(中海油田服務(wù)股份有限公司， 天津300459)

0 引 言

自1872年人類開始對(duì)海底土層進(jìn)行地質(zhì)取樣[1]以來，海洋鉆孔取樣技術(shù)和裝備歷經(jīng)近150年的發(fā)展，從較原始的沖擊式取樣器取樣到壓力驅(qū)動(dòng)勻速貫入取樣，以及更先進(jìn)的國(guó)際深海鉆探計(jì)劃(Deep Sea Drilling Project，DSDP)采用的保壓取芯筒(Pressure Core Barrel，PCB)等保真取樣器[2-4]取樣，從船載鉆井設(shè)備到澳大利亞便攜式遙控鉆機(jī)(Portable Remotely Operated Drill， PROD)系統(tǒng)等遠(yuǎn)程遙控海床式鉆井系統(tǒng)[5]，從僅具備十幾米水深作業(yè)能力的淺水勘察船到鉆探最大水深達(dá)8 235 m的 “喬迪斯·決心”號(hào)深海鉆探船[6]，從僅能夠獲取海底表層樣品的取樣系統(tǒng)到能夠獲取海底以下幾千米的大洋鉆探裝備，海洋取樣技術(shù)及裝備在工作原理方面發(fā)生了巨大變革，在工作能力方面取得了顯著進(jìn)步。隨著人類對(duì)海洋礦產(chǎn)及油氣資源的探索和開發(fā)進(jìn)程的不斷深入，對(duì)獲取海底地層樣品的質(zhì)量和作業(yè)效率的要求不斷提高，工程地質(zhì)取樣新技術(shù)和新裝備更新速度也越來越快。

通過對(duì)業(yè)內(nèi)相關(guān)取樣技術(shù)和裝備信息的收集和研究，總結(jié)目前在海洋取樣關(guān)鍵技術(shù)及作業(yè)能力方面所取得的進(jìn)展和突破，同時(shí)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的裝備研發(fā)和技術(shù)革新提供建設(shè)性意見和技術(shù)參考。

1 海洋鉆孔取樣技術(shù)概述

1.1 海洋鉆孔取樣定義

海洋鉆孔取樣借助船舶或海上平臺(tái)等承載工具，利用相關(guān)取樣技術(shù)及設(shè)備，獲取海底面以下的地層樣品，從而根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)及科研需要，對(duì)海底地層的物理和力學(xué)性質(zhì)以及地層中的礦產(chǎn)資源進(jìn)行定量評(píng)估。

1.2 相關(guān)技術(shù)及設(shè)備

根據(jù)取樣用途、搭載及驅(qū)動(dòng)方式、作業(yè)方式以及取芯筒結(jié)構(gòu)等的不同，海洋鉆孔取樣技術(shù)的表現(xiàn)形式和實(shí)現(xiàn)方式也不同。

1.2.1 取樣用途

根據(jù)實(shí)際需求，從海底獲取的地層樣品的用途大概分以下幾種：(1)工程需求，即建設(shè)海上設(shè)施的安全性評(píng)估，如海上油氣開發(fā)平臺(tái)及管道設(shè)施建設(shè)勘察評(píng)估等；(2)自然資源儲(chǔ)量評(píng)估，如礦產(chǎn)資源、天然氣水合物資源評(píng)估等；(3)科學(xué)研究需求，如區(qū)域地質(zhì)背景、沉積環(huán)境及沉積年代分析等。

1.2.2 搭載和驅(qū)動(dòng)方式

根據(jù)ISO鉆井設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范，海上鉆井設(shè)備的搭載和驅(qū)動(dòng)方式可分為船載鉆井驅(qū)動(dòng)、遠(yuǎn)程遙控控制和海床式鉆井驅(qū)動(dòng)等[7]。船載鉆井驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)在于鉆進(jìn)深度較大，但是其受作業(yè)環(huán)境的影響也較大，并且對(duì)作業(yè)船舶的要求較高；海床式鉆井驅(qū)動(dòng)方式更加靈活、便于樣品儲(chǔ)運(yùn)，且受作業(yè)環(huán)境影響較小，但是缺點(diǎn)在于鉆進(jìn)能力有限。

1.2.3 作業(yè)方式

取樣器獲取樣品的作業(yè)方式可分為壓入、射入、吸入、沖擊式和隨鉆回轉(zhuǎn)式等。有些鉆井設(shè)備一次僅能獲取有限長(zhǎng)度的樣品，需多次連續(xù)對(duì)海底一定深度范圍內(nèi)的土層進(jìn)行獲??；有些鉆井設(shè)備則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地層的連續(xù)貫入獲取，這需要鉆機(jī)具有足夠大的扭力和貫入能力，如荷蘭的代夫特連續(xù)取樣器(Delft Continuous Sampler)的最大推力達(dá)200 kN，可連續(xù)獲取海底面以下30 m深度的地層樣品[8]。

1.2.4 取芯筒結(jié)構(gòu)

取芯筒的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可分為直通式和活塞式，根據(jù)取芯筒壁厚不同又可分為薄壁取芯器和厚壁取芯器。取芯筒的集成結(jié)構(gòu)一般為單筒式，但是為了達(dá)到檢測(cè)樣品中某種化學(xué)元素或物質(zhì)含量等特殊目的，須防止樣品接觸金屬取芯筒內(nèi)壁，取芯筒集成結(jié)構(gòu)也被設(shè)計(jì)成雙筒式和三筒式。

2 新技術(shù)裝備及特點(diǎn)

2.1 樣品質(zhì)量

經(jīng)過100多年的發(fā)展，人們已不再把海底地層樣品的獲取率做為海洋鉆孔取樣技術(shù)的唯一追求目標(biāo)，更多地關(guān)注獲取樣品的質(zhì)量。近年來，深水海洋油氣資源開發(fā)進(jìn)程的加快對(duì)深水區(qū)沉積土層樣品的獲取質(zhì)量提出了更高的要求。能否精確評(píng)估深水區(qū)海底巖土的力學(xué)性質(zhì)，直接關(guān)系到深水油氣開發(fā)工程的成本控制和工程設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)。目前，很多勘察公司都研制出了對(duì)海底土層具有較小擾動(dòng)性的取樣技術(shù)和裝備，比較主流的是通過控制管線中液體壓力或鉆桿井筒中的泥漿壓力實(shí)現(xiàn)取樣器在土層中的勻速貫入，從而降低對(duì)土層的擾動(dòng)程度。輝固(Fugro)公司的Dophin系統(tǒng)就是比較典型的利用泥漿壓力驅(qū)動(dòng)的取樣和原位測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的取樣器為井下無纜式，當(dāng)鉆進(jìn)至目的層位后，將取樣器從井口自由下放至鉆桿內(nèi)，取樣器與鉆鋌總承中的卡環(huán)固定，同時(shí)在鉆桿中形成封閉空間，然后利用泥漿泵泵入泥漿，當(dāng)鉆桿中的泥漿壓力達(dá)到一定值后，取樣器內(nèi)部的壓力傳動(dòng)裝置促使取芯管勻速貫入土層。

另外，隨著人類加大對(duì)天然氣水合物資源的探索和開發(fā)，需對(duì)海底土層中的天然氣水合物含量進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估，這不僅要求采取高質(zhì)量的土層樣品，而且應(yīng)盡可能地讓所采取的樣品保持原始土層條件下的壓力和溫度，保真取樣器應(yīng)運(yùn)而生。目前世界上較先進(jìn)的保真取樣器有DSDP采用的PCB、國(guó)際大洋鉆探計(jì)劃(Ocean Drilling Program， ODP)采用的活塞取樣器(Advanced Piston Corer， APC)和保壓取樣器(Pressure Core Sampler， PCS)、日本研制的保溫保壓取樣器(Pressure Temperature Core Sampler， PTCS)，以及我國(guó)的大慶MY-215取樣器[2-4]和浙江大學(xué)研制的重力活塞式保真取樣器[9]等。保真取樣器一般由鉆頭卡芯、球閥機(jī)構(gòu)、內(nèi)外巖芯筒總成、壓力補(bǔ)償系統(tǒng)、軸承懸掛總成和上部差動(dòng)機(jī)構(gòu)等6部分組成，同時(shí)還需配備巖芯儲(chǔ)運(yùn)和卸壓分離等配套裝置。

2.2 作業(yè)能力

鉆孔取樣技術(shù)的作業(yè)能力包括作業(yè)水深和鉆進(jìn)深度兩方面。目前國(guó)外較先進(jìn)的鉆井取樣系統(tǒng)均在這兩方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。表1為國(guó)際上較先進(jìn)的鉆井設(shè)備的最大適用水深和鉆進(jìn)能力統(tǒng)計(jì)。

表1 國(guó)際上較先進(jìn)的鉆井設(shè)備作業(yè)能力統(tǒng)計(jì)

我國(guó)深水鉆探能力的發(fā)展一直以來因國(guó)外的技術(shù)壟斷而受到制約，但經(jīng)過業(yè)內(nèi)專家和技術(shù)人員的不懈努力，近年來取得了技術(shù)突破。2013年-2014年，中海油田服務(wù)股份有限公司與北京探礦工程研究所合作開展了“新型深水隨鉆取樣器研制”項(xiàng)目，其成果“TK-01”型噴射式深水取樣器被配置到“海洋石油708”深水綜合勘察船上，并在1 720 m水深條件下完成100 m連續(xù)取樣[10]。2015年，由我國(guó)自主研制的“海?！碧?hào)深水鉆機(jī)在南海3 109 m水深成功完成60 m海底鉆探取樣，標(biāo)志著我國(guó)深水鉆機(jī)技術(shù)躋身世界一流[11]。2.3 綜合性能

隨著鉆孔取樣技術(shù)的發(fā)展，鉆井取樣設(shè)備的綜合性能也越來越高，其已不再是單純的取樣器，而是能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能的綜合體，既能夠進(jìn)行地層取樣，也可以對(duì)地層進(jìn)行原位測(cè)試，既能夠?qū)５总浲翆舆M(jìn)行取樣，又能夠?qū)r層進(jìn)行巖芯鉆取。

目前國(guó)外比較先進(jìn)的鉆井設(shè)備都具有以上特征。澳大利亞PROD系統(tǒng)，德國(guó)MeBo系統(tǒng)和美國(guó)ROVDRILL系統(tǒng)等，都既能進(jìn)行硬巖巖芯取樣，還能實(shí)現(xiàn)壓入式沉積物取芯，同時(shí)又具備海底CPT測(cè)試作業(yè)等功能，其中PROD系統(tǒng)還能夠進(jìn)行海底天然氣水合物分析[5，12-13]。

“一機(jī)多用”技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐，讓鉆井設(shè)備成為一個(gè)技術(shù)綜合體，同時(shí)也在很大程度上提高了作業(yè)效率。

2.4 智能化程度

現(xiàn)代科技水平的發(fā)展和進(jìn)步，尤其是傳感器、光纖通信技術(shù)和遙控?zé)o人潛水器(Remote Operated Vehicle， ROV)等橫向技術(shù)學(xué)科的發(fā)展，為鉆孔取樣設(shè)備注入更多新鮮的科學(xué)元素，使其智能化程度越來越高，為鉆井取樣作業(yè)提供了更便利的條件。

國(guó)外很多深水鉆井設(shè)備，如輝固公司的SFD系統(tǒng)配套使用ROV等水下監(jiān)控設(shè)備，有效提高了水下作業(yè)可視度，保證了設(shè)備的安全運(yùn)行。

美國(guó)“喬迪斯·決心”號(hào)的核心技術(shù)之一為“鉆孔重返系統(tǒng)”，包括高分辨率聲吶掃描系統(tǒng)和反孔漏斗裝置(見圖1)。在首次鉆探時(shí)，將返孔漏斗安放在鉆孔位置，并在鉆孔附近安放聲吶發(fā)射器，在更換鉆頭或臨時(shí)撤離后需繼續(xù)進(jìn)行原孔位鉆井作業(yè)時(shí)，船舶通過接收鉆孔附近的聲吶發(fā)射器信號(hào)，借助鉆桿上的水下攝像機(jī)找到返孔漏斗，將鉆桿重新放入原井眼中。

圖1 鉆孔重返系統(tǒng)示例

3 發(fā)展趨勢(shì)

通過總結(jié)目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有鉆孔取樣設(shè)備及其關(guān)鍵技術(shù)，可以預(yù)見鉆孔取樣設(shè)備和技術(shù)將會(huì)有如下幾方面的發(fā)展趨勢(shì)。

(1) 井下無纜式和海床式作業(yè)方式將成為主流發(fā)展方向。針對(duì)作業(yè)母單元對(duì)取樣模塊的控制方式，井下無纜式和海床式更加適應(yīng)目前和未來實(shí)際工程以及科學(xué)研究在調(diào)查作業(yè)環(huán)境和取樣效率方面的需求。這兩種作業(yè)方式不僅能突破作業(yè)水深的限制，而且能使取樣模塊與作業(yè)母單元脫離，從而更大限度地?cái)[脫海洋作業(yè)環(huán)境對(duì)作業(yè)母單元的影響，同時(shí)能夠提高作業(yè)效率和取樣質(zhì)量。Dophin系統(tǒng)、PROD系統(tǒng)和ROVDRILL等一系列較先進(jìn)的國(guó)外鉆井取樣裝備均采用這兩種作業(yè)方式，這勢(shì)必會(huì)成為未來主流的裝備制造研發(fā)模式。

(2) 智能化程度會(huì)越來越高。科學(xué)技術(shù)發(fā)展有效地推動(dòng)了海洋鉆井取樣技術(shù)的進(jìn)步。通過與無線通信技術(shù)、遙感技術(shù)和水下監(jiān)控技術(shù)等其他橫向相關(guān)學(xué)科的技術(shù)融合，鉆孔取樣裝備的智能化程度會(huì)越來越高、功能會(huì)越來越完善，將逐漸降低鉆井作業(yè)的盲目性，這也會(huì)使該領(lǐng)域存在的技術(shù)難題迎刃而解，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新。

(3) 取樣設(shè)備模塊化。取樣設(shè)備模塊化會(huì)打破鉆孔取樣設(shè)備對(duì)海上承載單元的限制，將鉆孔取樣系統(tǒng)各部分模塊設(shè)計(jì)成整體模塊形式，便于儲(chǔ)存、保養(yǎng)和運(yùn)輸，使用時(shí)只需將各個(gè)模塊進(jìn)行組裝連接，操作更加靈活便利，這也會(huì)成為未來鉆井設(shè)備的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。

(4) 功能集成度和綜合作業(yè)能力會(huì)越來越高?！耙粰C(jī)多用”的功能實(shí)踐為海洋鉆孔取樣設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了廣闊的思路，未來的鉆孔取樣設(shè)備集成的功能會(huì)越來越多，作業(yè)能力也會(huì)越來越強(qiáng)，技術(shù)綜合體的設(shè)計(jì)理念將成為未來的主流趨勢(shì)。

(5) 保真取樣技術(shù)。獲取樣品質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到科研數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及擬建生產(chǎn)設(shè)施的建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)安全，因此能夠獲取高質(zhì)量樣品的保真取樣技術(shù)的升級(jí)創(chuàng)新也將是未來重要的發(fā)展方向之一。

4 結(jié) 論

海洋鉆孔取樣技術(shù)的發(fā)展凝聚了多方面的技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步的力量。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)和科學(xué)研究需求，更先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備在未來會(huì)應(yīng)運(yùn)而生，尤其是海洋調(diào)查承載設(shè)備、無線通信技術(shù)等其他相關(guān)橫向?qū)W科的發(fā)展進(jìn)步，可以為海洋鉆孔取樣技術(shù)提供更廣闊的發(fā)展思路和空間，學(xué)科之間的融合也會(huì)越來越緊密。類似于自主水下航行器獨(dú)立運(yùn)行模塊單元的技術(shù)研發(fā)思路，鉆孔取樣模塊與海上承載母單元脫離并獨(dú)立進(jìn)行取樣操作和原位測(cè)試的相關(guān)技術(shù)愿景會(huì)變成現(xiàn)實(shí)，從而更大程度地降低海洋環(huán)境對(duì)鉆孔取樣作業(yè)的制約，并能大幅提高樣品質(zhì)量和作業(yè)效率。