南海深水天然气水合物探测技术

南海深水天然气水合物探测技术

被称为21世纪的新能源天然气水合物的存在于海床上和陆地土壤中。它是在高压和低温下形成的一种固体笼状化合物。1m3天然气水合物可以释放出164m3的天然气。据估算,世界上天然气水合物所含的有机碳总量相当于全球已知煤、石油和天然气的2倍。2007年5月国内在南海北部的神狐海域使用AMIGE公司的Bavenit号深水钻探调查船成功地进行了天然气水合物钻探作业,在水深1200多米的深水海底,成功地钻取了高纯度的天然气水合物样品。天然气水合物形成的必要条件是低温和高压,这意味着要获取深水海底的天然气水合物的实物必须使用与常规钻探及取心不一样的先进技术。1深水天然气水合物挖掘技术是一种deepwatergal技术的三维剖分法1.1储存燃油843tBavenit号深水钻探调查船总长86.70m,宽度16.80m,高度8.52m,吃水5.6m,排水量5300t,可储存燃油482t,最大航速18.5km/h。具有一套可以用于深水海底钻探作业的钻井设备,井架高度(从龙骨算起)43m,钻台气隙3.45m,配备有50t安全负荷顶驱,2台泥浆泵,在井架天车的上部装有钻柱补偿器,还配有钻具输送器等先进的钻井装备。1.2使用配套定位系统与深水钻井平台类似,Bavenit号深水钻探调查船同时具备有锚泊定位系统和动力定位系统(DP)。作业水深在12~100m范围,该船使用锚泊定位系统进行定位;作业水深在100~3000m范围,该船使用动力定位系统进行定位。其动力定位系统靠GPS和声纳双系统共同进行定位,作业时由船底的4个推进器不间断地工作,以保证船的位置不变。1.3水合物取心法本次天然气水合物钻探作业只有一开作业。先钻先导孔,然后进行电缆测井。如果测井解释存在天然气水合物,则移船位,再钻主孔取心。所有的钻井作业使用相同钻具组合,具体如下:Ø228.6mm刮刀取心钻头+长密封短节+短密封短节+座落短节+关闭短节+浮阀短节+Ø177.8mm钻铤×8根+Ø127mm钻杆×22根+Ø175mm铝制钻杆×100根+Ø127mm钻杆。1.4海底基础施工(1)定位。Bavenit号深水钻探调查船航行到设计钻位后,投放Beacon声纳信标到海底,校正船位,启动船底的4个定位推进器,完成定位工作。(2)计算水深。钻具组合下钻到距离海底泥线以上10m左右地方,从调查船上用钢丝绳开始下放海底基座(SeabedFrame),海底基座示意图见图1。海底基座下放至海底以后,海底基座上的CTD(盐度、温度、深度、水平度)探测器通过海底基座上的数据传输钢缆向船上发回海底基座的水平度数据,作业要求海底基座最大斜度不得超过6°。然后通过数据传输钢缆向海底基座传输指令关闭海底基座顶部的钻杆卡子(Clamp),打开钻柱补偿器,在海底基座上方的导向架的引导下,钻柱探至基座顶部,记录方余,计算水深。(3)钻井作业。打开钻杆卡子,下放钻具至泥面。通过海底基座上的声纳(Transponder)确认基座位置在设计钻位误差允许的范围内,开钻,使用海水钻进,控制钻速不超过15m/h,钻压0~30kN,转速70~80r/min,排量800~900L/min,每钻完一柱替入膨润土浆3m3(黏度60~70s),然后倒划眼一次。钻至设计深度后,替入膨润土浆清扫井眼,用海水循环3个井内环空体积以上,注入膨润土浆填充裸眼环空。短起钻至泥线下40~50m,检验井壁的稳定性,从钻杆内下钢丝工具打捞浮阀。下钻到底,注入密度为1.19g/cm3,粘度为70s的膨润土浆填充裸眼环空,用于支撑井壁。(4)钻具内测井。保持钻头在井底的状态,从钻杆内下入电测工具,进行测井作业。(5)裸眼测井。钻具内测井结束后,起出电测工具,然后起钻到泥线下50m左右,再从钻杆内下入电测工具进行裸眼测井。电测结束后,根据电测情况决定是否钻主孔取心。1.5海底移船作业(1)移船位。原则要求取心主孔尽量靠近先导孔,但又要确保取心孔和先导孔之间不能相连,基本上每次移动的距离是10m。移船步骤:上提海底基座至泥线以上35m,然后上提钻具到泥面以上10m,移船位,重新动力定位。(2)钻井作业。和先导孔钻井作业程序相同,钻至取心层位顶部,然后进行取心作业。2取心作业方法本次作业使用了4种Fugro公司的取心工具,取心作业时从钻杆内用钢丝下入取心工具进行取心作业。在作业时,需要根据不同取心工具的特点和取心层位的要求安排使用相应取心工具。2.1液压活塞式取心工具作业程序FHPC(FugroHydraulicPistonCorner)液压活塞式取心工具是一种钢丝送入和回收的钻杆内非保压取心工具,采用的液压活塞取心器设计可以保证取心过程连续、不间断的进行,获得高的取心收获率。该工具适合于极软地层取心作业,一般安排在泥线以下确定硫酸盐—甲烷界面(SMI界面)的取心。本次钻探最深在泥线下120m处使用此工具,取心长度可以在4.67m(15ft)、7.62m(25ft)和9.14m(30ft)之间转换。FHPC液压活塞式取心工具作业程序:(1)用专用钢丝绞车将FHPC工具送至钻具组合中的座落短节内的台阶处坐好,此时FHPC工具的切鞋(Cuttingshoe)正好处于钻头处;(2)地面上通过液压泵向钻杆内加压直至压力达到剪切FHPC工具上的剪切销钉(通常压力要达到12~15MPa),使取心筒在液压的作用下发射出去;(3)取心筒通过钻头中心孔在液压的作用下进入地层取心,当FHPC工具内活塞行程结束后液压迅速下降;(4)上提钻具过提割芯;(5)上提钢丝,回收FHPC工具。2.2fc液压锤击式取心工具作业程序FC(FugroCorner)液压锤击式取心工具也是一种钢丝送入和回收的钻杆内非保压取心工具,取心长度3.04m(10ft),适合于软地层,一般安排在FHPC不能使用的深度进行取心作业。FC液压锤击式取心工具作业程序:(1)由于FC工具总体较短,可以直接从顶驱的顶部开孔下入钻杆中,FC工具到位后,其上有一止动环坐在钻头上;(2)FC工具到位后钻杆内加压3.5~4.5MPa,从转盘面的钻杆内可以听到取心工具内重锤工作的状况;(3)约5~10min后泵压下降,取心作业结束,卸压;(4)通过上提钻具协助钢丝绞车将取心筒上提进入钻具内,回收FC工具。2.3上提钻具,将所需卡子快速加入2.FPC(FugroPressureCorner)液压锤击式取心工具是一种钢丝送入和回收的钻杆内保压取心工具,取心长度0.91m(3ft),取心筒最大承压为25MPa,用于在水合物显示异常的层段取心使用。FPC液压锤击式取心工具作业程序:(1)FPC工具总体较长,需从转盘面卸开钻杆接头,用卡子将FPC工具坐在钻具母接头的台阶面上,FPC工具的送入工具(Overshot)从顶驱的顶部开孔放入,将送入工具和FPC连接后下入送到钻具组合中的座落短节内的台阶处坐好,上提下放工具确认到位后,根据水深放松送入钢丝0.127~0.254m(5~10ft);(2)取心前关海底基座的卡子,夹住钻具防止钻具摇摆;(3)打开钻柱补偿器,下探钻头到井底;(4)钻杆内加压4~4.5MPa,从转盘面的钻杆内可以听到取心工具重锤工作的状况;(5)约5~10min后泵压下降,取心结束,停泵,卸压;(6)上提钻具协助钢丝绞车将取心筒提进钻具内,在上提钢丝的同时将取心内筒提入工具内的保压腔;(7)回收FPC取心工具至海底泥线处,静止20~30min;(8)在海水中回收FPC取心工具,进入温越层之前应采用慢速,进入上部温越层后要加快回收速度,到达转盘面后要将FPC工具尽快放入冰水中降温(约30min);(9)降温结束尽快将岩心连带保压筒卸下置入冷库中(6℃)进行测压等作业。2.4作业程序及内容FRPC(FugroRotaryPressureCorner)液压钻入式取心工具是一种钢丝送入和回收的钻杆内保压取心工具,取心长度0.91m(3ft),取心筒最大承压为25MPa,用于在水合物显示异常的层段取心使用,一般和FPC工具交替使用。FRPC液压锤击式取心工具作业程序:(1)开始取心前的作业程序和FPC的程序相同;(2)开泵130L/min,钻杆内加压至2.2MPa剪断取心工具内的销钉,泵压下降至0.5MPa,维持泵速不变开始取心作业;(3)10min后提高泵排量至208L/min继续取心,泵压为0.9~1.1MPa,继续取心10min后,停泵,卸压;(4)上提钻具将取心工具提松,再开泵,排量130L/min将FRPC工具中螺杆行程完全顶出,当泵压升至4MPa时停泵;(5)上提钢丝回收取心工具,同时将取心内筒提入工具内的保压腔;(6)回收FPC取心工具至海底泥线处,静止20~30min;(7)在海水中回收FRPC取心工具,进入温越层之前应采用慢速,进入上部温越层后要加快回收速度,到达转盘面后要将FRPC工具尽快放入冰水中降温(约30min);(8)降温结束尽快将岩心连带保压筒卸下置入冷库中(6℃)进行测压等作业。以上4种取心工具的送入钢丝都通过顶驱的顶部开孔,在钢丝上有一个密封短节,起到密封钢丝与顶驱的顶部开孔之间环空的作用。4种取心工具的取心内筒都为塑料内筒,具体参数见表1。2.5取心作业成功率统计由于FPC和FRPC保压取心工具所取的岩心从保压筒内转出后无法测量所取岩心长度,在表2取心工作质量统计表中只统计FPC和FRPC工具的取心作业成功率。3水合物钻进作业情况