國內(nèi)常規(guī)海洋地質(zhì)鉆探取心技術(shù)進(jìn)展

劉協(xié)魯，阮海龍，陳云龍，趙 義，蔡家品，李 春，劉海龍，梁 濤

（北京探礦工程研究所，北京100083）

0 引言

海洋地質(zhì)鉆探，作為海洋勘探開發(fā)的基礎(chǔ)，對我國海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、重點(diǎn)海岸帶環(huán)境地質(zhì)調(diào)查與評價(jià)、近海海砂及相關(guān)資源潛力調(diào)查等海洋基礎(chǔ)地質(zhì)工作有著至關(guān)重要的作用［1-3］。海洋地質(zhì)鉆探的核心是高效、便捷地取出海底樣品以供進(jìn)行科學(xué)研究［4］。與海域天然氣水合物鉆探、海洋油氣鉆探等不同的是，常規(guī)海洋地質(zhì)鉆探的地層類型復(fù)雜多樣，主要為松軟、半固結(jié)或固結(jié)的沉積物，在取心作業(yè)中面臨的難題主要有巖心采取率不足，巖心結(jié)構(gòu)擾動大，在砂層、粉砂層中取心困難等［5］。

為解決上述難題，同時(shí)針對我國自主實(shí)施海洋科學(xué)鉆探工程的需求［6-8］，筆者對國內(nèi)外海洋鉆探取心技術(shù)裝備進(jìn)行了調(diào)研。國外依托大洋科學(xué)鉆探等工程實(shí)施，研發(fā)了液壓活塞取心器、高級活塞取心器和超前取心器等取心工具，其應(yīng)用已較為成熟。相比之下，國內(nèi)在此方面研究程度較低，近幾年來僅有我所和中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所、上海石油管理局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)等少數(shù)幾家單位進(jìn)行了研究，且實(shí)際應(yīng)用較少［9-12］。我所經(jīng)過十幾年來對常規(guī)海洋地質(zhì)鉆探取心技術(shù)的深入研究，研發(fā)的適用于不同地層的海洋隨鉆取心工具已日趨成熟（表1），包括繩索取心泥漿靜壓活塞取心鉆具、海洋砂質(zhì)地層繩索取心鉆具和液動沖擊繩索取心鉆具及配套井底鉆具組合（BHA）（見圖1），在我國南海進(jìn)行了多次試驗(yàn)和作業(yè)，取得了良好效果。

表1 研發(fā)的取心鉆具匯總Table 1 Summary of coring tools developed

圖1 配套BHAFig.1 Supporting BHA

1 繩索取心泥漿靜壓活塞取心鉆具

1.1 基本結(jié)構(gòu)

繩索取心泥漿靜壓活塞取心鉆具采用模塊化設(shè)計(jì)，組裝拆卸方便。其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由打撈懸掛機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向軸、內(nèi)取心筒、襯管、巖心卡取機(jī)構(gòu)和壓入管鞋組成。打撈懸掛機(jī)構(gòu)能夠與井底鉆具組合配合，懸掛鉆具，并在鉆進(jìn)結(jié)束后，打撈器與該機(jī)構(gòu)連接，回收取心鉆具。剪切與密封機(jī)構(gòu)能夠利用鉆井液泵的壓力剪斷銷釘，使內(nèi)取心筒快速壓入樣品層，回次取心長度最長可達(dá)4.5 m。導(dǎo)向軸能夠保證內(nèi)取心筒在壓入時(shí)能夠始終保持在外管總成中心。巖心卡取機(jī)構(gòu)采用翻板，能卡住巖心，防止掉落。壓入管鞋能夠直接壓入地層。

圖2 繩索取心泥漿靜壓活塞取心鉆具Fig.2 Mud static pressure piston wireline coring tool

1.2 工作原理

繩索取心泥漿靜壓活塞取心鉆具能夠在特別軟-軟的沉積物中采獲輕微擾動的樣品，比如軟泥、粘土層、淤泥層等。其基本工作原理是：將鉆井液壓力轉(zhuǎn)化為內(nèi)取心筒壓入地層的驅(qū)動力，即當(dāng)鉆具落入井底鉆具組合中后，利用鉆井液泵給內(nèi)取心筒一個(gè)10～23 MPa 的壓力，將銷釘剪斷，使內(nèi)取心筒快速壓入取心地層，速度達(dá)2 m/s 以上，可獲取輕微擾動的原狀樣品。該型鉆具在海洋軟泥、粘土層中取心時(shí)，可有效克服回轉(zhuǎn)取心方法所引起的樣品擾動大、層面扭曲、樣品被攪散等嚴(yán)重缺點(diǎn)。

2 海洋砂質(zhì)地層繩索取心鉆具

2.1 基本機(jī)構(gòu)

海洋砂質(zhì)地層繩索取心鉆具的結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由打撈懸掛機(jī)構(gòu)、射流機(jī)構(gòu)、巖心筒、巖心卡取機(jī)構(gòu)和取心鉆頭組成［13］。打撈懸掛機(jī)構(gòu)能夠與井底鉆具組合配合，懸掛、固定鉆具，并帶動鉆具一起旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)取樣。在鉆進(jìn)結(jié)束后，打撈器與該機(jī)構(gòu)連接，回收取心鉆具。射流機(jī)構(gòu)能夠改變泥漿在井底的流向，使得泥漿既能起到冷卻鉆頭的作用，又能在巖心筒中形成真空吸力誘導(dǎo)鉆井液向上流動，盡量減少對樣品的污染和擾動［14］。巖心卡取機(jī)構(gòu)能卡住巖心，防止巖心掉落。取心鉆頭超前外管總成100～300 mm，能提前進(jìn)入地層，減小泥漿對巖心的沖刷。

圖3 海洋砂質(zhì)地層繩索取心鉆具Fig.3 Marine sand wireline coring tool

2.2 工作原理

海洋砂質(zhì)地層繩索取心鉆具能夠在半固結(jié)的沉積物中進(jìn)行取心，比如粘土層、粉砂層、砂層。取心鉆具的工作原理是通過彈卡機(jī)構(gòu)使取心鉆具隨著外管一起鉆進(jìn)，隨著鉆進(jìn)過程巖心逐漸進(jìn)入取心鉆具巖心管中，取心鉆具底部安裝有巖心卡取機(jī)構(gòu)，能夠阻礙巖心滑出取心鉆具，這樣就可以避免在打撈取心鉆具時(shí)巖心掉落，保證巖心采取率。

3 液動沖擊繩索取心鉆具

3.1 基本機(jī)構(gòu)

液動沖擊繩索取心鉆具主要由5 個(gè)模塊組成，分別為打撈懸掛機(jī)構(gòu)、沖擊機(jī)構(gòu)、巖心筒、巖心卡取機(jī)構(gòu)和取心鉆頭，如圖4 所示，組裝拆卸方便。打撈懸掛機(jī)構(gòu)，能夠與外管總成配合，懸掛、固定鉆具，并帶動鉆具一起旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)取樣。在鉆進(jìn)結(jié)束后，打撈器與該機(jī)構(gòu)連接，回收取心鉆具。沖擊機(jī)構(gòu)能夠依靠鉆井液啟動沖擊錘，實(shí)現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。巖心卡取機(jī)構(gòu)能卡住巖心，防止巖心掉落。取心鉆頭超前外管總成100～300 mm，能提前進(jìn)入地層，減小泥漿對巖心的沖刷。

3.2 工作原理

液動沖擊繩索取心鉆具能夠在固結(jié)的沉積物、硬地層、軟-硬相互交替地層中進(jìn)行取樣。其基本工作原理是在硬地層中鉆進(jìn)時(shí)，取心鉆具隨井底鉆具組合一同旋轉(zhuǎn)，沖擊機(jī)構(gòu)利用鉆進(jìn)過程中泥漿泵供給的沖洗液中的能量，連續(xù)不斷地對下部鉆具施加一定頻率的沖擊載荷，從而實(shí)現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)［15］。該型鉆具在軟地層中鉆進(jìn)時(shí)，沖擊機(jī)構(gòu)不啟動，只進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

圖4 液動沖擊繩索取心鉆具Fig.4 Hydraulic percussive wireline coring tools

4 海試應(yīng)用

2018 年，為“海洋地質(zhì)十號”調(diào)查船配備海洋砂質(zhì)地層繩索取心鉆具2 套、液動沖擊繩索取心鉆具2套、繩索取心泥漿靜壓活塞取心鉆具2 套等取心技術(shù)裝備，共實(shí)施了4 個(gè)航次鉆探取樣試驗(yàn)和作業(yè)，累計(jì)鉆探工作量810.88 m，累計(jì)取心進(jìn)尺303.33 m，獲得巖心長度269.6 m，平均樣品采取率達(dá)88.88%，協(xié)作完成海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查鉆探取樣、風(fēng)電勘查工程鉆探等多項(xiàng)作業(yè)任務(wù)。

2018 年6 月，采用繩索取心泥漿靜壓活塞取心鉆具作業(yè)，作業(yè)水深47 m，鉆遇地層主要為粘土，累計(jì)使用20 回次，累計(jì)進(jìn)尺40 m，取心長度39.6 m。由于作業(yè)區(qū)域水深較淺，鉆具在投放至井底后出現(xiàn)剪切銷釘直接被剪斷、無法依靠泥漿泵憋壓的現(xiàn)象，因此在作業(yè)后從銷釘材質(zhì)和直徑方面對剪切銷釘進(jìn)行了改進(jìn)，以確保在較淺區(qū)域作業(yè)時(shí)將鉆具投放至井底后，剪切機(jī)構(gòu)仍有一定的剪切壓力。

2018 年8 月和10 月，采用海洋砂質(zhì)地層繩索取心鉆具進(jìn)行了作業(yè)（見表2），鉆遇地層主要為粘土、粘土質(zhì)粉砂和細(xì)砂。8 月作業(yè)中使用該型鉆具累計(jì)取心進(jìn)尺為52.72 m，累計(jì)取心長度為49.68 m，巖心采取率為94.23%，其中砂質(zhì)地層的巖心采取率為77.6%。10 月作業(yè)中在砂層進(jìn)行深度為139.1 m 鉆進(jìn)作業(yè)，獲得樣品長度為110.9 m，砂層巖心采取率達(dá)到79.73%，遠(yuǎn)高于規(guī)范值要求的60%。

表2 海洋砂質(zhì)地層繩索取心鉆具作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Drilling data of the marine sand wireline coring tool

2018 年8 月，采用液動沖擊繩索取心鉆具進(jìn)行了作業(yè)，作業(yè)數(shù)據(jù)見表3。鉆遇地層主要為粘土和細(xì)砂，作業(yè)中共使用了6 回次，累計(jì)取心進(jìn)尺為15.86 m，累計(jì)取樣長度為13.78 m，巖心采取率達(dá)86.88%。

表3 液動沖擊繩索取心鉆具作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Drilling data of the hydraulic percussive wireline coring tool

5 結(jié)論

通過海上作業(yè)情況可以看出，繩索取心泥漿靜壓活塞取心鉆具、海洋砂質(zhì)地層繩索取心鉆具和液動沖擊繩索取心鉆具已經(jīng)取得了較好的作業(yè)效果，在取樣長度、巖心采取率等指標(biāo)方面能夠滿足當(dāng)前常規(guī)海洋地質(zhì)鉆探對樣品的要求，得出以下結(jié)論。

（1）繩索取心泥漿靜壓活塞取心鉆具在特別軟-軟的地層中進(jìn)行鉆探應(yīng)用時(shí)，能保證巖心采取率，采樣過程中內(nèi)巖心管快速壓入地層，能夠降低樣品擾動；

（2）海洋砂質(zhì)地層繩索取心鉆具和液動沖擊繩索取心鉆具在粉砂層、砂層等半固結(jié)-固結(jié)的地層中進(jìn)行鉆探應(yīng)用時(shí)，能夠有效降低對地層的沖蝕，樣品結(jié)構(gòu)保持好，巖心采取率高；

（3）鑒于海洋地質(zhì)鉆探窗口期短等問題，在巖心質(zhì)量、巖心采取率等指標(biāo)滿足要求的情況下，應(yīng)盡量加長回次取心長度，提高海洋地質(zhì)鉆探取心效率。