海域天然气水合物保温保压取样钻具研究与应用进展

刘协鲁，阮海龙，赵 义，蔡家品，陈云龙，梁 涛，李 春，刘海龙，邓都都

（北京探矿工程研究所，北京 100083）

0 引言

天然气水合物，因资源量丰富、能量高度压缩、清洁环保等特点，成为未来理想的战略接替能源之一［1-7］，引起了世界各国尤其是发达国家的高度重视，并争相开展勘查试采工作［8-11］。采获高保真的实物样品，开展饱和度、开采特性等分析，是准确评价水合物资源储量的基础工作。确定天然气水合物中赋予的天然气原位浓度的唯一方法是通过保温保压取样钻具获取地层原状岩心。原状天然气水合物取样难度大、工艺复杂，不仅需要在保温保压状态下采获，而且要保证不同地层条件下原位样品的采取率，同时还要保证样品在取样过程中原位状态的保持，对取样技术提出了较高的要求。国内外相关机构对保温保压取样技术开展了大量研究，并逐渐投入水合物资源勘查钻探应用中。

1 国内外研究应用现状

美国、日本、欧盟等国家对天然气水合物保温保压取样工具的研究起步较早，已发展出多种类型的天然气水合物保温保压取样工具，比如日本研制的PTCS 和Hybrid PCS，欧盟研制的FPC 和HRC 以及大洋钻探计划中的PCS 和PCB。这些钻具借助于ODP、DSDP 等国际大洋钻探计划以及诸多以天然气水合物为目的的商业钻探航次的实施，通过在实践应用中不断完善，已成功应用于世界各地的天然气水合物钻探取样工作中（见表1）。

表1 国外保温保压取样钻具的应用情况Table 1 Applications of foreign pressure-temperature core samplers

相比之下，我国对海域天然气水合物保温保压取样工具的研究起步较晚，目前国内已经形成了多种类型的取样钻具（见表2），并对相应的天然气水合物取样技术规程［16］、取样工艺［17］等进行了研究，但仅有部分进行了海上取样试验，能够实现工程应用的钻具更是少见。

表2 国内保温保压取样钻具的应用情况Table 2 Applications of domestic pressure-temperature core samplers

尽管近年来国家对天然气水合物资源的重视与投入逐渐加大，但在保温保压取样技术的发展与应用上，仍与国外存在不小的差距。为此，北京探矿工程研究所在地质调查项目的支持下，对保温保压取样技术开展了深入研究，先后研发出压入式板阀保温保压取样钻具和回转式球阀保温保压取样钻具。本文将从工作原理、特点、试验与应用等方面对这2种钻具进行重点介绍。

2 TKP-1 型压入式板阀保温保压取样钻具

2.1 取样钻具工作原理与特点

TKP-1 型钻具的工作原理是压入取样，即当钻具落入井底的外管总成中后，启动泥浆泵，利用钻具上的密封，使得钻杆内泵压不断升高，当达到液动锤工作压力后，液动锤开始工作并锤断销钉，同时不断推动钻具内管压入地层，完成取样工作［21］。

在结构方面（见图1），压入式板阀保温保压取样钻具采用模块化设计，主要由打捞矛头、限位环、驱动段、蓄能器、阀组段、保压岩心筒和保压阀组成。保温功能的实现是依靠真空管结构，即使用双层管结构，管中间进行抽真空处理，从而减缓样品与外界的热交换。保压功能的实现则是通过主动保压和被动保压。主动保压是利用活塞式蓄能器，将压力转换为压缩能进行存储，当取样过程中出现压力泄漏时，能够释放压缩能对岩心筒的压力进行补充。而被动保压是利用安装在钻具下部的板阀密封机构，在取样结束后，板阀翻转，对岩心筒形成密封［21-22］。

图1 TKP-1 型压入式板阀保温保压取样钻具结构示意Fig.1 Structural diagram of the press-in plate valve pressure-temperature core sampler（TKP-1）

该型取样钻具的特点如下：

（1）采用模块化设计，能够与常规取样钻具共用外管总成。

（2）钻具总长度3.5 m，岩心筒长度1 m，样品直径为52 mm。

（3）保压性能≤20 MPa。

（4）在取心过程中，失温速率＜5 ℃/h。

（5）适用于软－中硬地层，组装拆卸方便，安全可靠。

2.2 试验与应用

2015 年4 月，该型取样钻具在中国南海100 m水深海域进行钻探取心试验，打捞成功率100%，保压成功率达到33%。随后对取样器保压机构等进行了优化升级。同年7 月在中国南海804 m 及1392 m 水深海域再次进行了海试，共计进行了6 个回次的保压取样，5 个回次连续保压成功，压力损失均在10%以下，且4 个回次取到满管样品。

基于2 次海试的成功和取样经验，同年9 月利用该型钻具在南海水深1309 m 海域进行了天然气水合物取样作业，在天然气水合物富集层位累计进行了18 回次取样作业，钻探进尺18 m，总计获得岩心长度＞9.85 m，岩心采取率＞54.7%；有14 回次样品管压力＞10 MPa，保压成功率达到了77.7%，具体性能指标见表3。作业中，共计收集了22 L 分解气，并成功点火（见图2）［23］。

图2 保压样品红外扫描及现场集气点火Fig.2 Infrared scanning image of pressure holding sample and field gas gathering and ignition

表3 TKP-1 型钻具在水合物取样作业中的应用数据Table 3 Field data of the press-in plate valve pressure-temperature core sampler in hydrate sampling

在该次天然气水合物取样作业中，压入式板阀保温保压取样钻具在保压成功率方面，略高于国外钻具，但在样品直径、长度、最大工作压力以及岩心收获率方面仍有差距（见表4）。由于该型取样钻具的驱动方式为压入式，仅适用于软－中硬地层，在硬地层中并不适用。

表4 TKP-1 型压入式板阀保温保压取样钻具与国外同类钻具取样技术指标对比Table 4 Comparison of sampling technical indicators between the press-in plate valve pressure-temperature core sampler (TKP-1)and the foreign sampling drilling tool

3 TKP-2 型回转式球阀保温保压取样钻具

3.1 取样钻具工作原理与结构

TKP-2 型钻具是在TKP-1 型钻具的基础上研发的，能够采获赋存在中硬－硬地层中的天然气水合物样品。该型取样钻具的工作原理是随钻取样，即当钻具落入井底的外管总成中后，启动顶驱与泥浆泵，开始旋转钻进。在钻进时，外管带动取样钻具旋转，岩心逐渐进入岩心管中，取样结束后打捞取样工具时，通过差动实现球阀翻转关闭，保持岩心管内部压力。

在结构方面（见图3），回转式球阀保温保压取样钻具同样采用模块化设计，主要由打捞矛头、联动卡、蓄能器、阀组段、保压岩心筒和球阀总成组成。保温机构和主动保压机构与TKP-1 型钻具一致，而被动保压机构则采用特殊设计研究的球阀，在取样结束后球阀翻转对岩心筒进行整体密封。

图3 TKP-2 型回转式球阀保温保压取样钻具结构示意Fig.3 Structural diagram of the rotary ball valve pressure-temperature core sampler（TKP-2)

该型取样钻具的特点如下：

（1）与常规取样钻具共用外管总成，组装拆卸方便，安全可靠。

（2）钻具总长度4.9 m，岩心筒长度3 m，样品直径为51 mm。

（3）保压性能最大为30 MPa。

（4）在取心过程中，失温速率＜5 ℃/h。

（5）适用于中硬－硬地层。

3.2 试验与应用

2018 年9 月，在南海水深630 m 海域对该型钻具进行了海上试验。试验共钻进18 m，累计取样试验18 个回次，累计取心长度17.1 m，钻具的取样率、保压成功率等性能均达到设计要求。同时，针对试验中发现的退样操作复杂等问题，重新进行了改进，并进行了室内实验。

2019 年9 月，在地质调查项目中，再次检验了该型保温保压取样钻具在水合物区域的作业性能指标（见图4）。该航次依托“海洋地质十号”调查船，在南海水深786 m 处实施，共计进行了7 个回次保压取样，样品直径为51 mm，球阀关闭率100%，采样过程失压率＜10%，保压成功率100%，岩心采取率77%（见表5）。对试验中3 个回次采集到的样品进行了气体采集，均点火成功（见图5），证实了水合物赋存，达到了预期的试验效果。

图4 回转式球阀保温保压取样钻具现场调试Fig.4 On-site commissioning of the rotary ball valve pressure-temperature core sampler

图5 现场集气、点火Fig.5 On-site gas gathering and ignition

表5 回转式球阀保温保压取样钻具海试情况统计Table 5 Summary of marine trials of the rotary ball valve pressure-temperature core sampler

4 结论

随着我国对天然气水合物这一未来能源的投入逐渐加大，国内已涌现出多种类型的保温保压取样钻具，其中压入式板阀保温保压取样钻具和回转式球阀保温保压取样钻具，经过多次海上试验，已能够在软－中硬－硬地层中采获满足工程应用需求的原位天然气水合物样品。但在工程应用中展现出的岩心直径、样品长度、最大工作压力等性能指标以及钻具与后续带压转移处理装置的对接等方面，与国外成熟钻具仍存在一定差距，这需要在今后的工作中不断进行改进与升级。

尽管目前利用国内保温保压取样钻具开展工程应用的案例较少，但初步摸索了海域天然气水合物保温保压取样作业流程，有效推进了海域天然气水合物资源勘查自主化进程。国内保温保压取样钻具经过不断的研发与改进后，能够逐步替代国外产品，在天然气水合物勘查评价工作中得到推广应用。

海域天然气水合物保温保压取样钻具的研发与应用，不仅能够促进水合物资源开发的科技进步，同时对我国维护海洋权益、海洋产业经济的发展都具有重要意义。