天然气水合物勘探概况及钻探取心技术探讨.pptx

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1、会计学 1天然气水合物勘探概况及钻探取心技术探讨窦斌博士、副教授 CUG 2n n 一、天然气水合物概况n n 二、世界能源的分布及消耗n n 三、研究天然气水合物的意义n n 四、天然气水合物勘探现状n n 五、天然气水合物开发n n 六、水合物勘探面临的难题n n 七、取心关键技术及解决办法n n 八、地表处理过程中的关键问题n n 九、钻进取心综合措施n n 十、保温保压取心装置n n 十一、地表岩心后处理技术研究目 录第1页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 3一、天然气水合物概况第2页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 4一、天然气水合物概况天然气水合物（天然气水合物（Natural

2、 Gas Hydrate Natural Gas Hydrate，简称，简称Gas Hydrate Gas Hydrate）因）因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作 其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰 可燃冰”。它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐。它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、度、pH pH值等）下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、值等）下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。它可用 笼形结晶化合物。它可用M M nH2O nH2O来表示，来表示，M M代表水合物中的 代表水合物中的气体分子，气体分

3、子，n n为水合指数（也就是水分子数）。组成天然气的 为水合指数（也就是水分子数）。组成天然气的成分如 成分如CH CH4、C C2 2H H6 6等同系物以及 等同系物以及CO CO2 2、N N2 2、H H2 2S S等可形成单种或 等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对 多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过 甲烷分子含量超过99 99的天然气水合物通常称为甲烷水合物 的天然气水合物通常称为甲烷水合物（Methane Hydrate Methane Hydrate）。）。1、什么是天然气水合物第3页/共77页窦斌博士、副教授

4、 CUG 5一、天然气水合物概况第4页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 6n n 天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。一、天然气水合物概况2、天然气水合物的分布第5页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 7n n 目前，全球已发现116处潜在的天然气水合物产地。其中，美国和加拿大沿海地区、危地马拉海岸、印度洋、日本海域和俄罗斯的鄂霍茨克海等15处通过钻井取样确认。中国的东海海域、南海海域和青藏高原也具有天然气水合物分布的广阔前景。n n 2007年5月1日凌晨，在我国南海北部成功钻获天然气水合物实物样品，并经

5、初步预测，其远景资源量可达上百亿吨油当量。一、天然气水合物概况第6页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 8n n 天然气水合物中水分子是主体分子，形成所谓空间点阵结构，气体分子充填于点阵间孔隙中，气体分子与水分子间没有化学计量关系；点阵结构水分子间以较强的氢健结合，气体水分子间以范德华力结合。已经发现天然气水合物形成的3种基本笼型晶体空间结构是立方体型结构，菱形立方体型结构，六方体H型结构。一、天然气水合物概况3、天然气水合物的分组成及结构第7页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 9n n I型为立方晶体结构、型为菱型晶体结构、H型为六方晶体结构。型天然气水合物在自然界颁最广，而及H型水合物更

6、为稳定。一、天然气水合物概况第8页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 10二、世界能源的分布及消耗第9页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 11n n 据80年代国际天然气潜力委员会(PGC)的统计,世界各大洋中,天然气水合物的总量换算为甲烷气体,高达21016m3,其含碳量比迄今世界上所有已知石油、天然气、煤炭矿产大2倍,约占化石燃料(煤、石油、天然气)的53%，右图给出了地球上的有机碳分布。二、世界资源的分布及消耗第10页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 12二、世界资源的分布及消耗n n 煤、石油、天然气是当今世界各国的主要矿物能源，已开采使用近百年。据专家们估计，再有3040年左右，

7、就会面临能源枯竭的局面。国际能源机构曾指出世界油气产量在20012020年将达到顶峰，此后，就不可避免地持续下降。强烈的能源忧患意识产生寻找新的替代新能源的热潮。第11页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 13n n 前天国际原油价格最新油价WTI 98.18 美元 0.89美元；n n 布伦特 95.76美元 1.26美元；n n 上升到100美元不是不可能。n n 估计90%的海域和占陆地26%的高纬度长年永冻区所发现的天然气水合物，势必引起各国政府和企业界的高度重视，投巨资、强化研究、希冀尽快有新的突破。二、世界资源的分布及消耗第12页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 14三、研究天然

8、气水合物的意义第13页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 15n n Gas hydrate is an important topic for study Gas hydrate is an important topic for study for three reasons:for three reasons:n n 1.It contains a great volume of methane,1.It contains a great volume of methane,which indicates a potential as a future energy which indi

9、cates a potential as a future energy resource.resource.三、研究天然气水合物的意义Why do we study it?第14页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 16n n 由于独特的晶体结构与分子空间构型决定了天然气水合物独特的高浓集气体的能力，表现特点为高浓度气体=高储量。在实验标准状态下，单位体积天然气水合物可释放出160-180倍体积甲烷气体。因而天然气水合物矿藏的发现、勘探、开发与研究也就极具价值。原苏联科学院院士A.A.特罗菲姆克认为，有利于天然气水合物形成条件的地区，如占全球陆域面积27%的永久冻土带地区，90%的海洋具备天

10、然气水合物赋存条件；据此，目前估算全球天然气水合物含碳量为全球化石燃料(石油、天然气和煤)含碳量的两倍，从这个意义上说，天然气水合物成为21世纪清洁高效的替代能源资源可望成为不争的事实。三、研究天然气水合物的意义第15页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 17n n2.It may function as a source or sink for atmospheric methane,which may influence global climaten n Methane from the hydrate reservoir might significantly modify the g

11、lobal greenhouse,because methane is 20 times as effective a greenhouse gas as carbon dioxide,and gas hydrate may contain three orders of magnitude more methane than exists in the present-day atmosphere.Because hydrate breakdown,causing release of methane to the atmosphere,can be related to pressure

12、changes caused by glacial sea-level fluctuations,gas hydrate may play a role in controlling long-term global climate change.三、研究天然气水合物的意义第16页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 18n n3.It can affect sediment strength,which can initiate landslides on the slope and rise.n n Gas hydrate apparently cements sediment,and,th

13、erefore,it can have a significant effect on sediment strength;its formation and breakdown may influence the occurrence and location of submarine landslides.Such landslides may release methane into the atmosphere,which may affect global climate.三、研究天然气水合物的意义第17页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 19四、天然气水合物勘探现状第18页/共7

14、7页窦斌博士、副教授 CUG 20n n 从1810年英国Davy在实验室首次发现气水合物。n n 1934年，在输气管道内发现天然气水合物，给天然气的输送带来麻烦，开始研究工业天然气水合物的预报和消除；n n 1965年前苏联在西伯利亚麦索亚哈气田，发现了天然气水合物的矿层，引起许多国家科学家的重视。n n 20世纪70年代世界各大陆边缘和高纬度极地永冻层发现天然气水合物，主要为甲烷水合物，为世界范围的广泛认可。在美国，新泽西州和乔治亚天然气水合物集中区已经绘在图上。四、天然气水合物勘探现状1、国际情况第19页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 21n n 美国东南部海外有一处(仅30000

15、 km2)处于快速沉积形成山脊带，蕴藏着美国年消耗天然气量近30倍的天然气水合物，这一地区称为布拉克山脊(Black Ridge)。n n 1974年前苏联在黑海1950m水深处，取得天然气水合物冻状样品。此后在黑海、贝加尔湖等地海底取样与地震探测，纷纷发现天然气水合物。n n 1979年深海钻探计划(DSDP)第66、67航次和此后的大洋钻探计划，都取得了岩心，发现了天然气水合物。四、天然气水合物勘探现状第20页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 22n n 1995年,美国在ODP164航次中率先在布莱克海脊布设了3口勘探井,首次有计划地取得了水合物样品。n n 1997年美国又与日本、加

16、拿大合作在阿拉斯加打了1口示范井。而在2000年,日本国家石油公司(JNOC)与日本国际贸易和工业部(METI)共同出资在日本东南的南海海槽(Nankai Trough)钻了一系列水合物测试井。n n 2002年1月加拿大、美国和日本在加拿大Mackenzie三角洲开钻了水合物井Mallik 2L-8井,证实在永久冻土带下面存在水合物。n n 2003年3月，Andarko石油公司、Maurer技术公司和美国能源部在阿拉斯加北部斜坡开始钻第1 口水合物调查研究井“Hot Ice No.1”。四、天然气水合物勘探现状第21页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 232005年3月，美国能源部和石油

17、巨头雪佛龙德士古公司(Chevron Texaco)联 合（JIP计 划）开 始 在 墨 西 哥 湾Keathley峡谷和Atwater谷区进行水合物勘探钻井，计划在8个钻位钻16口井。每个钻位钻2口井,相距1323m左右,一口井取心,另一口井用来测井(随钻测井),水深在1300m左右，并将在井中安装长期的监控设备。2007年5月1日凌晨，在我国南海北部成功钻获天然气水合物实物样品，并经初步预测，其远景资源量可达上百亿吨油当量。四、天然气水合物勘探现状第22页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 24n n 日本是个矿物能源缺乏的国家，1991年底，据日本资源能源厅公布勘查结果：在静岗至四国海域

18、的南部海沟，有厚达30m、面积为42000km2的埋藏可燃冰，约等于日本年天然气产量的1400倍，埋藏量约74000亿m3，可供100年使用的天然气水合物。四、天然气水合物勘探现状第23页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 25n n 1999年国土资源部中国地质调查局广州海洋地质调查局，拥有海洋调查船4艘，在我国海域南海北部西沙海槽区采集高分辨率多道地震测线534.3km，至少在130km剖面上识别出BSR标志，矿层厚80300m，拉开了我国天然气水合物资源调查的序幕。n n 2000年该所又完成了高分辨率多道地震测量1523.3km，多波束海底地形测量703.5km及多种现代化取样措施，经

19、综合分析表明，南海北部西沙海槽区的天然气水合物存在面积较大，是一个可观的远景区，2001年至今工作仍在继续。四、天然气水合物勘探现状1、我国情况第24页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 26n n 国家海洋局二所也传来捷报，预示已找到可燃冰大量存在的BSR标志。经初步估算，勾画出分布区域，计算出稳定带的厚度，对其资源量作出评估，约为中国石油总量的1/2。n n 经过世界各国政府和科学家的努力，一个世界范围勘查海底天然气水合物的战役已经沸沸扬扬地展开，发现矿区与日俱增，1980年仅9处，到2000年已猛增到88处。n n 2007年5月1日凌晨，在我国南海北部成功钻获天然气水合物实物样品，并经

20、初步预测，其远景资源量可达上百亿吨油当量。四、天然气水合物勘探现状第25页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 27五、天然气水合物开发第26页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 28五、天然气水合物开发n n 要从天然气水合物储层开采天然气必须具备以下条件：n n（1）能够将水合物颗粒暴露在水合物温度压力相平衡条件以外；n n（2）水合物分解属于吸热反应，而且水合物分解具有自“保护”性，因此需要有可持续的能量供应；n n（3）在水合物生产井，能够将分解的气体转移出来，防止气体的大量集结阻止水合物的继续分解。1、天然气水合物开采理论第27页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 29n n 从天然气

21、水合物的相平衡可以看出4，要想满足以上条件，只有以下三种途径：n n（1）升高水合物的环境温度；n n（2）降低水合物所处的压力；n n（3）通过化学方法改变相平衡曲线，使相平衡曲线向左平移。五、天然气水合物开发第28页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 30n n 天然气水合物的热压力及其赋藏条件的特殊性决定了天然气水合物勘探开发钻井与常规油气勘探钻井有很大的不同，其最大难点在于钻开水合物地层过程中，由于井眼温度压力的改变会使水合物发生分解，由此引发取样困难、井壁易失稳、井内安全事故易发甚至海底地质灾害乃至全球气候变迁等问题。n n 因此必须在勘探钻井过程中对井内温度和压力实施控制，而要进行

22、控制首先就必须掌握井内的热压力特征规律以及相应的钻进技术如钻进泥浆的循环护壁，钻进时的钻速、钻压等，其研究程度将是未来推动或制约我国和其他国家对天然气水合物勘探开发研究和实施进程的关键因素。五、天然气水合物开发第29页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 31n n 要将天然气水合物转化为商业用天然气，实现途径不仅要经济而且要安全。由于天然气水合物的物理化学特，传统的开采固体矿产的方法不适合开采天然气水合物。根据水合物的形成原理，用于水合物分解开采的理论方法有以下三种。n n（1）热熔法，该方法原理就是将热量注入水合物沉积层，水合物吸收热量后温度升高引起水合物颗粒的分解。Klamath认为，可以

23、从地面将热的液体如水、盐水、蒸汽注入到水合物开采层，或者在水合物开采层燃烧高能量物质以及采用电磁加热等方法。五、天然气水合物开发2、天然气水合物开采常规方法第30页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 32n n（2）抑制剂刺激法，该方法原理是通过注入化学试剂使水合物热动力相平衡发生改变从而引起水合物分解。但是，抑制剂刺激法只限于少量开发时采用，因为这与抑制剂成本比较高相关。在某些石油开采井，当出现水合物阻塞现象时，通过注入甲醇和氯化钙溶液可以成功的疏通水合物的阻塞。五、天然气水合物开发第31页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 33n n（3）减压法，在该方法中，通过减小液体与水合物的接触面压

24、力，促使水合物处在相平衡稳定区域以外从而发生分解。在该方法中，由于没有额外的热量注入到水合物开采层，分解所吸收的热量必须由周围物质提供，但是当水合物分解吸收的热量达到一定程度，水合物周围环境温度降低会抑制水合物的进一步分解。很多研究指出，这种方法在气体全面分解过程中有利于控制开采气体的流量。对于减压法适合于那些储藏中存在大量自由气体的水合物储层。五、天然气水合物开发第32页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 34五、天然气水合物开发第33页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 35五、天然气水合物开发3、天然气水合物开采特殊方法第34页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 36六、我国水合物勘探面

25、临的难题第35页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 37与国外相比我国天然气水合物研究还存在较大差距：一是缺乏钻井取心资料；水合物气资源量评价参数条件不充分；二是基础地质研究程度较低；三是实验研究与地质研究缺乏有机结合；六、我国水合物勘探面临的难题1、我国与国外差距四是缺乏统一规划和有效组织管理；五是对天然气水合物有利区缺乏详查；六是有利区地理位置不如上述试验区优越。第36页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 382.钻进过程中天然气水合物的分解会对钻井安全、钻进质量、设备等造成严重危害：（1）很难采集到高保真的天然气水合物岩样或岩样采取率很低，造成对储层特征的错误判断；（2）气体进入钻井液后

26、，与钻井液一起循环，使钻井液密度降低，导致井底静水压力降低，加速了天然气水合物的分解，并表现为恶性循环，最终导致井底大量天然气水合物分解，造成井径严重扩大、井喷、井塌、套管变形和地面沉降等事故;六、我国水合物勘探面临的难题第37页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 39（3）在深海和温度很低冻土地区钻进时，在井身内一定位置或地面管路中具有气体重新形成天然气水合物的温度和压力条件，钻井液中天然气水合物一旦形成影响钻井液循环或钻井系统的其他管路的堵塞，导致一系列井内恶性事故，且由于形成天然气水合物所需水来自钻井液自身，钻井液的失水会严重影响其流动特性，钻井液中的固相会沉析，使井身中钻井液只有少量或

27、没有钻井液。因此，钻井过程中天然气水合物的抑制分解是基于高保真取样、安全钻井和维护原位天然气水合物层稳定的目的，通过温度和压力的控制，不允许或能有效控制天然气水合物的分解。六、我国水合物勘探面临的难题第38页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 40 3.天然气水合物诱发分解的目的主要体现在三个方面：一是可作为一种钻井方法，即采用低密度泥浆，诱发天然气水合物的分解（这种分解是可控制的，例如在起下钻、换钻头、测井时则需增加泥浆浓度，抑制天然气水合物的分解），在气体进入泥浆后，随泥浆循环到地面并被分离出来。该方法的可行性取决于在泥浆循环过程中形成天然气水合物可能性、泥浆循环速度、泥浆温度、发生井喷和

28、井涌的可能性、井底天然气水合物分解的可控制程度、地层特性等。六、我国水合物勘探面临的难题第39页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 41二是为了对钻井系统中再生成的水合物堵塞进行消堵。三是作为开采天然气水合物的一种方法，即通过井筒向天然气水合物地层输送能量，激发天然气水合物分解成自由气体或地层岩石破碎形成气、液、固三相矿浆进行开采。六、我国水合物勘探面临的难题第40页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 42钻井液能否抑制或者诱发钻进过程中天然气水合物分解和再生成，关系到天然气水合物取心质量、试验性和商业性钻井开采的进程、钻井作业能否顺利实施和钻井污染等关键性问题。同时，对天然气水合物抑制分解和

29、诱发分解机理、天然气水合物开采工艺研究提供理论和技术基础。4 4、钻井液的作用、钻井液的作用六、我国水合物勘探面临的难题第41页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 43七、取心关键技术及解决办法第42页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 44n n 地质取样技术包括抓斗取样、重力取样(柱样)、大型重力活塞密封取样等海底浅层取样技术(深度达1012m)和钻井取芯技术，其中钻井取芯技术是识别天然气水合物的最直接的方法 n n 钻井取芯技术的关键在于研制能够取得高保真岩芯样品的保温保压取芯器，这种取芯器一般具有以下的特点：n n 1）具有耐高压且可以自动密封的取样系统；n n 2）具有自动温度识别和

30、降温系统；n n 3）人工智能系统。七、取心关键技术及解决办法第43页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 45n n 目前比较有影响的取芯器有DSDP采用的保压取样筒PCB、ODP的PCS、活塞取样器APC、欧盟研制的HYACE、日本研制的PTCS等。n n 天然气水合物整体钻井技术系统和钻井开采设备的研制近些年来也取得了很大的发展，如半潜式钻井平台、载人或自治潜艇器、海洋钻探船等，目前最先进的综合钻探船为日本在建的IODP钻探船，海底钻探深度可达7000m。七、取心关键技术及解决办法第44页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 46七、取心关键技术及解决办法n n 要想准确地查明天然气水合物的

31、储量、埋藏深度、物化特性等技术参数，而获取地下深部实物资料的唯一手段只能是钻探。对于天然气水合物取心钻探来讲，其难度在于如何获取原状样品，而根据现有钻探技术条件，获取原状样品的最佳途径只能是采用适合天然气水合物物性特点的保温保压取心装置并应用绳索取心钻探技术，才有可能在最短的时间之内将储存了原状地层样品的取心装置提升至地面并送入专用处理装置进行岩心在地表的后处理。1、目的第45页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 47七、取心关键技术及解决办法n n 天然气水合物钻探取心的关键是如何在钻进进尺过程中、在岩心提取过程中和在地表（包括钻井平台和陆上实验室）保持岩心的原位性状，获得高保真岩心，并有较

32、高的安全钻进效率，因此，可以将天然气水合物取心钻探的关键技术归纳为以下三点：n n 钻进过程中 钻进过程中 n n 岩心提取过程中 岩心提取过程中 n n 地表处理 地表处理第46页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 48海上作业的特殊性安全钻头重入船的运动钻进的连续性第47页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 49n n 测井资料表明，由于天然气水合物对沉积物的胶结作用，使沉积物比较致密，渗透性差，孔隙度低，表现为电阻率高、声波时差小、自然电位的异常幅度不大、伽玛射线强度高等。但天然气水合物地层的可钻性级别并不高，钻进过程中只是由于人工干扰而打破了天然气水合物在自然状态下赋存的平衡状态，会产

33、生气体排放、井壁剥落导致井径扩大等，这些必须在制定钻井工艺时进行充分考虑并制定相应工程技术措施。2 2、天然气水合物赋存地层的岩石物性特征、天然气水合物赋存地层的岩石物性特征七、取心关键技术及解决办法第48页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 503 3、钻进过程中的关键问题及措施、钻进过程中的关键问题及措施n n 众所周知，在钻进过程中，任何岩心容纳器对孔底来说，都是一个开放系统（如图），所以，在天然气水合物钻进过程中必须使孔底温度压力环境保证岩心容纳器中和孔底孔壁的天然气水合物尽可能不分解，从而在岩心容纳器中能形成天然气水合物岩心并安全高效钻进。因此，先进、可靠的保温保压技术是成功获取天然

34、气水合物实物岩心样品的最关键因素。第49页/共77页取 取芯 芯器 器内 内温 温度 度压 压力 力气 气体 体平台泥浆 平台泥浆冷却装置 冷却装置高密度低温含 高密度低温含抑制剂泥浆 抑制剂泥浆数据采集装置 数据采集装置 隔水超前取芯钻头 隔水超前取芯钻头 压力补偿与卸压 压力补偿与卸压收集分解气 收集分解气 减阻机构、隔温层 减阻机构、隔温层蓄能装置 蓄能装置 取芯器 取芯器孔 孔底 底七、取心关键技术及解决办法第50页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 52n n 此外，由于海浪的作用，钻进平台会发生漂移，对于深海无隔水管钻进来说，提钻后再次下入的钻杆再次入位相当困难，因此必须最大限度地

35、减少提升钻杆的次数以尽可能长地提高纯钻时间。n n 绳索取心钻进技术、高效长寿命取心钻头和取心钻进与全面钻进快速转换技术，将有效地减少提下钻次数，提高钻进效率，降低钻探成本。七、取心关键技术及解决办法第51页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 535 5、岩心提取过程中的关键问题及措施、岩心提取过程中的关键问题及措施n n 在打捞岩心的提升过程中，主要是取心器的外部环境压力和温度的变化，且压力变化更为剧烈，对岩心的影响很大。n n 岩样打捞过程中的保温保压目的主要是在岩心从孔底打捞到地表过程中要使岩心保持孔底的温度和压力，并使之尽量不发生分解或把分解程度降到最小，尽最大可能在地表获得高保真天然

36、气水合物岩心。七、取心关键技术及解决办法第52页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 54n n 绳索打捞式保温保压取心器、安全可靠的压力补偿装置、高速绳索取心绞车、实时记录打捞过程中取心器内温度、压力等技术措施加以解决。n n 保温保压取心器上集成了钻进过程中实时记录取心器内温度、压力的装置，这也是ODP在使用型ODP-PCS取样器后所建议的进一步发展方向，其是对所获取样品进行原位数据恢复所能够发挥有效作用的最佳工程技术方法。七、取心关键技术及解决办法第53页/共77页打捞过程 打捞过程取 取芯 芯器 器内 内温 温度 度压 压力 力气 气体 体数据采集装置 数据采集装置 高速打捞机构 高速打

37、捞机构 隔温层 隔温层蓄能装置 蓄能装置 取芯器 取芯器海 海水 水、钻 钻孔 孔压力补偿与卸压 压力补偿与卸压收集分解气 收集分解气 组合式球阀密封 组合式球阀密封 七、取心关键技术及解决办法第54页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 56八、地表处理过程中的关键问题第55页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 57n n 在从井底到地表，尽管采用了一系列保护措施，但天然气水合物样品的稳定性依然在随着时间和环境变化而逐渐恶化。容纳着天然气水合物样品的岩心管到达地表之后，如何在最短的时间内采取并将其保存在模拟孔底环境中，一直是天然气水合物取心钻探所必须认真考虑的问题。八、地表处理过程中的关键问题

38、第56页/共77页地表处理过程 地表处理过程取 取芯 芯器 器内 内温 温度 度压 压力 力气 气体 体数据采集装置 数据采集装置 组合式球阀密封 组合式球阀密封蓄能装置 蓄能装置 取芯器 取芯器原 原位 位温 温度 度压 压力 力气 气体 体文 文件 件地表处理 地表处理压力补偿与卸压 压力补偿与卸压收集分解气 收集分解气 数据回放 数据回放高低温柜 高低温柜保真转移装置 保真转移装置保压切割 保压切割 非接触测试 非接触测试保压封装 保压封装高压仓 高压仓保 保真 真岩 岩样 样隔温层 隔温层八、地表处理过程中的关键问题八、地表处理过程中的关键问题第57页/共77页窦斌博士、副教授 CUG

39、 59n n 天然气水合物的取心钻进是一个综合技术体系，因此必须综合考虑钻进全过程所有可能遇到的各种环境条件，比如可以遇见到的地质条件会有淤泥层、松散层、天然气水合物储层、主要矿层的顶底板层等，必须系统考虑采用不同的钻进工艺进行应对。n n 主要考虑淤泥类含矿地层、固结性含矿地层以及固结性不含矿地层的取心钻进和不取心钻进工艺以及各工艺之间的快速转换技术。九、钻进取心综合措施九、钻进取心综合措施第58页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 60A:对于淤泥类矿层的取心钻进n n高强度绳索取芯钻杆外管钻头绳索打捞式超前活塞取心器全液压高速绳索取心绞车。九、钻进取心综合措施九、钻进取心综合措施第59页

40、/共77页窦斌博士、副教授 CUG 61B:B:对于固结性岩矿层的钻进 对于固结性岩矿层的钻进n n 取心钻进：高强度绳索取芯钻杆柱绳索取芯外管钻头绳索打捞式保温保压取芯内管总成高密度（增加孔底压力）含水合物抑制剂的低温钻井液；当需要全面钻进时，只需把取心内管总成更换成取心钻进内管总成即可，泥浆则可改用常规泥浆以节约费用。九、钻进取心综合措施九、钻进取心综合措施第60页/共77页天然气水合物钻探取心过程天然气水合物钻探取心过程第61页/共77页全面钻进第62页/共77页钢丝绳提全面钻头，换取心钻具第63页/共77页投放取心钻具第64页/共77页窦斌博士、副教授 CUG66取心器取芯过程上提取心

41、器数据采集传感器探头第65页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 67深水海底钻探取样技术、遥控式深水海底浅层取样钻机目标：目标：研制能从一般钻探船上抛入海底的小体积折叠式“遥控海底钻探取样钻机”，进行遥控动力头驱动的表层沉积物（含天然气水合物）的无冲洗液循环回转取心钻探。配置两套取心钻具，其中一套完成取样后，可在海底两端封死用于保压取心。工作水深3000m左右，岩心直径不小于65 mm，一次性取样长度1012m，单孔钻探时间小于5分钟。第66页/共77页窦斌博士、副教授 CUG68海底取样钻机l以承载电缆（承载612T，含3根动力线和5根信号线）传递动力并实现打捞；l油缸给进与提取样品，动力头

42、长螺旋回转钻进；l活塞式取样管保证采取率，并可两端封死。深水海底钻探取样技术第67页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 69深水海底钻探取样技术第68页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 70十、保温保压取心装置n n保障措施之一：保温保压n n 采用计算机仿真手段优化蓄能器设计，确保压力补偿装置的可靠性，在提钻过程中和地表取心过程中进行精确的压力补偿，以最大限度地维持地层原位压力参数。内管总成的外岩心管外壁涂敷高性能绝热材料、内管内壁在确保光洁度的前提下加隔热涂料或使用高光洁度透明隔热衬管（内管总成用三层管），不仅有利于保持岩心温升在许可的范围之内，如果使用三层管还有利于岩心保形、后期实验室

43、观察与分析等。第69页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 71n n保障措施之二：钻探、取心过程中的实时压力与温度参数采集n n 研制集成式孔底压力与温度实时记录与回放装置，实时记录天然气水合物岩心在钻进过程、打捞过程和地表处理过程中的实时数据（压力与温度），为地表恢复井底环境参数提供依据。十、保温保压取心装置十、保温保压取心装置第70页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 72n n保障措施之三：缩短各工序之间的衔接时间n n 内管总成外管设计成快速插接方式，内管在关闭压力阀门后可快速拧卸，实现在地表迅速取出内管总成中的保温保压岩心容纳器并快速读取孔底实时数据采集和回放装置的记录数据，从而进行

44、相关处理。十、保温保压取心装置十、保温保压取心装置第71页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 73美 国 在 墨 西 哥 湾 获 取 的 天 然 气 水 合 物 岩 心 美 国 在 墨 西 哥 湾 获 取 的 天 然 气 水 合 物 岩 心十、保温保压取心装置十、保温保压取心装置第72页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 74十一、地表岩心后处理技术研究第73页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 75水力切割装置透明保真转移装置数据回放系统保真测试系统压力平衡装置保真存储装置接真空泵气液分离装置防爆片第74页/共77页窦斌博士、副教授 CUG76大型数控高低温柜（便携式低温室）取芯器后处理工作流程取芯器后处理工作流程 换取心器换接头 岩心切割转移 岩心测试 岩心保存 气液分离数据回放整个流程监测第75页/共77页窦斌博士、副教授 CUG 77 欢迎提出宝贵意见及批评指正！第76页/共77页