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保温保压取样技术——探寻深海可燃冰的法宝

2018-11-30 9:12:45 来源:中国矿业报 作者:刘协鲁 赵义

天然气水合物是水和天然气在高压、低温等条件下形成的一种“笼型化合物”,因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧,所以又被称作“可燃冰”。

天然气水合物的发现由来已久。早在1810年,人们就已经在实验室内合成了天然气水合物,而海洋中天然气水合物的发现则要追溯到1970年。当年,国际深海钻探计划(DSDP)在美国东部实施深海钻探时,在海底沉积物取芯过程中发现沉积物岩芯冒着气泡,但当时的地质学家并不知道气泡是由水合物分解引起的。美国借助大洋钻探计划(ODP)和深海钻探计划(DSDP)最早指出天然气水合物是未来的新型能源,并在1998年把天然气水合物列入国家级长远计划中。

在天然气水合物勘探过程中,海底钻探是一种行之有效的手段。但在上世纪80年代前,各国科学家主要利用常规取样技术进行海底钻探,这种取样方式在回收岩芯过程中无法保持天然气水合物赋存的原始压力,会导致取到的天然气水合物样品因为压力温度的变化而发生分解。最终科学家们开发出了一种可以获取保持在原始压力温度条件下的沉积物岩芯的技术,这就是天然气水合物保温保压取样技术。

海域天然气水合物保温保压取样技术,是利用特殊的密封阀及隔热保温处理技术,在打捞样品过程中对岩芯管内压力和温度进行维持,减缓或阻止天然气水合物的挥发,从而获得保持原位温度和压力的岩芯样品。简单来讲,就是当钻进到海底天然气水合物储层后,要将天然气水合物样品储存在一个既能够隔热保温又能够实现密封保持海底压力的管子中,然后利用钻探设备将样品打捞到钻探船或钻井平台上。

天然气水合物保温保压取样技术的研发已有30多年的历史。在上世纪80年代前期,科学家们在DSDP的一个展位进行了保压取芯筒的现场试验;在1995年的ODP164航次中,首次进行了保压取芯器PCS取样的尝试并取得了部分成功。在此之后,美国、日本、欧盟通过实施诸多以天然气水合物研究为核心内容的钻探航次,陆续研制出多种适用于海域天然气水合物取样的保温保压取芯器,并通过工程应用不断完善。

我国天然气水合物的研究起步较晚,自1999年开始,由中国地质调查局组织在我国南海进行了天然气水合物资源勘查,并在2007年通过租用国外钻探船和取样设备在南海钻获了水合物实物样品。随着对天然气水合物勘探的重视,国内也相继开展了对保温保压取样技术的研究。2000年,我国“天然气水合物保压取芯钻具研究”项目启动,2001年国家又将“天然气水合物保真取样钻具的研制”列为“863”计划。2006年国家“863”把“天然气水合物勘探与开发”列为“十一五”重大专项。目前,国内保温保压取芯器类型主要包括中石化集团胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院设计的取样工具、吉林大学建设工程学院研发的孔底冷冻取样器、中海油研发的深水海底水合物取样器以及中国地质调查局北京探矿工程研究所研制的TKP-1型保温保压取样器等。

长久以来,与天然气水合物研究有关的国家级和国际级计划,是海域天然气水合物保温保压技术持续研究的驱动力。在过去几十年中,由于各国对天然气水合物这一未来能源的投入逐渐增大,通过有计划地开展海域钻探项目,保温保压取样工具已日趋成熟。虽然我国天然气水合物研究起步较晚,但近些年来在国家的大力支持下,国内对保温保压取样钻具的研究不断深入,已经研制出不同类型的取芯器,在实际取样工程作业中取得了重大进步。□

(作者单位:自然资源部中国地质调查局北京探矿工程研究所)

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