陸域天然氣水合物厚覆蓋層跟管取心技術研究

李 寬，梁 健，李鑫淼，劉秀美，張永勤，孫建華，王舒婷

(中國地質科學院勘探技術研究所)

天然氣水合物作為一種非常規能源，主要賦存于陸域凍土區、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、儲量大、清潔無污染等突出優點，被視為未來石油、天然氣最好的替代能源[1]。勘探與開發天然氣水合物對緩解人類面臨的能源危機、溫室效應等問題具有重要意義。

我國凍土區主要分布在青藏高原和大興安嶺地區，尤其是羌塘盆地、祁連山、風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、凍土層相對較厚、地溫梯度較低和成油成氣最好的地區，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，是公認的有利找礦區。鉆探取心是天然氣水合物找礦突破最直接、最準確、最有說服力的方法，也是驗證其他勘查技術方法(如地球物理、地球化學、遙感等)的手段，同時能夠為水合物成藏理論分析提供有力素材[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”國家專項下設鉆探試驗井項目，旨在進行凍土區天然氣水合物鉆探取心工藝方法與取樣器具研究，在找礦靶區開展鉆探試驗井工程，力爭實現找礦突破，盡快探明水合物分布范圍、分布特征和儲量。

一、鉆探取心方法

針對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“隔水式單動雙管取心、低溫鉆井液護心、擴眼跟管護壁”的鉆進方法，原理如圖1所示。

圖1 跟管鉆進原理示意圖

跟管鉆進是將套管隨鉆頭和取心鉆具跟入孔內的一種鉆進方法，取心、鉆井液護壁、下套管三個工序同時進行，即取心鉆進的同時也下入了護壁套管，跟進的套管具有穩定孔壁和保護孔口的作用，能有效解決松散覆蓋層長孔段裸眼鉆進、反復起下鉆帶來的護壁難、成孔難的問題[3-4]。

根據鉆孔結構設計和前期施工經驗，跟管取心鉆具擬采用?146 mm規格。單動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。液推式擴眼器收斂狀態外徑146 mm，擴孔翼完全張開時外徑176 mm，擴孔率120%。跟進的套管規格為?168 mm×6 mm，內徑156 mm，保證取心鉆具和擴眼器順利提升與下放。

二、取心鉆具

隔水式單動雙管取心鉆具適用于可鉆性2～6級的中等硬度、膠結性差、松散、破碎、節理發育、易震碎、易沖蝕的巖礦層取心，鉆具結構如圖2所示，包括外管總成和內管總成，外管總成包括懸掛接頭、外管、擴孔器、扶正環、鉆頭等，內管總成包括單動機構、芯軸、調節機構、單向止水閥、巖心管、巖心提斷器等，內管總成通過螺絲套懸掛在外管總成上面。

圖2 隔水式單動雙管取心鉆具結構示意圖

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內管接頭 19上扶正環 20上擴孔器 21巖心管 22外管 23下扶正環 24下擴孔器 25銅套 26密封短接 27 “O”型圈 28攔簧 29攔簧座 30取心鉆頭

鉆具有兩套單動機構，上部單動機構通過兩副推力球軸承實現外管單動，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，避免鉆井液進入單動機構，提高軸承的壽命。下部單動機構通過插接的耐磨銅套實現單動，便于更換。

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

三、低溫鉆井液技術

低溫鉆井液技術包括鉆井液配制和鉆井液冷卻技術。松散覆蓋層低溫鉆井液要求性能特點是“低冰點(-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液，如需滿足更高的低溫要求，使用有機添加劑如乙醇、乙二醇、丙三醇和表面活性劑等[5-6]，經室內試驗確定覆蓋層鉆井液配方為：膨潤土(70～100 kg/m3)+磺化褐煤樹脂(15～20 kg/m3)+光譜護璧劑(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，現場配制視地層條件進行調整。

鉆井液冷卻技術是通過載冷劑與鉆井液在換熱器中對流換熱，將鉆井液溫度動態穩定在低溫狀態下(≤1℃)，避免巖心在鉆進與打撈過程中分解，利于鉆獲天然氣水合物實物樣品，是天然氣水合物鉆探關鍵技術之一。根據施工經驗，鉆井泥漿泵量在150 L/min左右，進出井溫差約2℃，前期天然氣水合物調查井施工采用的是項目組與吉林大學合作研制的同軸套管式鉆井液冷卻裝置，能將鉆井液動態穩定在低溫狀態[7-9]，但存在的啟動電流大、結冰堵塞等問題，對此，重新設計并試制了新型翅片管式鉆井液冷卻裝置[10]，其系統組成與換熱過程如圖3所示。

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

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，泥漿循環泵輸送常溫鉆井液在翅片管基管內循環，載冷劑循環泵輸送乙二醇水溶液在換熱器箱體內循環。全鋁翅片管管外表面滾軋加工有一系列螺旋環狀T型隧道，導熱系數是常規光滑鋼管的5倍、綜合給熱效率是其8～17倍，換熱面積降低60%以上，大幅度減小設備體積。

圖3 鉆井液冷卻裝置系統組成與工作原理圖

四、液推式擴眼器

如圖1所示，液推式擴眼器安裝在鉆頭和取心鉆具上部、鉆桿和鉆鋌下部，擴眼器結構如圖4所示，包括活塞總成、張斂連桿機構、限位機構、扶正機構、自動回收機構、強制回收機構等，一般有非擴孔作業、回次擴孔作業和強制回收擴孔翼三種工作狀態。

圖4 液推式擴眼器結構示意圖

1下接頭 2過水底板 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復位彈簧 18活塞 19剪切銷 20解卡鋼球 21上接頭

1.非擴孔作業

在起下鉆等非擴孔作業時，不投入解卡鋼球，鉆井液不循環，活塞總成在復位彈簧作用下處于上限位置，擴孔翼處于收斂狀態，擴眼器可自由的通過套管。

2.回次擴孔作業

當擴眼器下至套管以下需要擴孔作業時，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，鉆井液通道封閉處于憋壓狀態，之后，鉆井液壓縮復位彈簧推動活塞總成下行，心管上面的水眼緩慢出露，鉆井液通道逐漸打開，同時活塞總成通過張斂連桿機構帶動擴孔翼逐漸張開，壓力表顯示的鉆井液循環壓力逐漸下降。當活塞總成下行至下限位時，鉆井液通道完全打開，同時擴孔翼完全張開，壓力表顯示的鉆井液循環壓力不再下降趨于穩定，接近理論值范圍，緩慢回轉后可進行擴孔作業。如鉆井液循環壓力出現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，擴孔翼未完全張開，應提至地表檢查擴眼器。擴孔作業結束后，停止泵送鉆井液，正常情況下，活塞總成會在預壓縮復位彈簧反作用壓力下上行，同時帶動擴孔翼收斂至回收管的回收腔，回次擴孔作業結束。

3.強制回收

如遇巖屑卡堵等情況導致擴孔翼無法自動回收時，往鉆桿內投入解卡鋼球，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，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，此時活塞上部的水眼打開，鉆井液進入活塞與彈簧套之間的環狀間隙，鉆井液循環如箭頭所示，在鉆井液壓力作用下，活塞通過張斂拉桿機構帶動擴孔翼強制收斂至回收腔。

液推式擴眼器結構簡單，易于加工制造與裝配，能夠通過鉆井液循環壓力準確判斷擴孔翼張開情況，并能在擴孔翼無法正常收斂時，投過投球的方式改變鉆井液通道強制將擴孔翼收斂至回收腔內。

五、野外應用

2016年6～8月，跟管取心鉆具與翅片管式鉆井液冷卻裝置經室內安裝調試后，運至西藏鴨湖地區天然氣水合物調查井QK-6-1井現場進行了野外應用。

在調查井施工中，0～100 m無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，然后下入?219.07 mm護壁套管。100～190 m層段采用跟管取心鉆進，隔水式單動雙管鉆具與液推式擴眼器經現場調試，下入孔內進行取心作業。隔水式單動雙管取心鉆具工作穩定，能將松散的巖心取至地表，如圖5所示。擴眼器在擴孔翼收斂狀態時能夠順利通過套管，張開狀態時能將套管下部擴孔段孔徑擴至174～176 mm，套管能夠順利下放。

圖5 鉆取的巖心樣品

跟管取心鉆進至162 m時，100～162 m孔段多處涌水造成孔壁坍塌，將跟進的套管完全抱住，無法繼續跟管鉆進。鉆至162 m處，地層較為堅硬，改用繩索取心鉆具繼續鉆進至設計深度，終孔深度700.70 m，達到設計深度。跟管取心鉆具最大程度上解決了長孔段松散覆蓋層取心與孔壁不穩定問題，該層段巖心采取率89%，獲取了滿足地質要求的巖心樣品。

六、結論與建議

(1)在野外施工中，隔水式單動雙管取心鉆具能夠將松散巖心樣品采集并提至地表，巖心采取率接近90%。

(2)液推式擴眼器結構設計合理，擴孔翼張斂穩定可靠，能將裸眼段孔徑擴至176 mm，跟管鉆進進尺超過60 m。因為涌水、地層極松散等因素，出現地層坍塌抱死套管的情況，影響了跟管鉆進深度，下一步擬增加孔口低速轉盤，實現套管全時回轉。