深水海底天然气水合物取样设备与技术

王明田

(中海油田服务股份有限公司，天津 300451）

深水工程地质勘察是深水海域油气田勘探开发的基础性工作[1]，必须先行，其目的是为海上深水勘探、开发平台场址、深水管线路由提供工程地质基础资料[2]。海底表层取样是深水工程地质勘察的重要组成部分，主要是获取海底表层、浅层沉积物（包括天然气水合物）样品[3-4]。天然气水合物是一种在高压低温环境条件下由水和天然气形成的冰态、结晶状笼形化合物，主要分布于水深大于300 m的海域及陆地永久冻土带沉积物中。在工程勘察中，浅层天然气和天然气水合物是需要查明的重要灾害性地质条件之一[2]。“十一五”期间，国家科技重大专项“深水工程勘察船及配套技术”课题的研究，成功设计并研制了具有独立知识产权的海底表层保温保压取样器，填补了国内空白。本文主要介绍深水海底水合物取样技术以及我国自行研制的海底保温保压水合物取样装置。

1 取样器总体结构

海底表层土质取样所采用的取样设备有：蚌式取样器(抓泥斗)、箱式取样器、重力取样器、重力活塞式取样器、振动活塞取样器，上述几种取样器所取样品的长度一般较短，且不能保温保压[6-7]。

课题研制的保温保压海底水合物取样系统（以下简称取样器）可以保温、保压地获取3 000 m水深的深海海底表面以下23.5 m长的浅表层沉积物（可能存在天然气水合物）样品。此装置包含相应的卸压取气系统、船载辅助支架、取样器尾部平移下摆驱动系统、π 型架等取样器收放辅助设备。

如图1所示，该取样器主要由保真取样筒(含保真筒、密封舱、衬筒等)、吊放架(含夹板、活塞及主缆等)、重锤机构(含重锤、重锤缆、杠杆等)、导流装置以及配件（蓄能器、双向阀）等组成[7]。当重锤到达海底后，触动杠杆上抬，松开释放缆，使得保真筒在整个取样器自重作用下自由地插入沉积物中，而活塞则在接近海底后在其吊放缆的作用下仅以绞车的放缆速度下降，相对于自由落体的保真筒上升。由于活塞与衬筒之间有较好的密封，因而在活塞的下方可以形成局部真空，使样品更顺利地进入衬筒内，并补偿衬筒内壁的摩擦。

图1 海底水合物保真取样器结构示意图

1.1 保真取样筒

保真取样筒（如图2所示）可以对海底表层的松软沉积物直接进行保真取样，样品最大容量160 L，最大取样深度23.5 m，最大工作水深3 000 m，利用设备自带的压力补偿器保持样品压力，并通过隔热材料镀层被动保温，主要由衬筒、保真筒、连接头与密封舱4部分构成。在取样器下落时，密封舱一直位于保真筒的上方，与导流装置一起提供下插力；取样器回收时，保真筒自下而上穿过密封舱，使翻板阀关闭，实现保压功能。密封舱上方还装有导向筒，以确保保真筒穿过上密封装置的全过程中运动的可靠性。压力补偿器装在取样器最上方的导流装置内，与密封舱的容腔用管路相连。当取样装置下水前，保真筒位于密封舱下方，密封舱上方的4个锁舌机构可以挡住保真筒上端面，使之不会在取样过程中上移，从而使沉积物全部进入衬筒内。活塞相对于自由落体的保真筒与衬筒上升，在活塞的下方形成相对压差，将样品吸入衬筒内，并补偿衬筒内壁的摩擦。

图2 保真取样筒

1.2 重力活塞式取样机构

图1中吊放架、重锤机构(含重锤、重锤缆、杠杆等)、导流装置属于取样机构，当取样器下放到距离海底还有一段距离时，重锤先触底，杠杆失去平衡，松开释放缆，使得保真筒自由下落并取样。

1.3 释压阀与气体分离装置接口

为提取从样品中分解的甲烷气体和其他溶解气体组份，将释压阀(一种微小流量溢流阀)安装在保真筒体上，与密封舱连接，可以通过电液比例方式打开，并进行连续调压，使甲烷气体和其他溶解气体组份在没有压力突变的缓慢卸压过程中充分溢出，并记录压力下降量与溢出气体总量之间的数学关系，便于后续设备进行总量检测与分析。提取的气体组分贮存在特制容器中，可以通过船载色谱仪分析其成份，也可送往岸基实验室作进一步分析。保真筒体内压降至常压后，才能将沉积物样品取出。

1.4 保真筒体的耐压及压力补偿

保真筒体在取样时内外压力是平衡的，但提到海平面后，会产生30 MPa的内外压差。考虑到使用场合是海洋环境，采用普通钢材将由于筒体的磨蚀造成对样品的污染，因此，需要一种高强度的不锈钢材料做保真筒体来承受内压。该保真筒体材料需由专业厂家进行热处理强化，以及相关的强度与韧性检验。

另外，保真筒体在承受30 MPa内压时会产生4‰左右的体积膨胀，按照2℃海水2.4 GPa的体积弹性模量计算，该膨胀将产生8.16 MPa(20%)的压力下降，再加上其他弹性体（如密封圈等）的变形，很难达到预期的保压效果，因而还需要增加压力补偿装置，将压力变动量控制在20%的设计要求之内。利用蓄能器补压是实现压力补偿的最佳方式。因此蓄能器是取样器的关键部件之一，其上端皮囊内充入高纯氮气，下端则通过带有双向阀的液压管路与保压筒相通。皮囊的充气压力取取样点原位压力的70%。以获得最多的海水补偿量。从蓄能器获得的补偿容积量为：

当该容积大于取样筒取样时损失的海水体积时，就可实现保压功能。

2 取样深（长）度计算及参数

取样器与土的相互作用模型用于确定取样器取样动态过程中管侧摩阻力和管端阻力（包括静阻力和动阻力）。取样过程底质受到冲击型动荷，瞬态变化，管土作用非常复杂，它是一个轴对称三维动态问题，要描述该问题，不仅要了解管与土动本构模型而且还要弄清管土接触面的滑移机理[8]。在一定简化条件下，取样器与土的相互作用可借用国内外一些学者提出的许多模型来近似模拟管土相互作用，本保温保压取样器采用了Smith法求解[9]，取样器取样过程的控制方程为：

式中：τ 为剪切阻力；Js为桩侧土阻尼系数；l 为桩的沉降；β1为管外侧摩擦阻力折减系数；β2为管内侧摩擦阻力折减系数；din为取样管内径；dout为取样管外径。

经计算，质量8.0 t的取样器取样深度可达68 m，5.0 t取样器最大取样深度可达到54 m左右，2.5 t取样器最大取样深度可达到28 m，取样深度随着取样器质量的增加而增加。其中底质越软其取样深度越深，而插土前初始速度大小对取样深度的影响并不很明显；取样器取样深度随着内径的增加而增加，随着外径的增加而减少，相同尺寸下减少外径尺寸要比增加内径尺寸的所获得取样深度更深，效果更好；可以看出底质的软硬及取样器的质量大小是取样器能否插土更深，取得更多的样品的两大关键因素。另外内外径的变化也对取样效果有一定影响。

（1）不同取样器质量条件下的变化关系曲线如图3。（初始速度为1 m/s，软底质土层，取样器内外径分别为90 mm，130 mm）

图3 不同质量条件下的取样深度变化关系曲线

图4 不同底质条件下的取样深度变化关系曲线

（2）不同底质条件下的关系曲线如图4。（初始速度为1 m/s，取样器质量为2.5 t，取样器内外径分别为90 mm，130 mm）

3 取样器的收放装置

收放装置按运动及功能可以分为3大部分：平移机构、π架和辅助支架。它们通过平移机构平移和π 架、取样器支架的旋摆运动实现了取样器收放功能，如图5所示。

将支架准确定位，同时将取样器对正放于支架上，取样器的收放通过专用取样绞车、π 型架及取样器收放辅助设备综合操作来完成。

当确认取样管已完全插入海底后，操作绞车缓慢提升，当确认取样管拔出海底并进入密封舱后，可操作绞车快速提升，边观察水下取样器姿态边提升取样器，至取样器完全提离水面时停止绞车，启动π 架液压缸，取样器至支架正上方面时停止π 架转动，至支架及取样器完全露出水面，最后使支架及取样器完全坐落在枕木上。

图5 取样系统示意图（取样器放置在辅助支架内）

4 取样器的技术性能及应用

本项目研制的取样器结构实现了大长度保真取样、快速压力补偿技术、下封口引水冲洗技术以及机械化长柱状取样器侧舷投放回收技术。2011年5月，应用我们所研制的该型取样器，在中国南海北部及东南海域共进行5次海上取样试验，验证了取样器性能和能力。实际取样实验表明，取样器性能完全达到设计指标，满足深水保温保压取样技术要求，在作业水深3960m海域、取样管长22.9 m时、获取样长18.05 m（见图6），取样率达到78.8%；在6 h内采样器压力下降0.2 MPa，压力仅下降了0.667%，最高保压能力达6 h/100%，而设计保压指标为6 h内的压力变动量不超过20%；海底温度与出水时温度相差不超过6℃，所取样品质量满足工程地质勘察技术要求，样品已被用于相关科学研究。该型取样器完全可满足深水大型钻井船、生产开发平台等海上结构物全下锚深度内沉积物及天然气水合物保压采样的技术要求，研制技术挑战长柱状沉积物保真取样的深度极限，领先国际水平(目前德国太阳号船上的保压取样设备，采集2 m长的沉积物样品，设备总长6.7 m)。

图6 在南海深水海域应用研制的取样器所获取的样品

5 结论

成功研发并制造的具有独立知识产权的海底保温保压取样器，打破了国外深水勘察技术封锁，填补了国内空白。研制的海底保温保压取样器可达23.5 m超长柱状保压取样，技术领先国际水平。研究成果将在深海大型油气田钻采前对全下锚深度内的灾害性地质取样调查中广泛应用，与目前通用的钻探[10]相比，其作业成本成数量级降低，具有很高的社会与经济效益，以及广阔的应用前景。

[1]郭友钊.走向深海[M].北京：民族出版社，2002.

[2]王明田.深水井场工程勘察技术探讨[J].中国造船，2005，46（增刊）：62-70.

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