天然氣水合物巖心帶壓轉(zhuǎn)移裝置研制與現(xiàn)場試驗(yàn)

裴學(xué)良， 任 紅， 吳仲華， 許俊良， 周洪國， 孫艷軍

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000)

天然氣水合物對(duì)溫度壓力條件的變化很敏感，一旦溫度升高或壓力降低，烴類氣體會(huì)逸出，固體水合物趨于崩解。因此，在鉆探取樣結(jié)束后，為保證將取得的保壓巖心安全、完好地轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室，必須配備一套與保溫保壓取心工具配套的巖心轉(zhuǎn)移裝置，將天然氣水合物巖心在帶壓力情況下轉(zhuǎn)移和保存起來，然后經(jīng)過運(yùn)輸，轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室。

目前，國外已有比較成熟的天然氣水合物巖心帶壓轉(zhuǎn)移裝置[1],而國內(nèi)由于天然氣水合物的鉆探研究起步較晚，相應(yīng)的帶壓轉(zhuǎn)移設(shè)備的研究也較少。陳家旺等人[2]研發(fā)了采用液壓泵和蓄能器共同保壓的帶壓轉(zhuǎn)移裝置，但該裝置只適用于重力取樣設(shè)備。因此，為配合鉆探船和鉆探取樣工具，筆者研究了天然氣水合物巖心帶壓轉(zhuǎn)移技術(shù),研制出了與天然氣水合物保溫保壓取樣工具[3-8]配套的帶壓轉(zhuǎn)移裝置。經(jīng)室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置能夠滿足現(xiàn)場需要，為國內(nèi)天然氣水合物的自主勘探取樣提供了一套巖心后處理設(shè)備。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 帶壓轉(zhuǎn)移裝置結(jié)構(gòu)

帶壓轉(zhuǎn)移裝置由巖心管、保溫保壓筒、保溫保壓筒上的密封閥、法蘭、轉(zhuǎn)移倉上密封球閥、轉(zhuǎn)移倉、平移油缸拉桿、平移油缸、油缸電氣液壓控制系統(tǒng)和壓力平衡系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其中，保溫保壓筒是配套取心工具存放巖心管的主要部件，轉(zhuǎn)移倉用于存放帶壓轉(zhuǎn)移后的巖心管，平移油缸拉桿和平移油缸用于連接并推動(dòng)巖心管帶壓移動(dòng)，油缸電氣液壓控制系統(tǒng)和壓力平衡系統(tǒng)包括流量調(diào)節(jié)閥、電比例調(diào)壓閥、電機(jī)和油泵等控制壓力的裝置。

圖1 帶壓轉(zhuǎn)移裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of pressure-holding transfer device1.巖心管；2.保溫保壓筒；3.保溫保壓筒上的密封閥；4.法蘭；5.轉(zhuǎn)移倉上的密封球閥；6.轉(zhuǎn)移倉；7.平移油缸拉桿；8.平移油缸；9.油缸電氣液壓控制系統(tǒng)；10.壓力平衡系統(tǒng)

帶壓轉(zhuǎn)移裝置的工作介質(zhì)為純凈水，工作溫度為2～37 ℃，工作壓力為25 MPa，最高不超過35 MPa。測試壓力表的量程為0～40 MPa，使用場地需要配備220 V交流電，頻率為50 Hz，功率為10 kW。帶壓轉(zhuǎn)移裝置含電纜總質(zhì)量約5 000 kg，其外形尺寸為6 058 mm×2 438 mm×2 438 mm。

1.2 工作原理

帶壓轉(zhuǎn)移裝置上的轉(zhuǎn)移倉與保溫保壓筒通過法蘭連接，由平移油缸推動(dòng)活塞拉動(dòng)巖心管經(jīng)過法蘭和密封閥進(jìn)入轉(zhuǎn)移倉，關(guān)閉轉(zhuǎn)移倉上的密封球閥后，轉(zhuǎn)移倉可以脫離帶壓轉(zhuǎn)移裝置，然后轉(zhuǎn)移至冷藏柜，進(jìn)行冷藏保存。

通過電氣液壓控制系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換為液壓能，通過液壓油缸將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)巖心管的轉(zhuǎn)移操作。

通過控制平移油缸實(shí)現(xiàn)保溫保壓筒內(nèi)巖心管的平移拉出，通過電磁換向閥、電比例溢流閥和電比例調(diào)速閥調(diào)節(jié)油缸運(yùn)動(dòng)速度，從而控制巖心管的拉出速度。在平移油缸拉桿端頭和巖心管連接桿端頭之間安裝可自動(dòng)對(duì)中的浮動(dòng)連接裝置，以保證巖心管的拉出動(dòng)作平穩(wěn)。保溫保壓筒與轉(zhuǎn)移倉相連接，在巖心管完全進(jìn)入轉(zhuǎn)移倉后可關(guān)閉轉(zhuǎn)移倉上的球閥，通過平衡閥平衡轉(zhuǎn)移倉和保溫保壓筒中的壓力，當(dāng)平移油缸回拉時(shí)，轉(zhuǎn)移倉中的介質(zhì)通過平衡閥回流至保溫保壓筒中，實(shí)現(xiàn)各腔室壓力平衡。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

研制帶壓轉(zhuǎn)移裝置的難點(diǎn)在于要保持保溫保壓筒、轉(zhuǎn)移倉和平移油缸之間壓力平衡，并在帶壓情況下移動(dòng)保溫保壓筒內(nèi)的巖心管。保持壓力平衡需要泵源壓力控制回路，帶壓轉(zhuǎn)移需要泵源流量控制回路以驅(qū)動(dòng)平移油缸，進(jìn)而控制巖心管的移動(dòng)。

泵源壓力控制回路泵源壓力控制回路首先將控制所需的壓力信號(hào)傳遞給油泵電機(jī)組，進(jìn)而控制其輸出的工作介質(zhì)壓力，將該壓力提供給需要該液壓源的裝置，在平移油缸運(yùn)動(dòng)過程中，保持保溫保壓筒、轉(zhuǎn)移倉及平移油缸間壓力動(dòng)態(tài)平衡。

泵源流量控制回路泵源流量控制回路是將控制平移油缸運(yùn)動(dòng)的信號(hào)傳遞給油泵電機(jī)組，通過控制工作介質(zhì)的輸出流量，驅(qū)動(dòng)平移油缸按所需速度前進(jìn)或后退。

工作介質(zhì)溫度控制回路系統(tǒng)的回油均匯集到風(fēng)冷冷卻裝置熱端，經(jīng)過散熱后回到油箱。溫度傳感器設(shè)置在油箱內(nèi)部，用于輸出信號(hào)以控制冷卻裝置的啟停。

自循環(huán)清洗回路及污染度控制、報(bào)警裝置將“壓力控制輸出口”與“回油口”直接短接或經(jīng)過其他需要清洗的產(chǎn)品后回接到油箱。該回路要經(jīng)過兩級(jí)油濾，可實(shí)現(xiàn)油箱油液自循環(huán)清洗以及對(duì)其他產(chǎn)品或裝置的清洗?；芈分械?個(gè)油濾均安裝信號(hào)發(fā)生裝置，當(dāng)油濾被污染時(shí)，操作面板上的“污染”指示燈亮起，提醒工作人員清洗或更換油濾。回路中還設(shè)置了取樣閥，以方便工作人員取樣，檢查系統(tǒng)清潔度。

超壓安全防護(hù)措施為防止系統(tǒng)壓力過高而發(fā)生危險(xiǎn)，共配備有3套超壓安全防護(hù)措施:1) 油泵電機(jī)組設(shè)置有安全閥，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過安全閥壓力設(shè)定值(22 MPa)時(shí)，安全閥工作泄壓;2) 安裝有基于系統(tǒng)自動(dòng)判斷和控制的超壓報(bào)警停機(jī)系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)超壓時(shí)，變頻器會(huì)自動(dòng)停機(jī)，以防止無人值守或工作人員反應(yīng)過慢而發(fā)生不安全情況;3) 電氣控制面板上設(shè)置“緊急停機(jī)”蘑菇頭按鈕，按下該按鈕時(shí)，電機(jī)油泵組立即停止工作;當(dāng)緊急情況解除后通過旋轉(zhuǎn)蘑菇頭按鈕復(fù)位，系統(tǒng)才能再次進(jìn)入工作準(zhǔn)備狀態(tài)。

3 室內(nèi)功能性試驗(yàn)

為保證帶壓轉(zhuǎn)移裝置能夠配合保溫保壓取心工具在深海賦存區(qū)現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)天然氣水合物巖心的帶壓轉(zhuǎn)移，對(duì)帶壓轉(zhuǎn)移裝置中各腔體的控制、耐壓和密封情況進(jìn)行了大量的室內(nèi)功能性試驗(yàn)，并完成了巖心管的模擬帶壓轉(zhuǎn)移。

3.1 平移油缸控制測試

為測試油缸電氣液壓控制系統(tǒng)對(duì)平移油缸的控制，將液壓控制系統(tǒng)與平移油缸進(jìn)出接口連接，打開電氣控制面板上的開關(guān)，系統(tǒng)能夠控制平移油缸靈活平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，并且數(shù)字顯示面板能夠?qū)崟r(shí)顯示控制壓力，數(shù)字顯示壓力與平移油缸管路上壓力表顯示的壓力相同，說明油缸電氣液壓控制系統(tǒng)對(duì)平移油缸的控制能夠滿足帶壓轉(zhuǎn)移裝置的需要。

3.2 液壓控制系統(tǒng)耐壓測試

液壓控制系統(tǒng)耐壓測試主要是為了測試液壓控制系統(tǒng)中管路的耐壓情況，確保保壓管路在試驗(yàn)過程中安全可靠。測試方法是從平移油缸開始，首先關(guān)閉液壓管路中第一個(gè)閥門，通過水泵向管路中加壓，保持5 min，觀測壓力表數(shù)值是否發(fā)生變化，如無變化，打開閥門，再向下一個(gè)閥門移動(dòng)。通過每一段管路的檢測，確定整個(gè)管路有無壓力泄露。經(jīng)過測試，液壓控制系統(tǒng)各閥門、管路和接頭沒有泄露，能夠滿足下一步的測試要求。

3.3 轉(zhuǎn)移倉密封測試

轉(zhuǎn)移倉是帶壓存放轉(zhuǎn)移巖心的部件，因此其密封情況對(duì)保存帶壓巖心至關(guān)重要。測試方法是關(guān)閉轉(zhuǎn)移倉下端的球閥和上端密封機(jī)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)移倉的泄壓口加壓至35 MPa，通過與泄壓口連接的壓力表實(shí)時(shí)觀測壓力變化情況。測試結(jié)果表明,轉(zhuǎn)移倉壓力保持2 h無變化，能夠滿足保存帶壓巖心的需要。

3.4 帶壓轉(zhuǎn)移裝置與保溫保壓筒整體功能性試驗(yàn)

為測試巖心管在帶壓情況下向轉(zhuǎn)移倉中轉(zhuǎn)移的情況，進(jìn)行了帶壓轉(zhuǎn)移裝置與保溫保壓筒的整體功能性試驗(yàn)。試驗(yàn)過程為:1) 將保溫保壓筒與巖心管上端人為固定密封，打開保溫保壓筒的密封閥，向內(nèi)注水；2) 關(guān)閉保溫保壓筒的密封閥，從泄壓口排氣后，向保溫保壓筒內(nèi)注入水，加壓至30 MPa；3) 連接平移油缸拉桿與巖心管拉桿間的浮動(dòng)裝置，再用法蘭連接轉(zhuǎn)移倉與保溫保壓筒；4) 將保溫保壓筒泄壓口連接到壓力平衡控制系統(tǒng)，并在泄壓口處安裝壓力表；5) 向轉(zhuǎn)移倉中注入水,加壓至與保溫保壓筒內(nèi)壓力相同；6) 向平移油缸拉桿遠(yuǎn)離巖心管一端注入水，加壓至比計(jì)算平衡壓力略低；7) 松開保溫保壓筒上端固定巖心管的卡塊，使巖心管在壓差作用下通過密封面連通保溫保壓筒和轉(zhuǎn)移倉；8) 在巖心管通過密封面后，及時(shí)向轉(zhuǎn)移倉中補(bǔ)充壓力，并緩慢減小平移油缸另一端的壓力，使巖心管自動(dòng)由保溫保壓筒向轉(zhuǎn)移倉運(yùn)動(dòng)，直到平移油缸拉桿到達(dá)極限位置，完成巖心管帶壓力情況下向轉(zhuǎn)移倉的轉(zhuǎn)移。

由于巖心管、平移油缸拉桿均為細(xì)長桿件，在對(duì)接移動(dòng)過程中容易發(fā)生彎曲變形，影響動(dòng)密封機(jī)構(gòu)的密封效果，導(dǎo)致轉(zhuǎn)移過程中壓力泄露。從前期10余次失敗的試驗(yàn)中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，增加了浮動(dòng)裝置并改進(jìn)了動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，又經(jīng)過20余次試驗(yàn)后，最終確定采用液壓缸拉動(dòng)與壓差推動(dòng)巖心管相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了巖樣從保溫保壓筒向轉(zhuǎn)移倉的帶壓轉(zhuǎn)移。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

2017年4月20日至5月10日，在南海水深1 310.00 m、泥線以下100.00～123.50 m首次取得天然氣水合物保壓巖心，采用研制的天然氣水合物巖心帶壓轉(zhuǎn)移裝置成功將水合物巖心在帶壓狀態(tài)下從保溫保壓筒轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移倉中保存。在冷凍集裝箱內(nèi)將保溫保壓筒放置在與帶壓轉(zhuǎn)移裝置配套的試驗(yàn)臺(tái)上，油缸電氣液壓控制系統(tǒng)控制平移油缸拉桿伸出，與保溫保壓筒上端伸出的巖心管接頭連接，在連接保溫保壓筒與轉(zhuǎn)移倉上法蘭后，開啟壓力平衡系統(tǒng)和油缸電氣液壓控制系統(tǒng)，保證在巖心管移動(dòng)過程中保溫保壓筒與轉(zhuǎn)移倉的壓力相同，直至巖心管順利從保溫保壓筒轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移倉中。在保證轉(zhuǎn)移倉上端密封后，關(guān)閉轉(zhuǎn)移倉下端密封球閥，卸開法蘭，將轉(zhuǎn)移倉放入冷柜中冷藏。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，帶壓轉(zhuǎn)移裝置實(shí)現(xiàn)了12 MPa下巖心的帶壓轉(zhuǎn)移。儲(chǔ)存帶壓天然氣水合物巖心的轉(zhuǎn)移倉在0～3 ℃冷藏，50 h后現(xiàn)場采用氣體收集點(diǎn)火裝置對(duì)轉(zhuǎn)移倉中的巖心進(jìn)行氣體采集，并點(diǎn)火成功。

5 結(jié)論與建議

1) 采用液壓缸拉動(dòng)與壓差推動(dòng)巖心管相結(jié)合的方式，自主研發(fā)了天然氣水合物巖心帶壓轉(zhuǎn)移裝置，實(shí)現(xiàn)了巖心從保溫保壓筒向轉(zhuǎn)移倉的帶壓轉(zhuǎn)移。

2) 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明,帶壓轉(zhuǎn)移裝置各腔體的控制、耐壓和密封性能良好?，F(xiàn)場試驗(yàn)中，在天然氣水合物賦存區(qū)成功完成天然氣水合物保壓巖心的帶壓轉(zhuǎn)移，且轉(zhuǎn)移倉密封可靠，為國內(nèi)天然氣水合物的自主勘探取樣提供了技術(shù)支撐。

3) 建議與天然氣水合物巖心檢測機(jī)構(gòu)合作，在帶壓轉(zhuǎn)移裝置上增加現(xiàn)場帶壓檢測設(shè)備。

參考文獻(xiàn)
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