海域天然氣水合物取樣技術(shù)規(guī)程編制要點(diǎn)

劉協(xié)魯，阮海龍，陳云龍，趙義，蔡家品，梁濤，劉海龍，李春，吳海霞，沈立娜

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 前言

近年來，隨著國(guó)家對(duì)海域天然氣水合物勘探開發(fā)工作的重視，國(guó)內(nèi)已涌現(xiàn)出一批高質(zhì)量的保溫保壓取樣鉆具[1-5]，并開始應(yīng)用于海域天然氣水合物鉆探取樣作業(yè)中，能夠通過鉆探取樣，采集保持原位狀態(tài)的天然氣水合物樣品，但我國(guó)目前尚無標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)規(guī)范。此外，由于天然氣水合物形成條件較為特殊，其鉆探取樣作業(yè)均是在高壓、低溫條件下完成[6]，為了避免作業(yè)中可能出現(xiàn)的高壓泄漏、低溫凍傷等風(fēng)險(xiǎn)，保證鉆探取樣作業(yè)的安全和質(zhì)量，我所開展了技術(shù)規(guī)程編制工作。

1 規(guī)程編制工作

1.1 行業(yè)調(diào)研

依托地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，對(duì)海域天然氣水合物取樣作業(yè)的實(shí)施情況進(jìn)行了調(diào)研，與國(guó)內(nèi)相關(guān)涉海單位進(jìn)行了多次交流溝通，參考海域天然氣水合物地質(zhì)勘查有關(guān)的技術(shù)成果與資料[7-10]，并檢索了國(guó)外相關(guān)作業(yè)規(guī)程和資料[11-12]，以此為基礎(chǔ)完成了對(duì)規(guī)程內(nèi)容的限定。

1.2 編制的目的和意義

目前，我國(guó)已經(jīng)初步具備了自主實(shí)施海域天然氣水合物鉆探能力，在已經(jīng)實(shí)施的取樣作業(yè)航次中，大多沿用傳統(tǒng)海上地質(zhì)鉆探的方法和規(guī)程，缺少對(duì)于天然氣水合物取樣作業(yè)中遇到的高壓、低溫等危險(xiǎn)因素的識(shí)別與防范措施。因此，為了保證安全、高效地實(shí)施海域天然氣水合物鉆探取樣作業(yè)，有必要制定相關(guān)的技術(shù)規(guī)程。

2 規(guī)程的主要技術(shù)內(nèi)容

規(guī)程共分范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語(yǔ)和定義、基本規(guī)定、前期準(zhǔn)備、泥漿規(guī)范、鉆井作業(yè)、取心段和取心終止條件、巖心采集、鉆臺(tái)巖心處理及放置、數(shù)據(jù)記錄與報(bào)告編制等11個(gè)章節(jié)。其中“范圍”章節(jié)對(duì)規(guī)程規(guī)定的內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)?！耙?guī)范性引用文件”章節(jié)對(duì)規(guī)程引用的文件進(jìn)行了介紹?！靶g(shù)語(yǔ)和定義”章節(jié)對(duì)規(guī)程中涉及的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，如天然氣水合物、保溫保壓取心進(jìn)行和定義。

2.1 基本規(guī)定

本章節(jié)中對(duì)鉆探取樣目的進(jìn)行規(guī)定，鉆探取樣時(shí)對(duì)孔位及取樣層位、水深、取樣方法及取樣技術(shù)的要求進(jìn)行了規(guī)定，要求取心作業(yè)在預(yù)測(cè)層位以上2 m 開始，一直超過其下部2 m結(jié)束，鉆進(jìn)過程中每回次量測(cè)水深，并采用保溫保壓繩索取心系統(tǒng)。

2.2 前期準(zhǔn)備

本章節(jié)對(duì)前期準(zhǔn)備的目的進(jìn)行了介紹，其目的在于確保所有工作人員熟知操作目的及風(fēng)險(xiǎn)，確保所有鉆探取心操作符合健康、安全、環(huán)保的要求，確保所有取心和分析設(shè)備功能完備。

本章節(jié)對(duì)前期準(zhǔn)備的安全規(guī)定進(jìn)行了介紹，要求操作前必須制定前期計(jì)劃，包括項(xiàng)目工程管理、人員安排及時(shí)間表等。天然氣水合物的取心作業(yè)必須能夠與傳統(tǒng)鉆井任務(wù)對(duì)接，在巖心處理過程中需劃定安全警戒區(qū)域，制定與保溫保壓取樣鉆具相適應(yīng)的操作規(guī)程，取心及巖心處理必須由專業(yè)人員操作。

本章節(jié)根據(jù)不同作業(yè)階段的特點(diǎn)，對(duì)取心作業(yè)計(jì)劃階段、鉆井計(jì)劃和準(zhǔn)備階段以及操作階段的風(fēng)險(xiǎn)、影響和控制手段進(jìn)行了規(guī)定，并列出了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)控制表。

對(duì)前期準(zhǔn)備中的操作注意事項(xiàng)進(jìn)行了說明，包括團(tuán)隊(duì)角色和人員職責(zé)、溝通協(xié)調(diào)和設(shè)備安裝調(diào)試等方面。

對(duì)作業(yè)區(qū)域的選取進(jìn)行了說明，需要采用兩個(gè)集裝箱，分別是用于取心工具拆裝調(diào)試及巖心常溫分析的常溫集裝箱和用于巖心低溫存儲(chǔ)的冷凍集裝箱。不同作業(yè)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)分別對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行安全評(píng)估，確?；ゲ桓蓴_。

2.3 泥漿規(guī)范

本章節(jié)對(duì)規(guī)范泥漿的目的和安全原則進(jìn)行了介紹，并提出了技術(shù)要求。對(duì)泥漿進(jìn)行規(guī)范的目的是為了在保障鉆井安全的前提下，盡可能保證取心效果，同時(shí)降低對(duì)環(huán)境的影響。

在使用泥漿時(shí)，應(yīng)至少秉承以下原則：在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)泥漿組成材料的安全性數(shù)據(jù)表、應(yīng)急化學(xué)藥品進(jìn)行有效的公共檢查，所有人員必須使用適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)用品，以防靠近泥漿系統(tǒng)造成潛在危害；作業(yè)時(shí)必須穿防水裝備；一旦與泥漿發(fā)生接觸，應(yīng)立即清洗。

對(duì)泥漿的技術(shù)要求，首先應(yīng)最優(yōu)化泥漿化學(xué)性質(zhì)減少對(duì)巖心的污染；對(duì)天然氣水合物具備一定的抑制性能，盡可能減少天然氣水合物分解，同時(shí)抑制管道內(nèi)水合物的再生成；泥漿密度應(yīng)允許鉆具組合在井底或者接近井底沒有黏住鉆頭的風(fēng)險(xiǎn)；在低溫環(huán)境下，泥漿仍應(yīng)具備保護(hù)井壁、攜帶巖屑、清潔井眼的能力；應(yīng)選用無毒性、易降解且費(fèi)用相對(duì)低廉的泥漿處理劑。

2.4 鉆井作業(yè)

本章節(jié)對(duì)鉆井作業(yè)的目的、安全原則和技術(shù)要求進(jìn)行了介紹。鉆井作業(yè)的目的，是在保障井控安全的前提下，用最低的鉆井成本獲得高質(zhì)量巖心和巖心采取率。

鉆井作業(yè)的安全原則首先是井控要求比任何技術(shù)要求都重要。對(duì)于取心器和繩索取心系統(tǒng)，必須注意保證工具和規(guī)程完全符合安全操作，同時(shí)要合理穿透儲(chǔ)層段，避免儲(chǔ)層流體的影響以及鉆柱的壓差卡鉆。

鉆井作業(yè)的技術(shù)要求主要是針對(duì)鉆具組合、鉆壓、鉆頭以及鉆探工藝參數(shù)選擇，從而實(shí)現(xiàn)在鉆進(jìn)過程中減少對(duì)儲(chǔ)層的破壞，降低對(duì)儲(chǔ)層的擾動(dòng)，維護(hù)井壁穩(wěn)定，避免沖刷儲(chǔ)層，以利于最終獲取高質(zhì)量的巖心。

2.5 取心段和取心終止條件

本章節(jié)對(duì)取心段和取心終止條件的總則、安全原則、操作細(xì)節(jié)和取心終止點(diǎn)進(jìn)行了介紹。其總則是建立明確的取心段作業(yè)的啟動(dòng)點(diǎn)和終止點(diǎn)。

取心段和取心終止條件的安全原則是在取心段作業(yè)時(shí)，要保證孔隙壓力在合適的范圍內(nèi)。如果發(fā)生井控事故，應(yīng)將井孔安全放在首位，需首先考慮如何安全控制該鉆井，而不是考慮如何繼續(xù)獲得巖心并達(dá)到終止條件。

取心段的選擇是由現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)學(xué)家根據(jù)已有地質(zhì)資料確定，取心終止條件是由地質(zhì)學(xué)家、首席科學(xué)家共同研究決定的。當(dāng)預(yù)算有限時(shí)，如果取心作業(yè)超出計(jì)劃2～3 d，監(jiān)督團(tuán)隊(duì)要綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和技術(shù)因素，在有足夠的預(yù)算和適當(dāng)?shù)募夹g(shù)條件時(shí)繼續(xù)操作，否則應(yīng)建議終止取心作業(yè)。

取心終止點(diǎn)的選擇主要遵循三點(diǎn)原則：第一，已完成了制定的取心目標(biāo)；第二，取心作業(yè)期間出現(xiàn)問題，且在96 h內(nèi)無法采取有效的解決措施，由首席科學(xué)家決定取心作業(yè)是否終止；第三，當(dāng)取心作業(yè)破壞了鉆孔，導(dǎo)致后續(xù)其他作業(yè)(包括測(cè)井作業(yè)等)不能安全進(jìn)行時(shí)，由首席科學(xué)家決定取心作業(yè)是否終止。

2.6 巖心采集

本章節(jié)對(duì)巖心采集的總則、安全原則、技術(shù)要求、數(shù)據(jù)記錄和取心回次終點(diǎn)進(jìn)行了介紹。其總則是盡可能提高目標(biāo)儲(chǔ)層的巖心采取率及巖心質(zhì)量，并在最短時(shí)間內(nèi)回收巖心。同時(shí)，在取心過程中降低掉塊、掉心、孔壁刮擦等因抽吸泥漿造成的鉆井風(fēng)險(xiǎn)，避免破壞井孔結(jié)構(gòu)，以免影響后續(xù)作業(yè)。

巖心采集時(shí)的安全原則是取心過程中井控安全優(yōu)先于取心。在取心作業(yè)開始前，需進(jìn)行任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及安全規(guī)程的建立和修訂；每次換班時(shí)，要復(fù)習(xí)一遍任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；當(dāng)在較小環(huán)空打撈回收較大巖心管時(shí)，需要預(yù)防抽吸，取心團(tuán)隊(duì)需根據(jù)具體情況進(jìn)行評(píng)估并給出回收速度。

巖心采集的技術(shù)要求主要從八個(gè)方面進(jìn)行了論述，包括巖心筒長(zhǎng)度和取心計(jì)劃進(jìn)尺、巖心內(nèi)筒類型、取心鉆具組合、組裝取心工具、水合物狀態(tài)保持、抽吸、膨脹間隙流體和機(jī)械損傷。其總體要求是：①制定鉆具組合下鉆規(guī)程，避免在入井的過程中使鉆頭、巖心筒以及鉆具組合受到損傷；②目的層每回次進(jìn)尺與取心筒長(zhǎng)度相匹配；③應(yīng)盡量減少獲取巖心的時(shí)間，從而降低對(duì)天然氣水合物樣品的擾動(dòng)；④選擇合適的鉆井工藝(包括轉(zhuǎn)速、鉆壓以及泥漿排量等)，以保障巖心取心率；⑤取心過程中應(yīng)盡量保持鉆柱穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)扭矩及其變化，避免卡鉆或損壞取心工具等事故；⑥提鉆前需進(jìn)行安全會(huì)議，評(píng)估討論危險(xiǎn)并進(jìn)行安全作業(yè)演練；⑦起下鉆時(shí)，鉆桿需安裝護(hù)絲，以避免螺紋及密封區(qū)域受損；⑧確定巖心回收的最佳速度時(shí)，需要考慮水合物分解、作業(yè)效率、抽吸風(fēng)險(xiǎn)及流體介質(zhì)對(duì)保壓巖心的影響。

在巖心采集時(shí)，可以選擇性安裝溫度壓力記錄儀，采集記錄巖心從井底回收至甲板過程中的溫度與壓力變化。在條件允許的情況下，可備份微型溫度壓力記錄儀。

在取心回次終點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)可能出現(xiàn)的堵心、ROP過高、扭矩和泵壓異常、巖心破碎掉塊等實(shí)際情況進(jìn)行操作，但不允許進(jìn)行類似傳統(tǒng)的“提高轉(zhuǎn)速微燒鉆”取心操作，否則可能使內(nèi)管總成跟隨外管總成一起轉(zhuǎn)動(dòng)，最終導(dǎo)致巖心損壞。當(dāng)巖心管裝滿或回次終止時(shí)，使用繩索打撈系統(tǒng)將巖心回收到甲板。

2.7 鉆臺(tái)巖心處理及放置

本章節(jié)主要對(duì)鉆臺(tái)巖心處理及放置的總則、安全原則、技術(shù)要求和巖心放置進(jìn)行介紹。其總則是將巖心和取心內(nèi)管安全無損地從鉆臺(tái)轉(zhuǎn)移至操作區(qū)域，并經(jīng)濟(jì)高效地處置巖心。

鉆臺(tái)巖心處理及放置的安全原主要有四點(diǎn)：①取心團(tuán)隊(duì)在巖心躺放前需與鉆井團(tuán)隊(duì)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和討論，確保操作過程的安全并兼顧作業(yè)效率；②每次換班前需重復(fù)交接風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；③由于取心鉆具較沉重，搬運(yùn)過程中應(yīng)注意安全，保持平穩(wěn)，這是整個(gè)取心操作過程中最容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)；④在巖心切割操作時(shí)，需注意安全，避免巖心掉落。

鉆臺(tái)巖心處理及放置的技術(shù)要求主要包括甲板處理要求和內(nèi)管拆卸兩個(gè)方面。在甲板處理時(shí)，要求一旦巖心到達(dá)地表，需盡快移離鉆臺(tái)，避免影響后續(xù)鉆井操作。巖心管較長(zhǎng)時(shí)，需要使用吊裝設(shè)備協(xié)助躺放。在退巖心過程中，需要振動(dòng)或敲擊巖心管時(shí)，要避免破壞巖心。當(dāng)使用油基泥漿時(shí)，在回收和轉(zhuǎn)移內(nèi)管總成過程中需要注意對(duì)外部包裹塑料材質(zhì)進(jìn)行防護(hù)，防止污染巖心。在拆卸內(nèi)管時(shí)，需要輕緩，嚴(yán)格要求鉆井團(tuán)隊(duì)人員按照規(guī)程進(jìn)行巖心處理操作。取心團(tuán)隊(duì)、監(jiān)督團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)和鉆井團(tuán)隊(duì)充份溝通，使其了解巖心處理的重要性。取心鉆具總成需在操作臺(tái)處拆缷，巖心管的躺放、卡簧的拆除應(yīng)由取心工程師進(jìn)行操作。當(dāng)取心鉆具內(nèi)巖心未取滿時(shí)，內(nèi)部很可能充滿泥漿，在拆缷時(shí)使用泥漿桶接收泥漿，以免溢至鉆臺(tái)。

放置巖心時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)需要準(zhǔn)備巖心支架，以防在取心鉆具總成從鉆臺(tái)轉(zhuǎn)移至操作臺(tái)時(shí)損壞巖心。從取心鉆具總成內(nèi)取出襯管后，應(yīng)快速且安全地將其轉(zhuǎn)移至巖心后處理操作區(qū)域。巖心轉(zhuǎn)移裝置為巖心后處理團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)安全且不影響鉆井操作的環(huán)境。

2.8 數(shù)據(jù)記錄與報(bào)告編制

本章節(jié)主要從取心回次過程中、取心回次之后和取心完成后三個(gè)方面介紹。

在取心回次過程中，取心團(tuán)隊(duì)持續(xù)監(jiān)控取心過程中的參數(shù)和動(dòng)態(tài)，并與鉆井團(tuán)隊(duì)人員密切溝通，以防發(fā)生意外事故。當(dāng)鉆井扭矩、機(jī)械鉆速、立管壓力發(fā)生異常時(shí)，鉆井團(tuán)隊(duì)人員應(yīng)立刻與監(jiān)督團(tuán)隊(duì)、取心團(tuán)隊(duì)溝通判斷取心是否正常，并及時(shí)調(diào)整作業(yè)參數(shù)。根據(jù)常規(guī)井控和安全要求，應(yīng)持續(xù)監(jiān)控鉆井的實(shí)時(shí)參數(shù)，并與計(jì)劃表中的理論值進(jìn)行比較，如果實(shí)時(shí)參數(shù)與計(jì)劃表不符，需立即通知鉆井團(tuán)隊(duì)。

在取心回次之后，每取心回次后需要由鉆井團(tuán)隊(duì)將實(shí)時(shí)參數(shù)根據(jù)鉆進(jìn)情況制成圖表。實(shí)時(shí)參數(shù)應(yīng)包括：回次參數(shù)，即回次鉆深、鉆桿余尺、實(shí)時(shí)水深、孔深；鉆進(jìn)參數(shù)，包括大鉤高度、大鉤載荷、鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、泥漿泵泵沖、泥漿壓力、泥漿流量、機(jī)械鉆速，鉆進(jìn)參數(shù)應(yīng)以固定刻度(宜選用 16 cm/h)制成圖表。每取心回次后需要由鉆井團(tuán)隊(duì)將實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)(井深/回次速率)以Excel格式提供給取心團(tuán)隊(duì)，并將紙質(zhì)版圖表提供給監(jiān)督團(tuán)隊(duì)、地質(zhì)學(xué)家和首席科學(xué)家用來討論修正取心回次計(jì)劃。取心完成后需向首席科學(xué)家提交回次取心記錄表(Excel或Word文件)，記錄表中應(yīng)包含以取心回次為單位的取心參數(shù)的詳細(xì)記錄，主要有：取心鉆具類型、蓄能器初始?jí)毫?、鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、泥漿流量、樣品管壓力、處理方式、樣品描述和取心鉆具工作情況。

取心完成后，取心團(tuán)隊(duì)需向首席科學(xué)家提交取心作業(yè)技術(shù)報(bào)告，報(bào)告應(yīng)包括作業(yè)目的、作業(yè)條件、作業(yè)情況、安全與環(huán)境保護(hù)、作業(yè)質(zhì)量評(píng)述等方面的內(nèi)容。

3 結(jié)語(yǔ)

“海域天然氣水合物取樣技術(shù)規(guī)程”充分考慮了天然氣水合物勘探取樣作業(yè)中的各種因素，為該礦產(chǎn)的勘探開發(fā)提供了可靠、安全的取樣方法，填補(bǔ)了我國(guó)在天然氣水合物勘探取樣方面的技術(shù)空白。該規(guī)程的制定與后續(xù)貫徹實(shí)施，將有利于進(jìn)一步提升該類礦產(chǎn)的勘探取樣技術(shù)水平，有效保障勘探作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。