保压取样技术应用现状综述

刘协鲁，陈云龙，阮海龙，蔡家品，赵义，刘海龙，李春

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

保压取样技术是使取出的样品始终保持原始压力状态的一种特殊取样技术。与常规取样技术相比，保压取样技术的优点在于采获的岩样能够始终保持原始的压力状态，岩样的物理性质不会因压力释放而发生破坏，岩样中的流体也不会因为温度和压力的变化发生挥发及流失，这对于正确认识储层地质情况、进行储量精确计算、合理制定开发方案具有重要意义。

早在20世纪30年代，美国就提出了压力取心技术。经过几十年的研究与探索，保压取样技术已发展出了保温保压取样、保压密闭取样等多种取样技术以及相应的取样工具，使得保压取样技术在天然气水合物、煤层气、石油、天然气等多种能源领域中进行了大量应用，是目前采获原位样品的最重要手段。同时，随着对原位样品需求的增加，保压取样技术的应用也逐渐进入生物、水资源等领域。

1 在天然气水合物勘探中的应用

作为天然气水合物勘查评价的一项关键技术，保压取样是识别、获取水合物最直接有效的手段。由于受温度和压力影响较大，在天然气水合物勘探中主要采用保温保压取样技术，取样方式主要采用绳索取样。

得益于国际大洋钻探计划的实施，美国、日本、欧盟等国家对天然气水合物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压取样工具[1-3]，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，并能够与后续转移、处理装置对接，形成了完整的保压取样技术链条。

相比之下，我国对天然气水合物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，部分钻具的性能指标已达到甚至超过了国外同类产品，并对相应的天然气水合物取样技术规程、取样工艺等进行了研究[4]，具备了自主实施天然气水合物钻探取样作业的能力。但受限于后续保压转移、处理装置的研究，保压取样工具的应用较为有限，与国外存在较大差距。

表1为国内外主要保压取样钻具的性能参数和在天然气水合物勘探中的应用情况，图1为北京探矿工程研究所研发的天然气水合物保温保压取样钻具示意图。

表1 保压取样钻具技术参数及在天然气水合物勘探中的应用情况

图1 北京探矿工程研究所研发的天然气水合物保温保压取样钻具

2 在石油天然气行业中的应用

在石油和天然气勘探，尤其是在页岩油、页岩气等非常规能源勘探中，由于常规取心会因钻井液冲刷岩心，导致驱走岩样中所含油气水组分；在岩样回收过程中，由于环境压力变化，使岩心中的气体和原油中的轻质组分膨胀而发生逸散，导致无法正确认识地质情况、准确计算油气储量。因此，在页岩气和页岩油勘探中，通常采用保压密闭取样技术，作业方式通常为提钻取样。

尽管保压取样技术在20世纪30年代就已经提出，但直到1982年才投入生产应用。在该技术发展之初，主要采用的是美国克里斯坦森研制的保压密闭取心工具(PCBBL型)。

我国对此项技术研究较晚，大庆油田在1979年开展了对此项技术的研究，自行研制了BYM-Ⅰ型保压取心工具，并不断进行了改进和试验，1985年7次下井试验时平均保压率80.2%，先后在大庆长垣、古龙地区、海拉尔探区和新肇地区完成了保压取心工作。1986年在此基础上研制了适用于中深探井的BYM-Ⅱ型保压取心工具，在检333井现场试验中保压率85.4%。2006年研制了适合于大庆深层的BYM-Ⅲ型保压取心工具，在徐深12井深层火山岩和砾岩地层应用，井口测试内筒压力为33 MPa，进尺2.2 m，心长2.2 m，岩心收获率100%，保压率94.3%[16]。

中国石油集团长城钻探工程有限公司工程技术研究院在2014年研制出GWY194-70BB型保压取心工具[17]，由于保压能力与岩心直径两项主要技术指标与国外同类产品存在明显的差距，又以该型号钻具为基础，设计研发了GW-CP194-80A型保压取心工具[18]，岩心直径由70 mm提升至80 mm，保压能力由20 MPa提升至60 MPa，并在辽河、大庆、四川等油气田进行了5口井27筒次的现场试验和应用，取得了平均取心收获率87.5%、保压成功率92.6%的良好效果。

保压取心技术不仅可以应用于油气勘探，在油田进入生产后，也可应用保压取心技术采获储层岩心，获取准确的储层油气水饱和度数据，了解油层水淹情况。2002年，丘陵油田为准确获取油层油气水饱和度数据，采用保压取心技术在油田构造相对完整的主体部位进行了7筒保压取心，平均密闭率82.1%，保压率93.1%，保压冷冻岩心孔隙中油气水三相回收率达95%以上，各项指标均达到要求[19]。

虽然保压密闭取样设备昂贵、技术工艺复杂、使用成本高，但随着对储量计算精度的要求逐渐提高，保压密闭取样技术开始越来越多地应用到石油天然气勘探中。

3 在煤层气勘探中的应用

煤层气含量是表征煤储层特征的关键参数之一，对于煤层气资源勘探开发、靶区优选、煤矿井瓦斯涌出量预测等都至关重要。以往进行煤层气取心时，大多采用大直径绳索打捞取心钻具等常规取心钻具获取岩心，然后采用回归法计算煤层气含量。但根据越来越多的国内外煤层气勘探开发、煤矿开采以及瓦斯涌出、通风排放数据显示，采用此种方法计算得出的数据普遍低于实际含气量，因此，国内逐渐将保压取样技术引入到煤层气取心中。

由于煤层与油气储层在埋藏深度、压力、温度以及储层非均质性等方面有明显不同，油气保压密闭取心工艺复杂、费用高，而且油气保压密闭取心的测试内容与煤层气有所不同，国内多家单位对煤层气保压取样技术开展了研究，并进行了现场试验。

中煤科工集团孙四清等研制了地面井煤层气含量精准测试密闭取心钻具，采用提钻保压取心工艺，保压能力达到10 MPa以上，适用于埋深1000 m以内的密闭取心，并在淮南潘三煤矿和淮北芦岭煤矿开展了2口井的对比试验，结果显示利用保压取心法采获的煤层气含量要比常规取心法获得的煤层气含量高20.23%～40.34%[20，21]，中国石油华北油田公司朱庆忠等研发的GW-CP194-80W型煤层气双保压取心工具，采用提钻保压取心工艺，单次取心长度1.5 m，岩心直径80 mm，双保压筒额定围压20 MPa，该型工具于2019年在沁水盆地M97-X井进行了试验，钻具出井后测得围压为13.5 MPa，内压为10.6 MPa，取出0.85 m结构完整的煤岩样品，取得较好效果[22]。王西贵等针对深层超深层煤层气研发了深层超深层煤层气保压取心工具，同样采用提钻保压取心工艺，单次获取煤心长度4.5 m，煤心直径75 mm，保压能力30 MPa，目前尚未见到该型钻具的应用实例。中国地质调查局勘探技术研究所的李小洋等研制了煤层气调查评价钻探保压取心钻具，取心管长度为1.2 m，取心直径85 mm，最大保压能力为20 MPa，目前尚未见到该型钻具的应用实例。

4 在其他行业领域内的应用

由于保持样品原始压力不会导致气体气相组分散失和有机组分分解，保压取样技术也逐渐应用到其他领域。

作为海洋资源探测的主要任务之一，对深海水样开展分析，不仅可以提高对海洋生物、海洋物质循环甚至气候变化的认识，而且利用海水中标志性气体的异常信息，还能够为开发利用海洋资源提供可靠的线索[25-28]。近些年来，在深海水样取样，尤其是在海底极端环境流体取样分析方面，为减小对样品物理化学性质及微生物活性的影响，研究者开始在深潜器上搭载保压取样技术，下潜到指定海域进行取样。

国外对此方面的研究发展较快，已研发了一系列用于极端环境的深海流体取样设备。其中，比较著名的是美国研制的带有蓄能装置的“Jeff”气密保压采样器[29]。该采样器在样品回收过程和保压转移过程中均能够利用蓄能器中的预充压氮气维持样品压力，同时还配备了温度检测装置，可实时监测热液温度。

相比之下，尽管我国开展此方面的工作较晚，但随着近年来国家对海洋资源开发的加大投入，我国在海底热液保压取样等技术方面取得了不少成果。浙江大学是国内最早进行深海保真取样器研制的单位，以气密等压取样器工作原理为基础，自主研制了深海气密保压热液取样器，并在中美联合深潜科考航次中搭载美国Alvin深潜器成功采集到高质量热液样品[30]。此外，浙江大学还研制出了深海万米级气密保压取样器“GTP”并搭载我国“原位试验号”、“万泉号”深渊着陆器，在马里亚纳海沟成功采获气密保压样品[31]。

5 结语

我国的保压取样技术总体起步较晚，但随着近年来国家对此项技术的重视，以及国内对自主研制装备的认识逐渐提高，国内在天然气水合物、石油、天然气、煤层气以及深海水样等领域开展了大量的研究，取得了一些成就。由于后续样品处理技术、成本昂贵、工艺复杂等条件限制，国内保压取样技术并未实现大规模应用，我国应继续加大对此技术的研究与利用。