天然气水合物取样高度探讨.pdf

2 0 1 0 年 第 3 9卷 第 1 O期 第 l 2页 石 油 矿 场 机 械 F I E LD E QUI P ME NT 2 0 1 0， 3 9 1 0 1 2 ～ 1 5 文 章 编 号 1 00 1 3 4 8 2 2 01 O 1 0 0 01 2 - 0 4 天然气水合物取样高度探讨 许俊 良 ， 刘 键。 ， 任 红 1 ． 胜利石油管理局 钻井工艺研究院 ， 山东 东营 2 5 7 0 1 7 ； 2 ． 中国石油大学 华东 ， 山东 东 营 2 5 7 0 6 1 摘要 保 真取样 工具 由于 受到外 围尺寸 的限制 ， 很 难取得 大直径 岩样 ， 小直 径岩 样 给一 次取 样 长度 和取样 收获 率造 成 了困难 。利 用桩 效应原理 ， 通过球 形 孔扩 张理 论推 导 出在 天 然 气水合 物 里取 样 高度的公式， 分析 了影响取样高度 的因素， 给 出了岩样直径与取样长度的关系， 其 目的是为设计钻 探取 样 工具提 供数 据参考 。 关键 词 水合 物取样 ； 桩效 应 ； 沉积 物 ； 岩样 高度 中图分 类号 TE 2 4 4 文献标识 码 A Di s c u s s i o n o f Ga s Hy d r a t e Co r e S a mp l e He i g h t XU J u n l i a n g ， L I U J i a n ， REN Ho n g 1 ． Dr i l l i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e ， S h e n gl i Pe t r o l e u m Admi n i s t r a t i o n， Do n g y i n g 2 5 7 0 1 7 ， Ch i n a； 2 ． C h i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ， Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1， C h i n a Ab s t r a c t Th e s i z e o f f i d e l i t y s a mp l i n g t o o l i s r e s t r i c t e d wi t h t he e xt e r n a l s i z e， S O ob t a i n i n g l a r ge d i a me t e r c o r e s a mpl e i s di f f i c u l t ． And i t i s di f f i c u l t t o r e c e i v e l o ng s a m p l e a n d g o od s a m p l i n g ha r v e s t i ng r at e， b e c a us e t he d i a me t e r o f c o r e s a m p l e i s s ma l 1 ． The n wh a t r e l a t i o ns hi p b e t we e n d i a me t e r o f s a mp l e a n d l e n g t h o f r o c k s a mp l e An a l y z i n g r e s e a r c h i s ma d e b y r e s e a r c h e r s u s i n g p i l e e f f e c t t h e o r y ， a n d t h e f o r mu l a t o g e t t h e h e i g h t o f s a mp l e o b t a i n i n g i n g a s h y d r a t e i s d e d u c e d wi t h t he s ph e r i c a l c a vi t y e x pa n s i on t h e o r y， t he f a c t o r a f f e c t i n g t h e h e i g ht o f s a m p l e a l s o i s a n a l y z e d ． So me pr e l i m i na r y r e s u l t s a r e g ot ， whi c h a i m s t o p r o v i d e d a t a a s r e f e r e n c e t o de s i g n t h e d r i l l i ng s a mpl i n g t o o l f o r t he ne x t s t e p ． Ke y wo r ds g a s hy d r a t e s a mpl i ng； pi l e e f f e c t ； s e di m e nt ； h e i ght o f r o c k s a mpl e 天然气水合物是最清洁的能源和未来的能源替 代品， 世界上许多国家都在积极探讨天然气水合物 的勘探 、 开采 、 储存及 运输 的方法 。研究 和获得这 些 方法 ， 首先要 了解天 然气水 合物 的性质 和作 用 ， 即把 水合物拿到地面上来进行分析， 但从 目前对天然气 水合物物化特性掌握的技术手段来看 ， 钻探取样是 最终获得天然气水合物实物样品和开发利用水合物 的唯一手段 。因此， 研究开发天然气水合物保真取 样钻具 及钻探 施工技 术对加 快天然 气水合 物 的勘 探 开发利 用具 有非常重 要 的意义l_ 1 ] 。 天然气水合物俗称“ 可燃 冰” G a s Hy d r a t e s ， 简称 GH， 分子式可以表示为 C H n H 。 ， 主要由甲烷 分子和水分子在高压低温 不低于水的结冰点 条件 下形成的一种冰状“ 笼形化合物” 。天然气水合物中 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 1 9 基金项目 国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 “ 天然气水合物钻探取心关键技术 ” 的部分内容 2 0 0 6 A AO 9 A 2 0 7 作者简介 许俊 良 1 9 5 6 一 ， 男 ， 山东鱼 台人 ， 高级 工程师 ， 1 9 8 4年毕业 于胜 利油 田职工 大学钻井专业 ， 2 0 0 4年毕业于 中国 石油大学石油工程专业 ， 现从事“ 天然气水 合物钻探取 心关 键技 术” 课 题研究 与石油 钻井新产 品开发 工作 ， E _ ma i l z j y x j l s l o f ． c o rn。 第 3 9 卷第 1 O期 许 俊 良， 等 天然气水合物取样高度探讨 的气体有多种 ， 如 N 、 O 、 H S 、 CH 等， 但 以甲烷为 主， 所以天然气水合物也称为 甲烷水合物 ， 其特点 是 ①甲烷气体高度紧密地结合于水分子构成 的笼 状格架内， 1 m。的水合物可提供 约 1 6 4 i T I 。的甲烷 气体 ； ②天然气水合物在适当压力和温度下可 以保 持稳定 固态 ， 而在 常温 和常压下 可 以快 速融 化 ， 释 放 气体 。 天 然气水 合物稳 定存在 于一 定 的低 温高压 条件 下 ， 全世界 有 2 类 地 区具有这 种条 件 。 a 极 地极 地 的海洋 和陆地冻 土层 的温 度很 低 ， 具有形 成水合 物 的条件 。 b 外 陆 架 和 岛 屿 边 缘 海 洋 沉 积 层 该 处 水 深超 过 3 0 0 5 0 0 m， 压 力 高 ， 具 有水 合 物 存 在 的稳 定条 件 。 由于 天然 气水 合 物 特殊 的 物理 学 性质 ， 当岩 心 提升 到常温 常压 的海 面 时 ， 其 中含 有 的天 然 气 水合 物组分会全部或大部分分解 ， 达不到原位勘探 目的， 因此需要 研制保 真 取样 工具l_ 2 ] 。保 真取样 工 具 由于 受 到外 围尺寸 的限制 ， 很 难取 得 大直 径岩 样 ， 岩样直 径小给一次取样 长度 和取样收获率 取 得 的样 品长度 与取样进 尺之 比 造成 了 困难 ， 为此 对岩 样直 径 与取 样长度 的关系进行分析 研究 。 1 “ 桩效应” 1 ． 1 “ 桩效应 ” 现 象 保真 取样需 获得保 真取 样率 和一次 获取岩 样 的 长度， 保真取样率和取样长度与取样工具 的结构形 式 、 动力学 特性及 沉 积 物 的物 理 性 质有 关 。当取 样 工具 进入沉 积物 时 ， 取样 管 内 、 外壁 与沉积 物之 间就 产生 了摩擦力 ， 作用 于钻 头切 削刃前 的沉积 物上 ， 导 致沉积 物 的变 形 。对 于未 采集 到的沉 积物层 的影 响 则 取决 于沉积 物 的剪 切 力 和 塑性 。在 采集 软 、 硬 岩 样 交替 出现 的情 况 下 ， 钻头 前 沉 积 物 的变 形 可能 会 导致 软 的 、 更具 塑性 的岩 样 向四周 扩散或 流失 ， 进 入 取样管的岩样层就较薄。尽管在取样过程 中所有的 沉积 物层都变 薄 了 ， 但 软 的 岩样 层 相 对 于硬 的 岩 样 层变得更薄。当取样工具继续前进 ， 钻头前变形 就 加剧 ， 采集到 的岩样 也就更 薄 ， 最 终达 到一个 比较 大 的高度 ， 使得内壁与岩样之间的摩擦力 阻止岩样进 一 步进入 ， 这时 沉积 物 在 钻头 下 面 就形 成 了一个 球 形或圆锥形 ， 取样管继续前进时就象一根实心棒一 样 ， 把 所有 的沉积 物推 向 四周 ， 即形成 “ 桩效 应” 。 1 ． 2“ 桩 效应” 机理 “ 桩效应” 的产生使得岩样管中沉积物岩样被压 实 ， 不 仅破 坏 了岩 样 ， 对 岩 样 产生 较 大扰 动 ， 而 且会 使更深层次的沉积物无法进入， 取样率下降， 甚至使 岩样失真。为了分析静压取样时产生“ 桩效应” 的可 能性 ， 从沉积物 的物 理力 学特性 、 取样 管 的几 何参 数 和贯人方法 出发 ， 对松软沉积 物层 粉砂层 填充取样 管的过程进行力学分析 ， 为取样器 的最优化 结构设计 提供依 据 。岩样沿管 内壁移 动时受力如图 1 。 图 1 岩样沿管壁移动时的受力 图 1中 ， Q 为 岩样 在 海 水 中 的 自重 ； P 为 岩样 受管 内壁 的挤 压力 ； F为 岩样 受 管 内壁 的摩 擦力 ； P 为钻 头空 间岩 样 的压应力 。 岩样 进入 管 内时的水 阻力很 小 ， 可 以忽略 。 2 球形孔扩张理论 球形孔扩张理论是以库仑一 摩尔条件为依据 ， 在 具有 内摩擦 角和 内聚力 的无 限土体 内给 出了球 形孔 扩张基 本解 。 2 ． 1 理 论模 型 如 图 2 ， 初始 半径 为 Ri 的球形 孔 内作 用 着均 匀 分 布 的 内压 力 P i ， 当 内压 力增 加 时 ， 围绕 着 球 形孔 的球形区由弹性状态进入塑性状态 ， 塑性区以外仍 保持弹性状态。随着内压力 ． 的继续增加， 塑性区 不断扩 大 ， 内压力 P i 增大 至 P 时 ， 球 形孔 半径 扩大 到 R ， 塑性 区半径 扩大 到 R 。在半 径 R 以 内为塑 性区， 以外 的土体仍处于弹性状 态。球形孔扩张的 基本问题是求解最终压力 P 和球形孔的半径 R 。 本 文主要讨 论塑性 区的最终 压力 P 。 石油 矿 场 机械 2 0 1 0年 1 O月 取样 图 2球形 孔 扩 张模 型 2 。 2基本假 设 a 塑性区以内的土体是可压缩的塑性固体 。 b 土体 的屈 服服从摩 尔一 库仑准 则 。 c 塑性区以外 的土体仍是线性变形、 各 向同 性的固体， 具有变形模量 E和泊松 比 。 d 加载之前 ， 土体具有各向相等的有效应力。 e 忽略塑性区内的体积力 。 2 ． 3 取 样高 度计算公 式 根 据球形孑 L 扩张 理论可 得到管 底部最 终压力 为 p d 一 q c c o t Fp wc c o t 一 Fp 一 1 c c o t p- } - q Fp c F qFp 式 中 ， Fp -- ； n ‘ ＼ r r ， ， J sm o F 一 F p 一1 c ‘c o 。 瓜上一r 1 △ 式中， 工 为修正刚度指标 ， 如果 不考虑塑性区内的 体积压缩 △， 取 △一0 ， 则 一 ， 丽 一 番 ㈩ 式中， c 为沉积土体 的粘聚力 ， k P a ； 为土体 的内摩 擦角 ， 。 ； E 为 土 体 的 弹性 模 量 ， G P a ； q为 初 始 压 力 ， P a ； 为土体泊松 比。 对 于海 洋沉 积 物 的 饱 和 软 土 ， 0 ， 且 r R 时， 推导可以得到管底部最终压力 P 的简化形式为 P ud C 1n 1 一 c l ln 上2 1 tD c 1 J 2 岩样在取样管 内不 同位置受到的管子压力 户 不 同 ， 在最上 部受 到 的压 力为零 ， 所 以 Pu ---- 卜 式中， h为岩样总高度 ， IT I ； h I 为岩样高度， I n 。 由于管子 相对速 度不 大 ， 土层 粒度较 小 ， 不 可能 影 响 到岩土 的 强 度 ， 不 考 虑 动力 过 程 ， 在 微 段 范 围 内有 d Ffp d A 式 中 ， - 厂 为沉 积物 层 与 管壁 的摩 擦 因 数 ； d A 为微 元 面积 。 土体受到的总摩擦力为 F 一 』 2 R 1 一 h P a d x 积分范围为 O ～ ， 代入积分式得到摩擦力为 Fn h f Rp d 代人式 2 ， 则 总摩擦 力为 ‘ 一 、 F c f 兀 R h 1n 1 ] 3 当所 取得 的岩 心长 度 为 h时 ， 岩样 在 海水 中的 自重 为 Q n R h y y w g 4 式 中 ， ，为 岩 样 密 度 ， k g ／ m ； y w 为 海 水 密 度 ， k g ／ m。 ； R为取 样管半 径 ， mm。 岩 心进入 取样管 受到 的总反力 S为 SFQ 5 将式 3 ～ 4 代人式 5 ， 则管靴空间岩样的压 应 力 为 一 熹一 [ n 1 ] h g c r -- r w 6 “ 桩 效应” 出现 的条件是 管靴空 间岩样 的压应力 大于或等于体积压缩状态下岩样的抗剪强度极 限 ，即 声 ≥ 对于深海沉积物的饱和土样 ， 内摩擦角 0 ， 粘聚力 c就等于土的抗剪强度 ， 称为不排水抗剪强 度 。取 一c ， 将式 1 代入， 得岩样在取样管中填充 高度的临界值为 可 ， 1 7 式 中 ， h为岩样在 取样管 中填充 高度 的临界值 ， m。 当取样高度超过该临界值时 ， 岩样会 出现“ 桩 效 应 ” 。 第 3 9卷第 1 O 期 许俊 良， 等 天然气水合物取样高度探讨 3取样 高度 3 ． 1 计 算分析 式 7 中 R 。 ／ R 由沉 积 物 所 处 的地 质 条 件 决 定 。国际大洋 钻探 1 6 4 、 2 0 4等 航 次 的研 究 结 果 表 明， 天然气水合物主要富集在沉积组分较粗 、 相当于 粉砂或砂级质量分数较高的粒度层 ， 粉砂为天然气 水合物稳定带内主体沉积组分 。根据上海市软土层 室 内试验结 果 ， 即对 于 淤 泥质 粉 土 ， R ≈ 4 R 。对 于 处于深海的天然气水合物富集 区， 其孔隙率和砂砾 级别 都 比较 大 ， 即 R。 要远 小于 4 R 。 假设 R。 ≈ 1 ～ 1 ． 5 R ， 取 R 。 一R ， 根 据南 海 中 沙 天然 气水 合 物远 景 藏 区沉 积物 物 理力 学参 数 L 3 ] ， 沉积 土体粘 聚力 c 约 为 i o k P a ， 二 将 变 得很 L 小 ， 忽 略此项 ， 则式 7 可写 为 h R／ f 。 为了满足取样器刚度和强度需求， 材质通常为 钢 ， 深海天然气水合物的物性与冰相近 ， 钢与冰的动 摩擦因数 厂 一0 ． 0 2 ， 因此可 以近似得到取样器可取 天 然气 水 合 物 高 度 h与 取 样 管 半 径 R 的 关 系 ， 如 图 3 。 量 量 惶 壮 取样管半径R l mm 图 3 天然气水合物取样高度与取样管半径的关 系 取样 器 的可 取 岩样 总 高度 与取 样 管半 径 、 岩 样 与 管壁之 间 的摩擦 因数 以及 岩 样 的物性 有 关 ， 其 中 岩样 物性 由海底地 质条件 决定 。要取得 较 高的取样 率， 只能改变取样管半径 R 以及减少岩样岩心与取 样管壁之间的摩擦。由于取样管受钻井时套管和保 真器密封装置的限制 ， 不能做太大的调整 ， 只能尽量 减少摩擦因数 ，。岩心与管壁的摩擦 因数小 ， 在各 个 方 向压 缩条件 下 沉积 物 层 强度 极 限较 大 时 ， 桩 效 应会 出现 得较 晚。 3 ． 2经验 值 相关 国外 文献 给 出了取样管 在静 载荷下 贯入沉 积物层 的研究 结果 ， 认 为 岩样 在 管 中的充 填 高度 主 要 取决 于取样 管 的 内径 、 岩心 与 管 壁之 间 的摩 擦 力 以及沉积 物层 的强度 。可 用下式确 定充 填高度 的经 验值 ， 即 q， h 一 8 】 式中， 为岩样在取样管中临界充填高度的经验值 ， mm； d为管子 内径 ， l T l m。 式 8 是在大 量试验 基础 上得 到的经验 公式 ， 试 验是 用不 同直 径 的管 子 在 静载 荷 下 压入 含 0 ． 0 8 ～ 4 ． o o mm 粒 径 的水 饱 和 砂 层 和 砾砂 层 。以砂 土 与 钢材料的摩擦环境为例 ， 其摩擦因数 - 厂 在 0 ． 3 ～0 ． 8 范 围内变化 ， 由式 8 可 见 ， 在静 压 条 件下 不 可 能得 到很 长 的沉 积 物 岩样 ， 例 如 ， 当 厂一0 ． 3时 ， 临界 充 填高度 h l O d 。 可 见 经验 取 心高 度 与理 论计 算 值有 较 大差 异 。 究 其原 因可能 与模 型选取 和理论 的运用 有关 。 4 结 论 1 岩样 的粗细 和软硬 与一次 取样 的长度有 直 接关 系 ， 岩样 越 软影 响越 大 ， 不 仅是 由岩样 与岩心 筒 内壁 的摩擦 力所 致 ， 而且 与 岩样 自身 的 支承 能 力 有 很大关 系 ， 硬 岩样 的影 响相对较 小 。 2 采用旋转式取样方法产生的桩效应较小 ， 因为旋转式取样设备里 的取样管 内径 比岩样直径 大 ， 形成 岩样 的切 削工具不 是岩样 管本 身 ， 而是 用来 取 样 的钻头 。 3 给 出了基 于球形孔 扩张 理论 的海底天 然气 水合物的可取样高度 。为 了提高取样率， 取样设备 在技 术条 件 允 许 的 范 围 内应尽 可 能 采 用 大 直 径 钢 管 ， 才 能有 效扩 大取样 管管径 ， 减缓 出现桩 效应 。 4 建 议把 取样管 的上部 密封装 置设 计成活 塞 式 ， 通 过活塞 的抽 吸作用 ， 补偿 岩样 与岩 样 管之问 的 摩擦， 间接减小摩擦因数 ， 有利于提高取样率。 参 考文献 [ 1 ] 张永勤 ， 孙 建华 ， 赵海涛 ， 等． 天然气水合物保真取样钻 具 的试验研究[ J ] ． 探矿工程 岩土钻掘 工程 ， 2 0 0 7 9 62 65 ． [ 2 ] 程 毅． 天 然气 水合 物保 真取 样技 术 的研 究[ D ] ． 杭 州 浙江大学 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 王智锋 ， 许俊 良， 薄万顺． 深海 天然气水合 物钻探取 心 技术[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 9 1 2 1 5 ．