我国重力活塞式天然气水合物保真采样器研究进展

我国重力活塞式天然气水合物保真采样器研究进展

海底沉积物采样对于了解地球环境的变化、预测未来气候的长期变化、寻找新能源天然气水合物、研究海洋极端微生物多样性、开发和应用生物遗传资源具有重要意义。但在使用传统采样设备采样时,1)由于采样器和沉积物间的相互作用,往往造成沉积物样品原始层序混杂或弯曲变形、长度缩短的机械扰动后果,破坏了样品信息记录的完整性;2)在采集天然气水合物及其上覆沉积物时,由于不能保压、保温采样,造成样品中天然气水合物以及其他气相组份散失,沉积物的原始成份与状态难以得到准确反映,这对于分析天然气水合物成矿条件,寻找水合物矿藏特征标志,圈定水合物分布范围,并进行资源远景评价都将造成不利的影响;3)在采集包含有嗜压微生物的海底沉积物样品时,不能保压采样将导致嗜压细菌的代谢活动降低,代时长,生长不旺盛,生长周期长。随着海洋资源调查要求的提高,有必要也必须提出保真采样的技术要求,以获得海底沉积物保真样品,为相关海洋科学研究提供其原位信息。此外,沉积物保真采样技术主要包括以下5方面的技术要求:样品形状低扰动、保压、保温、无污染和无压降后处理。1保压采样筒、hy-把芯、包装器和实验装置沉积物保真采样技术研发始于20世纪80年代,PCB-III型在美国布莱克海底高原DSDP503站位的现场试验标志着保真采样装置开始进入实际应用阶段。目前国内、外使用的保真采样器主要包括国际深海钻探计划(DeepSeaDrillingProject,DSDP)采用的保压采样筒(PressureCoreBarrel,PCB);国际大洋钻探计划(OceanDrillingProgram,ODP)采用的活塞采样器(AdvancedPistonCorer,APC)和保压取芯器(PressureCoreSampler,PCS);HY-ACE(天然气水合物高压取芯设备,HydrateAutoclaveCoringEquipment)采用的冲击式采样器(FugroPressureCorer,FPC)和旋转式采样器(HY-ACERotaryCorer,HRC);日本研制的保温保压采样器(PressureTemperatureCoreSampler,PTCS);我国浙江大学设计的天然气水合物保真采样器[5—11]等。1.1保压采样筒pcb主要特点保压采样筒(PCB)是一种由机械驱动,钢缆回收的保压取芯筒。PCB工具由钻头卡芯部分、球阀机构、内外岩芯筒总成、压力补偿系统、轴承悬挂总成及上部差动机构等6部分组成。球阀总成是PCB的下部密封系统。采样结束后,PCB上提切断岩芯,外筒下移,其重力作用在球阀半滑环上,半滑环使球体产生一定扭矩并旋转90°从而关闭球阀,使岩芯密封在内筒中。压力补偿系统包括高压氮气储气室和一个可调节的压力调节器、以及相关的供给氮气的阀门组机构。阀门组机构可预先调节到规定压力,PCB上提过程中可恒定地向内筒补充压力。工具下井前,在内筒中预先填充一种非侵蚀性的胶体密闭液,在采样过程中不断把岩芯包封起来,保护岩芯免遭钻井液污染。采样结束时,上提钻具,岩芯爪簧切断岩芯,并把岩芯扶正到球阀内。保压采样筒PCB的特点是:保压性能较好;但结构复杂、操作麻烦,不便于后续设备分析。1.2pcs卸压装置保压取芯器PCS(图1)是一种自由下落、液压驱动、钢缆回收的保压取芯器。它可以单独使用,也可以利用中空钻杆进行深层沉积物采样。PCS由6部分组成:可分离的采样管、可保持原位压力的球阀组件、用来固定球阀和把采样筒拉进采样器的动作筒组件、用来把扭矩传递到PCS切削刀头处的锁机构、维持采样筒中压力的蓄能器和允许液/气分析的管路组件。采样完成后,可以在实验室中利用如图2所示的PCS卸压装置分析沉积物中气体含量和成份。PCS的不足之处:1)取芯率比较低,没有解决保温问题;2)不能在采样结束后,无压降地把样品取出来供后续实验室分析。1.3保压采样器fpc为了适应不同的海底地质条件,HYACINTH[12—13]开发了两种沉积物保压采样器:冲击式采样器FPC(FugroPressureCorer)和旋转式采样器HRC(HYACERotaryCorer)。FPC(图3)利用震动冲击装置驱动钻头前部的取芯筒,可贯入沉积物中1m左右。当采样完成后,钢缆提升取芯筒至压力腔,通过一个特殊的下翻盖密封保持压力。FPC设计最高保持压力为25MPa。这种冲击式采样器适用于在非岩性沉积物(从软泥、沙到砂砾)中采样,样品直径58mm。HRC(图4)利用反转Moineau马达驱动钻头前部刀头,可深入沉积物达1m左右。类似FPC,HRC也是通过一个特殊的下翻盖密封保持压力,最高压力可达25MPa。这种旋转式采样器可用于硬质岩化的沉积物采样,样品直径50mm。与早期设计使用的保压采样器(如PCS)不同的是,HYACINTH保压采样器所采集的沉积物样品可以无压降地转移到其他压力腔中,实现实验室内的无压降分析和小段样品获取。HYACINTH沉积物保压采样器在“大洋钻探计划(ODP)”Leg204获得成功应用[14—15]。ODPLeg204中204-1249F-2E站位,HRC保压采样器在水深777m处海底取得长度为88cm的沉积物样品,上船后样品压力为8MPa,并马上用冰覆盖,转移至扫描腔,用V-MSCL进行了多参数扫描,卸压过程中总共收集了101L气体。ODPLeg204中204-1249H-2Y站位,FPC保压采样器在水深777m处海底取得长度为75cm的沉积物样品,上船后采样器压力8MPa,无压降地转移至扫描腔。经V-MSCL扫描,表明有大段天然气水合物层存在。1.4保真取样器研究进展国家863计划海洋领域在“十五”期间设立了“天然气水合物探测技术”课题,以广州海洋地质调查局为依托单位,开展了保真取样器研制及样品后处理的探索性研究。浙江大学的“重力活塞式天然气水合物保真采样器”和国家海洋局第一海洋研究所的“天然气水合物深水浅孔保温保压取芯钻具”获得了初步的海试成功。这两套保真取样器涉及到无扰动、保压、保温、无污染等方面技术,但还没有涉及到无压降后处理技术。2采样器的主要参数设计要求在保真采样器插入沉积物采样,到其被提升至船上进行后处理的整个过程中,每一个环节都涉及到沉积物样品的保真问题,具体如下。1)低扰动:采样时,样品筒以低扰动方式插入沉积物,获得层次分明、物质成分完全的沉积物样品。2)保压、补压:采样结束,样品筒转移至保压筒内后,保压筒上、下端密封,实现样品的保压要求;保压筒在从海底提升至船上的过程中,在不断增大的内外压差作用下,保压筒体由于弹性变形而产生体积膨胀,采样器很难达到预期的保压效果。为了达到设计的保压要求,必须对采样器进行压力补偿。3)保温:在采集包含天然气水合物等对温度敏感的沉积物时,必须保持原位温度。4)无污染:对于微生物等海洋科学研究而言,在整个采样过程中,必须防止引入外界污染。5)无压降后处理:对于地球物理、地球化学等诸多海洋科学研究,在沉积物提升至船上后,需要对沉积物进行无压降分析。针对沉积物保真采样的5个环节,本文对目前常用保真采样器所涉及的关键技术进行了总结,如表1所示。2.1样品的采集控制刀头的布置为了实现沉积物低扰动采样,各类保真采样器主要采取如下技术措施。1)双层或多层筒结构:在采集较硬样品时,带钻头的外层筒与样品筒在直径方向上保持一定距离,防止钻头钻进时对内层样品进行扰动,如PCS、HRC、FPC即采用此措施。2)光滑完整的样品筒:选择有机玻璃管作为样品筒,其内壁光滑完整以降低与沉积物样品间的摩擦力,减少样品扰动。3)特殊刀头设计:在采集较软的粘性深海沉积物时,采用小面积比、小内径比、小外径比、刀头前加一段薄壁筒等特殊刀头设计,来控制样品塑性变形区,减少样品扰动。4)爪簧撑开机构:采样筒下端的爪簧会破坏样品结构。在采样时,爪簧撑开机构撑开爪簧,沉积物样品无边界扰动地顺利进入样品筒;采样结束,爪簧脱离撑开机构并合拢,托起沉积物样品,防止较软沉积物坍塌,减少沉积物扰动。5)活塞结构:对于无活塞结构的管状采样器而言,由于采样器和沉积物间的摩擦力和沉积物样品的自重作用,采样时,往往造成样品长度缩短或弯曲变形的扰动后果。为此,可在样品筒内部设置一个活塞结构,用来抵消样品管壁和样品间的摩擦力和样品自重。6)活塞式采样器的框架结构:活塞式采样器中的活塞结构消除了样品被非均匀压实的扰动,但由于海流和与活塞相连的下放钢缆回弹作用,活塞很难稳定地保持在沉积物和水的界面处,进而样品土柱上方的负压发生改变,导致样品被吸入样品筒或形成采样器二次插入采样,造成样品层次扰动。为此,可采用框架式底座,与活塞连接的钢缆固定在框架顶部,长度恒定,减少海流和下放钢缆对样品采集形成的扰动。但是这种结构不适合大长度活塞式采样器。7)活塞式采样器的缆:现在,国际上的活塞采样器常用芳香尼龙纤维来代替活塞连接钢缆。该尼龙纤维是一种类似于凯夫拉的合成聚合物,与钢缆相比,其具有较低的弹性伸长(杨氏弹性模量124GPa)和较小的重量(密度1450kg·m-3),其在海水中近乎无重的状态限制了缆的弹性回弹振幅,减小了样品被吸入样品筒或形成采样器二次采样的可能。2.2抗压和抗压技术要实现保真采样,密封可靠的采样器非常关键,其中涉及到保压和补压两方面技术。2.2.1旋转密封件的密封要对原位沉积物进行保压,关键在于把样品筒提升进保压筒后,保压筒上、下两端的密封保压。1)保压筒上端一般采用上拉活塞与O形圈配合来实现密封保压。2)保压筒下端密封一般有两种:旋转球阀和下翻盖。旋转球阀:在采样时,样品筒插入旋转球阀的环形孔中;采样结束,样品筒上提,球阀在驱动机构作用下旋转90°,保压筒下端密封。球阀结构有两个弱项:与O形圈配合的密封比较困难;需要一个旋转驱动机构,造成整体结构复杂。下翻盖:在采样时,下翻盖直立,样品筒限制其下翻;采样结束,样品筒上提,下翻盖在驱动机构(如扭簧)作用下翻转,保压筒下端密封。下翻盖解决了球阀的两个问题:与O形圈配合的径向密封容易且密封可靠;翻转驱动结构比较简单,可以用扭簧实现。2.2.2皮囊充入氮气利用蓄能器补压是实现压力补偿的常见方式。蓄能器补压时,其上端皮囊内要充入高纯度氮气,下端通过带有截止阀的液压管路与保压筒相通。皮囊的充气压力通常取采样点原位压力的80%—90%,以获得较多的海水补偿量。2.3保温保温剂沉积物采样器的保温技术分为主动保温和被动保温技术。1)主动保温:日本的PTCS,采用绝热型内管和热电式内管冷却方式进行主动保温。2)被动保温:我国海洋一所研制的天然气水合物保温保压钻具采用的是被动保温技术。包括:双层结构,夹层中抽真空;内表面喷涂保温层;外表面涂防紫外线涂层。目前,绝大多数的沉积物采样器没有采用直接的保温措施,而是将保压采样上船的沉积物样品,采用快速覆冰或液氮冷冻等措施来实现保温目的。2.4样品筒和材料在采样过程中,防止沉积物的原始成分受污染主要包括两个方面。1)高分子材料的样品筒:样品筒选用有机玻璃管等高分子材料,减少金属材料对沉积物样品原始成分的影响。2)活塞和样品筒单向阀结构:采样前,活塞位于样品筒的最下端;采样过程中,活塞上移,样品筒中的海水经单向阀排出,减少样品筒中海水对样品孔隙水成分的影响。2.5保压样品岩芯扫描与综合编录仪无压降后处理主要包括:保压采样器甲板快速冷却装置、样品快速转移和子样品分割装置(转移舱、编录舱、储存舱)、多参数保压样品岩芯扫描与综合编录仪、气体分离、采样与释压曲线记录仪等。目前,只有HYACINTH的HRC和FPC做到了无压降后处理。3中国保真采样器的最新成果是重力活动式天然气保真采样器3.1保压采样采样重力活塞式天然气水合物保真采样器的总体结构如图5所示,主要由吊放钢缆、释放机构、蓄能器、密封舱、采样管、重锤等组成。采样时,重锤首先触底,触发释放机构动作,采样管在自重作用下插入沉积物,活塞则在吊放钢缆的牵引作用下仅以绞车放缆速度下降。由于活塞与样品筒之间密封良好,因而在活塞下方会形成局部真空,样品被吸入样品筒内。采样结束后,绞车回收钢缆,吊放钢缆牵引活塞向上运动,并带动整个采样管向上提,直到采样管下端最终进入密封舱,密封采样器上、下两个封口,实现沉积物的保压采样。在采样器上提过程中,蓄能器对采样管和密封舱起补压作用。3.2样品的初步分析2005年和2006年间,我们所研制的重力活塞式天然气水合物保真采样器样机在我国南海进行了海试,试验效果良好。2006年5月9日,在西沙海槽西端进行的海试中,采样水深1960米,采样结束后采样器压力20MPa,基本上达到了100%保压。采样器在甲板环境下继续保压24h后,因样品温度上升,采样器内压力也相应上升到23MPa。在对采样器释压取气时,获得了1.5L的气体。经初步分析,含有甲烷、乙烷和丙烷等气体成分。另外,在这次海试中,获得的沉积物样品长度达到了9.15m(不含钻头样长度),而天然气水合物保真采样器设备总长只有11.2m,样品采样率达80%以上。密封舱内还有大量的底层水样,一次采样就获得了固、液、气三相样品。4研究工艺和方法本文在综述国内外保真采样器的发展现状和现有保真采样器共性关键技术的基础上,提出发展我国保