海底天然气水合物保压绳索取心钻机钻进工艺的制作方法

本发明涉及一种海底天然气水合物保压绳索取心钻机钻进工艺。

背景技术

海底天然气水合物作为一种新型的海底能源资源，储量十分巨大。全球海底天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍，在我国南海、东海蕴藏量也十分丰富，具有广阔的开发前景。我国作为一个石油资源紧缺的发展中大国，勘探开发海底天然气水合物资源作为替代能源，已成为国家的一项重大战略决策。利用海底保压绳索取心钻机对海底天然气水合物进行保压取心钻探是圈定海底天然气水合物矿体形态、摸清海底天然气水合物地质条件、进行海底天然气水合物资源经济技术评价所必不可少的一个技术步骤和手段。由于海底天然气水合物在海底的赋存常常表现为与沉积物、沙或硬岩等交错或混合分布，形成以较软的沉积物为代表的软地层，以较硬的沉积物地层、砂层或未完全固结的水合物层为代表的中硬地层，以及由坚硬的沉积物地层、完全固结的水合物层或硬岩地层为代表的硬地层，国内外均缺少利用海底保压绳索取心钻机、海底非保压绳索取心钻机和海底非保压普通钻机对海底天然气水合物进行高效、高取心率钻探取心的技术经验，同时，由于海底天然气水合物形成和存储在低温高压环境下，实现所取岩心样品的保压密封也异常关键，因此，如何利用海底保压绳索取心钻机对海底天然气水合物进行高效、高取心率取心，并实现保压密封是一个亟待解决的技术与工艺问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种适用于海底保压绳索取心钻机的海底天然气水合物保压绳索取心钻进工艺，该保压绳索取心钻进工艺具有钻进效率高、取心率高、保压性能好、自动化程度高等优点。

本发明采用的技术方案是：一种海底天然气水合物保压绳索取心钻机钻进工艺，其采用的取心设备包括海底保压绳索取心钻机、多根绳索取心专用钻杆、多根带保压密封盖的保压绳索取心内管、保压绳索取心外管钻具，所述的海底保压绳索取心钻机上安装有高压海水冲洗泵、海水抽吸缸、冲洗水换向阀和保压密封盖拧卸机构，高压海水冲洗泵的出水口和海水抽吸缸的无杆腔入口经冲洗水换向阀与海底保压绳索取心钻机的钻进动力头主动钻杆的内孔连通，冲洗水换向阀可根据需要切换钻杆内孔分别与高压海水冲洗泵的出水口或海水抽吸缸的无杆腔入口连通，海水抽吸缸的有杆腔则与外部海水连通；海水抽吸缸活塞杆顶端与海底保压绳索取心钻机推进油缸活塞杆顶端通过绞链连接，以使海水抽吸缸与海底保压绳索取心钻机推进油缸同步动作；

包括以下步骤：

步骤1：先将多根绳索取心专用钻杆、多根空的带保压密封盖的保压绳索取心内管安放至海底保压绳索取心钻机储管架上，将1根空的不带保压密封盖的保压绳索取心内管放入保压绳索取心外管钻具内，将一个保压密封盖放入海底保压绳索取心钻机上的保压密封盖拧卸机构内，然后将海底保压绳索取心钻机吊放入水，当海底保压绳索取心钻机在海底表面着底后，通过海底保压绳索取心钻机上的调平支腿对海底保压绳索取心钻机进行调平和支撑；

步骤2：当待钻地层为较软的沉积物地层时，采用抽吸纯压入取心钻进模式钻进：利用冲洗水换向阀将海水抽吸缸的无杆腔入口与钻杆内孔连通，由海底保压绳索取心钻机的钻进动力头通过钻杆和保压绳索取心外管钻具向保压绳索取心外管钻具前部的环形钻头施加压力使其以恒定的速度切入海底沉积物中，同时海水抽吸缸从钻杆中抽取与进入保压绳索取心内管的岩心样品基本等体积的海水；

当待钻地层为较硬的沉积物地层、砂层或未完全固结的水合物层时，首先以抽吸纯压入取心钻进模式钻进，当钻进动力头的推进力大于其最大推进力的40%，或推进力大于2吨，且钻进速度小于9mm/s时间超过1min时，则变换为采用抽吸式回转取心钻进模式钻进：在保持钻进动力头以恒定的速度向下推进的同时启动钻进动力头的旋转驱动功能，通过钻杆带动保压绳索取心外管钻具前部环形钻头在合适压力下旋转切入海底地层，同时海水抽吸缸从钻杆中抽取与进入保压绳索取心内管的岩心样品基本等体积的海水；

当待钻地层为坚硬的沉积物地层、完全固结的水合物层或硬岩地层时，首先以抽吸式回转取心钻进模式钻进，当钻进动力头的推进力大于其最大推进力的50%，或推进力大于2.5吨，且钻进速度小于3mm/s时间超过1min时，则变换为采用泵送正循环回转取心钻进模式钻进：将冲洗水换向阀切换至将高压海水冲洗泵的出水口与钻杆内孔连通，启动高压冲洗水泵，在钻杆带动保压绳索取心外管钻具前部环形钻头旋转切入海底地层的同时，高压海水经钻杆和保压绳索取心内管与保压绳索取心外管钻具之间的环状间隙，流经保压绳索取心外管钻具前部环形钻头的出水口到达孔底，对保压绳索取心外管钻具前部环形钻头进行冷却，并携带孔底岩粉沿钻杆和孔壁间的环状间隙上返至孔口；

步骤3：在该回次钻进结束后，操作钻进动力头上行，利用安装在保压绳索取心内管内的带花瓣的岩心卡环拔断岩心，之后钻进动力头带着钻杆、保压绳索取心外管钻具以及保压绳索取心内管上行至卸保压绳索取心内管位置；

步骤4：利用打捞绞车下放打捞器，将装有岩心的保压绳索取心内管打捞至海底保压绳索取心钻机上，钻进动力头主动钻杆与下部钻杆卸扣分离并上升至最高位，将装有岩心的保压绳索取心内管移动至保压密封盖拧卸机构上方；

步骤5：将保压密封盖拧紧到保压绳索取心内管上，实现对保压绳索取心内管的密封，将装有岩心的密封的保压绳索取心内管放至海底保压绳索取心钻机储管架上；

步骤6：操作钻进动力头主动钻杆与下部钻杆重新连接，利用冲洗水换向阀切换至高压海水冲洗泵的出水口与钻杆内孔连通，启动高压海水冲洗泵和钻进动力头旋转钻进，利用高压海水冲洗泵多次冲孔，冲孔是指利用钻进动力头带动钻杆及保压绳索取心外管钻具从孔底上行1.5m~2.0m后停留20~30秒，再下行回到孔底；

步骤7：操作钻进动力头主动钻杆与下部钻杆卸扣分离并上升至最高位，取出一根空的保压绳索取心内管送至保压密封盖拧卸机构上方，将保压密封盖从空的保压绳索取心内管上拧卸下来；

步骤8：将卸掉了保压密封盖的空的保压绳索取心内管下放至保压绳索取心外管钻具内；

步骤9：加接1根钻杆；

步骤10：以步骤6相同的方法进行多次冲孔；

步骤11：步骤6和步骤10择一或二进行；判断钻进取心是否至给定孔深，若达到给定孔深，进行下一步操作，若没有达到给定孔深，则重复步骤2-步骤10，直到钻进取心至给定孔深；

步骤12：回收钻杆及保压绳索取心外管钻具；

步骤13：回收海底保压绳索取心钻机。

上述的海底天然气水合物保压绳索取心钻机钻进工艺中，所述步骤2中，纯压入速度为20±2mm/s。

上述的海底天然气水合物保压绳索取心钻机钻进工艺中，所述步骤2中，以抽吸式回转取心钻进模式钻进时，钻进动力头的转速为30~150r/min，同时钻进速度为4±2mm/s。

上述的海底天然气水合物保压绳索取心钻机钻进工艺中，所述步骤2中，以泵送正循环回转取心钻进模式钻进时，钻进动力头的转速为30~150r/min，钻进速度为3±2mm/s，高压海水冲洗泵的泵量为50~100l/min。

上述的海底天然气水合物保压绳索取心钻机钻进工艺中，所述步骤2中，以泵送正循环回转取心钻进模式钻进时，当钻进速度上升至8mm/s以上并持续20秒，则恢复至抽吸式回转取心钻进模式。

上述的海底天然气水合物保压绳索取心钻机钻进工艺中，所述步骤2中，以抽吸式回转取心钻进模式钻进时，如果钻进速度上升至18mm/s以上并持续20秒，则恢复至步骤2的抽吸纯压入取心钻进模式。

上述的海底天然气水合物保压绳索取心钻机钻进工艺中，所述步骤4中，打捞绞车下放打捞器时，下放速度为18~25m/min；打捞绞车和打捞器带保压绳索取心内管上行时，上行速度为30~40m/min。

上述的海底天然气水合物保压绳索取心钻机钻进工艺中，所述步骤6和步骤10中，当钻孔深度小于10m时，冲孔2~3次；当钻孔深度为10m~30m时，冲孔3~4次；当钻孔深度大于30m时，冲孔次数大于5次；下行冲孔时，高压海水冲洗泵的泵量为50~80l/min，上行冲孔时，高压海水冲洗泵的泵量为100~200l/min。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明可根据不同地层性质，由钻机自动控制系统自动切换或人工强制切换抽吸纯压入取心钻进模式、抽吸式回转取心钻进模式和泵送正循环回转取心钻进模式，有效提高钻进效率和取心率；

（2）本发明利用保压密封盖拧卸机构将保压密封盖拧紧到保压绳索取心内管上，实现对保压绳索取心内管的密封，保压性能好；

（3）本发明可实现海底保压绳索取心钻机在海底全自动遥控操取心钻进作业，自动化程度高、钻进效率高，可有效降低作业成本。

附图说明

图1是本发明采用的取心设备的结构示意图。

图2是本发明的保压绳索取心内管的结构示意图。

图3是本发明的保压绳索取心内管与保压密封盖拧紧后的状态。

图中：1-高压海水冲洗泵，2-冲洗水换向阀，3-钻进动力头滑轨架，4-推进油缸，41-推进油缸活塞杆，5-海水抽吸缸，51-海水抽吸缸活塞杆，52-海水抽吸缸活塞，6-底座，7-调平支腿，8-水管，9-打捞钢丝绳，10-打捞绞车，11-钻进动力头，12-打捞器，13-钻进动力头主动钻杆，14-钻杆，15-保压密封盖，16-保压密封盖拧卸机构，17-保压绳索取心外管钻具，171-环形钻头，18-保压绳索取心内管，181-轴承组合，182-带花瓣的岩心卡环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1-图3所示，本发明采用的取心设备包括海底保压绳索取心钻机、多根钻杆14、多根带保压密封盖15的保压绳索取心内管18、保压绳索取心外管钻具17，所述的海底保压绳索取心钻机上安装有高压海水冲洗泵1、海水抽吸缸5、冲洗水换向阀2和保压密封盖拧卸机构16，高压海水冲洗泵1的出水口和海水抽吸缸5的无杆腔入口经冲洗水换向阀2与海底保压绳索取心钻机的钻进动力头主动钻杆13的内孔连通，冲洗水换向阀2可根据需要切换钻杆内孔与高压海水冲洗泵1的出水口或海水抽吸缸5的无杆腔入口连通。海水抽吸缸5的有杆腔则与外部海水连通；海水抽吸缸活塞杆51的顶端与海底保压绳索取心钻机的推进油缸活塞杆41的顶端通过绞链连接，以使海水抽吸缸与海底保压绳索取心钻机推进油缸同步动作。

推进油缸4和海水抽吸缸5安装在底座6上，底座6上安装有钻进动力头滑轨架3，钻进动力头滑轨架3上一侧设有竖直滑轨，所述的钻进动力头11设置在竖直滑轨上，能够沿着竖直滑轨移动，底座6底部设有多个调平支腿7。所述的推进油缸4的推进油缸活塞杆41上端处设有两个滑轮，两个滑轮上下设置。所述的钻进动力头滑轨架3的顶部和底部分别设有滑轮。上钢丝绳的一端与钻进动力头滑轨架3的顶部固定连接，另一端依次绕过推进油缸4活塞杆上端的两滑轮中位于上方的一个及钻进动力头滑轨架3的顶部的滑轮与钻进动力头11连接，下钢丝绳的一端与钻进动力头滑轨架3的底部固定连接，另一端依次绕过推进油缸4活塞杆上端的两滑轮中位于下方的一个及钻进动力头滑轨架3的底部的滑轮与钻进动力头11连接。钻进动力头11上设有钻进动力头主动钻杆13，钻进动力头主动钻杆13既可以与钻杆14上端丝扣连接，又可以与保压绳索取心外管钻具15上端丝扣连接，钻杆14下端丝扣可以与保压绳索取心外管钻具15上端丝扣连接。钻进动力头11上还设有连通钻进动力头主动钻杆13的孔，钻进动力头主动钻杆13内设有打捞器12，钢丝绳的一端与打捞器12连接，另一端穿过钻进动力头11上的孔与打捞绞车连接。

本发明包括以下步骤：

步骤1：先将多根绳索取心专用钻杆、多根空的带保压密封盖的保压绳索取心内管安放至海底保压绳索取心钻机储管架上，将1根空的不带保压密封盖的保压绳索取心内管放入保压绳索取心外管钻具内，将一个保压密封盖放入海底保压绳索取心钻机上的保压密封盖拧卸机构内，然后将海底保压绳索取心钻机吊放入水，当海底保压绳索取心钻机在海底表面着底后，通过海底保压绳索取心钻机上的调平支腿对海底保压绳索取心钻机进行调平和支撑。

步骤2：当待钻地层为较软的沉积物地层，则采用软地层抽吸纯压入取心钻进模式：利用冲洗水换向阀将海水抽吸缸的无杆腔入口与钻杆内孔连通，由海底保压绳索取心钻机的钻进动力头通过钻杆和保压绳索取心外管钻具向保压绳索取心外管钻具前部的环形钻头施加压力使其以恒定的速度切入海底沉积物中，同时海水抽吸缸从钻杆中抽取与进入保压绳索取心内管的岩心样品基本等体积的海水；纯压入速度为20±2mm/s。

当待钻地层为较硬的沉积物地层、砂层或未完全固结的水合物层，以抽吸纯压入取心钻进模式钻进时钻进压力很大而钻进速度仍然很缓慢，即钻进动力头的推进力为其最大推进力的40%，或推进力为2吨，且钻进速度小于9mm/s时间超过1min时，则变换为采用抽吸式回转取心钻进模式：在保持钻进动力头以恒定的速度向下推进的同时启动钻进动力头的旋转驱动功能，通过钻杆带动保压绳索取心外管钻具前部环形钻头在合适压力下旋转切入海底地层，同时海水抽吸缸从钻杆中抽取与进入保压绳索取心内管的岩心样品基本等体积的海水。钻进动力头的转速为30~150r/min，同时钻进速度为4±2mm/s。当以抽吸式回转取心钻进模式钻进时如果钻进速度上升至18mm/s以上并持续20秒时，则恢复至抽吸纯压入取心钻进模式钻进。

当待钻地层为坚硬的沉积物地层、完全固结的水合物层或硬岩地层，以抽吸式回转取心钻进模式钻进时钻进压力仍然很大且钻进速度仍然很缓慢，即钻进动力头的推进力大于其最大推进力的50%，或推进力大于2.5吨，且钻进速度小于3mm/s时间超过1min时，则变换为采用泵送正循环回转取心钻进模式：将冲洗水换向阀切换至将高压海水冲洗泵的出水口与钻杆内孔连通，启动高压冲洗水泵，在钻杆带动保压绳索取心外管钻具前部环形钻头旋转切入海底地层的同时，高压海水经钻杆和保压绳索取心内管与保压绳索取心外管钻具之间的环状间隙，流经保压绳索取心外管钻具前部环形钻头的出水口到达孔底，对保压绳索取心外管钻具前部环形钻头进行冷却，并携带孔底岩粉沿钻杆和孔壁间的环状间隙上返至孔口。钻进动力头的转速为30~150r/min，钻进速度为3±2mm/s，高压海水冲洗泵的泵量为50~100l/min。当以泵送正循环回转取心钻进模式钻进时如果钻进速度上升至8mm/s以上并持续20秒时，则恢复至抽吸式回转取心钻进模式钻进。

步骤3：在该回次钻进结束后，操作钻进动力头上行，利用安装在保压绳索取心内管内的带花瓣的岩心卡环拔断岩心，之后钻进动力头带着钻杆、保压绳索取心外管钻具以及保压绳索取心内管上行至卸保压绳索取心内管位置。

步骤4：利用打捞绞车下放打捞器，打捞绞车下放打捞器时，下放速度为18~25m/min；将保压绳索取心外管钻具内装有岩心的保压绳索取心内管打捞至海底保压绳索取心钻机上，打捞绞车和打捞器带保压绳索取心内管上行时，上行速度为30~40m/min。钻进动力头主动钻杆与下部钻杆卸扣分离并上升至高位，利用机械手将装有岩心的保压绳索取心内管移动至保压密封盖拧卸机构上方。

步骤5：利用保压密封盖拧卸机构将保压密封盖拧紧到保压绳索取心内管上，实现对保压绳索取心内管的密封，并利用机械手将装有岩心的密封的保压绳索取心内管放至海底保压绳索取心钻机储管架。

步骤6：操作钻进动力头主动钻杆与下部钻杆重新连接，利用冲洗水换向阀切换至将高压海水冲洗泵的出水口与钻杆内孔连通，启动高压海水冲洗泵和钻进动力头旋转钻进功能，利用高压海水冲洗泵多次冲孔，冲孔是指利用钻进动力头带动钻杆及保压绳索取心外管钻具从孔底上行1.5m~2.0m后停留20~30秒，再下行回到孔底。当钻孔深度小于10m时，冲孔2~3次；当钻孔深度范围在10m~30m时，冲孔3~4次；当钻孔深度大于30m时，冲孔次数大于5次；下行冲孔时，高压海水冲洗泵的泵量为50~80l/min，上行冲孔时，高压海水冲洗泵的泵量为100~200l/min。

步骤7：操作钻进动力头主动钻杆与下部钻杆卸扣分离并上升至最高位，利用钻机上机械手从钻机储管架上取出一根空的保压绳索取心内管送至保压密封盖拧卸机构上方，利用保压密封盖拧卸机构将保压密封盖从空的保压绳索取心内管上拧卸下来，并将保压密封盖暂存在保压密封盖拧卸机构中。

步骤8：在钻机上机械手、打捞器和打捞绞车的配合下将卸掉了保压密封盖的空的保压绳索取心内管下放至保压绳索取心外管钻具内。

步骤9：加接1根钻杆。

步骤10：以步骤6相同的方法进行多次冲孔。

步骤11：步骤6和步骤10择一或二进行；即根据实际需要，选择步骤6和步骤10中的任一步骤进行冲孔，或者同时保留步骤6和步骤10的冲孔操作。判断钻进取心是否至给定孔深，若达到给定孔深，进行下一步操作，若没有达到给定孔深，则重复步骤2-步骤10，直到钻进取心至给定孔深。

步骤12：回收钻杆及保压绳索取心外管钻具。

步骤13：回收海底保压绳索取心钻机。