南海超深水鉆探取樣鉆具優(yōu)化及應(yīng)用

阮海龍 陳云龍 蔡家品 蔣衛(wèi)焱 何 繁 李 春

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 北京 100083；2.北京探礦工程研究所 北京 100083；3.中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300451)

南海超深水鉆探取樣鉆具優(yōu)化及應(yīng)用

阮海龍1,2陳云龍2蔡家品2蔣衛(wèi)焱3何 繁3李 春2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 北京 100083；2.北京探礦工程研究所 北京 100083；3.中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300451)

海洋鉆探取樣對(duì)于充分利用海洋資源起著至關(guān)重要的作用，然而缺乏深水及超深水自主取樣技術(shù)已成為制約我國(guó)海洋資源開發(fā)的瓶頸。在自主研制的已成功應(yīng)用在南海北部陸坡588 m深水區(qū)的TK系列壓入活塞式取樣鉆具的基礎(chǔ)上，對(duì)該鉆具密封裝置、襯管、管鞋等進(jìn)行了優(yōu)化。新型壓入活塞式取樣鉆具具有良好的耐磨、抗變形等性能，已在南海北部陸坡1 720 m超深水區(qū)順利完成100 m連續(xù)鉆孔取樣作業(yè)，巖心平均收獲率達(dá)85%，成為我國(guó)超深水取樣第一鉆。新型壓入活塞式取樣鉆具可滿足我國(guó)海洋深水及超深水鉆探取樣的需求，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

南海；超深水；TK系列取樣鉆具；優(yōu)化；新型壓入活塞式取樣鉆具；巖心收獲率

我國(guó)深水海域蘊(yùn)藏著大量油氣資源[1-2]。由于我國(guó)海洋油氣勘探開發(fā)起步較晚，對(duì)海洋油氣資源量的估算主要通過(guò)地球物理方法、地球化學(xué)方法、鉆孔測(cè)井方法等，因此如何更準(zhǔn)確地掌握海洋資源潛力、分布狀況以及資源量是目前面臨的一大難題。鉆探取樣是海洋油氣勘探的重要手段，目前淺水鉆探取樣主要應(yīng)用的是比較成熟的重力活塞取樣技術(shù)，用于獲取海床表層的沉積物樣品[3-4]，但該技術(shù)應(yīng)用于深水及超深水鉆探取樣具有極大的局限性[5-6]。

我國(guó)深水及超深水鉆探取樣作業(yè)大多依賴于外國(guó)鉆探船及其技術(shù)[7-9],如1999年大洋鉆探計(jì)劃“Joides Resolution”號(hào)首航南海，進(jìn)行了184航次調(diào)查，在南海共完成了17個(gè)鉆孔的鉆探任務(wù)[8]; 2007年輝固國(guó)際集團(tuán)公司Bavenit號(hào)船具體承擔(dān)的中國(guó)天然氣水合物鉆探工程在南海北部成功鉆獲了天然氣水合物實(shí)物樣品，取得了海洋深水找礦工作的重大突破，海域水深1 230～1 245 m[9]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研發(fā)的TK系列壓入活塞式取樣鉆具[10]已在我國(guó)南海北部陸坡588 m深水區(qū)得到成功應(yīng)用，但應(yīng)用在1 720 m超深水時(shí)取樣工具的密封裝置、襯管、管鞋等出現(xiàn)了損壞。為了攻克我國(guó)深水及超深水鉆探取樣技術(shù)瓶頸，筆者在TK系列壓入活塞式取樣鉆具基礎(chǔ)上，對(duì)取樣鉆具從密封裝置、襯管、管鞋等方面進(jìn)行優(yōu)化，并在南海北部陸坡1 720 m超深水區(qū)100 m連續(xù)取樣鉆孔作業(yè)中取得成功應(yīng)用，打破了國(guó)外深水鉆探取樣技術(shù)的壟斷，為我國(guó)自主勘探開發(fā)深水油氣資源打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 超深水鉆探取樣鉆具優(yōu)化

南海北部陸坡588 m深水區(qū)應(yīng)用的壓入活塞式取樣鉆具采用的是我國(guó)自主研發(fā)的TK系列壓入活塞式取樣鉆具[10],該取樣鉆具如圖1所示。針對(duì)該取樣鉆具在我國(guó)南海北部陸坡1 720 m取樣存在的問題，從密封裝置、襯管、管鞋等方面進(jìn)行了優(yōu)化。

圖1 壓入活塞式取樣鉆具Fig.1 Press-in piston sampling drilling tool

1.1 密封裝置優(yōu)化

在1 720 m超深水區(qū)作業(yè)時(shí)，水深壓力18 MPa左右，取樣作業(yè)時(shí)橡膠制成的支承環(huán)和壓環(huán)無(wú)法承受這一壓力工況下的持續(xù)工作而導(dǎo)致變形破壞；同時(shí)，作業(yè)地層以細(xì)砂為主，作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的海底細(xì)砂容易進(jìn)入到密封裝置與外管內(nèi)壁之間的空間，長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)由于過(guò)度摩擦而造成磨損，損壞密封件與外管內(nèi)壁的表面，進(jìn)而使密封裝置遭到破壞(圖2a)。

圖2 優(yōu)化前后密封組對(duì)比Fig.2 Constrast of optimized seal group with former

因此，首先需要優(yōu)選耐磨和耐壓性能的密封材料，其次要兼顧密封材料與外管內(nèi)壁之間的摩擦系數(shù)小[11]。目前常用的各類密封圈的摩擦系數(shù)都不是很大，綜合分析后優(yōu)選了添加二硫化鉬或硅油等助劑的聚氨酯橡膠V型密封裝置，該裝置密封圈摩擦系數(shù)相對(duì)更小，能最大限度地減少摩擦力的阻礙，同時(shí)聚氨酯橡膠V型密封裝置具有較強(qiáng)的耐磨和耐壓性能，能適應(yīng)超深水的作業(yè)。另外，結(jié)合我國(guó)南海北部陸坡588 m深水區(qū)作業(yè)的情況，對(duì)于超深水作業(yè)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了軟金屬材質(zhì)制成的支承環(huán)和壓環(huán)，這類支承環(huán)和壓環(huán)具有軟硬兩方面的特性[12]，不易變形，同時(shí)可以減少模型制造及加工費(fèi)用，節(jié)約成本。優(yōu)化后的密封裝置在1 720 m超深水區(qū)使用過(guò)程中幾乎無(wú)變形(圖2b)，達(dá)到了預(yù)期的效果。

1.2 襯管優(yōu)化

在1 720 m超深水取樣作業(yè)時(shí),襯管取心率較低，同時(shí)襯管發(fā)生了損壞(圖3a)。分析認(rèn)為，取樣長(zhǎng)度主要取決于取樣管的內(nèi)徑、樣品與管壁的摩擦力和巖土層的強(qiáng)度[13-14]，靜壓作用下取樣長(zhǎng)度存在一個(gè)臨界值，若鉆具繼續(xù)壓入，則巖心被壓實(shí)，產(chǎn)生“樁效應(yīng)”。此外，取樣長(zhǎng)度也與巖層的內(nèi)摩擦角、黏聚力以及取樣深度有關(guān)[15-16]。在1 720 m超深水作業(yè)時(shí)，地層性質(zhì)產(chǎn)生變化，土層強(qiáng)度增大，巖心與襯管之間的摩擦系數(shù)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致巖樣進(jìn)入襯管難度增加，最終導(dǎo)致取心率有所下降，同時(shí)由于巖心與襯管之間的摩擦力改變，長(zhǎng)時(shí)間的不均衡摩擦引起了襯管的破裂損壞。

因此，優(yōu)化特制了具有輕質(zhì)、耐腐蝕、耐磨、強(qiáng)度高、內(nèi)壁光潔的PC管作為內(nèi)層襯管(圖3b)，在保證襯管強(qiáng)度及耐磨性的同時(shí)，減小了土層對(duì)取樣鉆具的摩擦阻力，并延遲了“樁效應(yīng)”的產(chǎn)生，從而達(dá)到了最優(yōu)取樣回次長(zhǎng)度。

圖3 優(yōu)化前后襯管對(duì)比Fig.3 Constrast of optimized pc tube with former

1.3 管鞋優(yōu)化

ANSYS Workbench有限元模擬結(jié)果表明，若材料安全系數(shù)取2，則588 m深水區(qū)作業(yè)時(shí)使用的管鞋(圖4a)在1 720 m超深水中受到最大應(yīng)力228 MPa時(shí)的屈服應(yīng)力為456 MPa，將超過(guò)管鞋材料許用應(yīng)力350 MPa，因此需要對(duì)管鞋進(jìn)行優(yōu)化。

通過(guò)優(yōu)化管鞋端面面積，減少了管鞋所受到的阻力。ANSYSWorkbench有限元模擬結(jié)果表明，材料安全系數(shù)取2，優(yōu)化后的管鞋(圖4b)在1 720 m超深水中受到最大應(yīng)力為172 MPa時(shí)的屈服應(yīng)力為344 MPa，處于管鞋材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

圖4 優(yōu)化前后管鞋對(duì)比Fig.4 Contrast of optimized pipe shoe with former

2 超深水鉆探取樣實(shí)踐

經(jīng)過(guò)優(yōu)化的TK系列深水隨鉆取樣鉆具搭載“海洋石油708”號(hào)深水工程勘察船，首次在我國(guó)南海北部陸坡1 720 m超深水區(qū)進(jìn)行了100 m全孔連續(xù)取樣。本次作業(yè)鉆孔深度101 m，共取樣66回次，其中經(jīng)過(guò)優(yōu)化的新型壓入活塞式取樣鉆具取樣深度95 m，取樣63回次，獲取樣品81 m，樣品直徑為66 mm，巖心平均收獲率為85%，單筒巖心最大長(zhǎng)度為2 m(滿管)。從現(xiàn)場(chǎng)取出的巖心(圖5)可以看到，樣品幾乎無(wú)擾動(dòng)，質(zhì)量很高。另外，新型壓入活塞式取樣鉆具在使用過(guò)程中，組合密封幾乎無(wú)損壞，管鞋使用壽命增長(zhǎng)，取心率得到了保證，取樣鉆具到達(dá)井底的時(shí)間變短，表明經(jīng)過(guò)優(yōu)化的新型取樣鉆具完全能夠適應(yīng)超深水作業(yè)條件。

圖5 南海取得的完整原狀的超深水巖心Fig.5 Complete and original ultra-deepwater core at the work site in South China Sea

3 結(jié)論

采用聚氨酯橡膠V型密封裝置、PC管襯管以及減小管鞋端面等優(yōu)化手段可提高新型壓入活塞式取樣鉆具的耐磨性、抗變形能力，自主研制的新型壓入活塞式取樣鉆具在南海北部陸坡1 720 m超深水區(qū)取樣作業(yè)中取得良好成效，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白，從而為我國(guó)自主勘探開發(fā)深水油氣資源奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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(編輯：孫豐成)

Optimization and application of a sampling drilling tool for ultra-deepwater drilling in South China Sea

RUAN Hailong1,2CHEN Yunlong2CAI Jiapin2JIANG Weiyan3HE Fan3LI Chun2

(1.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China; 2.BeijingInstituteofExplorationEngineering,Beijing100083,China; 3.COSL,Tianjin300451,China)

Drilling and sampling play a vital role in full exploitation of marine resources; however, the shortage of sampling technologies with independent IPRs in deep water and ultra-deepwater is the bottleneck to exploit marine resources in our country.On the basis of the TK series press-in piston sampling drilling tools, which was independently developed and successfully applied in the 588 m deep northern slope of the South China Sea, the combination of the sealing material, liner and pipe shoe was optimized.The new generation of press-in piston sampling drilling tool has good resistance against wear and deformation, and a 100 m continuous sampling job was successfully completed in the northern slope with a water depth of 1 720 m, with the core recovery being 85%.This is the first job of ultra-deepwater sampling in China.The new tool can well meet the deep water and ultra-deepwater marine drilling and sampling needs which has high dissemination and application potential.

South China Sea; ultra-deepwater; TK series sampling drilling tools; optimization; new press-in piston sampling drilling tool; core recovery

阮海龍，男，工程師，2006年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事金剛石鉆頭、鉆具、鉆進(jìn)工藝方面的研究。地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)探工樓207室(郵編：100083)。E-mail：dbksda@163.com。

陳云龍，男，工程師，2011年畢業(yè)于核工業(yè)北京化工冶金研究院核燃料循環(huán)與材料專業(yè)，現(xiàn)主要從事金剛石鉆頭、鉆具、鉆進(jìn)工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)探工樓207室(郵編：100083)。E-mail：cyl.011@163.com。

1673-1506(2017)01-0105-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.01.016

阮海龍,陳云龍,蔡家品，等.南海超深水鉆探取樣鉆具優(yōu)化及應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣，2017,29(1)：105-109.

RUAN Hailong,CHEN Yunlong,CAI Jiapin,et al.Optimization and application of a sampling drilling tool for ultra-deepwater drilling in South China Sea[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(1):105-109.

TE921+.3

A

2016-03-30 改回日期：2016-06-25