深水海底天然氣水合物取樣設(shè)備與技術(shù)

王明田

(中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300451）

深水工程地質(zhì)勘察是深水海域油氣田勘探開發(fā)的基礎(chǔ)性工作[1]，必須先行，其目的是為海上深水勘探、開發(fā)平臺(tái)場(chǎng)址、深水管線路由提供工程地質(zhì)基礎(chǔ)資料[2]。海底表層取樣是深水工程地質(zhì)勘察的重要組成部分，主要是獲取海底表層、淺層沉積物（包括天然氣水合物）樣品[3-4]。天然氣水合物是一種在高壓低溫環(huán)境條件下由水和天然氣形成的冰態(tài)、結(jié)晶狀籠形化合物，主要分布于水深大于300 m的海域及陸地永久凍土帶沉積物中。在工程勘察中，淺層天然氣和天然氣水合物是需要查明的重要災(zāi)害性地質(zhì)條件之一[2]。“十一五”期間，國(guó)家科技重大專項(xiàng)“深水工程勘察船及配套技術(shù)”課題的研究，成功設(shè)計(jì)并研制了具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海底表層保溫保壓取樣器，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。本文主要介紹深水海底水合物取樣技術(shù)以及我國(guó)自行研制的海底保溫保壓水合物取樣裝置。

1 取樣器總體結(jié)構(gòu)

海底表層土質(zhì)取樣所采用的取樣設(shè)備有：蚌式取樣器(抓泥斗)、箱式取樣器、重力取樣器、重力活塞式取樣器、振動(dòng)活塞取樣器，上述幾種取樣器所取樣品的長(zhǎng)度一般較短，且不能保溫保壓[6-7]。

課題研制的保溫保壓海底水合物取樣系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱取樣器）可以保溫、保壓地獲取3 000 m水深的深海海底表面以下23.5 m長(zhǎng)的淺表層沉積物（可能存在天然氣水合物）樣品。此裝置包含相應(yīng)的卸壓取氣系統(tǒng)、船載輔助支架、取樣器尾部平移下擺驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、π 型架等取樣器收放輔助設(shè)備。

如圖1所示，該取樣器主要由保真取樣筒(含保真筒、密封艙、襯筒等)、吊放架(含夾板、活塞及主纜等)、重錘機(jī)構(gòu)(含重錘、重錘纜、杠桿等)、導(dǎo)流裝置以及配件（蓄能器、雙向閥）等組成[7]。當(dāng)重錘到達(dá)海底后，觸動(dòng)杠桿上抬，松開釋放纜，使得保真筒在整個(gè)取樣器自重作用下自由地插入沉積物中，而活塞則在接近海底后在其吊放纜的作用下僅以絞車的放纜速度下降，相對(duì)于自由落體的保真筒上升。由于活塞與襯筒之間有較好的密封，因而在活塞的下方可以形成局部真空，使樣品更順利地進(jìn)入襯筒內(nèi)，并補(bǔ)償襯筒內(nèi)壁的摩擦。

圖1 海底水合物保真取樣器結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 保真取樣筒

保真取樣筒（如圖2所示）可以對(duì)海底表層的松軟沉積物直接進(jìn)行保真取樣，樣品最大容量160 L，最大取樣深度23.5 m，最大工作水深3 000 m，利用設(shè)備自帶的壓力補(bǔ)償器保持樣品壓力，并通過(guò)隔熱材料鍍層被動(dòng)保溫，主要由襯筒、保真筒、連接頭與密封艙4部分構(gòu)成。在取樣器下落時(shí)，密封艙一直位于保真筒的上方，與導(dǎo)流裝置一起提供下插力；取樣器回收時(shí)，保真筒自下而上穿過(guò)密封艙，使翻板閥關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)保壓功能。密封艙上方還裝有導(dǎo)向筒，以確保保真筒穿過(guò)上密封裝置的全過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的可靠性。壓力補(bǔ)償器裝在取樣器最上方的導(dǎo)流裝置內(nèi)，與密封艙的容腔用管路相連。當(dāng)取樣裝置下水前，保真筒位于密封艙下方，密封艙上方的4個(gè)鎖舌機(jī)構(gòu)可以擋住保真筒上端面，使之不會(huì)在取樣過(guò)程中上移，從而使沉積物全部進(jìn)入襯筒內(nèi)。活塞相對(duì)于自由落體的保真筒與襯筒上升，在活塞的下方形成相對(duì)壓差，將樣品吸入襯筒內(nèi)，并補(bǔ)償襯筒內(nèi)壁的摩擦。

圖2 保真取樣筒

1.2 重力活塞式取樣機(jī)構(gòu)

圖1中吊放架、重錘機(jī)構(gòu)(含重錘、重錘纜、杠桿等)、導(dǎo)流裝置屬于取樣機(jī)構(gòu)，當(dāng)取樣器下放到距離海底還有一段距離時(shí)，重錘先觸底，杠桿失去平衡，松開釋放纜，使得保真筒自由下落并取樣。

1.3 釋壓閥與氣體分離裝置接口

為提取從樣品中分解的甲烷氣體和其他溶解氣體組份，將釋壓閥(一種微小流量溢流閥)安裝在保真筒體上，與密封艙連接，可以通過(guò)電液比例方式打開，并進(jìn)行連續(xù)調(diào)壓，使甲烷氣體和其他溶解氣體組份在沒有壓力突變的緩慢卸壓過(guò)程中充分溢出，并記錄壓力下降量與溢出氣體總量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，便于后續(xù)設(shè)備進(jìn)行總量檢測(cè)與分析。提取的氣體組分貯存在特制容器中，可以通過(guò)船載色譜儀分析其成份，也可送往岸基實(shí)驗(yàn)室作進(jìn)一步分析。保真筒體內(nèi)壓降至常壓后，才能將沉積物樣品取出。

1.4 保真筒體的耐壓及壓力補(bǔ)償

保真筒體在取樣時(shí)內(nèi)外壓力是平衡的，但提到海平面后，會(huì)產(chǎn)生30 MPa的內(nèi)外壓差。考慮到使用場(chǎng)合是海洋環(huán)境，采用普通鋼材將由于筒體的磨蝕造成對(duì)樣品的污染，因此，需要一種高強(qiáng)度的不銹鋼材料做保真筒體來(lái)承受內(nèi)壓。該保真筒體材料需由專業(yè)廠家進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，以及相關(guān)的強(qiáng)度與韌性檢驗(yàn)。

另外，保真筒體在承受30 MPa內(nèi)壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生4‰左右的體積膨脹，按照2℃海水2.4 GPa的體積彈性模量計(jì)算，該膨脹將產(chǎn)生8.16 MPa(20%)的壓力下降，再加上其他彈性體（如密封圈等）的變形，很難達(dá)到預(yù)期的保壓效果，因而還需要增加壓力補(bǔ)償裝置，將壓力變動(dòng)量控制在20%的設(shè)計(jì)要求之內(nèi)。利用蓄能器補(bǔ)壓是實(shí)現(xiàn)壓力補(bǔ)償?shù)淖罴逊绞健Ｒ虼诵钅芷魇侨悠鞯年P(guān)鍵部件之一，其上端皮囊內(nèi)充入高純氮?dú)猓露藙t通過(guò)帶有雙向閥的液壓管路與保壓筒相通。皮囊的充氣壓力取取樣點(diǎn)原位壓力的70%。以獲得最多的海水補(bǔ)償量。從蓄能器獲得的補(bǔ)償容積量為：

當(dāng)該容積大于取樣筒取樣時(shí)損失的海水體積時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)保壓功能。

2 取樣深（長(zhǎng)）度計(jì)算及參數(shù)

取樣器與土的相互作用模型用于確定取樣器取樣動(dòng)態(tài)過(guò)程中管側(cè)摩阻力和管端阻力（包括靜阻力和動(dòng)阻力）。取樣過(guò)程底質(zhì)受到?jīng)_擊型動(dòng)荷，瞬態(tài)變化，管土作用非常復(fù)雜，它是一個(gè)軸對(duì)稱三維動(dòng)態(tài)問(wèn)題，要描述該問(wèn)題，不僅要了解管與土動(dòng)本構(gòu)模型而且還要弄清管土接觸面的滑移機(jī)理[8]。在一定簡(jiǎn)化條件下，取樣器與土的相互作用可借用國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者提出的許多模型來(lái)近似模擬管土相互作用，本保溫保壓取樣器采用了Smith法求解[9]，取樣器取樣過(guò)程的控制方程為：

式中：τ 為剪切阻力；Js為樁側(cè)土阻尼系數(shù)；l 為樁的沉降；β1為管外側(cè)摩擦阻力折減系數(shù)；β2為管內(nèi)側(cè)摩擦阻力折減系數(shù)；din為取樣管內(nèi)徑；dout為取樣管外徑。

經(jīng)計(jì)算，質(zhì)量8.0 t的取樣器取樣深度可達(dá)68 m，5.0 t取樣器最大取樣深度可達(dá)到54 m左右，2.5 t取樣器最大取樣深度可達(dá)到28 m，取樣深度隨著取樣器質(zhì)量的增加而增加。其中底質(zhì)越軟其取樣深度越深，而插土前初始速度大小對(duì)取樣深度的影響并不很明顯；取樣器取樣深度隨著內(nèi)徑的增加而增加，隨著外徑的增加而減少，相同尺寸下減少外徑尺寸要比增加內(nèi)徑尺寸的所獲得取樣深度更深，效果更好；可以看出底質(zhì)的軟硬及取樣器的質(zhì)量大小是取樣器能否插土更深，取得更多的樣品的兩大關(guān)鍵因素。另外內(nèi)外徑的變化也對(duì)取樣效果有一定影響。

（1）不同取樣器質(zhì)量條件下的變化關(guān)系曲線如圖3。（初始速度為1 m/s，軟底質(zhì)土層，取樣器內(nèi)外徑分別為90 mm，130 mm）

圖3 不同質(zhì)量條件下的取樣深度變化關(guān)系曲線

圖4 不同底質(zhì)條件下的取樣深度變化關(guān)系曲線

（2）不同底質(zhì)條件下的關(guān)系曲線如圖4。（初始速度為1 m/s，取樣器質(zhì)量為2.5 t，取樣器內(nèi)外徑分別為90 mm，130 mm）

3 取樣器的收放裝置

收放裝置按運(yùn)動(dòng)及功能可以分為3大部分：平移機(jī)構(gòu)、π架和輔助支架。它們通過(guò)平移機(jī)構(gòu)平移和π 架、取樣器支架的旋擺運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了取樣器收放功能，如圖5所示。

將支架準(zhǔn)確定位，同時(shí)將取樣器對(duì)正放于支架上，取樣器的收放通過(guò)專用取樣絞車、π 型架及取樣器收放輔助設(shè)備綜合操作來(lái)完成。

當(dāng)確認(rèn)取樣管已完全插入海底后，操作絞車緩慢提升，當(dāng)確認(rèn)取樣管拔出海底并進(jìn)入密封艙后，可操作絞車快速提升，邊觀察水下取樣器姿態(tài)邊提升取樣器，至取樣器完全提離水面時(shí)停止絞車，啟動(dòng)π 架液壓缸，取樣器至支架正上方面時(shí)停止π 架轉(zhuǎn)動(dòng)，至支架及取樣器完全露出水面，最后使支架及取樣器完全坐落在枕木上。

圖5 取樣系統(tǒng)示意圖（取樣器放置在輔助支架內(nèi)）

4 取樣器的技術(shù)性能及應(yīng)用

本項(xiàng)目研制的取樣器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了大長(zhǎng)度保真取樣、快速壓力補(bǔ)償技術(shù)、下封口引水沖洗技術(shù)以及機(jī)械化長(zhǎng)柱狀取樣器側(cè)舷投放回收技術(shù)。2011年5月，應(yīng)用我們所研制的該型取樣器，在中國(guó)南海北部及東南海域共進(jìn)行5次海上取樣試驗(yàn)，驗(yàn)證了取樣器性能和能力。實(shí)際取樣實(shí)驗(yàn)表明，取樣器性能完全達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足深水保溫保壓取樣技術(shù)要求，在作業(yè)水深3960m海域、取樣管長(zhǎng)22.9 m時(shí)、獲取樣長(zhǎng)18.05 m（見圖6），取樣率達(dá)到78.8%；在6 h內(nèi)采樣器壓力下降0.2 MPa，壓力僅下降了0.667%，最高保壓能力達(dá)6 h/100%，而設(shè)計(jì)保壓指標(biāo)為6 h內(nèi)的壓力變動(dòng)量不超過(guò)20%；海底溫度與出水時(shí)溫度相差不超過(guò)6℃，所取樣品質(zhì)量滿足工程地質(zhì)勘察技術(shù)要求，樣品已被用于相關(guān)科學(xué)研究。該型取樣器完全可滿足深水大型鉆井船、生產(chǎn)開發(fā)平臺(tái)等海上結(jié)構(gòu)物全下錨深度內(nèi)沉積物及天然氣水合物保壓采樣的技術(shù)要求，研制技術(shù)挑戰(zhàn)長(zhǎng)柱狀沉積物保真取樣的深度極限，領(lǐng)先國(guó)際水平(目前德國(guó)太陽(yáng)號(hào)船上的保壓取樣設(shè)備，采集2 m長(zhǎng)的沉積物樣品，設(shè)備總長(zhǎng)6.7 m)。

圖6 在南海深水海域應(yīng)用研制的取樣器所獲取的樣品

5 結(jié)論

成功研發(fā)并制造的具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海底保溫保壓取樣器，打破了國(guó)外深水勘察技術(shù)封鎖，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。研制的海底保溫保壓取樣器可達(dá)23.5 m超長(zhǎng)柱狀保壓取樣，技術(shù)領(lǐng)先國(guó)際水平。研究成果將在深海大型油氣田鉆采前對(duì)全下錨深度內(nèi)的災(zāi)害性地質(zhì)取樣調(diào)查中廣泛應(yīng)用，與目前通用的鉆探[10]相比，其作業(yè)成本成數(shù)量級(jí)降低，具有很高的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，以及廣闊的應(yīng)用前景。

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