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天然气水合物保压转移技术

2017-11-16

海底天然气水合物作为一种新型的海底资源,储量十分巨大,具有广阔的开发前景。目前我国正处于海底天然气水合物勘探调查和试采的关键时期,亟待解决海底天然气水合物样品的保压转移和在线检测等技术问题。由广州海洋地质调查局牵头、浙江大学和大连理工大学共同参与研发的“十二五”国家863计划课题“天然气水合物样品保压转移及处理技术”,主要目标是研制一套船载天然气水合物样品保压转移及在线检测装置,应用于天然气水合物勘探调查中的钻探样品保压转移,实现高品质样品理化检测分析。浙江大学承担“天然气水合物样品保压转移技术研究”任务并成功研制了一套船载天然气水合物样品保压转移系统,该系统已经于2016年在我国南海水合物目标区得到海试应用。该系统具有样品推送、切割、分装、内压自适应平衡调节等功能,并且配备多种接口以及多种保压分装子系统,系统适用保压样品压力可达20兆帕,且在样品转移过程中内压力变化≤20%。

一、关键机构

天然气水合物样品保压转移系统由保压取样器和保压转移装置两部分组成,其中取样器用于从海底获取水合物保压岩心样品,保压转移装置用于保压岩心样品分装保存和在线检测。保压转移装置主要由卡爪、推送单元、切割卡紧单元、球阀连接单元、内压平衡单元和声波检测单元等几部分组成。

卡爪的主要功能是抓取岩心管并进行回拉,在达到预定位置后实现自动脱扣,使岩心管从取样器进入保压转移本体。其关键技术在于通过推送单元外螺纹筒的旋转带端部十字形卡爪内外收放,实现样品管的对接并水平推拉以及切割完成后的样品管脱扣,完成样品管切割后的转移分装。

内切割装置外置由伺服电机、刀具进给单元、抱管单元、电机轴平衡单元等四部分组成。为了使结构合理紧凑,电机通过内齿轮的变速传动带动切割刀具的旋转运动,而刀具的进给和包管单元的运动则是由轴向的顶杆换向运动来实现。

保压转移过程压力稳定的控制是该课题的成功关键, 压力维持系统的设计采用液压泵与蓄能器共同保压的方案。蓄能器吸引与稳定压力波动,液压泵可以提高保压回路补偿泄漏的能力并通过系统溢流实现压力高泄低补。

二次取样装置主要包括液压缸、二次转移保压筒、取样管、连接套、筒体连接法兰、球阀、球阀连接法兰、液压系统等几部分。此外,关键机构还包括从海底采取沉积物样品并保持原位压力提取到船上的机构——保压取样器。

二、样机研制及海试情况

“天然气水合物样品保压转移及处理技术”课题经过3年的研究,研制了天然气水合物样品保压转移与在线声波探测装置的试验样机,形成了相关的样品处理技术。该装置除球阀和声波发射接收器引进之外,其他部件都是自主设计制造,课题自主研制部件超过80%。

2016年6月,天然气水合物样品保压转移与在线声波探测装置顺利通过海试,完成了两次样品保压转移与在线声波探测,成功率100%;各项性能均达到设计要求,达标率100%。转移获得了小保压样品,为天然气水合物岩心可视化测试提供了海底原样,为天然气水合物岩心处理技术体系的建立打下了基础。

三、社会效益

目前真正商业应用的保压转移分析装置只有英国Geotek的PCATs系统,但该系统对我国技术不公开。“十二五”前国内无文献报道有保压转移技术,为了实现“天然气水合物勘探技术开发”的总体目标,该课题从我国天然气水合物勘查技术的需要出发,立足于我国天然气水合物的大规模勘探和开发的后续需求,在“十一五”天然气水合物保压取样技术课题研究的基础上,围绕水合物资源勘探评价,开展天然气水合物样品保压转移及样品在线探测技术研发,形成天然气水合物样品保压转移和水合物保压样品在线声波探测等核心技术。该课题所研制的保压转移装置具有船载特性,可通过船载现场开展对保压岩心的保压转移,并利用转移装置的在线声波检测装置快速获得岩心管转移过程的异常特性。

该课题研究的针对深海水合物样品保压转移的保压转移技术包含岩心长行程抓取与移动技术、岩心管切割技术、系统压力稳定维持技术以及岩心管保压分装与二次取样技术等。“天然气水合物样品保压转移技术研究”课题研究期间,课题组共发表期刊论文6篇,培养研究生4名。

课题技术成果可应用于海洋天然气水合物调查和开采等领域,还可以广泛应用于海洋环境调查、海洋微生物保压转移培养、深部岩石力学研究等方向,为实验室分析提供理想的高品质保真样品。

课题负责人简介

刘方兰,课题负责人,广州海洋地质调查局教授级高级工程师,中山大学海洋学院兼职教授。多年来一直从事大洋地质科学调查与研究,曾参加多项大洋科研课题以及大洋航次报告的编写。作为项目负责人16次主持或参加国家专项的海上调查工作,7次参加国际海底区域研究开发海上调查航次,参加南极科学考察1次。2012年以来先后4次担任大洋科学考察航次(段)首席科学家。在坚持野外工作的同时,作为课题负责人或子课题负责人承担了多个国家863计划项目、大洋科研项目课题研究。曾获省部级科技成果二等奖1次、三等奖2次。先后荣获中国地质调查局“地质调查先进工作者”和“中国大洋科学考察先进工作者”荣誉称号。

陈家旺,课题技术负责人,工学博士,浙江大学海洋工程与技术研究所副教授。2007年毕业于吉林大学建设工程学院地质工程专业(多工艺冲击回转钻进技术)。2007年进入浙江大学流体传动与控制国家重点实验室开展深海机电装备技术博士后工作,2010年留浙江大学任教。主要研究方向为深海技术装备、海洋传感技术和海洋钻探技术等。作为第一作者和通讯作者发表SCI论文17篇。

肖波,课题副组长,广州海洋地质调查局海洋地质勘查技术方法所教授级高级工程师,水合物工程技术中心技术研发室副主任。主要研究方向为海洋地质与地球物理调查及技术方法。作为课题负责人之一参加了“十二五” 863计划课题和 “127专项”配套课题等。

顾临怡,子课题负责人,工学博士,浙江大学机电控制工程研究所教授。1998年毕业于浙江大学流体传动与控制(液压)专业。主要研究方向为深海机电控制装备、深海液压元件与系统等。作为第一作者或通信作者发表SCI、EI论文11篇。曾获浙江省科技进步二等奖、三等奖各1项,获中国机械工业科学技术奖发明类一等奖1项。