【论文推荐】| 天然气水合物储层岩心保压转移及测试系统研制与试验研究

论文导读与观点概要

一、研究目的

天然气水合物是20世纪60年代发现的、具有数百万年稳定性的天然气资源，能量密度高、清洁、资源丰富，是一种具有可持续发展潜力的战略能源，美国、加拿大、日本、印度、中国和韩国等已在各自管辖海域展开资源勘探竞争。海底天然气水合物保压取心技术能够为水合物理化性质与矿产储量条件的实验室研究提供最接近原位条件的储层样品，可支撑地球物理测量、地质力学测试与水合物定量分析等工作；而保压岩心的现场转移是保障后续测试分析结果可靠的重要前提，储层岩心保压转移及测试系统正是衔接钻探取心与实验室测试分析之间的关键环节。国际上，英国Geotek公司的PCATS系统最大工作压力35 MPa，可处理长3.5 m、外径63 mm的柱状岩心，操作温度4~30 ℃，已参与全球几乎所有水合物钻探项目；欧盟HYACINTH系统最大工作压力25 MPa；美国佐治亚理工学院PCCTs系统工作压力35 MPa、可处理长1.2 m岩心；日本PNATs系统通过光学可视化与数字图像处理提高了保压岩心三轴试验的可靠性。相比之下，国内相关技术仍处于跟踪分析与前期探索阶段：863计划资助的天然气水合物岩心保压转移切割系统最大工作压力20 MPa、可处理长1.2 m外径67 mm岩心，但未集成X射线计算机扫描与温度控制功能；中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院的带压转移装置工作压力25 MPa，仅具备转移功能；中国地质大学（武汉）的带压参数测试系统工作压力30 MPa，未集成CT扫描且未经海试；北京探矿工程研究所的系统不具备温控功能，海试情况亦未见报道。以往我国海底水合物资源调查任务主要依靠租赁国外设备完成钻探取心、保压转移与测试分析，成本高且易造成我国海域地质资料泄露。为此，本文基于中国天然气水合物资源勘探的实际需求，自主研制一套适配国内外海底钻机保压取心钻具与钻探船钻具、集保温保压、岩心推送、切割、存储与在线检测于一体的天然气水合物储层岩心保压转移及测试系统，并通过实验室耐压试验与南海海试验证其工作性能。

二、研究方法

（1）系统总体设计。样机安装于3个可快速拼接与拆分的集装箱实验室中：左侧为制冷设施室，维持试验过程中实验室与转移系统所需的低温环境；中间为控制与检测室，供试验人员操作测控系统与测试装置；右侧为冷藏储存室，作为取心工具与转移系统对接及取心工具与岩心存储装置的存放点。系统由温压维持单元、岩心推送单元、岩心切割单元、CT扫描成像单元、P波测速单元、测控单元、球阀、取心工具对接单元和岩心存储装置组成，按钻具安装、岩心抓取、岩心切割、岩心转移、岩心储存、系统泄压六个步骤循环作业。

（2）压力维持与温度控制。海水冷却系统将常温海水冷却至2 ℃，经压力维持系统增压后进入转移装置，为水合物岩心提供高压低温环境。压力维持系统采用压力补偿泵保压回路与控制系统相结合的方案，由压力补偿泵、气动增压泵和控制系统等构成，配合球阀、针阀、安全阀、压力传感器、压力表等海水液压元件实现保压：气动增压泵用于初始充水排气、增压及手动补压，压力补偿泵用于试验过程中保压，安全阀用于超压卸荷。控制系统预先写入水合物稳定带的温压范围，通过压力与温度传感器实时监测，一旦超出稳定带即开启柱塞泵向装置内充入高压低温海水降温增压，达到设定范围后关闭柱塞泵进入保压状态，从而避免液压泵长时间工作发热造成系统温升。

（3）岩心长行程平稳转移。长行程转移装置采用直线传动原理，由电机、保压筒、端盖、抱箍、丝杠副、滑块、齿轮副和抓手等组成，电机驱动丝杠将旋转运动转化为抓手的平移运动，实现岩心在系统内长距离前进与后退。为减小丝杠和抓手因自重产生的变形，设计了通过连杆固连、不产生相对位移的两个支撑块A与B：支撑块A经弹簧卡扣与滑块连接，作用力小时随滑块移动、作用力大时卡扣脱开，两者同时对丝杠和抓手起支撑作用。装置在转移切割测试全过程中依次经历初始待抓、右移抓取、拖动岩心左移、回到初始位置临时存储四种状态。

（4）岩心带压切割。针对高压低温且不可视环境下快速平稳切割、兼顾防止壁厚仅1.1 mm的塑料岩心管破裂、减少切屑并控制装置体积的需求，采用旋转切割代替往复切割，切割时岩心保持不动、刀具旋转并缓慢平稳进刀以减小扰动。切割装置由耐压壳体、连接端盖、岩心夹紧机构和岩心切割机构组成，壳体可承受35 MPa内压，端盖通过抱箍实现与其他单元的快速连接。夹紧机构由蜗轮蜗杆副、螺旋槽盘、定位盘、夹具和手轮组成，采用手动控制并通过计数器显示夹具定位；切割机构由两套蜗轮蜗杆副、螺旋槽盘、定位盘、刀具和电机组成，电机1单独工作控制刀具进退，电机1与电机2同时工作并通过转速差实现刀具边旋转边前进。螺旋槽按等速比的阿基米德螺旋线设计，节距取2.5 mm，夹紧与切割螺旋槽盘的方程区间分别设为[12.39π，26.55π]和[11.43π，29.02π]，以保证每个旋转周期进给距离相等、切割面平整。

（5）保压钻具对接。以海牛Ⅱ号海底钻机取心钻具为例，钻具由弹卡机构、保压阀机构、内管接头、内管、岩心管和保压帽等组成，因保压帽一端装有花瓣结构无法取出岩心管，故岩心转移需从内管接头一端进行。研制的保压钻具脱管装置由夹紧单元、旋转脱管单元和保压单元组成：夹紧单元固定内管接头使其不能旋转或移动，旋转脱管单元通过蜗轮蜗杆副与长平键连接的滑套带动内管旋转以拧松螺纹，保压单元由保压筒、特制螺栓、钢丝绳、螺纹杆和螺纹帽组成，用于将内管向后拖动实现接头与内管分离。脱管按钻具安装、脱管装置增压至内外压力平衡、钻具脱管三步完成。

（6）保压转移全过程测控。测控系统由下位机控制系统与上位机监控软件构成，下位机接收命令控制电机动作并回传速度、扭矩及温压数据，上位机以仪表盘和曲线图形式显示，界面设转移过程动态显示区、电机状态显示区、压力与温度显示区、电机工作状态显示区、工作日志区和岩心移动与切割控制区，实现转移切割全过程可视可控。

（7）试验验证方案。实验室打压试验按充水排气后升至6 MPa保压10 min，依次增压至12、18、24 MPa每级保压10 min，再升至30 MPa保压60 min、35 MPa保压90 min，随后缓慢泄压至30 MPa保压30 min并按级差逐级泄压，以考核耐压与密封性能。海试方面，2021年3—4月系统搭载HYDZ2-202101航次在南海处理海牛Ⅱ号海底钻机取得的保压岩心，完成两个站位4根岩心的转移并测试全部功能与技术指标；2021年4—5月搭载HYDZ2-202102航次协助广州海洋地质调查局水合物中心完成地质勘查任务；2023年11—12月及2024年4—5月两次搭载海洋石油708船处理钻探船钻具获取的保压岩心并完成南海海试。

三、研究结果

（1）耐压与密封性能达标。打压试验中各保压时间段内压力均无明显变化、保持稳定，表明样机未发生泄漏、密封性良好；在35 MPa内压下系统未发生变形和破裂，耐压能力达标，可在0~35 MPa高压环境下工作。

（2）海试指标全面满足设计要求。HYDZ2-202101航次处理的4根岩心（210408-02、210408-04、210413-03、210413-05）取样水深2 062.7~2 063.7 m，岩心长度均为3.0 m，单根试验时长1.5~7.0 h，试验压力20.12~22.07 MPa，试验温度3.43~3.86 ℃；其中3根完成1~3次切割，切割长度分别为0.1、0.5、1.0、1.2 m，1根因无岩心未切割。系统可在35 MPa高压下将长3.0 m的岩心从保压钻具中转移出来，切割成岩心段存放到样品存储筒中，并在转移过程中同步完成在线检测。

（3）温压精准维持在水合物稳定带内。以岩心210413-05为例，在7 h试验过程中系统压力整体稳定在20 MPa左右，局部实际压力介于19.85~20.15 MPa，压力波动不超过1.5%；转移系统内温度稳定维持在3.0~4.5 ℃。综合大量实验室与海上试验数据，系统压力波动最大值不超过3.8%，切割定长误差不超过2 mm，可实现岩心定长无损切割。将压力与温度结果对比天然气水合物稳定带数据可知，所研制的设备能够提供水合物储层岩心所需的原位环境，完全适用于水合物勘探现场保压岩心的转移与测试。

（4）在线检测功能有效。岩心X射线成像清晰呈现内部结构细节与孔隙结构特征，可明确区分高密度区域、裂隙网络和低密度孔隙空间，据此可直观判断岩心中是否含水合物及水合物的基本形态，为岩心样品段的选取与切割提供依据；通过灰度值定量分析还可进一步区分矿物组分及其分布，为孔隙度、渗透率等参数计算提供可视化依据。岩心P波速度曲线直观反映弹性波在岩心内部的传播特性：高速区对应致密低孔隙岩层带，低速区指示高孔隙度、裂隙发育或含流体部位，部分区域的波速突变界面可能源于岩性转换或断层破碎带。P波测速与X射线成像结合可快速筛选有价值的岩心，显著提高钻探现场岩心处理速度，被选取的重要岩心段再经切割与保压存储用于后续深入分析。

四、结论

相关图表

本文引用格式：高巧玲, 陈家旺, 南立文, 等. 天然气水合物储层岩心保压转移及测试系统研制与试验研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(4): 226-238.  (GAO Qiaoling, CHEN Jiawang, NAN Liwen, et al. Development and experimental research on pressure-retaining transfer and testing system for gas hydrate reservoir cores[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(4): 226-238.  (in Chinese)）

作者简介：   

高巧玲（1991—），女，助理研究员，主要从事海洋机电装备研究。E-mail：gaoqiaoling@donghailab.com

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