阮海龍，陳云龍，趙義，沈立娜

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 前言

海洋占據(jù)地球面積的70%以上，蘊(yùn)藏著豐富的資源，為人類的科學(xué)探索及資源開發(fā)提供了巨大的空間。隨著地球科學(xué)發(fā)展，海洋油氣礦產(chǎn)資源、天然氣水合物等新能源勘探開發(fā)以及海洋工程技術(shù)裝備水平的提高，海洋超深水區(qū)域正成為科學(xué)探索的熱點(diǎn)和前沿。

探礦工程及海洋油氣開發(fā)等行業(yè)，通常將水深500 m以上海域稱為深水，水深超過1500 m的海域稱為超深水。隨著水深的增加，鉆探的難度越來越大，對工程裝備、技術(shù)工藝的要求也越來越高。同時，海洋的復(fù)雜環(huán)境對鉆探施工作業(yè)也提出了極大的挑戰(zhàn)，諸多不可預(yù)見的因素需要依靠豐富的經(jīng)驗(yàn)積累來分析處理。另一方面，海洋鉆探成本高昂，氣候、天氣等原因?qū)е伦鳂I(yè)窗口短，對鉆探施工的效率、質(zhì)量提出了極苛刻的要求[1-4]。

科學(xué)探索和資源開發(fā)通常以鉆探取樣或測井來進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查獲取第一手科學(xué)資料。基于成本、效率、作業(yè)時間窗口等因素的考慮，海洋超深水鉆探通常以帶動力定位的浮式鉆井船或平臺，采用“裸眼”即無隔水管或套管的鉆井工藝進(jìn)行作業(yè)施工。我國近幾年才開始嘗試超深水鉆探的自主施工，此前的施工經(jīng)驗(yàn)近乎空白，尚處在邊摸索邊實(shí)施的階段[5-14]。筆者親歷了2014年我國在南海水深1720 m處首次自主實(shí)施的海洋地質(zhì)調(diào)查超深水第一鉆，以及2016年國際海洋鉆探公司FUGRO在平均水深約1800 m處實(shí)施的數(shù)個超深水鉆探作業(yè)，現(xiàn)整理施工概況及鉆探相關(guān)技術(shù)工藝參數(shù)，望能為今后我國相關(guān)行業(yè)提供參考。

1 海洋超深水鉆探簡介

海洋超深水鉆探，通常在水深1500 m以上海域，以鉆進(jìn)數(shù)米至數(shù)百米的海底沉積物層獲取地層資料為目的。通常有隔水管鉆井、“裸眼”鉆井與海底鉆機(jī)等幾種形式[1,2](圖1)。隔水管鉆井(圖1中)，即在鉆井船(平臺)與海底孔口之間通過隔水管聯(lián)接，鉆頭通過鉆桿從隔水管內(nèi)部穿入下放至海底鉆進(jìn)，鉆井液從鉆桿注入后，從孔內(nèi)上返至隔水管與鉆桿間環(huán)空，最終上返至鉆井船泥漿池形成循環(huán)?！奥阊邸便@井(圖1左)，即采用無隔水管或套管，鉆井液采用無循環(huán)開放式直排的工藝進(jìn)行鉆探施工。鉆頭通過鉆桿直接下放至海底進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆井液通過鉆桿注入，上返至海床面孔口后直接排入海水中。海底鉆機(jī)(圖1右)，即從工作船只通過吊纜將鉆機(jī)下放至海床面，再通過動力與通訊纜為鉆機(jī)供電與控制，從海床面開始下放鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)。與前兩種相比，海底鉆機(jī)在鉆進(jìn)深度、鉆孔直徑及鉆孔成功率等方面處于劣勢，應(yīng)用范圍相對受限。海洋超深水地質(zhì)調(diào)查鉆探，從經(jīng)濟(jì)性、作業(yè)效率及鉆孔成功率等方面考慮，通常采用“裸眼”鉆井方式進(jìn)行。

圖1 超深水鉆井示意圖

海洋超深水地質(zhì)調(diào)查“裸眼”鉆井具備以下特點(diǎn)：

(1)需采用具備動力定位功能的浮式鉆井船或鉆井平臺，錨泊定位在超深水中耗時過長，且機(jī)動性差，作業(yè)成本與作業(yè)時間窗受限；

(2)由于鉆桿在海水中“懸空段”較長，無孔壁或套管扶持，需選用高強(qiáng)度級別鉆桿，通常為S135及以上鋼級；

(3)鉆機(jī)需有鉆柱升沉補(bǔ)償功能，以減弱或消除船(平臺)受涌浪影響上下升沉引起的鉆柱上下躥動；

(4)鉆井液為開放式直排，無法循環(huán)回收利用，對鉆井液材料的成本及消耗量需額外考慮。

2 國內(nèi)自主實(shí)施超深水鉆探實(shí)例

2.1 實(shí)例概況

2014年8月，在我國南海北部陸坡1720 m超深水海域成功實(shí)施100 m全孔取樣地質(zhì)調(diào)查作業(yè)。該次作業(yè)由海洋石油708深水工程勘查船實(shí)施，鉆井和取樣工具為北京探礦工程研究所研發(fā)的TK系列深水隨鉆取樣器。作業(yè)共耗時約8天，含1720 m水深加100 m鉆深的起下鉆、鉆進(jìn)及66回次的繩索取心作業(yè)。該次作業(yè)為我國首次采用國產(chǎn)化技術(shù)裝備自主實(shí)施的海洋地質(zhì)調(diào)查超深水第一鉆。

2.2 工程裝備參數(shù)簡介

海洋石油708深水工程勘查船(圖2)，簡稱“海洋石油708”，是國內(nèi)首艘集鉆井、水上工程、勘探功能于一體的3000 m深水工程勘察船，配備DP2級動力定位系統(tǒng)和3000 m水深工程地質(zhì)調(diào)查鉆探及取樣能力，相關(guān)參數(shù)見表1。

2.3 鉆探工藝技術(shù)參數(shù)

海洋石油708深水工程勘查船選用鉆具組合相關(guān)參數(shù)如下：

表1 海洋石油708深水工程勘查船參數(shù)表

圖2 海洋石油708深水工程勘查船

(1)鉆桿：直徑127 mm，壁厚9.19 mm，鋼級S135，接頭外徑177.8 mm，接頭內(nèi)徑104.77 mm，螺紋規(guī)格5FH，單根長度9.75m；

(2)鉆鋌：外徑209.55 mm，內(nèi)徑104.77 mm；

(3)鉆頭：五刀翼金剛石復(fù)合片取心鉆頭，外徑241.3 mm，內(nèi)徑101.6 mm；

(4)取樣鉆具：TK型深水隨鉆取樣器，外徑88.9 mm。

因缺乏超深水鉆探的實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，該次作業(yè)在設(shè)計(jì)鉆井工藝參數(shù)時采用保守原則，即采用低轉(zhuǎn)速、低鉆壓、低泥漿排量的穩(wěn)妥鉆進(jìn)，具體工藝參數(shù)及鉆探效果如下：

水深1720 m，鉆深100 m，轉(zhuǎn)速30～60 r/min，排量200～300 L/min，鉆壓10～20 kN，鉆速10～20 m/h，起下鉆速度約300 m/h，取心絞車?yán)K速40～60 m/min。

因所鉆地層為黏土、粉砂、細(xì)砂等沉積物，鉆進(jìn)過程中存在井斜、孔壁不穩(wěn)、塌孔埋鉆等風(fēng)險(xiǎn)，鉆進(jìn)過程中采用減壓減速鉆進(jìn)，全孔使用密度1.0～1.1 g/cm3泥漿護(hù)壁清孔。

3 FUGRO超深水鉆井實(shí)例

3.1 實(shí)例概況

FUGRO公司在海洋鉆探方面處于國際領(lǐng)先水平，具備完善的技術(shù)裝備及豐富的施工經(jīng)驗(yàn)。2016年，由FUGRO公司的VOYAGER鉆井船在平均水深約1800 m超深水海域?qū)嵤╇S鉆測井作業(yè)，平均鉆深約500 m，平均約4天完成一口鉆井，含起下鉆、鉆進(jìn)及移船定位。其作業(yè)效率、鉆孔質(zhì)量令人嘆服。

3.2 工程裝備參數(shù)簡介

FUGRO VOYAGER鉆井船(圖3)配備DP2級動力定位系統(tǒng)和3000 m水深地質(zhì)鉆探能力，具體參數(shù)見表2。

圖3 FUGRO VOYAGER 鉆井船

表2 FUGRO VOYAGER鉆井船參數(shù)表

3.3 鉆探工藝技術(shù)參數(shù)

FUGRO VOYAGER因其鉤載較小，選用的鉆具組合中除鋼質(zhì)鉆桿外，另配備了部分鋁合金鉆桿以降低鉆柱懸重，其鉆具組合相關(guān)參數(shù)如下：

(1)鉆桿：直徑139.7 mm，壁厚10.54 mm，鋼級S135和鋁合金，接頭外徑177.8 mm，接頭內(nèi)徑104.77 mm，螺紋規(guī)格5FH；

(2)鉆鋌：外徑177.8 mm，內(nèi)徑104.77 mm；

(3)鉆頭：三刀翼牙輪全面鉆頭，外徑215.9 mm。

FUGRO公司具備豐富的超深水鉆探經(jīng)驗(yàn)，其鉆探技術(shù)工藝參數(shù)經(jīng)過實(shí)際施工優(yōu)化完善，具備較高的安全性、經(jīng)濟(jì)性與施工效率。針對施工海域以黏土、粉砂為主的沉積物地層，制定工藝參數(shù)及鉆探效果如下：

水深約1800 m，鉆深約500 m，轉(zhuǎn)速60～90 r/min，排量1100～1300 L/min，鉆壓30～50 kN，鉆速20～30 m/h，起下鉆速度約300 m/h。

鉆井液以海水為主，輔以每3鉆柱注入一次密度約1.1g/cm3搬土漿進(jìn)行掃孔和護(hù)壁。在鉆進(jìn)過程中，通過海底基座攝像或ROV攝像實(shí)時觀測監(jiān)視孔口和鉆柱回轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此可較放心地采用高轉(zhuǎn)速、大鉆壓、大泥漿排量，從而獲得較高的鉆進(jìn)效率，見圖4。

圖4 攝像觀測圖

4 結(jié)論

由以上兩個海洋超深水地質(zhì)調(diào)查鉆探實(shí)例進(jìn)行對比及分析，F(xiàn)UGRO在轉(zhuǎn)速、鉆壓及泥漿排量方面大膽地選用較高參數(shù)值，從而獲得更高的鉆探效率。同時，在鉆井液方面，根據(jù)所鉆地層性質(zhì)及經(jīng)驗(yàn)，在鉆進(jìn)過程中以海水為主要鉆井液介質(zhì)，大大降低了泥漿材料的消耗，在保證成孔質(zhì)量的同時獲得更好的經(jīng)濟(jì)性。初步總結(jié)可得以下結(jié)論：

(1)我國目前的技術(shù)裝備，已具備開展超深水地質(zhì)調(diào)查鉆探能力；

(2)與國際先進(jìn)海洋鉆井公司相比，國內(nèi)尚缺乏施工作業(yè)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的積累；

(3)在鉆探輔助裝備方面，國內(nèi)尚落后于國外，例如帶實(shí)時攝像監(jiān)測功能的超深水海底基座，國內(nèi)尚未見類似裝備獲得應(yīng)用；

(4)FUGRO實(shí)例比國內(nèi)實(shí)例具備更強(qiáng)的鉆探風(fēng)險(xiǎn)控制能力，在鉆探效率及經(jīng)濟(jì)性上也高于國內(nèi)水平；

(5)隨著我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的推進(jìn)，超深水鉆探工程應(yīng)用開展越來越廣泛，與國際先進(jìn)的技術(shù)水平差距正逐步縮小。

[1] 趙爾信, 蔡家品, 賈美玲,等. 海洋深水鉆探船及取樣技術(shù)[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2009, 36(s1):152-154.

[2] 趙爾信, 蔡家品, 賈美玲,等. 我國海洋鉆探技術(shù)[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2014(9):43-48.

[3] 江山紅. 國外深水和超深水油氣勘探技術(shù)發(fā)展與思考[C]// 黑魯石油學(xué)會鉆井新技術(shù)研討會論文集. 2008.

[4] 王文立. 深水和超深水區(qū)油氣勘探難點(diǎn)技術(shù)及發(fā)展趨勢[J]. 中國石油勘探, 2010, 15(4):71-75

[5] 趙爾信, 蔡家品, 賈美玲,等. 海洋深水隨鉆天然氣水合物取樣鉆探設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究[C]//全國探礦工程. 2013.

[6] 趙爾信, 王明田, 蔣衛(wèi)焱,等. 海洋深水工程鉆探技術(shù)[C]//全國探礦工程. 2011.

[7] 吳秋云, 趙爾信. TK-1型壓入活塞式取樣器運(yùn)動阻力計(jì)算及海上取樣試驗(yàn)[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2012, 39(6):16-19.

[8] 趙爾信, 周揚(yáng)銳, 蔡家品,等. 南海深水取樣海試的研究[C]// 探礦工程學(xué)術(shù)論壇. 2012.

[9] 王建軍. 深海靜水壓力驅(qū)動沉積物取樣技術(shù)研究[D].浙江大學(xué),2013.

[10] 湯鳳林,張時忠,蔣國盛,等. 天然氣水合物鉆探取樣技術(shù)介紹[J]. 地質(zhì)科技情報(bào),2002, 21(2):97-99+104.

[11] 邢鴻飛. 預(yù)算緊縮沖擊海洋鉆探[J]. 世界科學(xué), 2013(11):41+45.

[12] 張凌,寧伏龍,蔣國盛,等. 海洋水合物鉆探取心與處理現(xiàn)狀分析[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程),2009, 36(s1):100-103.

[13] 董剛,龔建明,蘇新. 海洋天然氣水合物鉆探取心工藝[J]. 海洋地質(zhì)前沿,2011(3):48-51+69.

[14] 許紅,吳河勇,徐祿俊,等. 區(qū)別于DSDP—ODP的深海保壓保溫天然氣水合物鉆探取心技術(shù)[J]. 海洋地質(zhì)動態(tài),2003,19(6):24-27.