海域天然气水合物钻采技术研发进展
2017-08-11 中国地调成果快讯 天然气水合物
截至2015年底，相继开展了天然气水合物钻探涉及的多项技术的调研与开发，完成了钻探船、钻探取心、流体取样、原位测试、钻探适配装置的设计和研发，为自主开展天然气水合物钻采提供技术支撑。
1. 项目概况
“天然气水合物钻采技术研发”子项目，归属于“南海天然气水合物资源勘查”项目，是中国地质调查局“海洋地质调查计划”下属“海域天然气水合物资源勘查”工程的重要组成部分。主要目标任务是在形成我国具有自主知识产权的海域天然气水合物钻探采样技术能力，涉及海域水合物钻探船、钻探工艺、钻探适配方案的研究，钻探取心、流体取样、原位测试、海底基座、智能钻杆等相关仪器设备的研制，水合物钻井评价、钻后保护、钻井安全和事故处理等技术和装置的研究与开发。
相继与北京探矿工程研究所、中国地质大学（武汉）、中国地质科学院勘探技术研究所等单位开展技术合作，研制了钻探取心器、流体取样器、原位测试仪等水合物钻采仪器设备，并已于2014年10月和2015年8月完成了2次近岸浅水区海上试验，取得了一系列阶段性成果。
2. 成果简介
（1）完成了天然气水合物钻探船调研及初步设计。钻探船是海域水合物勘探开发的支撑平台，在调研了数十艘国内外具备深水钻探能力的船舶后，结合未来我国海域及管辖外海域潜在的水合物区，制定了钻探船基本配置需求（图1）：
①最大水深4500m，最大钻深2000m，水深与钻深之和不大于5000m；
②无限航区，续航能力不小于60d，配DP-2动力定位和减摇系统，360°全方位驾驶台，载员数不少于100人；
③钻探系统基本功能主要包括：钻探、取心与取样、测井、井口实时监测、井下原位测试和长期观测等。
④钻孔直径91/2，钻杆标准API 51/2，取心直径≥80mm（常规），≥50mm（保压）；
⑤扩展功能：4500米级ROV水下机器人、海底保压取心钻机、海床式静力触探系统、常规地质取样器、基本物探设备；
⑥甲板空间：钻探系统、钻杆库、散料库、移动式样品分析处理系统以及扩展功能涉及的甲板作业空间；
⑦吊放设备：吊机、可拆装式A型架、绞车等。
图1 天然气水合物钻探船模型图
（2）完成了深水钻探保压取心器的方案设计和试制。保压取心器是利用钻探获取水合物样品的重要工具，目前保压取心器主要是在常规取样器的基础上增加保压筒、压力检测与补偿、密封阀门等来实现海底样品的压力保持。
本项目在调研国内外先进的保压取心器基础上，已经完成深水钻探保压取心器的方案设计并加工制作出球阀式和板阀式2种保压取心器，还需海上试验其各项工作性能（图2）。
图2 深水钻探保压取心器
（3）浅水钻探流体取样与原位测试系统通过验收。钻探流体取样与原位测试是钻探井下测试可普遍使用的技术方法，与随钻测井、钻探取心配合使用，可以相辅相成、互为补充，为水合物资源勘查提供更加丰富的基础资料。
钻探流体取样与原位测试是将测试取样设备从钻杆内部下放至孔底开展测试和取样，使待测沉积物与流体最大程度地保持了原有的物理、化学、生物等特性，具有准确、快速、高效、实用等特点。
在2014年完成浅水试验的基础上，设计了全新的深水作业系统方案，其主要特点是将浅水作业时的液压动力改为深水作业时的钻井液动力，由于水深从几百米扩展到几千米，与之相对应的传感器将需要重点考虑静水压力对测试量程和
测试精度的要求和影响（图3）。
图3 深水钻探流体取样与原位测试系统
（4）完成深水钻探海底基座的系统方案设计和部分组件的加工试制。鉴于在几次南海天然气水合物钻探中海底基座发挥的作用，制定了针对天然气水合物钻采的多功能海底基座系统方案，在原有的钻杆夹持功能的基础上增加了海底寻址、井口可视化与气体监测、井口事故处理等功能（图4）。
图4 深水钻探海底基座三维图
3. 成果意义
立足海域天然气水合物钻探采样，已经完成了钻探船模型设计，深水钻探保压取心、流体取样、原位测试及海底基座的方案设计及试制等工作，获得了大量的技术积累和实践经验。继续完善相关技术装备，使其尽快地在“天然气水合资源调查与试采”工程中得到应用，将摆脱深水钻探只能依靠国外技术力量的现状，也将极大地加快我国自主开展天然气水合物钻采的进程。
（中国地质调查局广州海洋地质调查局 陈奇供稿）
