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区别于DSDP_ODP的深海保压保温天然气水合物钻探取心技术

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区别 DSDP_ODP 深海 保温 天然气 水合物 钻探 技术
资源描述:
文 章 编 号 :100922722 (2003) 0620024204区 别 于 深 海 保 压 保 温天 然 气 水 合 物 钻 探 取 心 技 术许   红 1 ,2 ,吴 河 勇 3 ,徐 禄 俊 4 ,庄   茁 5 ,熊   军 4 ,闫 桂 京 1 ,孙 和 清 1(1 青 岛 海 洋 地 质 研 究 所 ,青 岛 266071 ;   2 中 国 科 学 院 海 洋 研 究 所 ,青 岛 266071 ;   3 中 国 地 质 大 学 ,北 京 100083 ;4 武 汉 第 二 船 舶 设 计 研 究 所 ,武 汉 430064 ;   5 清 华 大 学 工 程 力 学 系 ,北 京 100084)摘   要 :到 目 前 为 止 ,任 何 深 海 天 然 气 水 合 物 原 位 岩 心 样 品 的 钻 探 、 取 心 技 术 都 离 不 开 大 洋钻 探 计 划 )或 海 钻 探 计 划 )专 用 船 舶 钻 探 技 术 ,该 技 术 主 要 通 过 从 工 作 母 船 上 连 接 几 百 到几 千 米 钻 杆 到 海 底 ,实 现 500~ 1 000 m 的 钻 探 ,再 通 过 不 同 类 型 压 取 心 器 ) 与 压保 温 取 心 器 )取 心 工 具 实 现 样 品 采 集 。 重 要 特 点 是 投 入 经 费 巨 大 。 新 型 保 压 保 温 取 心 钻 具 是 将 钻具 直 接 固 定 在 深 海 海 底 ,实 现 样 品 的 原 位 保 真 采 集 ,针 对 国 内 外 两 类 着 底 式 天 然 气 水 合 物 钻 探 、 取心 技 术 进 行 了 分 析 ,对 于 深 海 浅 表 层 天 然 气 水 合 物 原 位 样 品 采 集 作 业 反 映 了 创 新 的 思 维 、 技 术 模式 、 设 计 方 案 与 科 学 方 法关 键 词 :天 然 气 水 合 物 ;深 海 海 底 ;新 型 钻 具 ;保 压 保 温 取 心 ; 分 类 号 :     文 献 标 识 码 : 气 水 合 物 被 誉 为 21 世 纪 的 替 代 性 能源 。 目 前 专 家 估 算 的 全 球 天 然 气 水 合 物 总 资 源量 等 于 已 探 明 化 石 燃 料 (煤 、 石 油 与 天 然 气 ) 资源 总 量 的 两 倍 ,其 分 布 范 围 广 泛 ,具 有 清 洁 、 高效 、 能 量 密 度 高 、 埋 藏 深 度 浅 的 优 点 。 由 于 海 水深 度 、 开 采 及 保 存 条 件 难 度 大 ,可 以 严 重 影 响 气候 与 环 境 等 特 点 而 倍 受 关 注 ,极 有 可 能 取 代 地球 上 日 渐 枯 竭 的 其 他 化 石 燃 料 ,成 为 21 世 纪 世界 能 源 的 主 要 来 源 之 一 。 天 然 气 水 合 物 系 固 态的 、 非 传 统 的 能 源 资 源 和 新 型 能 源 矿 产 资 源 ,有别 于 液 态 的 石 油 和 气 态 的 天 然 气 。 实 验 证 明1 气 水 合 物 气 化 后 可 以 产 生 160~ 180 天 然 气 和 018 水 ,因 此 一 般 意 义 上的 天 然 气 水 合 物 矿 藏 大 都 可 相 当 于 大 型 到 超 大型 天 然 气 田 (藏 ) 的 规 模 。 从 这 个 角 度 上 说 ,通过 我 国 海 域 天 然 气 水 合 物 资 源 勘 查 实 现 发 现 突收 稿 日 期 :2003205226基 金 项 目 :863 项 目 (2001 助作 者 简 介 :许   红 (1957 — ) ,男 ,博 士 ,研 究 员 ,从 事 石 油地 质 研 究 工 作 对 于 改 变 我 国 东 部 地 区 的 能 源 来 源 结 构 ,缓解 能 源 供 求 矛 盾 ,极 具 现 实 意 义 和 与 “ 西 气 东输 ” 同 等 重 要 的 战 略 意 义 。由 于 形 成 于 大 于 300 m 水 深 的 高 压 低 温 独特 环 境 ;因 此 天 然 气 水 合 物 实 物 样 品 系 冰 结 晶体 ,它 在 常 温 常 压 条 件 下 的 稳 定 性 是 以 分 钟 来计 算 的 ,这 是 它 与 石 油 天 然 气 的 较 大 区 别 。1999 年 7 — 9 月 ,德 国 “ 太 阳 号 ” 深 海 科 学 调 查船 在 著 名 太 平 洋 “ 水 合 物 海 脊 ” 大 约 780 m 的 海底 取 获 天 然 气 水 合 物 样 品 ,上 船 5 即 开始 融 化 ;因 此 深 海 天 然 气 水 合 物 的 钻 探 、 取 样 、保 存 和 分 析 的 方 法 及 其 配 套 技 术 研 究 受 到 科 学家 越 来 越 多 的 重 视 。 迄 今 为 止 ,包 括 技 术 体 系 、设 备 研 制 与 工 程 作 业 等 在 内 的 工 作 ,在 国 外 基本 上 限 于 成 果 ;但 已 形 成 了 完整 的 技 术 系 列 ,开 始 进 入 不 断 开 发 进 步 完 善 阶段 。 在 国 内 ,属 于 起 步 研 究 开 发 阶 段 ,在 大 多 数方 面 属 于 研 究 开 发 空 白 领 域 。00922722           海 洋 地 质 动 态         2003 ,19 (6)∶ 24 — 271   钻 采 方 面 的 成功 实 践 与 缺 陷至 2002 年 9 月 , 学 计 划 已 经 完 成了 204 个 大 洋 航 次 。 而 在 迄 今 全 球 采 获 天 然 气水 合 物 实 物 样 品 的 25 处 矿 点 ,除 加 拿 大 麦 肯 齐河 三 角 洲 区 外 ,其 他 均 为 果 [1 — 3 ] 。 可 以 说 任 何 深 海 天 然 气 水合 物 原 位 样 品 的 采 集 都 离 不 开 船 舶 及 这 些 船 舶 上 的 专 用 钻 探 和 配 套 取 心工 具 。 长 程 钻 、 大 吨 位 和 马 力 、 动 力 定 位 、 保 真性 、 高 投 入 、 高 技 术 和 国 际 合 作 是 其 主 要 特 点 。最 重 要 的 技 术 特 征 表 现 在 其 克 服 水 深 的 办 法 ,主 要 是 通 过 从 专 用 船 舶 上 连 接 几 百 到 几 千 米 的钻 杆 到 海 底 ,然 后 再 进 行 500~ 1 000 m 的 钻探 。 这 需 要 很 高 的 船 舶 及 其 技 术 条 件 ,而 且 经费 投 入 极 其 巨 大 。为 了 获 得 深 海 天 然 气 水 合 物 原 位 实 物 样品 , 20 世 纪 70 年 代 开 始 研 制 开发 专 用 取 心 工 具 ,前 后 经 历 十 余 年 的 时 间 。1979 年 , 出 该 类 取 心 工 具 的 技 术 研 制思 路 ;1983 年 , 的 研 制 工 作 失 败 ;1995 年 , 研 制 成 功 该 型 取 心器 ,并 首 次 被 成 功 应 用 于 在 美 国 东 南 部 大 西 洋海 域 “ 布 莱 克 海 脊 ” 64 航 次 的 钻 探 取 样 工作 。 由 于 相 关 的 取 样 成 果 解 决 了 重 大 地 质 难题 ,该 型 取 心 器 因 而 被 认 为 属 于 重 大 突 破 ,相 关资 料 并 曾 于 1997 年 被 《 登 载 [4 ] ,这 就 是现 在 已 经 被 广 为 认 可 的 天 然 气 水 合 物 保 压 取 心器 ( 其 后 来 开 发 成 功 的 保 压 保 温 取 心 器( 。 包 括 二 者 在 内 的 取心 筒 ) 、 取 心 器 相 关 主 要 技 术指 标 统 计 结 果 见 表 1。其 中 , 要 航 次 利 用 用 保 压 取 心 管 )以 及 日 本 利 用 行了 天 然 气 水 合 物 岩 心 样 品 采 集 ,取 得 了 许 多 成功 经 验 。 至 今 ,与 用 调 查 船 舶配 套 的 有 关 钻 、 采 技 术 体 系 已 经 较 为 成 熟 ,并 在证 实 天 然 气 水 合 物 原 位 矿 藏 的 存 在 和 完 成 区 域资 源 潜 力 评 估 等 方 面 发 挥 了 关 键 性 作 用 ,产 生了 巨 大 的 社 会 与 经 济 效 应 。 以 著 名 的 64航 次 为 例 ,由 于 用 钻 探 船 舶 配 套 了 系 列 设 备 及 支 撑 技 术 ,因 此 在 大 于 2 000 的 沉 积 物 中 、 浅 层 成 功 取 得 了 天 然 气 水 合物 近 原 位 岩 心 (保 真 ) 样 品 。 尤 其 是 64航 次 的 相 关 工 作 集 采 集 — 地 球 物 理 解 释 成 果 验证 (主 要 是 针 对 所 谓 象 完 成 与 天 然 气 水合 物 矿 层 底 界 面 的 验 证 ) — 极 浅 层 含 矿 层 位 —天 然 气 水 合 物 稳 定 带 含 矿 品 位 定 量 数 据 求 取 —面 积 资 源 潜 量 评 估 — 重 大 商 业 开 发 价 值 确 定 这样 多 位 一 体 的 实 际 发 现 成 果 ;同 时 ,较 好 地 解 决了 深 海 调 查 异 常 工 区 定 位 与 深 海 钻 探 、 原 位 天然 气 水 合 物 样 品 采 集 、 保 存 、 随 船 资 源 定 量 评 估参 数 求 取 等 技 术 研 究 难 题 [4 ] 。该 型 取 心 器 在 国 际 上 颇 为 有 名 ,因 为 包 括系 列 资 源 评 估 定 量 数 据 [5 ]在 内 成 果 的 取 得 ,在 术 开 发 成 功 并 得 到 实 际 应 用 之 前 是 无 法想 象 的 。 它 使 深 海 天 然 气 水 合 物 矿 层 含 甲 烷 资源 的 定 量 评 估 成 为 可 能 ,并 能 够 与 油 气 资 源 潜力 评 估 工 作 相 当 ,开 始 实 现 准 确 评 估 参 数 定 量取 值 。 这 样 ,直 接 使 得 美 国 科 学 家 针 对 “ 布 莱 克海 脊 ” 天 然 气 水 合 物 含 甲 烷 量 及 资 源 潜 力 的 评估 达 到 了 “ 定 量 ” 水 平 ,并 进 一 步 启 示 了 美 国 开展 天 然 气 水 合 物 资 源 评 价 工 作 相 关 评 估 参 数 定量 取 质 的 工 作 ,而 且 在 前 人 工 作 的 基 础 上 ,能 够更 为 精 确 地 估 算 出 “ 布 莱 克 海 隆 ” 26 000 围 内 的 天 然 气 水 合 物 和 游 离 气 资 源 的 总 量 为 4× 1016 g ,根 据 1996 年 全 美 天 然 气 消 费 量 的 计算 ,可 满 足 美 国 今 后 105 年 的 需 求 [5 ] 。当 然 , 天 然 气 水 合 物 取 心 工 具 及 技术 体 系 并 非 十 全 十 美 ,其 中 ,取 心 率 比 较 低 ,在 作 中 孔 隙 水 被 海 水 污 染 的 现 象 很 普遍 [1 ] ,而 且 样 品 采 集 目 前 尚 不 能 实 现 真 正 意 义上 的 保 “ 真 ” ,即 术 体 系 中 美 中不 足 是 相 应 “ — 保 温 功 能 的 欠缺 。52  第 19 卷 第 6 期     许   红 ,等 :区 别 于 深 海 保 压 保 温 天 然 气 水 合 物 钻 探 取 心 技 术表 1   取 心 器 ( 、 取 心 筒 ( 日 本 保 压 保 温 取 心 器 ( 主 要 技 术 指 标. of 器 主 要 技 术 指 标 天 然 气 水 合 物 取 心 历 史 由 下 落 式 展 开 ,液 压 驱 动 ,岩 心 管 长 118 m ,直 径 9212 2 与 合 使 用 ;3 保 压 70 工 作 温 度 - 17178~ + 26167 ℃在 139、 141、 146、 164、 196、 204等 航 次 使 用 ,取 心 长 度 0~ 0186 m ,保持 压 力 0~ 50 取 长 6 m、 直 径 5718 心 ,保 压 ≤ 35 2 机 械 驱 动 ,绳 索 提 取 ,与 合 使 用 ;3 不 打 开 岩 心 筒 可 测 量 岩 样 压 力 和 温 度 ;4 球 阀 控 制 (调 整 需 2~ 5h)在 62、 76 等 航 次 中 使 用日 本 2 索 下 放 与 回 收 ,岩 心 直 径 66 长 度 3 m ;2 保 压 30 利 用 氮 气 蓄 压 器 控 制 压 力 ;3 保 温 采 用 绝 热 型 内 管 及 热 电 式 内 管 冷 却 两 种 方 式 ;4 采 用 21911 挺 和 16813 杆在 加 拿 大 麦 肯 齐 河 三 角 洲 马 立 克 2 日 本 石 油 公 司 柏 崎 实 验 场 和 日 本“ 南 海 海 槽 ” 水 合 物 探 井 中 使 用 ,取 心 率为 37 %~ 47 %2   新 型 天 然 气 水 合 物 原 位 样 品 采集 与 深 海 海 底 钻 具 的 重 要 特 征直 接 下 放 到 海 底 实 现 深 海 浅 表 层 天 然 气 水合 物 原 位 样 品 采 集 的 工 具 国 外 已 有 研 制 与 实践 ,如 德 国 “ 太 阳 号 ” 科 学 调 查 船 配 套 的 多 管 深水 极 浅 层 取 样 器 ( 。 系 利 用 钢 缆 承 重 并实 现 连 接 。 该 型 取 心 器 包 括 6 个 取 心 管 ,8 条水 下 支 撑 架 ,气 体 定 量 计 流 计 ,深 水 实 时 电 视 摄像 机 ,自 动 测 距 记 录 传 导 仪 ,异 频 雷 达 收 发 器 。该 型 取 心 器 特 点 是 简 单 ,可 操 作 性 强 ,针 对海 底 极 浅 层 目 标 进 行 工 作 。 1999 年 7 月 ,该 型取 心 器 随 德 国 “ 太 阳 号 ” 深 海 科 学 调 查 船 在 东 太平 洋 合 边 缘 “ 水 合 物 海 脊 ” 获 得 多 个长 80~ 140 岩 心 柱 。 在 岩 心 柱 距 海 底9 30 60~ 112 处 分 别 发 现 了 2~6 层 状 、 小 团 块 状 或 星 点 状 天 然 气 水 合物 实 物 样 品 。 该 型 取 心 器 还 不 能 算 是 真 正 意 义上 的 直 接 固 定 在 深 海 海 底 的 天 然 气 水 合 物 钻探 、 取 心 及 其 他 样 品 采 集 的 工 具 ,因 为 它 不 具 有动 力 和 保 压 保 温 的 功 能 ,但 具 备 了 高 技 术 配 置的 诸 多 特 点 。将 钻 机 配 置 直 接 固 定 在 深 海 海 底 的 天 然 气水 合 物 钻 探 、 采 心 技 术 设 备 与 在 深 海 底 实 现 天然 气 水 合 物 原 位 样 品 采 集 作 业 的 设 想 是 天 然 气水 合 物 及 其 他 样 品 钻 探 、 采 集 的 新 途 径 。 在 我国 研 究 开 发 领 域 尚 属 空 白 ,代 表 新 的 思 维 、 技 术模 式 、 设 计 方 案 与 科 学 方 法 ,可 以 部 分 满 足 浅 表层 天 然 气 水 合 物 调 查 作 业 的 需 求 ,在 我 国 现 行经 济 技 术 条 件 下 是 实 现 深 海 钻 探 与 原 位 天 然 气水 合 物 样 品 采 集 作 业 的 要 求 。 其 实 际 价 值 可 能真 正 体 现 在 对 于 学 计 划 的 高投 入 提 出 的 挑 战 — — — 这 类 钻 探 和 样 品 采 集 设 备可 以 实 现 以 最 小 的 花 费 实 现 尽 可 能 多 的 科 学 目的 。该 型 天 然 气 水 合 物 保 压 保 温 取 心 钻 具 由 6个 重 要 部 分 (件 )组 成 : ① 承 载 电 缆 连 接 器 ; ② 保压 保 温 取 心 管 ,包 括 内 外 取 心 管 和 利 用 电 能 或电 池 完 成 升 降 和 钻 探 取 样 的 动 力 与 驱 动 装 置 ;③ 可 开 合 式 机 架 及 传 动 装 置 ; ④ 深 海 密 封 和 保压 与 保 温 控 制 装 置 ; ⑤ 钻 头 驱 动 装 置 与 水 密 电机 ; ⑥ 取 心 钻 头 。 特 点 是 短 程 钻 、 小 吨 位 、 电 力或 电 池 驱 动 、 具 保 真 性 、 低 投 入 与 高 技 术 。最 重 要 的 技 术 特 征 也 表 现 在 该 钻 具 克 服 水深 的 方 式 :通 过 专 用 深 海 调 查 船 舶 实 现 千 米 钢缆 连 接 ,下 放 海 底 自 动 调 平 完 成 固 定 ;可 以 同 时实 现 深 海 浅 表 层 天 然 气 水 合 物 原 位 样 品 的 钻62 海 洋 地 质 动 态                       2003 年 6 月  探 、 取 心 ,进 而 实 现 样 品 的 保 压 2保 温 采 集 作 业 。因 此 ,直 接 将 钻 具 固 定 在 深 海 海 底 实 现 天然 气 水 合 物 原 位 样 品 保 压 保 温 采 集 作 业 的 新 型钻 具 简 称 为 着 底 式 钻 具 ,其 技 术 设 计 和 工 作 方法 是 我 国 目 前 经 济 技 术 条 件 下 ,实 现 深 海 浅 表层 有 限 钻 探 、 原 位 样 品 采 集 目 标 的 有 效 方 法 之一 。当 今 高 度 发 展 的 可 视 化 技 术 有 助 于 监 视 和控 制 水 下 钻 进 与 取 心 操 作 。 目 前 ,利 用 这 种 技术 在 浅 海 海 域 施 工 已 经 不 存 在 太 多 技 术 上 的 难题 ,我 国 也 已 具 备 这 种 技 术 和 设 备 ,并 已 取 得 成功 作 业 的 经 验 ;但 在 深 海 底 尤 其 在 我 国 目 前 海洋 调 查 船 舶 技 术 设 备 条 件 下 要 满 足 和 达 到 针 对浅 表 层 天 然 气 水 合 物 含 矿 层 位 成 功 进 行 钻 探 、采 集 的 目 的 ,实 现 保 真 性 、 安 全 性 、 经 济 性 作 业 ,以 较 小 的 花 费 达 到 尽 可 能 多 工 作 科 学 目 标 ,尚须 克 服 一 系 列 技 术 上 的 难 题 。 但 这 一 定 是 一 条前 景 光 明 的 探 索 之 路 ,已 经 具 有 了 取 得 成 功 的必 要 条 件 。致 谢 :参 加 本 项 工 作 并 做 出 重 要 贡 献 的 科技 人 员 尚 有 :张 训 华 ,李 春 ,胡 敬 东 ,罗 友 高 ,崔汝 勇 ,龚 建 明 ,胡 三 华 ,张 毅 ,邢 洁 本 ,藤 锦 ,柏澜 ,吴 江 宁 ,李 敬 ,谢 可 兵 ,刘 忠 铭 ,钟 剑 波 ,邓 智勇 等 。参 考 文 献 :[ 1 ]   W , R , P ,et of of in in ] . 1996 , 10 ,493 — 505.[2 ]   A. A is J ] . 1988 ,71 :41 — 51.[ 3 ]   of J ] 2001 ,179 :71 — 83.[4 ]   64 of in a ] 1996 ,385 ,426 — 428.[5 ]   et ] . 2001 ,26 :6 — 利 亚 大 堡 礁 的 新 测 年 龄 值不 久 前 ,澳 大 利 亚 的 海 洋 学 家 测 定 了 沿 澳大 利 亚 东 北 海 岸 延 伸 达 2 000 大 堡 礁 的年 龄 。 结 果 显 示 ,由 珊 瑚 礁 及 珊 瑚 岛 组 成 的 巨大 水 下 构 筑 物 的 年 龄 是 600 这 个 测 年 数 据是 根 据 对 深 度 分 别 为 86 m 和 210 m 的 两 个 钻孔 岩 心 的 研 究 而 得 出 的 。 独 立 的 锶 同 位 素 对 比关 系 分 析 证 实 了 这 个 年 龄 ,而 磁 法 — 地 层 学 的研 究 表 明 ,在 地 球 磁 场 最 近 一 次 倒 转 之 后 ,珊 瑚礁 体 在 继 续 生 长 。朱 佛 宏   编 译 自 《 П р и р о д а 》 ,2001 ,12 ,2772  第 19 卷 第 6 期     许   红 ,等 :区 别 于 深 海 保 压 保 温 天 然 气 水 合 物 钻 探 取 心 技 术of A D F 2 , J 66071 , 2 3 00035 ,4 30064 ,5 00084 ,,2003 ,19 (6) :24227At of in by is to a a or of to to 00~ 1 000 m in to is to on F 2 , 66071 ,2 66003 , 3 50071 ,,2003 ,19 (6) :31236to is a in in in In an is in by of an of is on 32a on is to of of on to of of VO to is
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