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

海洋地質鉆探，作為海洋勘探開發(fā)的基礎，對我國海洋區(qū)域地質調查、重點海岸帶環(huán)境地質調查與評價、近海海砂及相關資源潛力調查等海洋基礎地質工作有著至關重要的作用［1-3］。海洋地質鉆探的核心是高效、便捷地取出海底樣品以供進行科學研究［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)海洋地質鉆探的地層類型復雜多樣，主要為松軟、半固結或固結的沉積物，在取心作業(yè)中面臨的難題主要有巖心采取率不足，巖心結構擾動大，在砂層、粉砂層中取心困難等［5］。

為解決上述難題，同時針對我國自主實施海洋科學鉆探工程的需求［6-8］，筆者對國內外海洋鉆探取心技術裝備進行了調研。國外依托大洋科學鉆探等工程實施，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，其應用已較為成熟。相比之下，國內在此方面研究程度較低，近幾年來僅有我所和中國地質科學院勘探技術研究所、上海石油管理局第一海洋地質調查大隊等少數(shù)幾家單位進行了研究，且實際應用較少［9-12］。我所經過十幾年來對常規(guī)海洋地質鉆探取心技術的深入研究，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），在我國南海進行了多次試驗和作業(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 基本結構

繩索取心泥漿靜壓活塞取心鉆具采用模塊化設計，組裝拆卸方便。其結構如圖2 所示，由打撈懸掛機構、剪切機構、密封機構、導向軸、內取心筒、襯管、巖心卡取機構和壓入管鞋組成。打撈懸掛機構能夠與井底鉆具組合配合，懸掛鉆具，并在鉆進結束后，打撈器與該機構連接，回收取心鉆具。剪切與密封機構能夠利用鉆井液泵的壓力剪斷銷釘，使內取心筒快速壓入樣品層，回次取心長度最長可達4.5 m。導向軸能夠保證內取心筒在壓入時能夠始終保持在外管總成中心。巖心卡取機構采用翻板，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：將鉆井液壓力轉化為內取心筒壓入地層的驅動力，即當鉆具落入井底鉆具組合中后，利用鉆井液泵給內取心筒一個10～23 MPa 的壓力，將銷釘剪斷，使內取心筒快速壓入取心地層，速度達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，可有效克服回轉取心方法所引起的樣品擾動大、層面扭曲、樣品被攪散等嚴重缺點。

2 海洋砂質地層繩索取心鉆具

2.1 基本機構

海洋砂質地層繩索取心鉆具的結構采用模塊化設計，其結構如圖3 所示，主要由打撈懸掛機構、射流機構、巖心筒、巖心卡取機構和取心鉆頭組成［13］。打撈懸掛機構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鉆進取樣。在鉆進結束后，打撈器與該機構連接，回收取心鉆具。射流機構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］。巖心卡取機構能卡住巖心，防止巖心掉落。取心鉆頭超前外管總成100～300 mm，能提前進入地層，減小泥漿對巖心的沖刷。

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

2.2 工作原理

海洋砂質地層繩索取心鉆具能夠在半固結的沉積物中進行取心，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構使取心鉆具隨著外管一起鉆進，隨著鉆進過程巖心逐漸進入取心鉆具巖心管中，取心鉆具底部安裝有巖心卡取機構，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 基本機構

液動沖擊繩索取心鉆具主要由5 個模塊組成，分別為打撈懸掛機構、沖擊機構、巖心筒、巖心卡取機構和取心鉆頭，如圖4 所示，組裝拆卸方便。打撈懸掛機構，能夠與外管總成配合，懸掛、固定鉆具，并帶動鉆具一起旋轉鉆進取樣。在鉆進結束后，打撈器與該機構連接，回收取心鉆具。沖擊機構能夠依靠鉆井液啟動沖擊錘，實現(xiàn)沖擊回轉鉆進。巖心卡取機構能卡住巖心，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的沉積物、硬地層、軟-硬相互交替地層中進行取樣。其基本工作原理是在硬地層中鉆進時，取心鉆具隨井底鉆具組合一同旋轉，沖擊機構利用鉆進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，從而實現(xiàn)沖擊回轉鉆進［15］。該型鉆具在軟地層中鉆進時，沖擊機構不啟動，只進行回轉鉆進。

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

4 海試應用

2018 年，為“海洋地質十號”調查船配備海洋砂質地層繩索取心鉆具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 套等取心技術裝備，共實施了4 個航次鉆探取樣試驗和作業(yè)，累計鉆探工作量810.88 m，累計取心進尺303.33 m，獲得巖心長度269.6 m，平均樣品采取率達88.88%，協(xié)作完成海洋區(qū)域地質調查鉆探取樣、風電勘查工程鉆探等多項作業(yè)任務。

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，累計使用20 回次，累計進尺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)后從銷釘材質和直徑方面對剪切銷釘進行了改進，以確保在較淺區(qū)域作業(yè)時將鉆具投放至井底后，剪切機構仍有一定的剪切壓力。

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

表2 海洋砂質地層繩索取心鉆具作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計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砂，作業(yè)中共使用了6 回次，累計取心進尺為15.86 m，累計取樣長度為13.78 m，巖心采取率達86.88%。

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

5 結論

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、海洋砂質地層繩索取心鉆具和液動沖擊繩索取心鉆具已經取得了較好的作業(yè)效果，在取樣長度、巖心采取率等指標方面能夠滿足當前常規(guī)海洋地質鉆探對樣品的要求，得出以下結論。

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

（2）海洋砂質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-固結的地層中進行鉆探應用時，能夠有效降低對地層的沖蝕，樣品結構保持好，巖心采取率高；

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