我國重力活塞式天然氣水合物保真采樣器研究進(jìn)展

我國重力活塞式天然氣水合物保真采樣器研究進(jìn)展

海底沉積物采樣對于了解地球環(huán)境的變化、預(yù)測未來氣候的長期變化、尋找新能源天然氣水合物、研究海洋極端微生物多樣性、開發(fā)和應(yīng)用生物遺傳資源具有重要意義。但在使用傳統(tǒng)采樣設(shè)備采樣時,1)由于采樣器和沉積物間的相互作用,往往造成沉積物樣品原始層序混雜或彎曲變形、長度縮短的機(jī)械擾動后果,破壞了樣品信息記錄的完整性;2)在采集天然氣水合物及其上覆沉積物時,由于不能保壓、保溫采樣,造成樣品中天然氣水合物以及其他氣相組份散失,沉積物的原始成份與狀態(tài)難以得到準(zhǔn)確反映,這對于分析天然氣水合物成礦條件,尋找水合物礦藏特征標(biāo)志,圈定水合物分布范圍,并進(jìn)行資源遠(yuǎn)景評價都將造成不利的影響;3)在采集包含有嗜壓微生物的海底沉積物樣品時,不能保壓采樣將導(dǎo)致嗜壓細(xì)菌的代謝活動降低,代時長,生長不旺盛,生長周期長。隨著海洋資源調(diào)查要求的提高,有必要也必須提出保真采樣的技術(shù)要求,以獲得海底沉積物保真樣品,為相關(guān)海洋科學(xué)研究提供其原位信息。此外,沉積物保真采樣技術(shù)主要包括以下5方面的技術(shù)要求:樣品形狀低擾動、保壓、保溫、無污染和無壓降后處理。1保壓采樣筒、hy-把芯、包裝器和實驗裝置沉積物保真采樣技術(shù)研發(fā)始于20世紀(jì)80年代,PCB-III型在美國布萊克海底高原DSDP503站位的現(xiàn)場試驗標(biāo)志著保真采樣裝置開始進(jìn)入實際應(yīng)用階段。目前國內(nèi)、外使用的保真采樣器主要包括國際深海鉆探計劃(DeepSeaDrillingProject,DSDP)采用的保壓采樣筒(PressureCoreBarrel,PCB);國際大洋鉆探計劃(OceanDrillingProgram,ODP)采用的活塞采樣器(AdvancedPistonCorer,APC)和保壓取芯器(PressureCoreSampler,PCS);HY-ACE(天然氣水合物高壓取芯設(shè)備,HydrateAutoclaveCoringEquipment)采用的沖擊式采樣器(FugroPressureCorer,FPC)和旋轉(zhuǎn)式采樣器(HY-ACERotaryCorer,HRC);日本研制的保溫保壓采樣器(PressureTemperatureCoreSampler,PTCS);我國浙江大學(xué)設(shè)計的天然氣水合物保真采樣器[5—11]等。1.1保壓采樣筒pcb主要特點保壓采樣筒(PCB)是一種由機(jī)械驅(qū)動,鋼纜回收的保壓取芯筒。PCB工具由鉆頭卡芯部分、球閥機(jī)構(gòu)、內(nèi)外巖芯筒總成、壓力補(bǔ)償系統(tǒng)、軸承懸掛總成及上部差動機(jī)構(gòu)等6部分組成。球閥總成是PCB的下部密封系統(tǒng)。采樣結(jié)束后,PCB上提切斷巖芯,外筒下移,其重力作用在球閥半滑環(huán)上,半滑環(huán)使球體產(chǎn)生一定扭矩并旋轉(zhuǎn)90°從而關(guān)閉球閥,使巖芯密封在內(nèi)筒中。壓力補(bǔ)償系統(tǒng)包括高壓氮氣儲氣室和一個可調(diào)節(jié)的壓力調(diào)節(jié)器、以及相關(guān)的供給氮氣的閥門組機(jī)構(gòu)。閥門組機(jī)構(gòu)可預(yù)先調(diào)節(jié)到規(guī)定壓力,PCB上提過程中可恒定地向內(nèi)筒補(bǔ)充壓力。工具下井前,在內(nèi)筒中預(yù)先填充一種非侵蝕性的膠體密閉液,在采樣過程中不斷把巖芯包封起來,保護(hù)巖芯免遭鉆井液污染。采樣結(jié)束時,上提鉆具,巖芯爪簧切斷巖芯,并把巖芯扶正到球閥內(nèi)。保壓采樣筒PCB的特點是:保壓性能較好;但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作麻煩,不便于后續(xù)設(shè)備分析。1.2pcs卸壓裝置保壓取芯器PCS(圖1)是一種自由下落、液壓驅(qū)動、鋼纜回收的保壓取芯器。它可以單獨使用,也可以利用中空鉆桿進(jìn)行深層沉積物采樣。PCS由6部分組成:可分離的采樣管、可保持原位壓力的球閥組件、用來固定球閥和把采樣筒拉進(jìn)采樣器的動作筒組件、用來把扭矩傳遞到PCS切削刀頭處的鎖機(jī)構(gòu)、維持采樣筒中壓力的蓄能器和允許液/氣分析的管路組件。采樣完成后,可以在實驗室中利用如圖2所示的PCS卸壓裝置分析沉積物中氣體含量和成份。PCS的不足之處:1)取芯率比較低,沒有解決保溫問題;2)不能在采樣結(jié)束后,無壓降地把樣品取出來供后續(xù)實驗室分析。1.3保壓采樣器fpc為了適應(yīng)不同的海底地質(zhì)條件,HYACINTH[12—13]開發(fā)了兩種沉積物保壓采樣器:沖擊式采樣器FPC(FugroPressureCorer)和旋轉(zhuǎn)式采樣器HRC(HYACERotaryCorer)。FPC(圖3)利用震動沖擊裝置驅(qū)動鉆頭前部的取芯筒,可貫入沉積物中1m左右。當(dāng)采樣完成后,鋼纜提升取芯筒至壓力腔,通過一個特殊的下翻蓋密封保持壓力。FPC設(shè)計最高保持壓力為25MPa。這種沖擊式采樣器適用于在非巖性沉積物(從軟泥、沙到砂礫)中采樣,樣品直徑58mm。HRC(圖4)利用反轉(zhuǎn)Moineau馬達(dá)驅(qū)動鉆頭前部刀頭,可深入沉積物達(dá)1m左右。類似FPC,HRC也是通過一個特殊的下翻蓋密封保持壓力,最高壓力可達(dá)25MPa。這種旋轉(zhuǎn)式采樣器可用于硬質(zhì)巖化的沉積物采樣,樣品直徑50mm。與早期設(shè)計使用的保壓采樣器(如PCS)不同的是,HYACINTH保壓采樣器所采集的沉積物樣品可以無壓降地轉(zhuǎn)移到其他壓力腔中,實現(xiàn)實驗室內(nèi)的無壓降分析和小段樣品獲取。HYACINTH沉積物保壓采樣器在“大洋鉆探計劃(ODP)”Leg204獲得成功應(yīng)用[14—15]。ODPLeg204中204-1249F-2E站位,HRC保壓采樣器在水深777m處海底取得長度為88cm的沉積物樣品,上船后樣品壓力為8MPa,并馬上用冰覆蓋,轉(zhuǎn)移至掃描腔,用V-MSCL進(jìn)行了多參數(shù)掃描,卸壓過程中總共收集了101L氣體。ODPLeg204中204-1249H-2Y站位,FPC保壓采樣器在水深777m處海底取得長度為75cm的沉積物樣品,上船后采樣器壓力8MPa,無壓降地轉(zhuǎn)移至掃描腔。經(jīng)V-MSCL掃描,表明有大段天然氣水合物層存在。1.4保真取樣器研究進(jìn)展國家863計劃海洋領(lǐng)域在“十五”期間設(shè)立了“天然氣水合物探測技術(shù)”課題,以廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局為依托單位,開展了保真取樣器研制及樣品后處理的探索性研究。浙江大學(xué)的“重力活塞式天然氣水合物保真采樣器”和國家海洋局第一海洋研究所的“天然氣水合物深水淺孔保溫保壓取芯鉆具”獲得了初步的海試成功。這兩套保真取樣器涉及到無擾動、保壓、保溫、無污染等方面技術(shù),但還沒有涉及到無壓降后處理技術(shù)。2采樣器的主要參數(shù)設(shè)計要求在保真采樣器插入沉積物采樣,到其被提升至船上進(jìn)行后處理的整個過程中,每一個環(huán)節(jié)都涉及到沉積物樣品的保真問題,具體如下。1)低擾動:采樣時,樣品筒以低擾動方式插入沉積物,獲得層次分明、物質(zhì)成分完全的沉積物樣品。2)保壓、補(bǔ)壓:采樣結(jié)束,樣品筒轉(zhuǎn)移至保壓筒內(nèi)后,保壓筒上、下端密封,實現(xiàn)樣品的保壓要求;保壓筒在從海底提升至船上的過程中,在不斷增大的內(nèi)外壓差作用下,保壓筒體由于彈性變形而產(chǎn)生體積膨脹,采樣器很難達(dá)到預(yù)期的保壓效果。為了達(dá)到設(shè)計的保壓要求,必須對采樣器進(jìn)行壓力補(bǔ)償。3)保溫:在采集包含天然氣水合物等對溫度敏感的沉積物時,必須保持原位溫度。4)無污染:對于微生物等海洋科學(xué)研究而言,在整個采樣過程中,必須防止引入外界污染。5)無壓降后處理:對于地球物理、地球化學(xué)等諸多海洋科學(xué)研究,在沉積物提升至船上后,需要對沉積物進(jìn)行無壓降分析。針對沉積物保真采樣的5個環(huán)節(jié),本文對目前常用保真采樣器所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié),如表1所示。2.1樣品的采集控制刀頭的布置為了實現(xiàn)沉積物低擾動采樣,各類保真采樣器主要采取如下技術(shù)措施。1)雙層或多層筒結(jié)構(gòu):在采集較硬樣品時,帶鉆頭的外層筒與樣品筒在直徑方向上保持一定距離,防止鉆頭鉆進(jìn)時對內(nèi)層樣品進(jìn)行擾動,如PCS、HRC、FPC即采用此措施。2)光滑完整的樣品筒:選擇有機(jī)玻璃管作為樣品筒,其內(nèi)壁光滑完整以降低與沉積物樣品間的摩擦力,減少樣品擾動。3)特殊刀頭設(shè)計:在采集較軟的粘性深海沉積物時,采用小面積比、小內(nèi)徑比、小外徑比、刀頭前加一段薄壁筒等特殊刀頭設(shè)計,來控制樣品塑性變形區(qū),減少樣品擾動。4)爪簧撐開機(jī)構(gòu):采樣筒下端的爪簧會破壞樣品結(jié)構(gòu)。在采樣時,爪簧撐開機(jī)構(gòu)撐開爪簧,沉積物樣品無邊界擾動地順利進(jìn)入樣品筒;采樣結(jié)束,爪簧脫離撐開機(jī)構(gòu)并合攏,托起沉積物樣品,防止較軟沉積物坍塌,減少沉積物擾動。5)活塞結(jié)構(gòu):對于無活塞結(jié)構(gòu)的管狀采樣器而言,由于采樣器和沉積物間的摩擦力和沉積物樣品的自重作用,采樣時,往往造成樣品長度縮短或彎曲變形的擾動后果。為此,可在樣品筒內(nèi)部設(shè)置一個活塞結(jié)構(gòu),用來抵消樣品管壁和樣品間的摩擦力和樣品自重。6)活塞式采樣器的框架結(jié)構(gòu):活塞式采樣器中的活塞結(jié)構(gòu)消除了樣品被非均勻壓實的擾動,但由于海流和與活塞相連的下放鋼纜回彈作用,活塞很難穩(wěn)定地保持在沉積物和水的界面處,進(jìn)而樣品土柱上方的負(fù)壓發(fā)生改變,導(dǎo)致樣品被吸入樣品筒或形成采樣器二次插入采樣,造成樣品層次擾動。為此,可采用框架式底座,與活塞連接的鋼纜固定在框架頂部,長度恒定,減少海流和下放鋼纜對樣品采集形成的擾動。但是這種結(jié)構(gòu)不適合大長度活塞式采樣器。7)活塞式采樣器的纜:現(xiàn)在,國際上的活塞采樣器常用芳香尼龍纖維來代替活塞連接鋼纜。該尼龍纖維是一種類似于凱夫拉的合成聚合物,與鋼纜相比,其具有較低的彈性伸長(楊氏彈性模量124GPa)和較小的重量(密度1450kg·m-3),其在海水中近乎無重的狀態(tài)限制了纜的彈性回彈振幅,減小了樣品被吸入樣品筒或形成采樣器二次采樣的可能。2.2抗壓和抗壓技術(shù)要實現(xiàn)保真采樣,密封可靠的采樣器非常關(guān)鍵,其中涉及到保壓和補(bǔ)壓兩方面技術(shù)。2.2.1旋轉(zhuǎn)密封件的密封要對原位沉積物進(jìn)行保壓,關(guān)鍵在于把樣品筒提升進(jìn)保壓筒后,保壓筒上、下兩端的密封保壓。1)保壓筒上端一般采用上拉活塞與O形圈配合來實現(xiàn)密封保壓。2)保壓筒下端密封一般有兩種:旋轉(zhuǎn)球閥和下翻蓋。旋轉(zhuǎn)球閥:在采樣時,樣品筒插入旋轉(zhuǎn)球閥的環(huán)形孔中;采樣結(jié)束,樣品筒上提,球閥在驅(qū)動機(jī)構(gòu)作用下旋轉(zhuǎn)90°,保壓筒下端密封。球閥結(jié)構(gòu)有兩個弱項:與O形圈配合的密封比較困難;需要一個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu),造成整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。下翻蓋:在采樣時,下翻蓋直立,樣品筒限制其下翻;采樣結(jié)束,樣品筒上提,下翻蓋在驅(qū)動機(jī)構(gòu)(如扭簧)作用下翻轉(zhuǎn),保壓筒下端密封。下翻蓋解決了球閥的兩個問題:與O形圈配合的徑向密封容易且密封可靠;翻轉(zhuǎn)驅(qū)動結(jié)構(gòu)比較簡單,可以用扭簧實現(xiàn)。2.2.2皮囊充入氮氣利用蓄能器補(bǔ)壓是實現(xiàn)壓力補(bǔ)償?shù)某Ｒ姺绞?。蓄能器補(bǔ)壓時,其上端皮囊內(nèi)要充入高純度氮氣,下端通過帶有截止閥的液壓管路與保壓筒相通。皮囊的充氣壓力通常取采樣點原位壓力的80%—90%,以獲得較多的海水補(bǔ)償量。2.3保溫保溫劑沉積物采樣器的保溫技術(shù)分為主動保溫和被動保溫技術(shù)。1)主動保溫:日本的PTCS,采用絕熱型內(nèi)管和熱電式內(nèi)管冷卻方式進(jìn)行主動保溫。2)被動保溫:我國海洋一所研制的天然氣水合物保溫保壓鉆具采用的是被動保溫技術(shù)。包括:雙層結(jié)構(gòu),夾層中抽真空;內(nèi)表面噴涂保溫層;外表面涂防紫外線涂層。目前,絕大多數(shù)的沉積物采樣器沒有采用直接的保溫措施,而是將保壓采樣上船的沉積物樣品,采用快速覆冰或液氮冷凍等措施來實現(xiàn)保溫目的。2.4樣品筒和材料在采樣過程中,防止沉積物的原始成分受污染主要包括兩個方面。1)高分子材料的樣品筒:樣品筒選用有機(jī)玻璃管等高分子材料,減少金屬材料對沉積物樣品原始成分的影響。2)活塞和樣品筒單向閥結(jié)構(gòu):采樣前,活塞位于樣品筒的最下端;采樣過程中,活塞上移,樣品筒中的海水經(jīng)單向閥排出,減少樣品筒中海水對樣品孔隙水成分的影響。2.5保壓樣品巖芯掃描與綜合編錄儀無壓降后處理主要包括:保壓采樣器甲板快速冷卻裝置、樣品快速轉(zhuǎn)移和子樣品分割裝置(轉(zhuǎn)移艙、編錄艙、儲存艙)、多參數(shù)保壓樣品巖芯掃描與綜合編錄儀、氣體分離、采樣與釋壓曲線記錄儀等。目前,只有HYACINTH的HRC和FPC做到了無壓降后處理。3中國保真采樣器的最新成果是重力活動式天然氣保真采樣器3.1保壓采樣采樣重力活塞式天然氣水合物保真采樣器的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示,主要由吊放鋼纜、釋放機(jī)構(gòu)、蓄能器、密封艙、采樣管、重錘等組成。采樣時,重錘首先觸底,觸發(fā)釋放機(jī)構(gòu)動作,采樣管在自重作用下插入沉積物,活塞則在吊放鋼纜的牽引作用下僅以絞車放纜速度下降。由于活塞與樣品筒之間密封良好,因而在活塞下方會形成局部真空,樣品被吸入樣品筒內(nèi)。采樣結(jié)束后,絞車回收鋼纜,吊放鋼纜牽引活塞向上運動,并帶動整個采樣管向上提,直到采樣管下端最終進(jìn)入密封艙,密封采樣器上、下兩個封口,實現(xiàn)沉積物的保壓采樣。在采樣器上提過程中,蓄能器對采樣管和密封艙起補(bǔ)壓作用。3.2樣品的初步分析2005年和2006年間,我們所研制的重力活塞式天然氣水合物保真采樣器樣機(jī)在我國南海進(jìn)行了海試,試驗效果良好。2006年5月9日,在西沙海槽西端進(jìn)行的海試中,采樣水深1960米,采樣結(jié)束后采樣器壓力20MPa,基本上達(dá)到了100%保壓。采樣器在甲板環(huán)境下繼續(xù)保壓24h后,因樣品溫度上升,采樣器內(nèi)壓力也相應(yīng)上升到23MPa。在對采樣器釋壓取氣時,獲得了1.5L的氣體。經(jīng)初步分析,含有甲烷、乙烷和丙烷等氣體成分。另外,在這次海試中,獲得的沉積物樣品長度達(dá)到了9.15m(不含鉆頭樣長度),而天然氣水合物保真采樣器設(shè)備總長只有11.2m,樣品采樣率達(dá)80%以上。密封艙內(nèi)還有大量的底層水樣,一次采樣就獲得了固、液、氣三相樣品。4研究工藝和方法本文在綜述國內(nèi)外保真采樣器的發(fā)展現(xiàn)狀和現(xiàn)有保真采樣器共性關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出發(fā)展我國保