摘要
保温保压取样，作为开展海域天然气水合物勘查工作的关键技术方法，是采获水合物原位样品的核心技术手段。本文对国内外海域天然气水合物保温保压取样钻具的相关资料进行了汇总梳理，并从工作原理、结构特点和试验应用等方面对国内保温保压取样钻具的研究与应用进展进行了分析与总结。通过采用不同的工作原理，国内保温保压取样钻具已能够在软-中硬-硬地层中进行取样，在工程应用中的保压成功率、岩心收获率等性能指标能够满足取样需求，有效推进了天然气水合物勘查评价自主化实施进程。
天然气水合物，因资源量丰富、能量高度压缩、清洁环保等特点，成为未来理想的战略接替能源之
美国、日本、欧盟等国家对天然气水合物保温保压取样工具的研究起步较早，已发展出多种类型的天然气水合物保温保压取样工具，比如日本研制的PTCS和Hybrid PCS，欧盟研制的FPC和HRC以及大洋钻探计划中的PCS和PCB。这些钻具借助于ODP、DSDP等国际大洋钻探计划以及诸多以天然气水合物为目的的商业钻探航次的实施，通过在实践应用中不断完善，已成功应用于世界各地的天然气水合物钻探取样工作中（见
注： HRC和FPC自研制出后，又经过辉固公司的发展应用，目前已成为国际大洋钻探计划中天然气水合物航次中应用最广泛的保压取心设备，并能够与Geotek公司研制的PCATS系统对接，实现保温保压转移。
相比之下，我国对海域天然气水合物保温保压取样工具的研究起步较晚，目前国内已经形成了多种类型的取样钻具（见
尽管近年来国家对天然气水合物资源的重视与投入逐渐加大，但在保温保压取样技术的发展与应用上，仍与国外存在不小的差距。为此，北京探矿工程研究所在地质调查项目的支持下，对保温保压取样技术开展了深入研究，先后研发出压入式板阀保温保压取样钻具和回转式球阀保温保压取样钻具。本文将从工作原理、特点、试验与应用等方面对这2种钻具进行重点介绍。
TKP-1型钻具的工作原理是压入取样，即当钻具落入井底的外管总成中后，启动泥浆泵，利用钻具上的密封，使得钻杆内泵压不断升高，当达到液动锤工作压力后，液动锤开始工作并锤断销钉，同时不断推动钻具内管压入地层，完成取样工
在结构方面（见
图1 TKP-1型压入式板阀保温保压取样钻具结构示意
Fig.1 Structural diagram of the press‑in plate valve pressure‑temperature core sampler （TKP-1）
该型取样钻具的特点如下：
（1）采用模块化设计，能够与常规取样钻具共用外管总成。
（2）钻具总长度3.5 m，岩心筒长度1 m，样品直径为52 mm。
（3）保压性能≤20 MPa。
（4）在取心过程中，失温速率<5 ℃/h。
（5）适用于软-中硬地层，组装拆卸方便，安全可靠。
2015年4月，该型取样钻具在中国南海100 m水深海域进行钻探取心试验，打捞成功率100%，保压成功率达到33%。随后对取样器保压机构等进行了优化升级。同年7月在中国南海804 m及1392 m水深海域再次进行了海试，共计进行了6个回次的保压取样，5个回次连续保压成功，压力损失均在10%以下，且4个回次取到满管样品。
基于2次海试的成功和取样经验，同年9月利用该型钻具在南海水深1309 m海域进行了天然气水合物取样作业，在天然气水合物富集层位累计进行了18回次取样作业，钻探进尺18 m，总计获得岩心长度>9.85 m，岩心采取率>54.7%；有14回次样品管压力>10 MPa，保压成功率达到了77.7%，具体性能指标见
图2 保压样品红外扫描及现场集气点火
Fig.2 Infrared scanning image of pressure holding sample and field gas gathering and ignition
在该次天然气水合物取样作业中，压入式板阀保温保压取样钻具在保压成功率方面，略高于国外钻具，但在样品直径、长度、最大工作压力以及岩心收获率方面仍有差距（见
TKP-2型钻具是在TKP-1型钻具的基础上研发的，能够采获赋存在中硬-硬地层中的天然气水合物样品。该型取样钻具的工作原理是随钻取样，即当钻具落入井底的外管总成中后，启动顶驱与泥浆泵，开始旋转钻进。在钻进时，外管带动取样钻具旋转，岩心逐渐进入岩心管中，取样结束后打捞取样工具时，通过差动实现球阀翻转关闭，保持岩心管内部压力。
在结构方面（见
图3 TKP-2型回转式球阀保温保压取样钻具结构示意
Fig.3 Structural diagram of the rotary ball valve pressure‑temperature core sampler （TKP-2)
该型取样钻具的特点如下：
（1）与常规取样钻具共用外管总成，组装拆卸方便，安全可靠。
（2）钻具总长度4.9 m，岩心筒长度3 m，样品直径为51 mm。
（3）保压性能最大为30 MPa。
（4）在取心过程中，失温速率<5 ℃/h。
（5）适用于中硬-硬地层。
2018年9月，在南海水深630 m海域对该型钻具进行了海上试验。试验共钻进18 m，累计取样试验18个回次，累计取心长度17.1 m，钻具的取样率、保压成功率等性能均达到设计要求。同时，针对试验中发现的退样操作复杂等问题，重新进行了改进，并进行了室内实验。
2019年9月，在地质调查项目中，再次检验了该型保温保压取样钻具在水合物区域的作业性能指标（见
图4 回转式球阀保温保压取样钻具现场调试
Fig. 4 On‑site commissioning of the rotary ball valve pressure‑temperature core sampler
图5 现场集气、点火
Fig.5 On‑site gas gathering and ignition
随着我国对天然气水合物这一未来能源的投入逐渐加大，国内已涌现出多种类型的保温保压取样钻具，其中压入式板阀保温保压取样钻具和回转式球阀保温保压取样钻具，经过多次海上试验，已能够在软-中硬-硬地层中采获满足工程应用需求的原位天然气水合物样品。但在工程应用中展现出的岩心直径、样品长度、最大工作压力等性能指标以及钻具与后续带压转移处理装置的对接等方面，与国外成熟钻具仍存在一定差距，这需要在今后的工作中不断进行改进与升级。
尽管目前利用国内保温保压取样钻具开展工程应用的案例较少，但初步摸索了海域天然气水合物保温保压取样作业流程，有效推进了海域天然气水合物资源勘查自主化进程。国内保温保压取样钻具经过不断的研发与改进后，能够逐步替代国外产品，在天然气水合物勘查评价工作中得到推广应用。
海域天然气水合物保温保压取样钻具的研发与应用，不仅能够促进水合物资源开发的科技进步，同时对我国维护海洋权益、海洋产业经济的发展都具有重要意义。
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