海域天然气水合物取样技术规程编制要点

2021-04-01刘协鲁阮海龙陈云龙赵义蔡家品梁涛刘海龙李春吴海霞沈立娜

地质装备 2021年1期

刘协鲁，阮海龙，陈云龙，赵义，蔡家品，梁涛，刘海龙，李春，吴海霞，沈立娜

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 前言

近年来，随着国家对海域天然气水合物勘探开发工作的重视，国内已涌现出一批高质量的保温保压取样钻具[1-5]，并开始应用于海域天然气水合物钻探取样作业中，能够通过钻探取样，采集保持原位状态的天然气水合物样品，但我国目前尚无标准化作业规范。此外，由于天然气水合物形成条件较为特殊，其钻探取样作业均是在高压、低温条件下完成[6]，为了避免作业中可能出现的高压泄漏、低温冻伤等风险，保证钻探取样作业的安全和质量，我所开展了技术规程编制工作。

1 规程编制工作

1.1 行业调研

依托地质调查项目，对海域天然气水合物取样作业的实施情况进行了调研，与国内相关涉海单位进行了多次交流沟通，参考海域天然气水合物地质勘查有关的技术成果与资料[7-10]，并检索了国外相关作业规程和资料[11-12]，以此为基础完成了对规程内容的限定。

1.2 编制的目的和意义

目前，我国已经初步具备了自主实施海域天然气水合物钻探能力，在已经实施的取样作业航次中，大多沿用传统海上地质钻探的方法和规程，缺少对于天然气水合物取样作业中遇到的高压、低温等危险因素的识别与防范措施。因此，为了保证安全、高效地实施海域天然气水合物钻探取样作业，有必要制定相关的技术规程。

2 规程的主要技术内容

规程共分范围、规范性引用文件、术语和定义、基本规定、前期准备、泥浆规范、钻井作业、取心段和取心终止条件、岩心采集、钻台岩心处理及放置、数据记录与报告编制等11个章节。其中“范围”章节对规程规定的内容进行了总结。“规范性引用文件”章节对规程引用的文件进行了介绍。“术语和定义”章节对规程中涉及的专业术语，如天然气水合物、保温保压取心进行和定义。

2.1 基本规定

本章节中对钻探取样目的进行规定，钻探取样时对孔位及取样层位、水深、取样方法及取样技术的要求进行了规定，要求取心作业在预测层位以上2 m 开始，一直超过其下部2 m结束，钻进过程中每回次量测水深，并采用保温保压绳索取心系统。

2.2 前期准备

本章节对前期准备的目的进行了介绍，其目的在于确保所有工作人员熟知操作目的及风险，确保所有钻探取心操作符合健康、安全、环保的要求，确保所有取心和分析设备功能完备。

本章节对前期准备的安全规定进行了介绍，要求操作前必须制定前期计划，包括项目工程管理、人员安排及时间表等。天然气水合物的取心作业必须能够与传统钻井任务对接，在岩心处理过程中需划定安全警戒区域，制定与保温保压取样钻具相适应的操作规程，取心及岩心处理必须由专业人员操作。

本章节根据不同作业阶段的特点，对取心作业计划阶段、钻井计划和准备阶段以及操作阶段的风险、影响和控制手段进行了规定，并列出了风险评估及风险控制表。

对前期准备中的操作注意事项进行了说明，包括团队角色和人员职责、沟通协调和设备安装调试等方面。

对作业区域的选取进行了说明，需要采用两个集装箱，分别是用于取心工具拆装调试及岩心常温分析的常温集装箱和用于岩心低温存储的冷冻集装箱。不同作业团队应分别对作业区域进行安全评估，确保互不干扰。

2.3 泥浆规范

本章节对规范泥浆的目的和安全原则进行了介绍，并提出了技术要求。对泥浆进行规范的目的是为了在保障钻井安全的前提下，尽可能保证取心效果，同时降低对环境的影响。

在使用泥浆时，应至少秉承以下原则：在现场对泥浆组成材料的安全性数据表、应急化学药品进行有效的公共检查，所有人员必须使用适当的防护用品，以防靠近泥浆系统造成潜在危害；作业时必须穿防水装备；一旦与泥浆发生接触，应立即清洗。

对泥浆的技术要求，首先应最优化泥浆化学性质减少对岩心的污染；对天然气水合物具备一定的抑制性能，尽可能减少天然气水合物分解，同时抑制管道内水合物的再生成；泥浆密度应允许钻具组合在井底或者接近井底没有黏住钻头的风险；在低温环境下，泥浆仍应具备保护井壁、携带岩屑、清洁井眼的能力；应选用无毒性、易降解且费用相对低廉的泥浆处理剂。

2.4 钻井作业

本章节对钻井作业的目的、安全原则和技术要求进行了介绍。钻井作业的目的，是在保障井控安全的前提下，用最低的钻井成本获得高质量岩心和岩心采取率。

钻井作业的安全原则首先是井控要求比任何技术要求都重要。对于取心器和绳索取心系统，必须注意保证工具和规程完全符合安全操作，同时要合理穿透储层段，避免储层流体的影响以及钻柱的压差卡钻。

钻井作业的技术要求主要是针对钻具组合、钻压、钻头以及钻探工艺参数选择，从而实现在钻进过程中减少对储层的破坏，降低对储层的扰动，维护井壁稳定，避免冲刷储层，以利于最终获取高质量的岩心。

2.5 取心段和取心终止条件

本章节对取心段和取心终止条件的总则、安全原则、操作细节和取心终止点进行了介绍。其总则是建立明确的取心段作业的启动点和终止点。

取心段和取心终止条件的安全原则是在取心段作业时，要保证孔隙压力在合适的范围内。如果发生井控事故，应将井孔安全放在首位，需首先考虑如何安全控制该钻井，而不是考虑如何继续获得岩心并达到终止条件。

取心段的选择是由现场的地质学家根据已有地质资料确定，取心终止条件是由地质学家、首席科学家共同研究决定的。当预算有限时，如果取心作业超出计划2～3 d，监督团队要综合考虑经济因素和技术因素，在有足够的预算和适当的技术条件时继续操作，否则应建议终止取心作业。

取心终止点的选择主要遵循三点原则：第一，已完成了制定的取心目标；第二，取心作业期间出现问题，且在96 h内无法采取有效的解决措施，由首席科学家决定取心作业是否终止；第三，当取心作业破坏了钻孔，导致后续其他作业(包括测井作业等)不能安全进行时，由首席科学家决定取心作业是否终止。

2.6 岩心采集

本章节对岩心采集的总则、安全原则、技术要求、数据记录和取心回次终点进行了介绍。其总则是尽可能提高目标储层的岩心采取率及岩心质量，并在最短时间内回收岩心。同时，在取心过程中降低掉块、掉心、孔壁刮擦等因抽吸泥浆造成的钻井风险，避免破坏井孔结构，以免影响后续作业。

岩心采集时的安全原则是取心过程中井控安全优先于取心。在取心作业开始前，需进行任务风险评估及安全规程的建立和修订；每次换班时，要复习一遍任务风险评估；当在较小环空打捞回收较大岩心管时，需要预防抽吸，取心团队需根据具体情况进行评估并给出回收速度。

岩心采集的技术要求主要从八个方面进行了论述，包括岩心筒长度和取心计划进尺、岩心内筒类型、取心钻具组合、组装取心工具、水合物状态保持、抽吸、膨胀间隙流体和机械损伤。其总体要求是：①制定钻具组合下钻规程，避免在入井的过程中使钻头、岩心筒以及钻具组合受到损伤；②目的层每回次进尺与取心筒长度相匹配；③应尽量减少获取岩心的时间，从而降低对天然气水合物样品的扰动；④选择合适的钻井工艺(包括转速、钻压以及泥浆排量等)，以保障岩心取心率；⑤取心过程中应尽量保持钻柱稳定，监测扭矩及其变化，避免卡钻或损坏取心工具等事故；⑥提钻前需进行安全会议，评估讨论危险并进行安全作业演练；⑦起下钻时，钻杆需安装护丝，以避免螺纹及密封区域受损；⑧确定岩心回收的最佳速度时，需要考虑水合物分解、作业效率、抽吸风险及流体介质对保压岩心的影响。

在岩心采集时，可以选择性安装温度压力记录仪，采集记录岩心从井底回收至甲板过程中的温度与压力变化。在条件允许的情况下，可备份微型温度压力记录仪。

在取心回次终点，应根据可能出现的堵心、ROP过高、扭矩和泵压异常、岩心破碎掉块等实际情况进行操作，但不允许进行类似传统的“提高转速微烧钻”取心操作，否则可能使内管总成跟随外管总成一起转动，最终导致岩心损坏。当岩心管装满或回次终止时，使用绳索打捞系统将岩心回收到甲板。

2.7 钻台岩心处理及放置

本章节主要对钻台岩心处理及放置的总则、安全原则、技术要求和岩心放置进行介绍。其总则是将岩心和取心内管安全无损地从钻台转移至操作区域，并经济高效地处置岩心。

钻台岩心处理及放置的安全原主要有四点：①取心团队在岩心躺放前需与钻井团队进行风险评估和讨论，确保操作过程的安全并兼顾作业效率；②每次换班前需重复交接风险评估；③由于取心钻具较沉重，搬运过程中应注意安全，保持平稳，这是整个取心操作过程中最容易出现问题的环节；④在岩心切割操作时，需注意安全，避免岩心掉落。

钻台岩心处理及放置的技术要求主要包括甲板处理要求和内管拆卸两个方面。在甲板处理时，要求一旦岩心到达地表，需尽快移离钻台，避免影响后续钻井操作。岩心管较长时，需要使用吊装设备协助躺放。在退岩心过程中，需要振动或敲击岩心管时，要避免破坏岩心。当使用油基泥浆时，在回收和转移内管总成过程中需要注意对外部包裹塑料材质进行防护，防止污染岩心。在拆卸内管时，需要轻缓，严格要求钻井团队人员按照规程进行岩心处理操作。取心团队、监督团队应和钻井团队充份沟通，使其了解岩心处理的重要性。取心钻具总成需在操作台处拆缷，岩心管的躺放、卡簧的拆除应由取心工程师进行操作。当取心钻具内岩心未取满时，内部很可能充满泥浆，在拆缷时使用泥浆桶接收泥浆，以免溢至钻台。

放置岩心时，现场需要准备岩心支架，以防在取心钻具总成从钻台转移至操作台时损坏岩心。从取心钻具总成内取出衬管后，应快速且安全地将其转移至岩心后处理操作区域。岩心转移装置为岩心后处理团队提供了一个安全且不影响钻井操作的环境。

2.8 数据记录与报告编制

本章节主要从取心回次过程中、取心回次之后和取心完成后三个方面介绍。

在取心回次过程中，取心团队持续监控取心过程中的参数和动态，并与钻井团队人员密切沟通，以防发生意外事故。当钻井扭矩、机械钻速、立管压力发生异常时，钻井团队人员应立刻与监督团队、取心团队沟通判断取心是否正常，并及时调整作业参数。根据常规井控和安全要求，应持续监控钻井的实时参数，并与计划表中的理论值进行比较，如果实时参数与计划表不符，需立即通知钻井团队。

在取心回次之后，每取心回次后需要由钻井团队将实时参数根据钻进情况制成图表。实时参数应包括：回次参数，即回次钻深、钻杆余尺、实时水深、孔深；钻进参数，包括大钩高度、大钩载荷、钻压、转速、扭矩、泥浆泵泵冲、泥浆压力、泥浆流量、机械钻速，钻进参数应以固定刻度(宜选用 16 cm/h)制成图表。每取心回次后需要由钻井团队将实时运行数据(井深/回次速率)以Excel格式提供给取心团队，并将纸质版图表提供给监督团队、地质学家和首席科学家用来讨论修正取心回次计划。取心完成后需向首席科学家提交回次取心记录表(Excel或Word文件)，记录表中应包含以取心回次为单位的取心参数的详细记录，主要有：取心钻具类型、蓄能器初始压力、钻压、转速、扭矩、泥浆流量、样品管压力、处理方式、样品描述和取心钻具工作情况。

取心完成后，取心团队需向首席科学家提交取心作业技术报告，报告应包括作业目的、作业条件、作业情况、安全与环境保护、作业质量评述等方面的内容。