南海深水天然氣水合物探測技術(shù)

被稱為21世紀(jì)的新能源天然氣水合物的存在于海床上和陸地土壤中。它是在高壓和低溫下形成的一種固體籠狀化合物。1m3天然氣水合物可以釋放出164m3的天然氣。據(jù)估算,世界上天然氣水合物所含的有機碳總量相當(dāng)于全球已知煤、石油和天然氣的2倍。2007年5月國內(nèi)在南海北部的神狐海域使用AMIGE公司的Bavenit號深水鉆探調(diào)查船成功地進行了天然氣水合物鉆探作業(yè),在水深1200多米的深水海底,成功地鉆取了高純度的天然氣水合物樣品。天然氣水合物形成的必要條件是低溫和高壓,這意味著要獲取深水海底的天然氣水合物的實物必須使用與常規(guī)鉆探及取心不一樣的先進技術(shù)。1深水天然氣水合物挖掘技術(shù)是一種deepwatergal技術(shù)的三維剖分法1.1儲存燃油843tBavenit號深水鉆探調(diào)查船總長86.70m,寬度16.80m,高度8.52m,吃水5.6m,排水量5300t,可儲存燃油482t,最大航速18.5km/h。具有一套可以用于深水海底鉆探作業(yè)的鉆井設(shè)備,井架高度(從龍骨算起)43m,鉆臺氣隙3.45m,配備有50t安全負荷頂驅(qū),2臺泥漿泵,在井架天車的上部裝有鉆柱補償器,還配有鉆具輸送器等先進的鉆井裝備。1.2使用配套定位系統(tǒng)與深水鉆井平臺類似,Bavenit號深水鉆探調(diào)查船同時具備有錨泊定位系統(tǒng)和動力定位系統(tǒng)(DP)。作業(yè)水深在12~100m范圍,該船使用錨泊定位系統(tǒng)進行定位;作業(yè)水深在100~3000m范圍,該船使用動力定位系統(tǒng)進行定位。其動力定位系統(tǒng)靠GPS和聲納雙系統(tǒng)共同進行定位,作業(yè)時由船底的4個推進器不間斷地工作,以保證船的位置不變。1.3水合物取心法本次天然氣水合物鉆探作業(yè)只有一開作業(yè)。先鉆先導(dǎo)孔,然后進行電纜測井。如果測井解釋存在天然氣水合物,則移船位,再鉆主孔取心。所有的鉆井作業(yè)使用相同鉆具組合,具體如下:?228.6mm刮刀取心鉆頭+長密封短節(jié)+短密封短節(jié)+座落短節(jié)+關(guān)閉短節(jié)+浮閥短節(jié)+?177.8mm鉆鋌×8根+?127mm鉆桿×22根+?175mm鋁制鉆桿×100根+?127mm鉆桿。1.4海底基礎(chǔ)施工(1)定位。Bavenit號深水鉆探調(diào)查船航行到設(shè)計鉆位后,投放Beacon聲納信標(biāo)到海底,校正船位,啟動船底的4個定位推進器,完成定位工作。(2)計算水深。鉆具組合下鉆到距離海底泥線以上10m左右地方,從調(diào)查船上用鋼絲繩開始下放海底基座(SeabedFrame),海底基座示意圖見圖1。海底基座下放至海底以后,海底基座上的CTD(鹽度、溫度、深度、水平度)探測器通過海底基座上的數(shù)據(jù)傳輸鋼纜向船上發(fā)回海底基座的水平度數(shù)據(jù),作業(yè)要求海底基座最大斜度不得超過6°。然后通過數(shù)據(jù)傳輸鋼纜向海底基座傳輸指令關(guān)閉海底基座頂部的鉆桿卡子(Clamp),打開鉆柱補償器,在海底基座上方的導(dǎo)向架的引導(dǎo)下,鉆柱探至基座頂部,記錄方余,計算水深。(3)鉆井作業(yè)。打開鉆桿卡子,下放鉆具至泥面。通過海底基座上的聲納(Transponder)確認基座位置在設(shè)計鉆位誤差允許的范圍內(nèi),開鉆,使用海水鉆進,控制鉆速不超過15m/h,鉆壓0~30kN,轉(zhuǎn)速70~80r/min,排量800~900L/min,每鉆完一柱替入膨潤土漿3m3(黏度60~70s),然后倒劃眼一次。鉆至設(shè)計深度后,替入膨潤土漿清掃井眼,用海水循環(huán)3個井內(nèi)環(huán)空體積以上,注入膨潤土漿填充裸眼環(huán)空。短起鉆至泥線下40~50m,檢驗井壁的穩(wěn)定性,從鉆桿內(nèi)下鋼絲工具打撈浮閥。下鉆到底,注入密度為1.19g/cm3,粘度為70s的膨潤土漿填充裸眼環(huán)空,用于支撐井壁。(4)鉆具內(nèi)測井。保持鉆頭在井底的狀態(tài),從鉆桿內(nèi)下入電測工具,進行測井作業(yè)。(5)裸眼測井。鉆具內(nèi)測井結(jié)束后,起出電測工具,然后起鉆到泥線下50m左右,再從鉆桿內(nèi)下入電測工具進行裸眼測井。電測結(jié)束后,根據(jù)電測情況決定是否鉆主孔取心。1.5海底移船作業(yè)(1)移船位。原則要求取心主孔盡量靠近先導(dǎo)孔,但又要確保取心孔和先導(dǎo)孔之間不能相連,基本上每次移動的距離是10m。移船步驟:上提海底基座至泥線以上35m,然后上提鉆具到泥面以上10m,移船位,重新動力定位。(2)鉆井作業(yè)。和先導(dǎo)孔鉆井作業(yè)程序相同,鉆至取心層位頂部,然后進行取心作業(yè)。2取心作業(yè)方法本次作業(yè)使用了4種Fugro公司的取心工具,取心作業(yè)時從鉆桿內(nèi)用鋼絲下入取心工具進行取心作業(yè)。在作業(yè)時,需要根據(jù)不同取心工具的特點和取心層位的要求安排使用相應(yīng)取心工具。2.1液壓活塞式取心工具作業(yè)程序FHPC(FugroHydraulicPistonCorner)液壓活塞式取心工具是一種鋼絲送入和回收的鉆桿內(nèi)非保壓取心工具,采用的液壓活塞取心器設(shè)計可以保證取心過程連續(xù)、不間斷的進行,獲得高的取心收獲率。該工具適合于極軟地層取心作業(yè),一般安排在泥線以下確定硫酸鹽—甲烷界面(SMI界面)的取心。本次鉆探最深在泥線下120m處使用此工具,取心長度可以在4.67m(15ft)、7.62m(25ft)和9.14m(30ft)之間轉(zhuǎn)換。FHPC液壓活塞式取心工具作業(yè)程序:(1)用專用鋼絲絞車將FHPC工具送至鉆具組合中的座落短節(jié)內(nèi)的臺階處坐好,此時FHPC工具的切鞋(Cuttingshoe)正好處于鉆頭處;(2)地面上通過液壓泵向鉆桿內(nèi)加壓直至壓力達到剪切FHPC工具上的剪切銷釘(通常壓力要達到12~15MPa),使取心筒在液壓的作用下發(fā)射出去;(3)取心筒通過鉆頭中心孔在液壓的作用下進入地層取心,當(dāng)FHPC工具內(nèi)活塞行程結(jié)束后液壓迅速下降;(4)上提鉆具過提割芯;(5)上提鋼絲,回收FHPC工具。2.2fc液壓錘擊式取心工具作業(yè)程序FC(FugroCorner)液壓錘擊式取心工具也是一種鋼絲送入和回收的鉆桿內(nèi)非保壓取心工具,取心長度3.04m(10ft),適合于軟地層,一般安排在FHPC不能使用的深度進行取心作業(yè)。FC液壓錘擊式取心工具作業(yè)程序:(1)由于FC工具總體較短,可以直接從頂驅(qū)的頂部開孔下入鉆桿中,FC工具到位后,其上有一止動環(huán)坐在鉆頭上;(2)FC工具到位后鉆桿內(nèi)加壓3.5~4.5MPa,從轉(zhuǎn)盤面的鉆桿內(nèi)可以聽到取心工具內(nèi)重錘工作的狀況;(3)約5~10min后泵壓下降,取心作業(yè)結(jié)束,卸壓;(4)通過上提鉆具協(xié)助鋼絲絞車將取心筒上提進入鉆具內(nèi),回收FC工具。2.3上提鉆具,將所需卡子快速加入2.FPC(FugroPressureCorner)液壓錘擊式取心工具是一種鋼絲送入和回收的鉆桿內(nèi)保壓取心工具,取心長度0.91m(3ft),取心筒最大承壓為25MPa,用于在水合物顯示異常的層段取心使用。FPC液壓錘擊式取心工具作業(yè)程序:(1)FPC工具總體較長,需從轉(zhuǎn)盤面卸開鉆桿接頭,用卡子將FPC工具坐在鉆具母接頭的臺階面上,FPC工具的送入工具(Overshot)從頂驅(qū)的頂部開孔放入,將送入工具和FPC連接后下入送到鉆具組合中的座落短節(jié)內(nèi)的臺階處坐好,上提下放工具確認到位后,根據(jù)水深放松送入鋼絲0.127~0.254m(5~10ft);(2)取心前關(guān)海底基座的卡子,夾住鉆具防止鉆具搖擺;(3)打開鉆柱補償器,下探鉆頭到井底;(4)鉆桿內(nèi)加壓4~4.5MPa,從轉(zhuǎn)盤面的鉆桿內(nèi)可以聽到取心工具重錘工作的狀況;(5)約5~10min后泵壓下降,取心結(jié)束,停泵,卸壓;(6)上提鉆具協(xié)助鋼絲絞車將取心筒提進鉆具內(nèi),在上提鋼絲的同時將取心內(nèi)筒提入工具內(nèi)的保壓腔;(7)回收FPC取心工具至海底泥線處,靜止20~30min;(8)在海水中回收FPC取心工具,進入溫越層之前應(yīng)采用慢速,進入上部溫越層后要加快回收速度,到達轉(zhuǎn)盤面后要將FPC工具盡快放入冰水中降溫(約30min);(9)降溫結(jié)束盡快將巖心連帶保壓筒卸下置入冷庫中(6℃)進行測壓等作業(yè)。2.4作業(yè)程序及內(nèi)容FRPC(FugroRotaryPressureCorner)液壓鉆入式取心工具是一種鋼絲送入和回收的鉆桿內(nèi)保壓取心工具,取心長度0.91m(3ft),取心筒最大承壓為25MPa,用于在水合物顯示異常的層段取心使用,一般和FPC工具交替使用。FRPC液壓錘擊式取心工具作業(yè)程序:(1)開始取心前的作業(yè)程序和FPC的程序相同;(2)開泵130L/min,鉆桿內(nèi)加壓至2.2MPa剪斷取心工具內(nèi)的銷釘,泵壓下降至0.5MPa,維持泵速不變開始取心作業(yè);(3)10min后提高泵排量至208L/min繼續(xù)取心,泵壓為0.9~1.1MPa,繼續(xù)取心10min后,停泵,卸壓;(4)上提鉆具將取心工具提松,再開泵,排量130L/min將FRPC工具中螺桿行程完全頂出,當(dāng)泵壓升至4MPa時停泵;(5)上提鋼絲回收取心工具,同時將取心內(nèi)筒提入工具內(nèi)的保壓腔;(6)回收FPC取心工具至海底泥線處,靜止20~30min;(7)在海水中回收FRPC取心工具,進入溫越層之前應(yīng)采用慢速,進入上部溫越層后要加快回收速度,到達轉(zhuǎn)盤面后要將FRPC工具盡快放入冰水中降溫(約30min);(8)降溫結(jié)束盡快將巖心連帶保壓筒卸下置入冷庫中(6℃)進行測壓等作業(yè)。以上4種取心工具的送入鋼絲都通過頂驅(qū)的頂部開孔,在鋼絲上有一個密封短節(jié),起到密封鋼絲與頂驅(qū)的頂部開孔之間環(huán)空的作用。4種取心工具的取心內(nèi)筒都為塑料內(nèi)筒,具體參數(shù)見表1。2.5取心作業(yè)成功率統(tǒng)計由于FPC和FRPC保壓取心工具所取的巖心從保壓筒內(nèi)轉(zhuǎn)出后無法測量所取巖心長度,在表2取心工作質(zhì)量統(tǒng)計表中只統(tǒng)計FPC和FRPC工具的取心作業(yè)成功率。3水合物鉆進作業(yè)情況