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(jù)國際天然氣潛力委員會(PGC)的統(tǒng)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(chǎn)儲量大2倍心[2-3]。
    準(zhǔn)確地判斷整個天然氣水合物儲層的埋藏深度、礦床規(guī)模以及巖石穩(wěn)定性等基礎(chǔ)、可靠的信息，為勘探開發(fā)計算儲量、制定開發(fā)方案提供重要依據(jù)，急需獲取海底環(huán)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(qū)別是：石油在儲層中以流體狀態(tài)存在，在鉆探和提取到地面時仍以流體狀態(tài)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(tài)存在，而當(dāng)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(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。研發(fā)一套能夠快速提取、保持海底溫度、壓力狀態(tài)的深水深孔保溫保壓取心系統(tǒng)是解決以上難題的關(guān)鍵[4-9]。
1 天然氣水合物深水深孔取心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1 天然氣水合物深水深孔取心系統(tǒng)保壓設(shè)計
    深水深孔取心系統(tǒng)在鎖定機構(gòu)的下面設(shè)有壓力補償裝置，壓力補償系統(tǒng)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(nèi)活塞右腔加入5MPa的氮氣壓力。在20 MPa環(huán)境壓力下，艙體內(nèi)活塞左腔是充滿20 MPa高壓鉆井液、海水，而環(huán)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(nèi)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(nèi)筒組合隨著繩索的上升，環(huán)境壓力減少，易使保壓筒內(nèi)的壓力減小，因而對其補償，盡量保持接近原始壓力狀態(tài)。在取心系統(tǒng)內(nèi)筒下邊設(shè)有球閥關(guān)閉機構(gòu)，目的是關(guān)閉內(nèi)筒的下端，使巖心保持在內(nèi)筒中。
 在內(nèi)筒的頂端采用止推機構(gòu)鎖定內(nèi)筒，在取心作業(yè)中，由于巖心和鉆壓的作用使巖心內(nèi)筒上行，為了固定內(nèi)筒，因而采用軸向鎖定機構(gòu)。為防止內(nèi)筒組合在下放時出現(xiàn)意外，可以采用繩索送入機構(gòu)將內(nèi)筒組合送入鉆具底部在收回繩索時需要釋放機構(gòu)工作。

圖1 取心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
    圖1是取心和全面鉆進過程中的取心系統(tǒng)示意圖：工具懸掛總成、鎖定機構(gòu)、取心內(nèi)筒、保溫保壓筒、取心外筒、球閥機構(gòu)、取心鉆頭、壓力補償裝置、測溫測壓記系統(tǒng)及內(nèi)筒回收。
1.2天然氣水合物深水深孔取心系統(tǒng)保溫設(shè)計
由于天然氣水合物存在環(huán)境的低溫、高壓性，因此取心系統(tǒng)首先要解決的問題就是保溫保壓，經(jīng)過對比分析各種保溫方式，考慮鉆具外形尺寸的限制，優(yōu)選金屬真空保溫管內(nèi)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(tǒng)保溫筒設(shè)計如圖2，采用超高真空絕熱方式，在內(nèi)層管、外層管間抽真空；高真空層內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，現(xiàn)場可操作性強，使用方便。
    在球閥關(guān)閉機構(gòu)附近設(shè)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(xiàn)場測量儀器測量保壓保溫筒內(nèi)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(tǒng)的保溫保壓結(jié)果。
   
2 取心系統(tǒng)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(nèi)筒組合送入海底進行取心作業(yè)，取心結(jié)束后，從井口放入繩索提起取心內(nèi)筒總成，帶動活塞上行，產(chǎn)生負(fù)壓使球閥關(guān)閉，實現(xiàn)保溫保壓取心。當(dāng)需要進行全面鉆進時，從井口投入鉆頭塞堵塞流道，實現(xiàn)取心鉆頭的全面鉆進。連續(xù)取心時，用繩索提出鉆頭塞組合，然后投入取心內(nèi)筒總成，實現(xiàn)取心作業(yè)[9-11]。
    保溫保壓取心筒及內(nèi)部結(jié)構(gòu)不隨外筒旋轉(zhuǎn)，避免了轉(zhuǎn)動對巖樣的干擾，實現(xiàn)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(gòu)，可以實現(xiàn)取樣與全孔鉆進的轉(zhuǎn)換；靠液壓和繩索機構(gòu)的聯(lián)合作用實現(xiàn)球閥機構(gòu)關(guān)閉和釋放機構(gòu)的工作，安全可靠；巖心管采用低摩阻的復(fù)合材料管或鋁合金管做成，摩擦系數(shù)低，有利于巖心的進入；鉆頭配有多種切削齒，根據(jù)地層軟硬情況可隨時設(shè)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(xiàn)保溫保壓目的。
3取心系統(tǒng)整機模擬實驗
3.1 保溫保壓取心系統(tǒng)整機工作性能試驗
    試驗設(shè)備包括超高壓加壓穩(wěn)壓系統(tǒng)、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(tǒng)各部件組裝調(diào)試合格后，在壓力補償艙和液壓驅(qū)動艙分別充2 MPa和5 MPa氣壓后，關(guān)閉小型截止閥。將保溫保壓取心系統(tǒng)與超高壓加壓穩(wěn)壓系統(tǒng)連接好，并外接l個高精度壓力表，向保溫保壓取心系統(tǒng)的保溫保壓筒內(nèi)緩慢加壓至20 MPa。關(guān)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(tǒng)各密封處及連接處變化。取心筒上提到位，球閥正常關(guān)閉，保溫保壓正常，電氣控制系統(tǒng)工作正常，能正常設(shè)置參數(shù)和導(dǎo)出數(shù)據(jù)。
    試驗結(jié)論：24 h后，壓力由20 MPa降為l9.5MPa，保溫保壓取心系統(tǒng)工作正常。
3.2 天然氣水合物深水深孔取心系統(tǒng)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(xiàn)場取心試驗，試驗是在Φ244.5 mm套管內(nèi)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(tǒng)的巖心進入、執(zhí)行控制機構(gòu)實施、割心機構(gòu)關(guān)閉、保溫保壓實際效果等關(guān)鍵技術(shù)的實際作業(yè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，原理可行，所有機構(gòu)都得到實現(xiàn)，試驗達到了預(yù)想的目標(biāo)。
    天然氣水合物深水深孔取心系統(tǒng)整機在山東渤海灣淺海地區(qū)勝利CB25GA一6井進行現(xiàn)場取心試驗，從井深375～379.3 m間進行了2個筒次的作業(yè)，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(xiàn)場快速測試技術(shù)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(jié)論與建議
 1)天然氣水合物深水深孔取心系統(tǒng)利用繩索結(jié)構(gòu)實現(xiàn)深海水合物取心作業(yè)的工具結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)巖心筒快速提取，簡捷方便。
    2)設(shè)計的預(yù)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(xué)合理，安全有效。
    3)工作性能試驗和現(xiàn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，能夠達到保溫保壓取心的目的。
    4)需要繼續(xù)進一步完善天然氣水合物深水深孔取心系統(tǒng)，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(tǒng)鉆取巖心直徑，有效提高取心成功率；發(fā)展水合物研究團隊，加大水合物鉆探取心系統(tǒng)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(chǔ)【12-14】。
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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(xué)（華東）石油工程學(xué)院 2.中國石油化工集團公司勝利油田鉆井工藝研究院