天然气水合物深水深孔钻探取心系统研制

摘 要

摘要 海底天然气水合物在低温(0～10℃)、高压(大于l0 MPa)、有充分的烃类连续补给并在水参与的条件下形成。对其常规取心和提取到地面的过程中，伴随温度压力的改变，很容易从固态
摘要 海底天然气水合物在低温(0～10℃)、高压(大于l0 MPa)、有充分的烃类连续补给并在水参与的条件下形成。对其常规取心和提取到地面的过程中，伴随温度压力的改变，很容易从固态变为气态，造成天然气散失而影响储层评价的可靠性。为此优选超高真空绝热方式设计金属保温筒和压力补偿方式实现保温保压功能，进而研制成功了天然气水合物深水深孔钻探取心系统：在取心实施过程中，利用取心专用钻杆将绳索取心内筒组合送入海底进行取心作业，取心结束后，从井口放入绳索提起取心内筒总成，带动活塞上行，产生负压使球阀关闭，实现保温保压取心；当需要进行全面钻进时，从井口投入全面钻进钻头塞堵塞流道，实现取心钻头快速钻进；连续取心时，用绳索提出钻头塞组合，然后投入取心内筒总成，实现取心作业。在胜利油田浅海区域成功地进行了该取心系统工作能试验和现场模拟试验，结果证明：该系统能够实现保温保压取心的目的。
关键词 天然气水合物 深水 深孔 钻探 取心 保压 试验 取心内筒总成
    
    天然气水合物在低温(0～10℃)、高压(大于l0MPa)条件下，有充分的烃类连续补给并在水参与下形成，其主要成分是甲烷(CH4)，遇热迅速分解，可燃。1 m3天然气水合物在标准温度、压力下能释放出164M3甲烷气体[1]。
    迄今，全球至少有ll6个地区发现了天然气水合物，在世界海域已有78处直接或间接发现了天然气水合物，其中15处钻探岩心中见到天然气水合物。据估计，具有产出海底天然气水合物条件的水域占世界各大洋面积的10%[4-5]。而据国际天然气潜力委员会(PGC)的统计，世界各大洋中天然气水合物换算成甲烷气体高达2×1016 m3，其含碳量比迄今世界上所有已知石油、天然气、煤炭总矿产储量大2倍心[2-3]。
    准确地判断整个天然气水合物储层的埋藏深度、矿床规模以及岩石稳定性等基础、可靠的信息，为勘探开发计算储量、制定开发方案提供重要依据，急需获取海底环境的岩心，天然气水合物钻探取心与石油钻探取心的最大区别是：石油在储层中以流体状态存在，在钻探和提取到地面时仍以流体状态存在，并不以温度压力改变而改变2[2-3]。天然气水合物在储层中以固体状态存在，而当钻探时和提取到地面时，伴随温度压力的改变，很容易从固态变为气态。研发一套能够快速提取、保持海底温度、压力状态的深水深孔保温保压取心系统是解决以上难题的关键[4-9]。
1 天然气水合物深水深孔取心系统结构
1.1 天然气水合物深水深孔取心系统保压设计
    深水深孔取心系统在锁定机构的下面设有压力补偿装置，压力补偿系统主要由后端接头体、充气接头体、壳体和活塞组成，工作前将舱体内活塞右腔加入5MPa的氮气压力。在20 MPa环境压力下，舱体内活塞左腔是充满20 MPa高压钻井液、海水，而环形活塞左右两端是等直径的，其面积也是相等的，因此舱体内活塞右腔加入的氮气压力为5 MPa，高压氮气起到延缓压力下降的作用。内筒组合随着绳索的上升，环境压力减少，易使保压筒内的压力减小，因而对其补偿，尽量保持接近原始压力状态。在取心系统内筒下边设有球阀关闭机构，目的是关闭内筒的下端，使岩心保持在内筒中。
 在内筒的顶端采用止推机构锁定内筒，在取心作业中，由于岩心和钻压的作用使岩心内筒上行，为了固定内筒，因而采用轴向锁定机构。为防止内筒组合在下放时出现意外，可以采用绳索送入机构将内筒组合送入钻具底部在收回绳索时需要释放机构工作。

图1 取心系统结构示意图
    图1是取心和全面钻进过程中的取心系统示意图：工具悬挂总成、锁定机构、取心内筒、保温保压筒、取心外筒、球阀机构、取心钻头、压力补偿装置、测温测压记系统及内筒回收。
1.2天然气水合物深水深孔取心系统保温设计
由于天然气水合物存在环境的低温、高压性，因此取心系统首先要解决的问题就是保温保压，经过对比分析各种保温方式，考虑钻具外形尺寸的限制，优选金属真空保温管内外表面喷涂等离子保温材料的被动保温方式。
海水
图2保温筒示意图（见附件）
 
 系统保温筒设计如图2，采用超高真空绝热方式，在内层管、外层管间抽真空；高真空层内外表面喷涂等离子隔热材料；外层管表面涂防阳光辐射涂料；在取心筒外面直接用保温材料实施保温。保温结构设计简单，现场可操作性强，使用方便。
    在球阀关闭机构附近设有压力温度记录仪，实时记录井底的温度、压力，工具起出后，使用现场测量仪器测量保压保温筒内的温度、压力，然后与压力温度记海水录仪的回放值进行比较，可以得出取心系统的保温保压结果。
   
2 取心系统工作原理及主要特点
    在取心实施过程中，利用取心专用钻杆将绳索取心内筒组合送入海底进行取心作业，取心结束后，从井口放入绳索提起取心内筒总成，带动活塞上行，产生负压使球阀关闭，实现保温保压取心。当需要进行全面钻进时，从井口投入钻头塞堵塞流道，实现取心钻头的全面钻进。连续取心时，用绳索提出钻头塞组合，然后投入取心内筒总成，实现取心作业[9-11]。
    保温保压取心筒及内部结构不随外筒旋转，避免了转动对岩样的干扰，实现多简单动，有利于岩样收获率的提高；工具外筒带有周向锁定机构，可以实现取样与全孔钻进的转换；靠液压和绳索机构的联合作用实现球阀机构关闭和释放机构的工作，安全可靠；岩心管采用低摩阻的复合材料管或铝合金管做成，摩擦系数低，有利于岩心的进入；钻头配有多种切削齿，根据地层软硬情况可随时设计和制造不同切削形式的取心钻头。利用绳索使岩样从井底到地面的时间缩短，有利于实现保温保压目的。
3取心系统整机模拟实验
3.1 保温保压取心系统整机工作性能试验
    试验设备包括超高压加压稳压系统、高精度液压压力表、溢流阀、截止阀、连接接头及液压管路、气压管路、手摇泵等。
    试验方法：在保温保压取心系统各部件组装调试合格后，在压力补偿舱和液压驱动舱分别充2 MPa和5 MPa气压后，关闭小型截止阀。将保温保压取心系统与超高压加压稳压系统连接好，并外接l个高精度压力表，向保温保压取心系统的保温保压筒内缓慢加压至20 MPa。关闭手动截止阀，保压，每隔一定时间记录l次；注意观测保温保压取心系统各密封处及连接处变化。取心筒上提到位，球阀正常关闭，保温保压正常，电气控制系统工作正常，能正常设置参数和导出数据。
    试验结论：24 h后，压力由20 MPa降为l9.5MPa，保温保压取心系统工作正常。
3.2 天然气水合物深水深孔取心系统整机模拟实验
    在山东胜利油田的陆地3-10-斜更161进行了现场取心试验，试验是在Φ244.5 mm套管内通过钻取水泥塞来模拟水合物取心，主要是检验天然气水合物深水深孔取心系统的岩心进入、执行控制机构实施、割心机构关闭、保温保压实际效果等关键技术的实际作业情况。试验井深为l95 m，取心进尺为3 m，取水泥塞长2.94 m，收获率为98%，试验获得成功。试验证明，天然气水合物深水深孔取心系统结构设计合理，原理可行，所有机构都得到实现，试验达到了预想的目标。
    天然气水合物深水深孔取心系统整机在山东渤海湾浅海地区胜利CB25GA一6井进行现场取心试验，从井深375～379.3 m间进行了2个筒次的作业，共取心4.3m，平均岩心收获率为95.35%。最多一次取心3.1 m，收获率为100%；工具出井口后通过现场快速测试技术对保压情况进行了测试，实行不同时间段间隔测试，第一次测试压力为4.25 MPa，在16.5 h后测压为4.213 MPa，降低0.037 MPa，获得较好的效果。
4结论与建议
 1)天然气水合物深水深孔取心系统利用绳索结构实现深海水合物取心作业的工具结构设计，实现岩心筒快速提取，简捷方便。
    2)设计的预紧球阀密封和板阀密封装置保压方式，金属真空保温管式被动保温方法科学合理，安全有效。
    3)工作性能试验和现场模拟水合物取心试验均证明，天然气水合物深水深孔取心系统结构合理，能够达到保温保压取心的目的。
    4)需要继续进一步完善天然气水合物深水深孔取心系统，研制大尺寸专用钻杆，提高天然气水合物深水深孔取心系统钻取岩心直径，有效提高取心成功率；发展水合物研究团队，加大水合物钻探取心系统配套工艺与深水钻探船的研究力度，为真正进入深海打下基础【12-14】。
参 考 文 献
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本文作者：王智锋  管志川 许俊良
作者单位：1.中国石油大学（华东）石油工程学院 2.中国石油化工集团公司胜利油田钻井工艺研究院