陆域天然气水合物厚覆盖层跟管取心技术研究

李 宽，梁 健，李鑫淼，刘秀美，张永勤，孙建华，王舒婷

(中国地质科学院勘探技术研究所)

天然气水合物作为一种非常规能源，主要赋存于陆域冻土区、陆域深水海域地层和一些深水湖泊底部沉积物中，具有能量密度大、分布范围广、储量大、清洁无污染等突出优点，被视为未来石油、天然气最好的替代能源[1]。勘探与开发天然气水合物对缓解人类面临的能源危机、温室效应等问题具有重要意义。

我国冻土区主要分布在青藏高原和大兴安岭地区，尤其是羌塘盆地、祁连山、风火山和漠河盆地等具备较好的天然气水合物成矿条件和找矿前景。羌塘盆地是青藏高原年平均地温较低、冻土层相对较厚、地温梯度较低和成油成气最好的地区，具有更好的天然气水合物形成的温压条件和烃类气源条件，是公认的有利找矿区。钻探取心是天然气水合物找矿突破最直接、最准确、最有说服力的方法，也是验证其他勘查技术方法(如地球物理、地球化学、遥感等)的手段，同时能够为水合物成藏理论分析提供有力素材[2]。

鉴于陆域天然气水合物研究的重要性，“天然气水合物勘查与试采”国家专项下设钻探试验井项目，旨在进行冻土区天然气水合物钻探取心工艺方法与取样器具研究，在找矿靶区开展钻探试验井工程，力争实现找矿突破，尽快探明水合物分布范围、分布特征和储量。

一、钻探取心方法

针对厚覆盖层钻探取心难题，综合天然气水合物赋存特殊的温压平衡条件，制定了“隔水式单动双管取心、低温钻井液护心、扩眼跟管护壁”的钻进方法，原理如图1所示。

图1 跟管钻进原理示意图

跟管钻进是将套管随钻头和取心钻具跟入孔内的一种钻进方法，取心、钻井液护壁、下套管三个工序同时进行，即取心钻进的同时也下入了护壁套管，跟进的套管具有稳定孔壁和保护孔口的作用，能有效解决松散覆盖层长孔段裸眼钻进、反复起下钻带来的护壁难、成孔难的问题[3-4]。

根据钻孔结构设计和前期施工经验，跟管取心钻具拟采用Ø146 mm规格。单动双管钻具取心钻头外径152 mm，岩心直径90 mm，钻具外管直径146 mm。液推式扩眼器收敛状态外径146 mm，扩孔翼完全张开时外径176 mm，扩孔率120%。跟进的套管规格为Ø168 mm×6 mm，内径156 mm，保证取心钻具和扩眼器顺利提升与下放。

二、取心钻具

隔水式单动双管取心钻具适用于可钻性2～6级的中等硬度、胶结性差、松散、破碎、节理发育、易震碎、易冲蚀的岩矿层取心，钻具结构如图2所示，包括外管总成和内管总成，外管总成包括悬挂接头、外管、扩孔器、扶正环、钻头等，内管总成包括单动机构、芯轴、调节机构、单向止水阀、岩心管、岩心提断器等，内管总成通过螺丝套悬挂在外管总成上面。

图2 隔水式单动双管取心钻具结构示意图

1外管接头 2圆柱销 3悬挂接头 4轴承衬套 5推力球轴承 6减震垫 7轴承挡板 8推力球轴承 9轴承罩 10螺丝套 11 “O”型圈 12芯轴 13圆柱销 14单向止水阀 15止水钢球 16锁紧螺帽 17外管短接 18内管接头 19上扶正环 20上扩孔器 21岩心管 22外管 23下扶正环 24下扩孔器 25铜套 26密封短接 27 “O”型圈 28拦簧 29拦簧座 30取心钻头

钻具有两套单动机构，上部单动机构通过两副推力球轴承实现外管单动，轴承与芯轴安装有缓震胶垫，螺丝套与芯轴之间安装有“O”型圈，避免钻井液进入单动机构，提高轴承的寿命。下部单动机构通过插接的耐磨铜套实现单动，便于更换。

取心钻头是一体式硬质合金钻头，水口不分布在底唇面上，而是均匀分布在近钻头外侧。取心钻头与内管总成通过“O”型圈实现隔水功能，防止钻井液直接冲刷岩心。岩心管采用半合管结构，便于退心。岩心提断器包括花瓣式拦簧和拦簧座，弹簧片通过铆钉固定在拦簧上面，岩心可克服弹簧片阻力自下而上进入岩心管，进入岩心管的样品则不会脱落。

三、低温钻井液技术

低温钻井液技术包括钻井液配制和钻井液冷却技术。松散覆盖层低温钻井液要求性能特点是“低冰点(-5℃)、密度1.15～1.20 g/cm3、黏度45～60 s”，选用NaCl、KCl、Na2CO3等盐类配成低温基础液，如需满足更高的低温要求，使用有机添加剂如乙醇、乙二醇、丙三醇和表面活性剂等[5-6]，经室内试验确定覆盖层钻井液配方为：膨润土(70～100 kg/m3)+磺化褐煤树脂(15～20 kg/m3)+光谱护璧剂(5～10 kg/m3)+重晶石粉(100～200 kg/m3)，滤饼厚度、滤失量可满足性能要求，现场配制视地层条件进行调整。

钻井液冷却技术是通过载冷剂与钻井液在换热器中对流换热，将钻井液温度动态稳定在低温状态下(≤1℃)，避免岩心在钻进与打捞过程中分解，利于钻获天然气水合物实物样品，是天然气水合物钻探关键技术之一。根据施工经验，钻井泥浆泵量在150 L/min左右，进出井温差约2℃，前期天然气水合物调查井施工采用的是项目组与吉林大学合作研制的同轴套管式钻井液冷却装置，能将钻井液动态稳定在低温状态[7-9]，但存在的启动电流大、结冰堵塞等问题，对此，重新设计并试制了新型翅片管式钻井液冷却装置[10]，其系统组成与换热过程如图3所示。

钻井液冷却装置主要包括制冷机组、换热器、载冷剂循环泵、泥浆循环泵等。制冷机组采用风冷螺杆式冷水机，-15℃时的制冷量是40 kW，可满足工作需求。压缩机启动方式为变频启动，峰值启动电流58 A，相比于前期使用的星三角启动方式，启动电流降低80%，大幅度降低配套发电机组功率。

换热器是钻井液冷却装置的核心部件，换热元件选用一体式冷轧全铝翅片管，泥浆循环泵输送常温钻井液在翅片管基管内循环，载冷剂循环泵输送乙二醇水溶液在换热器箱体内循环。全铝翅片管管外表面滚轧加工有一系列螺旋环状T型隧道，导热系数是常规光滑钢管的5倍、综合给热效率是其8～17倍，换热面积降低60%以上，大幅度减小设备体积。

图3 钻井液冷却装置系统组成与工作原理图

四、液推式扩眼器

如图1所示，液推式扩眼器安装在钻头和取心钻具上部、钻杆和钻铤下部，扩眼器结构如图4所示，包括活塞总成、张敛连杆机构、限位机构、扶正机构、自动回收机构、强制回收机构等，一般有非扩孔作业、回次扩孔作业和强制回收扩孔翼三种工作状态。

图4 液推式扩眼器结构示意图

1下接头 2过水底板 3扶正短接 4单向止水阀 5止水钢球 6回收管 7扶正块 8心管 9销轴 10扩孔翼 11销轴 12张敛拉杆 13销轴 14弹簧挡板 15滑块 16弹簧套 17复位弹簧 18活塞 19剪切销 20解卡钢球 21上接头

1.非扩孔作业

在起下钻等非扩孔作业时，不投入解卡钢球，钻井液不循环，活塞总成在复位弹簧作用下处于上限位置，扩孔翼处于收敛状态，扩眼器可自由的通过套管。

2.回次扩孔作业

当扩眼器下至套管以下需要扩孔作业时，开启地表的泥浆泵开始泵送钻井液，起初，心管上的水眼嵌在扶正块内，钻井液通道封闭处于憋压状态，之后，钻井液压缩复位弹簧推动活塞总成下行，心管上面的水眼缓慢出露，钻井液通道逐渐打开，同时活塞总成通过张敛连杆机构带动扩孔翼逐渐张开，压力表显示的钻井液循环压力逐渐下降。当活塞总成下行至下限位时，钻井液通道完全打开，同时扩孔翼完全张开，压力表显示的钻井液循环压力不再下降趋于稳定，接近理论值范围，缓慢回转后可进行扩孔作业。如钻井液循环压力出现憋压或明显高于理论值，表明钻井液通道尚未完全打开，水眼未完全出露，扩孔翼未完全张开，应提至地表检查扩眼器。扩孔作业结束后，停止泵送钻井液，正常情况下，活塞总成会在预压缩复位弹簧反作用压力下上行，同时带动扩孔翼收敛至回收管的回收腔，回次扩孔作业结束。

3.强制回收

如遇岩屑卡堵等情况导致扩孔翼无法自动回收时，往钻杆内投入解卡钢球，将钻井液通道封闭。解卡钢球投掷到位后，开启泥浆泵开始泵送钻井液，形成憋压状态，解卡钢球和心管总成在钻井液压力作用下冲断剪切销下行至底部死位，此时活塞上部的水眼打开，钻井液进入活塞与弹簧套之间的环状间隙，钻井液循环如箭头所示，在钻井液压力作用下，活塞通过张敛拉杆机构带动扩孔翼强制收敛至回收腔。

液推式扩眼器结构简单，易于加工制造与装配，能够通过钻井液循环压力准确判断扩孔翼张开情况，并能在扩孔翼无法正常收敛时，投过投球的方式改变钻井液通道强制将扩孔翼收敛至回收腔内。

五、野外应用

2016年6～8月，跟管取心钻具与翅片管式钻井液冷却装置经室内安装调试后，运至西藏鸭湖地区天然气水合物调查井QK-6-1井现场进行了野外应用。

在调查井施工中，0～100 m无天然气水合物存在的可能性，为确保成孔，采用Ø311 mm钻头全面钻进，然后下入Ø219.07 mm护壁套管。100～190 m层段采用跟管取心钻进，隔水式单动双管钻具与液推式扩眼器经现场调试，下入孔内进行取心作业。隔水式单动双管取心钻具工作稳定，能将松散的岩心取至地表，如图5所示。扩眼器在扩孔翼收敛状态时能够顺利通过套管，张开状态时能将套管下部扩孔段孔径扩至174～176 mm，套管能够顺利下放。

图5 钻取的岩心样品

跟管取心钻进至162 m时，100～162 m孔段多处涌水造成孔壁坍塌，将跟进的套管完全抱住，无法继续跟管钻进。钻至162 m处，地层较为坚硬，改用绳索取心钻具继续钻进至设计深度，终孔深度700.70 m，达到设计深度。跟管取心钻具最大程度上解决了长孔段松散覆盖层取心与孔壁不稳定问题，该层段岩心采取率89%，获取了满足地质要求的岩心样品。

六、结论与建议

(1)在野外施工中，隔水式单动双管取心钻具能够将松散岩心样品采集并提至地表，岩心采取率接近90%。

(2)液推式扩眼器结构设计合理，扩孔翼张敛稳定可靠，能将裸眼段孔径扩至176 mm，跟管钻进进尺超过60 m。因为涌水、地层极松散等因素，出现地层坍塌抱死套管的情况，影响了跟管钻进深度，下一步拟增加孔口低速转盘，实现套管全时回转。