摘要：天然氣水合物是一種潛在的巨大能源，發(fā)展天然氣水合物勘探技術(shù)，準(zhǔn)確確定天然氣水合物的分布與蘊(yùn)藏量，對(duì)我國(guó)天然氣水合物產(chǎn)業(yè)的建立具有至關(guān)重要的作用。在調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，介紹了目前國(guó)內(nèi)外天然氣水合物取樣裝置的研究現(xiàn)狀，包括深海潛水觀測(cè)取樣裝置、深海淺孔取樣裝置和深海深孔取樣裝置。并建議開展海洋鉆井船的研制工作，可優(yōu)先考慮將石油勘探鉆井船改裝成天然氣水合物勘探鉆井船；同時(shí)還要保證其取樣位置的穩(wěn)定性，可采取動(dòng)平衡原理，通過渦輪旋轉(zhuǎn)來抵消海流的作用。與深海深取樣技術(shù)配套的海洋鉆井船，可實(shí)現(xiàn)對(duì)深海的天然氣水合物的鉆探取樣工作。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物；取樣；裝置；鉆井船；研究

    天然氣水合物的勘探方法主要有3種^[1～3]：①地震勘探法，如地震地球物理探查、電磁探測(cè)、流體地球化學(xué)探查、海底微地貌勘測(cè)等；②測(cè)井識(shí)別法，分為隨鉆測(cè)井法和電纜測(cè)井法；③勘探取樣法，即地質(zhì)取樣法，采用取樣裝置從海底取出沉積物樣品，該方法是證實(shí)天然氣水合物存在的直接手段。目前，在世界海域內(nèi)已有60處直接或間接發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物，其中在18處鉆探巖心中見到了天然氣水合物，42處有天然氣水合物的地震標(biāo)志BSRE^[2～3]。國(guó)內(nèi)對(duì)天然氣水合物的勘探剛剛起步，開展天然氣水合物勘探取樣裝置的研究工作意義重大。

    深海潛水觀測(cè)取樣裝置，主要是應(yīng)用深潛器HOV(Human Occupied Vehicles)對(duì)暴露在海底的天然氣水合物進(jìn)行觀測(cè)和取樣^[4]。深潛器主要用于深海的觀測(cè)，同時(shí)可取得海底表面巖心或海水的少量樣品。目前世界上可用的載人深潛器共有5臺(tái)^[5]，分別是日本的“深海6500”號(hào)、美國(guó)的“阿爾文”號(hào)、法國(guó)的“鸚鵡螺”號(hào)、俄羅斯的“和平”號(hào)及“密斯特”號(hào)，它們的最大深潛深度均為6500m^[6～8]。我國(guó)“十五”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)重大專項(xiàng)研制的“和諧號(hào)”潛水器，最大下潛深度為7000m，由載人艙、調(diào)壓水艙、浮力材料、2個(gè)配重塊、攝像機(jī)、采樣籃和機(jī)械手等組成。當(dāng)需要下潛時(shí)，調(diào)壓水艙注水，開始下潛；當(dāng)需要在水中懸停時(shí)，拋出1個(gè)配重塊，實(shí)現(xiàn)懸停；可調(diào)壓載水艙主要用于潛水器的下潛；浮力材料增加潛水器的浮力；推力器提供潛水器換向以及前進(jìn)的動(dòng)力；攝像機(jī)用于海底成像；采樣籃和機(jī)械手用于海底采樣。該潛水器在深海7000m的高壓、低溫環(huán)境下，可連續(xù)工作7h。

    深海淺孔取樣裝置包括：電視抓斗、重力活塞式取樣器、液壓油缸驅(qū)動(dòng)取樣鉆具和HYACE系統(tǒng)等，主要用于取樣深度較淺(一般不超過10m)的取樣作業(yè)。

    電視抓斗主要用于大洋礦產(chǎn)資源勘查，特別是大洋富鈷結(jié)殼勘查、海底熱液硫化物的前期調(diào)查以及海底天然氣水合物的勘探^[9]。電視抓斗通過爪斗機(jī)構(gòu)控制斗體的閉合來抓取樣品，不具備保溫保壓功能。最初的電視抓斗是于20世紀(jì)70年代末由德國(guó)Preussag公司研制的。1996年德國(guó)E Suess教授等人，用巨大抓斗在約800m水深下的海底淺表沉積物處(約50cm深)取到了大量的層塊狀天然氣水合物，以及一些小結(jié)核和小塊狀天然氣水合物。目前，我國(guó)“十五”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃大洋礦產(chǎn)資源勘查(取樣)項(xiàng)目研制出的貝殼式電視抓斗，最大工作水深可達(dá)到6000m，抓樣面積大于等于1m²，在南海進(jìn)行海洋試驗(yàn)期間，單次抓取的板狀結(jié)殼樣品重達(dá)800kg。

    重力活塞式取樣器主要用于海底淺表層取樣，施工時(shí)需配備調(diào)查船和滿足要求的絞車及起吊設(shè)備，取樣器切割頭依靠自重在離水底一定距離處自由落體插入沉積物中取樣。在此過程中，活塞在取樣筒內(nèi)相對(duì)于取樣筒向上移動(dòng)，活塞與保真取樣筒之間有較好的密封，在活塞的下方可以形成局部真空，樣品順利地進(jìn)入取樣筒內(nèi)。取樣器回收時(shí)，活塞帶動(dòng)保真取樣筒自下而上穿過球閥或平板閥，實(shí)現(xiàn)保壓功能?；钊饺庸?，可以推遲出現(xiàn)“樁效應(yīng)”，提高取樣率及降低對(duì)樣品的擾動(dòng)，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛，技術(shù)比較成熟。

    1) 國(guó)外早在20世紀(jì)50～60年代就盛行重力活塞取樣器的理論研究和相應(yīng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)^[10]，法國(guó)調(diào)查船Marion Dufresne號(hào)上使用的Kullenberg型重型取心器重量達(dá)12000kg，樣管長(zhǎng)可達(dá)60m，在北大西洋取到過最長(zhǎng)達(dá)53m的柱狀巖心。這些取樣器不具備保溫保壓功能，目前國(guó)外的重力活塞取樣器主要向保溫保壓功能發(fā)展。

    2) 1986年中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研制出我國(guó)第1臺(tái)重力活塞取樣器(CH型)^[11]，可以采取3m左右的巖心，在硬地層中取樣管不超過3m，在軟泥黏土中可接10m以上的管子。2004年欒剛發(fā)明了鏢式保溫保壓深水海床取樣器^[12]，此取樣器采用高壓球形閥和保壓閥封閉取樣管保壓，防腐隔熱罩設(shè)有保溫隔熱層實(shí)現(xiàn)樣品的保溫。

3) 我國(guó)“十五”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃大洋礦產(chǎn)資源勘查(取樣)項(xiàng)目研制出的重力活塞式天然氣水合物保真取樣器^[13～14](圖1)，由重力活塞式取樣機(jī)構(gòu)、保真取樣筒、附件與接口3部分組成。特點(diǎn)：回收主纜，可將樣品轉(zhuǎn)移到保真取樣筒內(nèi)；翻板閥密封上下封口，實(shí)現(xiàn)保壓功能；采用蓄能器進(jìn)行壓力補(bǔ)償，保真筒體、密封艙本體內(nèi)外表面涂保溫材料層實(shí)現(xiàn)沉積物保溫。此取樣器適用于在3000m深海的表層保真取樣，可以采集長(zhǎng)達(dá)10m的沉積物，樣機(jī)試驗(yàn)表明，此取樣器操作安全可靠，保真效果好。

    1) 我國(guó)“十五”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資源與環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域海洋資源開發(fā)技術(shù)主題課題研制的“天然氣水合物深水淺孔保溫保壓取心鉆具”，可用在3000m或以下的深海進(jìn)行天然氣水合物的鉆取^[15]。保溫保壓筒是1個(gè)1m左右的細(xì)長(zhǎng)狀雙層真空耐壓圓筒，是鉆具的主體。利用交變液壓油缸往復(fù)裝置驅(qū)動(dòng)取樣管，獲取海底沉積物巖心；取樣管外部均涂了隔熱漆，使巖心從海底取出的溫升不超過5℃；取樣管完成取樣時(shí)，被收回到保溫保壓筒內(nèi)，取樣管上端設(shè)計(jì)的活塞和保溫保壓筒下部的平板閘閥將保溫保壓筒內(nèi)完全密封起來，達(dá)到了保壓的目的；壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)采用儲(chǔ)氣瓶，當(dāng)取樣管內(nèi)壓力低于設(shè)定值時(shí)，壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)會(huì)自動(dòng)打開氣瓶向內(nèi)補(bǔ)充壓力，以達(dá)到保壓的目的。

    2) 長(zhǎng)沙礦山研究院在中國(guó)大洋協(xié)會(huì)、科技部國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃的支持下，于2000年開始了我國(guó)第1臺(tái)深海淺地層巖心取樣鉆機(jī)的研制^[16～17]，目前在海上使用的已經(jīng)是第4代產(chǎn)品，2005年該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了100次的深海成功取樣。深海淺地層巖心取樣鉆機(jī)采用全液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，保壓裝置采用彈簧加活塞結(jié)構(gòu)。取樣管外部包裹保溫材料、內(nèi)部設(shè)有恒溫調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)巖心的保溫。深海淺地層巖心取樣鉆機(jī)可深入4000m海水鉆探取樣，鉆孔深度為700mm，取心直徑為60mm，并根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)一次下水在不同點(diǎn)鉆取1～3個(gè)巖心。此取樣鉆機(jī)目前還未應(yīng)用到天然氣水合物的勘探中。

    1997年開始的歐盟海洋科學(xué)和技術(shù)計(jì)劃(MAST)研制了新型的天然氣水合物保壓取心器

HYACE系統(tǒng)^[18～19]。HYACE是一種保持原位壓力的沉積物取樣器，分為兩種：沖擊式取樣器FPC和旋轉(zhuǎn)式取樣器HRC。FPC利用震動(dòng)沖擊裝置驅(qū)動(dòng)鉆頭前部的取心筒，可吃入沉積物中1m左右。當(dāng)取樣完成后，鋼纜提升取心筒至壓力腔，通過一個(gè)特殊的翻板閥密封保持壓力。HRC與FPC的不同之處在于利用反轉(zhuǎn)馬達(dá)作驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。HYACE系統(tǒng)的性能與ODP-PCS相比有較大的提高，樣品直徑加大，并且在取樣結(jié)束后，采取的樣品可以無壓降地轉(zhuǎn)移到其他壓力腔中，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的保真分析。

    天然氣水合物存在于海底以下500～1200m，對(duì)于海底以下幾百米到數(shù)千米的深孔，必須采用海洋石油鉆井平臺(tái)或具有動(dòng)力定位的鉆井船，并配備相應(yīng)的鉆桿、鉆具等進(jìn)行深海深孔取樣鉆進(jìn)。該型天然氣水合物保壓保溫取心鉆具由6個(gè)重要部分(件)組成^[20]：①承載電纜連接器；②保溫保壓取心管；③可開合式機(jī)架及傳動(dòng)裝置；④深海密封和保溫保壓控制裝置；⑤鉆頭驅(qū)動(dòng)裝置與水密電機(jī)；⑥取心鉆頭。取心鉆頭安裝在取樣鉆具下端。特點(diǎn)是短程鉆、小噸位、電力或電池驅(qū)動(dòng)、具保真性、低投入與高技術(shù)。取樣時(shí)鉆頭鉆進(jìn)巖層，巖心通過取樣鉆頭孔進(jìn)入取樣管，當(dāng)巖心裝滿取樣管需要結(jié)束取樣時(shí)，在孔口將打撈裝置經(jīng)過鉆桿內(nèi)部靠自重投放到孔底，打撈裝置在孔底抓住取樣管，然后利用鉆井船甲板上的絞車將打撈裝置及取樣管提出。

張永勤等^[21]承擔(dān)的“十五”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“深水深孔天然氣水合物保真取樣鉆具的研制”，分別研制了繩索打撈不起鉆保真取樣鉆具和投球起鉆式保壓取樣鉆具：①繩索打撈不起鉆取樣鉆具系統(tǒng)(圖2)主要由內(nèi)管總成、外管總成、鉆桿、打撈裝置、繩索絞車等組成，不起鉆可實(shí)現(xiàn)連續(xù)取心作業(yè)。齒條齒輪機(jī)構(gòu)使球閥旋轉(zhuǎn)90°，密封巖心容管。為了更可靠地保持水合物的原始狀態(tài)，在鉆具結(jié)構(gòu)上設(shè)有蓄能壓力補(bǔ)償裝置。電子制冷裝置由保溫層和電子制冷器組成，保持樣品的溫度。繩索打撈不起鉆取樣技術(shù)具有勞動(dòng)強(qiáng)度低、效率高、輔助肘間少等優(yōu)點(diǎn)，主要技術(shù)參數(shù)為：鉆孔直徑為174～190mm；巖心直徑為30～40mm；單次取心長(zhǎng)度為3m。②投球起鉆式保壓取樣鉆具可直接連接到現(xiàn)有的石油鉆井鉆桿上進(jìn)行鉆進(jìn)取樣，但取樣時(shí)必須起出孔內(nèi)的全部鉆桿及鉆具，球閥關(guān)閉時(shí)采用泥漿作為動(dòng)力介質(zhì)，該鉆具與現(xiàn)有海洋石油鉆機(jī)配套鉆井施工時(shí)無需進(jìn)行任何設(shè)備改造，利用現(xiàn)有的Ф114mm、Ф127mm、Ф140mm鉆桿即可鉆井施工。

    根據(jù)天然氣水合物勘查的需要，最好設(shè)置水深為2000～3000m、在沉積巖中鉆進(jìn)500～1000m能力的海洋鉆井船^[22]。而世界上能在水深超過2000m條件下工作的鉆井船僅35艘，其中能適用于天然氣水合物勘查的非常有限。目前，只有Fugro公司簽約的M/S BUCENTAUR，M/r PHOLAS、BAVENI及Mr WALTER海洋調(diào)查船能夠進(jìn)行水深1500m左右的勘查。由于目前國(guó)內(nèi)外海洋鉆井船主要用于油氣勘查，若用以進(jìn)行天然氣水合物鉆探，必須根據(jù)鉆探天然氣水合物的需要，進(jìn)行相應(yīng)改造，特別是需要設(shè)有泥漿冷卻裝置及氣體處理裝置。日本學(xué)者分析認(rèn)為漂浮式生產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)，可能成為開發(fā)海底天然氣水合物的生產(chǎn)裝置，包括伸縮腿平臺(tái)(TLP)、油船型及半潛型(FPS/FPSO)、單柱型(SPAR)，目前其設(shè)置的最大水深分別為991m、911m、588m。

    天然氣水合物的BSR標(biāo)志，針對(duì)的是一個(gè)海底區(qū)域，而并不是一個(gè)確切的位置，這意味著天然氣水合物的取樣具有一定的盲目性。若海底無BSR標(biāo)志，可采用HOV直接觀測(cè)海底情況，確定海底天然氣水合物是否存在，或采用鉆探取樣和測(cè)井技術(shù)相結(jié)合的方法檢測(cè)天然氣水合物。若海底地層較軟且天然氣水合物埋藏不深，可采用深海淺孔取樣裝置；若埋藏較深或海底沉積物較硬，則應(yīng)采用深海深孔鉆探取樣裝置。相對(duì)于其他取樣裝置，深海深孔取樣裝置不受海底地層礦藏軟硬及埋藏深淺的影響，利用繩索打撈裝置可實(shí)現(xiàn)不起鉆連續(xù)取心作業(yè)，基本實(shí)現(xiàn)樣品的保溫保壓，具有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)以上分析，可以得出以下認(rèn)識(shí)：

    1) 國(guó)外在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始研制天然氣水合物的取樣裝置，目前已在多處取得天然氣水合物樣品。而國(guó)內(nèi)天然氣水合物取樣裝置仍處于研制階段，還沒有真正投入天然氣水合物的勘探中，更沒有天然氣水合物的采樣史。鑒于此，我們應(yīng)借鑒國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，完善我國(guó)取樣裝置的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，盡快勘探出我國(guó)海域內(nèi)的天然氣水合物。

    2) 天然氣水合物只存在于一定的溫度和壓力下，從海底鉆取的天然氣水合物隨溫度升高或壓力降低，會(huì)很快分解。保溫保壓技術(shù)是能否取出天然氣水合物樣品的關(guān)鍵。深海淺孔、深孔取樣技術(shù)都具有一定的保溫保壓功能，但其保溫保壓效果并不是很理想，如何提高取樣管的保溫保壓性能是目前急需解決的問題。

    3) 與深海深孔取樣技術(shù)配套的海洋鉆井船，目前國(guó)內(nèi)還不具備生產(chǎn)制造能力。因此，應(yīng)大力開展海洋鉆井船的研制工作，可優(yōu)先考慮將石油勘探鉆井船改裝成天然氣水合物勘探鉆井船，同時(shí)還要保證其取樣位置的穩(wěn)定性，可采取動(dòng)平衡原理，通過渦輪旋轉(zhuǎn)來抵消海流的影響。

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(本文作者：朱海燕¹ 劉清友¹ 王國(guó)榮¹ 俞祖英² 姜正陸² 鐘雨師¹ 1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)；2.四川海洋特種技術(shù)研究所)