天然气水合物冷源外置式孔底冷冻绳索取样器冷冻效率优化研究

曲莉莉， 王 元， 贾 瑞， 陈光华， 张鹏宇

(1.吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026； 2.自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室，吉林 长春 130026；3.中建三局第一建设工程有限公司，湖北 武汉 430040)

0 引言

天然气水合物因其储量大、能量密度高、清洁和分布广泛等优点而被认为是最有希望接替传统能源的新能源[1-3]。钻探取样是评价水合物储量和开采的前提，但天然气水合物常温常压下会分解，常规钻探取样技术无法获得评价水化物储量及开采方法所需的水合物原始样品。水合物保温保压取样方法的思路就是利用保温保压钻具获得原始的水合物岩心样品，为此所研制的相关钻具就是当水合物岩心进入岩心管后，通过球阀或翻板阀关闭岩心管底部，使岩心管形成一个密闭保压的腔体保持岩心初始压力，同时利用压力补偿装置，来维持岩心压力在提钻的过程中保持不变。岩心被提到地表后将其冷冻保存[4-7]。保温功能主要通过在岩心衬管和内管之间增加保温材料或注入液态氮，并在钻进过程中配合钻井液冷却装置和低温钻井液来实现。保温保压取样方法是目前水合物钻探取样工程中应用最多的方法，目前常用的保压取样器型号包括PCB、PCS、FPC、PTCS等[8-11]。上述钻具的结构原理都是可行的,但在使用过程中由于保温保压取样器的结构复杂，对密封性的要求较高，很难将保压岩心无压降地转移到储藏装置中进行分析，需要配备专用的转储装置，没有实现真正意义上的保温，实际保压取心的成功率较低[12-14]。

冷冻取样技术是在分析了天然气水合物的温压特性和自保护效应[15-16]的基础上，采用外部“冷源(相变流体)”将进入取样管的水合物岩样在孔底进行冷冻，以主动降温的方式将已钻获得的水合物样品冷却到被打捞到地表标准大气压下取样时都不发生分解的温度，以保证获得的水合物岩样[17-21]所含甲烷饱和度与原位一致。这就要求在取心过程中需要将冷源在钻具被下放到孔底之前已被存储在孔底的钻具内，但由于取样器尺寸限制冷源存储腔体外部的保温层厚度较薄，无法实现冷源的高效率存储。另外，由于冷源在注入狭长冷冻腔体后，冷量分布不均匀，导致岩心的冷冻效率低、且温度分布不均匀。

为解决上述技术问题，本文提出了冷源外置式孔底冷冻绳索取样器的设计思路，即采用绳索取心的方法，在钻进结束后，利用打捞器运送冷源至孔底并实施岩心冷冻，绳索取心方法可以实现快速提取岩心，冷源外置的方法可以解决冷源井下储冷时间长的问题。然后通过在钻具内设置高压气罐，在冷冻过程中向冷冻腔体内注入气体来提高岩心的冷冻效率。

1 冷源外置式孔底冷冻绳索取样器原理

冷源外置式孔底冷冻绳索取心方法,就是将绳索取心工艺与孔底冷冻技术结合，实现不提钻快速取心，并将水合物岩心在孔底进行冷冻。冷源外置取样器工作原理如图1所示，共分为以下4个工作过程：

图1 冷源外置式取样器工作原理示意Fig.1 Off board cold source sampler

(1)正常钻进。采用冷源外置式绳索取心钻具进行正常的水合物储层钻进，岩心逐渐进入岩心管，此时打捞器不投入孔内。

(2)投入打捞器。回次结束后，将装有低温冷源的打捞器投入孔底，打捞器上部的连接机构与钻具的冷冻机构连接，控制低温的冷源由打捞器的储冷机构内流出，注入岩心冷冻机构。

(3)冷冻岩心。低温冷源进入冷冻腔体后与岩心管内的含水合物岩心样品进行换热，水合物岩心温度逐渐降低。

(4)提取岩心。冷冻结束后，通过孔口的绞车将打捞器和钻具自孔内提至地表，完成冷冻取心。

2 冷源孔内存储试验

在冷冻取样过程中，低温冷源是通过将载冷剂的温度降低，在冷源存储和岩心冷冻过程中起到携带并传递冷冻能量的作用。结合孔底冷冻的过程可知载冷剂需要具有较好的流动性及携带大量冷量的能力。乙醇由于具有较高的比热容(2400 J/kg·℃)，凝固温度低，能较好地存储冷量，且易于获得等特点，适合作为载冷剂，制作冷源。在制备冷源过程中，通过液氮气化吸热来快速制备低温酒精(将其温度降至-130 ℃)，形成超低温酒精作为冷源。

2.1 试验装置及流程

图2为储冷机构试验原理图。试验装置包括3个部分：钻井液循环装置、测温装置和储冷机构。钻井液循环装置的作用是模拟储冷过程或冷冻过程中模拟钻井液流动，主要由外管、同轴连通器、法兰盘和支架组成。试验测试装置主要包括温度传感器和无纸记录仪。温度传感器有3枚，沿轴向均匀设置在中部；径向上分别设置在中轴，紧贴管壁，以及中轴和管壁之间；温度传感器与无纸记录仪通过导线连接。测试装置可以测量储冷过程中冷源温度变化情况。储冷机构包括储冷腔外管、保温层和储冷腔内管。试验过程中冷源存储在储冷腔内衬管内。储冷机构的关键材料及结构参数如表1所示。

图2 储冷机构实验系统原理示意Fig.2 Experimental system for cold storage mechanism

项 目参 数储冷腔外管材料钢管(45号钢)外径/mm94内径/mm84储冷腔内管材料聚四氟乙烯外径/mm60内径/mm66保冷层 材料圆筒状纳米气凝胶毡温度/℃13流速/(m·s-1)1

试验时，首先按照图2连接钻井液循环装置，并将温度传感器放置在储冷腔内；然后预冷储冷腔，将制备的冷源注入储冷腔；最后连接水泵及水箱，开始循环钻井液。储冷过程中通过温度传感器来采集数据。

2.2 冷源存储试验结果与分析

储冷试验中冷源温度变化曲线如图3所示。

图3 冷源温度变化曲线Fig.3 Temperature curve of the cold source

在冷源的存储过程中，温度在180 s的时间内缓慢上升，然后升高速度加快，到400 s左右温度上升速度开始减慢，最终温度为-95 ℃。这是由于冷源的初始温度低于储冷腔管壁的温度，冷源注入过程中与管壁换热，造成了冷源快速升温阶段的产生；但是由于温度传感器位于储冷腔的轴线上，而冷源的温度是自外向内逐渐升高的，所以在快速升温之前，存在一段平缓升温的过程(即0～180 s的时间段)。当储冷腔管壁逐渐降低到与冷源温度一致时，冷源与外界钻井液的换热由于保温层的隔热作用而逐渐减慢。储冷试验证明初始温度为-130 ℃的低温酒精存储1800 s，冷源温度降至-95 ℃，冷冻能量的保存效率为73.1%，能量保存率能满足冷冻岩心的要求。该温度将作为岩心冷冻试验中冷源的初始温度。

3 岩心强化制冷试验

3.1 试验装置及流程

为了验证高压气体推动冷源在冷冻腔内循环流动，实现强制对流换热，进而实现强化制冷，提高冷冻岩心的效率，进行了岩心强化制冷试验。岩心冷冻机构试验系统原理如图4所示，共包括6个部分：钻井液循环装置(与储冷试验相同)、测温装置、气动冷源注入装置、储冷机构样机、岩心冷冻机构和密封阀子机构。气动冷源注入装置通过氮气瓶和输气管实现气体注入功能，增强低温酒精与岩心间的对流换热效率。测温装置主要包括温度传感器和无纸记录仪，温度传感器有9枚，径向上分别位于岩心中轴线、岩心半径的一半处、岩心紧贴岩心管处；轴向上分别位于岩心的上、中及下部。岩心冷冻过程如图5所示，图5(a)为常规的冷源注入方式，冷源在常压下由于重力自由流入冷冻腔内；图5(b)为改进的注入方式，冷源在气体压力的作用下将冷源通过引流管压入冷冻腔底部，并逐渐上升。连接阀子机构位于储冷机构底部和冷冻机构之间，在试验前起着密封储冷腔和冷冻腔的功能，试验开始时起连通储冷机构和连接机构的功能。试验初始条件如表2所示。

图4 岩心冷冻机构实验系统原理示意Fig.4 Experimental system for core freezing mechanism

图5 岩心冷冻过程示意Fig.5 Core freezing process

表2 试验初始条件Table 2 Initial conditions for the test

试验时首先按照图5所示将冷冻机构样机组装好，并在岩心管内填装含水量10%的砂样模拟水合物岩心；含水10%砂样的导热系数小于含水合物沉积物岩心样品，说明冷量在水合物沉积物内的传递速度要小于含水砂样，即制冷水合物沉积物的速度要高于含水砂样；比热容大于含水合物沉积物岩心样品，说明降低同样的温度的情况下，含水砂样要吸收更多的冷能。可见，制冷含水砂样的难度更大，如果冷源能够满足冷冻含水砂样，则也能够将水合物沉积层冷冻[22]。

然后按照图2所示连接储冷机构，采用液氮预冷，然后注入冷源。将经过预冷的储冷机构固定在钻井液循环装置上部，然后用输气管将氮气瓶与储冷机构相连接，打开输气阀门并调整到预定压力。将钻井液循环装置与水泵、水箱连接好，启动水泵，开始循环钻井液。实验过程中，对岩心温度进行监测，温度监测点位置如图6所示。

图6 岩心温度监测点位置示意Fig.6 Location of core temperature monitoring points

最后使储冷机构样机在钻井液循环装置中坠落并与冷冻机构样机连接，剪断钢丝绳开始计时，30 min后停止试验。

3.2 岩心强化冷冻试验结果与分析

(1)采用传统的冷源注入方式(自上而下注入)的岩心温度变化曲线如图7所示。岩心上部平均降温速度为9.39 ℃/min；岩心中部平均降温速度为4.29 ℃/ min；岩心下部的平均降温速度为1.89 ℃/min。这是由于冷源是从冷冻腔上部注入的，注入过程中冷源首先与上部岩心进行换热，然后与中部岩心换热，最后流入冷冻腔底部，而后流入的冷源留在冷冻腔上部；此时冷冻腔底部冷源所携带的冷量远小于上部冷源，冷冻腔内的冷量分布不均匀；冷冻腔上部冷源携带冷量多，与岩心之间的温差相对较大，所以上部岩心降温速度相对较快。在岩心温度到达最低点后，上、中、下部岩心温度最低值分别为-24、-12、0 ℃。由于与外界换热岩心温度逐渐上升，试验结束时上、中、下部岩心温度分别为-6、-2.5、3 ℃。可见岩心轴线方向上的温度分布极不均匀，这对抑制岩心内水合物的分解来说是十分不利的。

图7传统冷源注入方式的岩心温度变化曲线
Fig.7Core temperature curve with the traditional cold source injection method

(2)采用改进的冷源注入方式(自下而上注入)的岩心温度变化曲线如图8所示。降温首先发生在岩心下部，然后是岩心中部，最后是岩心上部。岩心上部的平均降温速度为10.82 ℃/min，岩心中部的平均降温速度为6.15 ℃/min，岩心下部降温速度为5.86 ℃/min。上部岩心的温度下降速度较快，中部与下部岩心测温点的降温速度相似。在冷冻过程初期，岩心下部的温度最先开始下降，随后岩心中部和上部开始下降。这是由于冷源从冷冻腔底部注入后，首先制冷岩心的下部，然后向上流动，逐渐进入岩心管顶部宽阔的冷冻腔空间，岩心上部与冷源最晚接触，所以上部温度下降最晚；另外，由于冷源在气体压力的作用下流经岩心管外部的冷冻腔体，增强了与岩心管间的对流换热效率，进而提高了岩心的冷冻效率。由于冷源从底部注入冷冻腔，首先与岩心下部进行换热，增加了岩心下部吸收的冷量，使其温度下降加快；因此，对比图7可以看出，图8中岩心上、中、下部的温度差异明显减小，岩心的温度分布更均匀。在岩心冷冻过程中，上部岩心的最低温度为-27.71 ℃，中部岩心的最低温度为-19.18 ℃，下部岩心的最低温度为-16.2 ℃；由于冷源和岩心与外界发生换热，所以此时岩心温度逐渐上升。在1800 s时，上、中、下部岩心温度基本相同，各部分岩心平均升温速度约为2.1 ℃/min，试验末各部分岩心的温差在5 ℃以内。可见岩心轴线方向上的温度分布较均匀。提钻取心过程中只有当静水压力(环境压力)小于水合物临界分解压力时水合物才会分解；降低水合物岩心温度可降低其临界分解压力，相应的“临界稳定水深”变浅，即水合物不稳定存在的孔段变短。并且实验时的环境温度为23 ℃大于深层海水温度，因此实际水合物钻探取心过程中，岩心温度上升速度相对较慢。实验过程中在半小时内岩心的温度保持在0 ℃以下，说明在实际钻探过程中在半小时内岩心温度会更低，保持在0 ℃以下的时间会更长。现有研究表明，当水合物温度在0 ℃以下时会产生自保护效应抑制水合物分解[23-24]，因此通过冷冻取样方法获得水合物岩心是可行的。

图8改进冷源注入方式的岩心温度变化曲线
Fig.8Core temperature curve with the inmproved cold source injection method

4 结语

为了解决在取心过程中冷源的存储效率低，岩心的冷冻效率低、且温度分布不均匀的问题，本文提出了采用冷源外置式的取样器结构，利用液氮和95%工业酒精快速制备低温酒精的冷源制备方案，实验采用-130 ℃的低温酒精作为冷源，通过样机实验证明，-130 ℃的低温酒精经30 min储冷后温度升高至-95 ℃，冷源存储效率为73.1%，可以满足冷冻岩心对冷源温度的要求。

为了提高岩心冷冻效果，提出了“底部注冷-气动循环”的冷源注入方案。实验证明采用0.5 MPa的注入压力，及“底部注冷-气动循环”的冷源注入方案可将岩心平均温度冷冻到-14.92 ℃，比传统注入方式(冷冻至平均温度-12 ℃)的冷冻效率提高了24.3%，并且岩心最低温度之间的温差为7.75 ℃，远小于传统注入方式的24 ℃。说明采用“底部注冷-气动循环”的冷源注入方案能够有效地提高岩心冷冻效率，并且大幅消除岩心冷冻过程中温度分布不均匀的问题。并可在30 min内将岩心温度保持在0 ℃以下，激发水合物自保护效应，抑制水合物分解。