陸域天然氣水合物厚覆蓋層跟管取心技術(shù)研究

李 寬，梁 健，李鑫淼，劉秀美，張永勤，孫建華，王舒婷

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所)

天然氣水合物作為一種非常規(guī)能源，主要賦存于陸域凍土區(qū)、陸域深水海域地層和一些深水湖泊底部沉積物中，具有能量密度大、分布范圍廣、儲(chǔ)量大、清潔無(wú)污染等突出優(yōu)點(diǎn)，被視為未來(lái)石油、天然氣最好的替代能源[1]?？碧脚c開發(fā)天然氣水合物對(duì)緩解人類面臨的能源危機(jī)、溫室效應(yīng)等問(wèn)題具有重要意義。

我國(guó)凍土區(qū)主要分布在青藏高原和大興安嶺地區(qū)，尤其是羌塘盆地、祁連山、風(fēng)火山和漠河盆地等具備較好的天然氣水合物成礦條件和找礦前景。羌塘盆地是青藏高原年平均地溫較低、凍土層相對(duì)較厚、地溫梯度較低和成油成氣最好的地區(qū)，具有更好的天然氣水合物形成的溫壓條件和烴類氣源條件，是公認(rèn)的有利找礦區(qū)。鉆探取心是天然氣水合物找礦突破最直接、最準(zhǔn)確、最有說(shuō)服力的方法，也是驗(yàn)證其他勘查技術(shù)方法(如地球物理、地球化學(xué)、遙感等)的手段，同時(shí)能夠?yàn)樗衔锍刹乩碚摲治鎏峁┯辛λ夭腫2]。

鑒于陸域天然氣水合物研究的重要性，“天然氣水合物勘查與試采”國(guó)家專項(xiàng)下設(shè)鉆探試驗(yàn)井項(xiàng)目，旨在進(jìn)行凍土區(qū)天然氣水合物鉆探取心工藝方法與取樣器具研究，在找礦靶區(qū)開展鉆探試驗(yàn)井工程，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)找礦突破，盡快探明水合物分布范圍、分布特征和儲(chǔ)量。

一、鉆探取心方法

針對(duì)厚覆蓋層鉆探取心難題，綜合天然氣水合物賦存特殊的溫壓平衡條件，制定了“隔水式單動(dòng)雙管取心、低溫鉆井液護(hù)心、擴(kuò)眼跟管護(hù)壁”的鉆進(jìn)方法，原理如圖1所示。

圖1 跟管鉆進(jìn)原理示意圖

跟管鉆進(jìn)是將套管隨鉆頭和取心鉆具跟入孔內(nèi)的一種鉆進(jìn)方法，取心、鉆井液護(hù)壁、下套管三個(gè)工序同時(shí)進(jìn)行，即取心鉆進(jìn)的同時(shí)也下入了護(hù)壁套管，跟進(jìn)的套管具有穩(wěn)定孔壁和保護(hù)孔口的作用，能有效解決松散覆蓋層長(zhǎng)孔段裸眼鉆進(jìn)、反復(fù)起下鉆帶來(lái)的護(hù)壁難、成孔難的問(wèn)題[3-4]。

根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和前期施工經(jīng)驗(yàn)，跟管取心鉆具擬采用?146 mm規(guī)格。單動(dòng)雙管鉆具取心鉆頭外徑152 mm，巖心直徑90 mm，鉆具外管直徑146 mm。液推式擴(kuò)眼器收斂狀態(tài)外徑146 mm，擴(kuò)孔翼完全張開時(shí)外徑176 mm，擴(kuò)孔率120%。跟進(jìn)的套管規(guī)格為?168 mm×6 mm，內(nèi)徑156 mm，保證取心鉆具和擴(kuò)眼器順利提升與下放。

二、取心鉆具

隔水式單動(dòng)雙管取心鉆具適用于可鉆性2～6級(jí)的中等硬度、膠結(jié)性差、松散、破碎、節(jié)理發(fā)育、易震碎、易沖蝕的巖礦層取心，鉆具結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括外管總成和內(nèi)管總成，外管總成包括懸掛接頭、外管、擴(kuò)孔器、扶正環(huán)、鉆頭等，內(nèi)管總成包括單動(dòng)機(jī)構(gòu)、芯軸、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、單向止水閥、巖心管、巖心提斷器等，內(nèi)管總成通過(guò)螺絲套懸掛在外管總成上面。

圖2 隔水式單動(dòng)雙管取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

1外管接頭 2圓柱銷 3懸掛接頭 4軸承襯套 5推力球軸承 6減震墊 7軸承擋板 8推力球軸承 9軸承罩 10螺絲套 11 “O”型圈 12芯軸 13圓柱銷 14單向止水閥 15止水鋼球 16鎖緊螺帽 17外管短接 18內(nèi)管接頭 19上扶正環(huán) 20上擴(kuò)孔器 21巖心管 22外管 23下扶正環(huán) 24下擴(kuò)孔器 25銅套 26密封短接 27 “O”型圈 28攔簧 29攔簧座 30取心鉆頭

鉆具有兩套單動(dòng)機(jī)構(gòu)，上部單動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)兩副推力球軸承實(shí)現(xiàn)外管單動(dòng)，軸承與芯軸安裝有緩震膠墊，螺絲套與芯軸之間安裝有“O”型圈，避免鉆井液進(jìn)入單動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高軸承的壽命。下部單動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)插接的耐磨銅套實(shí)現(xiàn)單動(dòng)，便于更換。

取心鉆頭是一體式硬質(zhì)合金鉆頭，水口不分布在底唇面上，而是均勻分布在近鉆頭外側(cè)。取心鉆頭與內(nèi)管總成通過(guò)“O”型圈實(shí)現(xiàn)隔水功能，防止鉆井液直接沖刷巖心。巖心管采用半合管結(jié)構(gòu)，便于退心。巖心提斷器包括花瓣式攔簧和攔簧座，彈簧片通過(guò)鉚釘固定在攔簧上面，巖心可克服彈簧片阻力自下而上進(jìn)入巖心管，進(jìn)入巖心管的樣品則不會(huì)脫落。

三、低溫鉆井液技術(shù)

低溫鉆井液技術(shù)包括鉆井液配制和鉆井液冷卻技術(shù)。松散覆蓋層低溫鉆井液要求性能特點(diǎn)是“低冰點(diǎn)(-5℃)、密度1.15～1.20 g/cm3、黏度45～60 s”，選用NaCl、KCl、Na2CO3等鹽類配成低溫基礎(chǔ)液，如需滿足更高的低溫要求，使用有機(jī)添加劑如乙醇、乙二醇、丙三醇和表面活性劑等[5-6]，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)確定覆蓋層鉆井液配方為：膨潤(rùn)土(70～100 kg/m3)+磺化褐煤樹脂(15～20 kg/m3)+光譜護(hù)璧劑(5～10 kg/m3)+重晶石粉(100～200 kg/m3)，濾餅厚度、濾失量可滿足性能要求，現(xiàn)場(chǎng)配制視地層條件進(jìn)行調(diào)整。

鉆井液冷卻技術(shù)是通過(guò)載冷劑與鉆井液在換熱器中對(duì)流換熱，將鉆井液溫度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定在低溫狀態(tài)下(≤1℃)，避免巖心在鉆進(jìn)與打撈過(guò)程中分解，利于鉆獲天然氣水合物實(shí)物樣品，是天然氣水合物鉆探關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，鉆井泥漿泵量在150 L/min左右，進(jìn)出井溫差約2℃，前期天然氣水合物調(diào)查井施工采用的是項(xiàng)目組與吉林大學(xué)合作研制的同軸套管式鉆井液冷卻裝置，能將鉆井液動(dòng)態(tài)穩(wěn)定在低溫狀態(tài)[7-9]，但存在的啟動(dòng)電流大、結(jié)冰堵塞等問(wèn)題，對(duì)此，重新設(shè)計(jì)并試制了新型翅片管式鉆井液冷卻裝置[10]，其系統(tǒng)組成與換熱過(guò)程如圖3所示。

鉆井液冷卻裝置主要包括制冷機(jī)組、換熱器、載冷劑循環(huán)泵、泥漿循環(huán)泵等。制冷機(jī)組采用風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)，-15℃時(shí)的制冷量是40 kW，可滿足工作需求。壓縮機(jī)啟動(dòng)方式為變頻啟動(dòng)，峰值啟動(dòng)電流58 A，相比于前期使用的星三角啟動(dòng)方式，啟動(dòng)電流降低80%，大幅度降低配套發(fā)電機(jī)組功率。

換熱器是鉆井液冷卻裝置的核心部件，換熱元件選用一體式冷軋全鋁翅片管，泥漿循環(huán)泵輸送常溫鉆井液在翅片管基管內(nèi)循環(huán)，載冷劑循環(huán)泵輸送乙二醇水溶液在換熱器箱體內(nèi)循環(huán)。全鋁翅片管管外表面滾軋加工有一系列螺旋環(huán)狀T型隧道，導(dǎo)熱系數(shù)是常規(guī)光滑鋼管的5倍、綜合給熱效率是其8～17倍，換熱面積降低60%以上，大幅度減小設(shè)備體積。

圖3 鉆井液冷卻裝置系統(tǒng)組成與工作原理圖

四、液推式擴(kuò)眼器

如圖1所示，液推式擴(kuò)眼器安裝在鉆頭和取心鉆具上部、鉆桿和鉆鋌下部，擴(kuò)眼器結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括活塞總成、張斂連桿機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)、扶正機(jī)構(gòu)、自動(dòng)回收機(jī)構(gòu)、強(qiáng)制回收機(jī)構(gòu)等，一般有非擴(kuò)孔作業(yè)、回次擴(kuò)孔作業(yè)和強(qiáng)制回收擴(kuò)孔翼三種工作狀態(tài)。

圖4 液推式擴(kuò)眼器結(jié)構(gòu)示意圖

1下接頭 2過(guò)水底板 3扶正短接 4單向止水閥 5止水鋼球 6回收管 7扶正塊 8心管 9銷軸 10擴(kuò)孔翼 11銷軸 12張斂拉桿 13銷軸 14彈簧擋板 15滑塊 16彈簧套 17復(fù)位彈簧 18活塞 19剪切銷 20解卡鋼球 21上接頭

1.非擴(kuò)孔作業(yè)

在起下鉆等非擴(kuò)孔作業(yè)時(shí)，不投入解卡鋼球，鉆井液不循環(huán)，活塞總成在復(fù)位彈簧作用下處于上限位置，擴(kuò)孔翼處于收斂狀態(tài)，擴(kuò)眼器可自由的通過(guò)套管。

2.回次擴(kuò)孔作業(yè)

當(dāng)擴(kuò)眼器下至套管以下需要擴(kuò)孔作業(yè)時(shí)，開啟地表的泥漿泵開始泵送鉆井液，起初，心管上的水眼嵌在扶正塊內(nèi)，鉆井液通道封閉處于憋壓狀態(tài)，之后，鉆井液壓縮復(fù)位彈簧推動(dòng)活塞總成下行，心管上面的水眼緩慢出露，鉆井液通道逐漸打開，同時(shí)活塞總成通過(guò)張斂連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)擴(kuò)孔翼逐漸張開，壓力表顯示的鉆井液循環(huán)壓力逐漸下降。當(dāng)活塞總成下行至下限位時(shí)，鉆井液通道完全打開，同時(shí)擴(kuò)孔翼完全張開，壓力表顯示的鉆井液循環(huán)壓力不再下降趨于穩(wěn)定，接近理論值范圍，緩慢回轉(zhuǎn)后可進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)。如鉆井液循環(huán)壓力出現(xiàn)憋壓或明顯高于理論值，表明鉆井液通道尚未完全打開，水眼未完全出露，擴(kuò)孔翼未完全張開，應(yīng)提至地表檢查擴(kuò)眼器。擴(kuò)孔作業(yè)結(jié)束后，停止泵送鉆井液，正常情況下，活塞總成會(huì)在預(yù)壓縮復(fù)位彈簧反作用壓力下上行，同時(shí)帶動(dòng)擴(kuò)孔翼收斂至回收管的回收腔，回次擴(kuò)孔作業(yè)結(jié)束。

3.強(qiáng)制回收

如遇巖屑卡堵等情況導(dǎo)致擴(kuò)孔翼無(wú)法自動(dòng)回收時(shí)，往鉆桿內(nèi)投入解卡鋼球，將鉆井液通道封閉。解卡鋼球投擲到位后，開啟泥漿泵開始泵送鉆井液，形成憋壓狀態(tài)，解卡鋼球和心管總成在鉆井液壓力作用下沖斷剪切銷下行至底部死位，此時(shí)活塞上部的水眼打開，鉆井液進(jìn)入活塞與彈簧套之間的環(huán)狀間隙，鉆井液循環(huán)如箭頭所示，在鉆井液壓力作用下，活塞通過(guò)張斂拉桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)擴(kuò)孔翼強(qiáng)制收斂至回收腔。

液推式擴(kuò)眼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制造與裝配，能夠通過(guò)鉆井液循環(huán)壓力準(zhǔn)確判斷擴(kuò)孔翼張開情況，并能在擴(kuò)孔翼無(wú)法正常收斂時(shí)，投過(guò)投球的方式改變鉆井液通道強(qiáng)制將擴(kuò)孔翼收斂至回收腔內(nèi)。

五、野外應(yīng)用

2016年6～8月，跟管取心鉆具與翅片管式鉆井液冷卻裝置經(jīng)室內(nèi)安裝調(diào)試后，運(yùn)至西藏鴨湖地區(qū)天然氣水合物調(diào)查井QK-6-1井現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了野外應(yīng)用。

在調(diào)查井施工中，0～100 m無(wú)天然氣水合物存在的可能性，為確保成孔，采用?311 mm鉆頭全面鉆進(jìn)，然后下入?219.07 mm護(hù)壁套管。100～190 m層段采用跟管取心鉆進(jìn)，隔水式單動(dòng)雙管鉆具與液推式擴(kuò)眼器經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，下入孔內(nèi)進(jìn)行取心作業(yè)。隔水式單動(dòng)雙管取心鉆具工作穩(wěn)定，能將松散的巖心取至地表，如圖5所示。擴(kuò)眼器在擴(kuò)孔翼收斂狀態(tài)時(shí)能夠順利通過(guò)套管，張開狀態(tài)時(shí)能將套管下部擴(kuò)孔段孔徑擴(kuò)至174～176 mm，套管能夠順利下放。

圖5 鉆取的巖心樣品

跟管取心鉆進(jìn)至162 m時(shí)，100～162 m孔段多處涌水造成孔壁坍塌，將跟進(jìn)的套管完全抱住，無(wú)法繼續(xù)跟管鉆進(jìn)。鉆至162 m處，地層較為堅(jiān)硬，改用繩索取心鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度，終孔深度700.70 m，達(dá)到設(shè)計(jì)深度。跟管取心鉆具最大程度上解決了長(zhǎng)孔段松散覆蓋層取心與孔壁不穩(wěn)定問(wèn)題，該層段巖心采取率89%，獲取了滿足地質(zhì)要求的巖心樣品。

六、結(jié)論與建議

(1)在野外施工中，隔水式單動(dòng)雙管取心鉆具能夠?qū)⑺缮r心樣品采集并提至地表，巖心采取率接近90%。

(2)液推式擴(kuò)眼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，擴(kuò)孔翼張斂穩(wěn)定可靠，能將裸眼段孔徑擴(kuò)至176 mm，跟管鉆進(jìn)進(jìn)尺超過(guò)60 m。因?yàn)橛克?、地層極松散等因素，出現(xiàn)地層坍塌抱死套管的情況，影響了跟管鉆進(jìn)深度，下一步擬增加孔口低速轉(zhuǎn)盤，實(shí)現(xiàn)套管全時(shí)回轉(zhuǎn)。