海底硬巖鉆探的現(xiàn)狀與前景分析

劉協(xié)魯，陳云龍，阮海龍，蔡家品，趙 義，劉智鍵，梁 濤，鄧都都，劉廣治

（北京探礦工程研究所，北京100083）

0 引言

自1968 年“深海鉆探計劃（DSDP）”實施以來，經(jīng)過50 余年的發(fā)展，世界大洋鉆探已經(jīng)歷了“大洋鉆探計劃（ODP）”、“綜合大洋鉆探計劃（IODP）”和“國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃（IODP）”4 個階段，取得了驗證“大陸漂移”和“海底擴張”假說、揭示氣候演變規(guī)律、發(fā)現(xiàn)海底“深部生物圈”等舉世矚目的成就。世界大洋鉆探已在全球各大洋鉆井近4000 口，獲取了大量的實物巖心和數(shù)據(jù)，研發(fā)了一系列有關(guān)深海鉆探的技術(shù)與裝備，并在應(yīng)用中逐漸改進(jìn)完善［1-6］。

迄今為止，世界大洋鉆探在對大洋地殼實施大深度鉆探和取心時，在鉆頭、取心鉆具等技術(shù)裝備方面，仍面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)［7-12］。海底硬巖鉆進(jìn)取心中使用的回轉(zhuǎn)取心鉆具（RCB），在89 個海底硬巖鉆孔的平均巖心采取率僅為40.8%［13］，明顯低于陸地取心鉆進(jìn)的巖心采取率，應(yīng)用效果相對較差。在較大深度的海底硬巖鉆孔的實施過程中，發(fā)生了多次鉆具損壞、鉆頭失效等事故，嚴(yán)重制約了鉆進(jìn)取心工作。為了解決這些問題，IODP 開展了一些工程試驗航次，對不同類型鉆頭、新型取心工具進(jìn)行了試驗，并取得了較大進(jìn)展。本文以近些年實施的有關(guān)海底硬巖鉆探的典型航次為例，對海底硬巖鉆探的所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析。

1 海底硬巖鉆探典型航次

1.1 IODP 309 航次

2005 年 7 月實施的 IODP309 航次是在 ODP206航次基礎(chǔ)上對1256D 鉆孔繼續(xù)向下鉆探，其計劃是完成一個穿越火山基底和下伏席狀巖脈復(fù)合體的連續(xù)斷面，并進(jìn)入最上層深成巖的鉆探任務(wù)［14］。為了減少井下鉆頭失效的風(fēng)險并確保井眼直徑符合規(guī)格，該航次每50 h 更換一次鉆頭，累計使用了9 只鉆頭，具體見表1。在鉆進(jìn)取心過程中，技術(shù)人員多次發(fā)現(xiàn)泥漿壓力異常下降等情況，經(jīng)提鉆檢查后發(fā)現(xiàn)，在鉆頭短節(jié)、5 in（1 in=25.4 mm，下同）鉆桿上出現(xiàn)了裂縫，及時規(guī)避了鉆頭、鉆桿掉落等事故的發(fā)生，保證了該航次的順利實施。

表1 IODP309 航次鉆進(jìn)情況Table 1 Expedition IODP309 drilling results

該航次累計鉆進(jìn)503 m，總深度為1255.1 m，累計作業(yè)時間為39 d，每日進(jìn)尺約為15 m。盡管在最后鉆進(jìn)至塊狀玄武巖中的巖心采取率達(dá)到了73%，但該航次平均巖心采取率仍較低，僅為36%，這對后續(xù)將巖心資料與電纜測井進(jìn)行結(jié)合研究比對帶來了極大的困難［15］。

1.2 IODP312 航次

IODP312 航次與 309 航次于同一年實施［16］，也是為了加深1256D 鉆孔，但312 航次中遇到了諸多問題。在鉆柱組合下放至927 m 時遇阻，經(jīng)通井、擴眼等工作后下放至井底開始取心。在從1255.1 m鉆到1372.8 m 后，出現(xiàn)了鉆頭失效事故，牙輪鉆頭上的3 個牙輪和大部分的第4 個牙輪均掉在了鉆孔中。經(jīng)4 次打撈后，恢復(fù)取心，經(jīng)過約11 d 的鉆進(jìn)取心后，將鉆孔深度加深至1507.1 m。

該航次鉆進(jìn)情況見表2。總作業(yè)時間為38.6 d，累計進(jìn)尺256 m，1256D 鉆孔的深度為1507.1 m。因下鉆遇阻、鉆頭失效等引起的非正常作業(yè)時間總共為9.5 d，占用總時間的24.6%，其中通井5.2 d，打撈和銑削鉆頭錐體4.3 d。該航次所有鉆頭的平均機械鉆速為0.8 m/h，巖心采取長度為46.52 m，平均巖心采取率為 18.5%［17］。

表2 IODP312 航次鉆進(jìn)情況Table 2 Expedition IODP312 drilling results

1.3 IODP335 航次

2011 年實施的 IODP335 航次是 1256D 鉆孔的第4 航次，其目的是將其從海底以下1507 m 推進(jìn)到下地殼輝長巖中數(shù)百米。早在ODP206 航次中就在1256 站位下入穿越250 m 厚沉積蓋層的套管及與其連接的重入錐，并進(jìn)行了固井。之前該孔已完成了首次從上洋殼的熔巖穿過席狀巖墻進(jìn)入上部輝長巖的取樣工作，并鉆至海底以下1507 m，其中取心500 m 后進(jìn)入基底，1250 m 進(jìn)入火成巖洋殼，1407 m 處首次鉆遇輝長巖［18］。

該航次中，花費了4 周的時間將鉆孔深度從海底以下1507 m，鉆進(jìn)至1522 m，僅推進(jìn)了15 m，而且取心占用的時間僅為4%，主要的作業(yè)時間都花費在了鉆孔的修復(fù)和穩(wěn)定上（表3）。其原因主要是：（1）在下鉆至在海底920～950 m 之間遇到阻礙，花費16 d，又進(jìn)行了8 次重入后，以嘗試鉆透、固結(jié)該層段，最終在該層段上部重新鉆了一個新孔到達(dá)孔底。（2）在不到30 h 的作業(yè)時間內(nèi)進(jìn)行了13 m 的取心鉆進(jìn)后，鉆頭出現(xiàn)問題，提鉆后發(fā)現(xiàn)鉆頭上的牙輪全部掉落，于是在隨后的19 d 里主要進(jìn)行了打撈作業(yè)，同時對此前取心鉆進(jìn)時產(chǎn)生的大量巖石碎屑進(jìn)行了清洗［19］。

表3 IODP335 航次作業(yè)情況Table 3 Expedition IODP335 operation time

該航次采用的取心工具是回轉(zhuǎn)取心器（RCB），取心深度主要為海底1507.1～1521.6 m，平均機械鉆速為0.9 m/h，巖心采取率為11%。與1256D 孔之前數(shù)據(jù)相比，其巖心采取率和平均機械鉆速沒有明顯提高（見表4）。

表4 1256D 孔的機械鉆速和巖心采取率Table 4 Penetration rate and core recovery of 1256D hole

1.4 IODP360 航次

2015 年實施的IODP360 航次是一個多期鉆井項目的第一個航次，目的是鉆透超慢擴張的西南印度洋中脊的地殼/地幔邊界。該航次計劃在之前ODP 的 735B 和 1105A 孔附近的站位鉆至 1.3 km 的深度，其最終的目標(biāo)是鉆探至約3 km。735B 孔在此前的2 個航次中成功取心至海底1508 m，后因鉆柱掉入孔中才被終止。在安裝完重入系統(tǒng)后，該航次在約11 d 的時間內(nèi)成功鉆進(jìn)至海底410 m 處。此后，由于鉆頭出現(xiàn)問題，不得不進(jìn)行打撈作業(yè)。最終該孔繼續(xù)鉆探至海底以下789.7 m［20］。

360 航次使用的取心工具仍是回轉(zhuǎn)取心鉆具（RCB），其總鉆進(jìn)深度為789.7 m，回收巖心469.4 m（見表5）。在該孔上部9.5～410.2 m 取心鉆進(jìn)時，采取巖心長度207.0 m，采取率為52%。此后因鉆頭故障，進(jìn)行打撈作業(yè)?；謴?fù)取心后，在410.8～481.7 m 取心時，由于巖心破碎程度高，盡管鉆進(jìn)速度較快，但巖心采取率較低，采取巖心20 m，巖心采取率28%。此后，再次因為鉆頭故障進(jìn)行打撈作業(yè)，并在481.7～519.2 m 之間進(jìn)行了全面鉆進(jìn)，并與取心鉆進(jìn)的鉆速進(jìn)行了對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鉆進(jìn)速度相差不大。此后，繼續(xù)取心鉆進(jìn)至789.7 m，由于該段是在變形較小的輝長巖中鉆進(jìn)，取心條件較好，最終采取巖心241.9 m，巖心采取率達(dá)到89%。該孔平均巖心采取率達(dá)到了 59%［21］。

表5 IODP360 航次鉆進(jìn)記錄Table 5 Expedition IODP360 drilling record

1.5 IODP384 航次

基于335 和360 航次的鉆探取心經(jīng)驗，2020 年實施的IODP 384 航次對鉆頭、擴孔器、鉆井液等進(jìn)行了試驗，鉆頭的試驗是在穿過沉積物進(jìn)入海底玄武巖基底后，繼續(xù)鉆進(jìn)100 m，對比不同鉆頭的機械鉆速和使用壽命，期望能夠獲得一種最優(yōu)的取心鉆頭結(jié)構(gòu)和類型（表6）。該航次中共計對3 種類型的鉆頭進(jìn)行了試驗，分別是常規(guī)的三牙輪鉆頭、PDC鉆頭、PDC 和牙輪混合的復(fù)合鉆頭。試驗中，使用了井底馬達(dá)將轉(zhuǎn)速提高到不小于120 r/min，鉆頭直徑均為12?4 in。此外，384 航次還對活塞取心器（APC）的磁定向功能、擴孔器進(jìn)行了測試［22-23］。

表6 IODP384 航次不同孔位中使用的鉆頭類型及其機械鉆速對比Table 6 Comparison of the types and the penetration rates of drill bits used in different holes of IODP384 operation time

該航次的試驗結(jié)果表明，部署在U1555A、U1555C 和U1555E 3 個鉆孔中的牙輪鉆頭性能最佳，其機械鉆速最高，達(dá)到了約4 m/h，而且耐用性也較好，鉆頭壽命較長。同時通過在U1555A 和U1555E 鉆孔中對比是否使用泥漿馬達(dá)，對比了旋轉(zhuǎn)速度對牙輪鉆頭在玄武巖中鉆進(jìn)速度的影響。其結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)速度并不是影響機械鉆速最為關(guān)鍵的因素。相比之下，PDC 鉆頭以及復(fù)合鉆頭的性能并不好。但在測試中發(fā)現(xiàn)，使用圓錐形復(fù)合片的PDC 鉆頭的使用效果要好于使用圓柱形復(fù)合片的PDC 鉆頭。

2 海底硬巖鉆探的挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

2.1 鉆頭

如何在鉆進(jìn)過程中對鉆頭的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對鉆頭失效進(jìn)行提前預(yù)測，從而降低鉆頭在井底發(fā)生故障的風(fēng)險，以及如何提高機械鉆速和鉆頭壽命，成為深孔硬巖鉆探航次中的一項挑戰(zhàn)。在309 航次中，得益于現(xiàn)場技術(shù)人員通過泥漿壓力等參數(shù)變化發(fā)現(xiàn)鉆頭接頭、鉆桿出現(xiàn)刺漏，及時避免了事故的發(fā)生，保障了鉆進(jìn)取心作業(yè)順利實施。但在312、335以及360 航次中，因鉆頭故障、失效引起的打撈、通井等作業(yè)占據(jù)了大量的作業(yè)時間，甚至要遠(yuǎn)高于正常取心鉆進(jìn)耗費的時間，這嚴(yán)重制約了高效、經(jīng)濟地開展大洋科學(xué)鉆探。盡管鉆井作業(yè)人員通過機械鉆速、扭矩等鉆進(jìn)參數(shù)能夠推測井底鉆頭的使用情況，但大多數(shù)情況下，這些參數(shù)是在鉆頭發(fā)生故障后才有明顯變化。

在IODP 深孔硬巖鉆探航次中，也對鉆頭的機械鉆速和使用壽命進(jìn)行了試驗。360 航次的對比試驗發(fā)現(xiàn)，全面鉆進(jìn)與取心鉆進(jìn)的速度相差不大。384航次中對牙輪鉆頭、PDC 鉆頭和復(fù)合鉆頭的試驗結(jié)果表明，牙輪鉆頭在機械鉆速、使用壽命等指標(biāo)上均要優(yōu)于PDC 鉆頭和復(fù)合鉆頭，而且使用牙輪鉆頭時，泥漿馬達(dá)對機械鉆速的提高并不明顯，圓錐形PDC 復(fù)合片的使用效果要好于圓柱形PDC 復(fù)合片。

盡管在近些年中實施的海洋硬巖鉆探航次中，在鉆頭方面所面臨的問題與挑戰(zhàn)并沒有得到明顯解決，但卻對深海鉆探鉆頭的結(jié)構(gòu)及發(fā)展等指出了方向。

2.2 井孔

在深孔鉆探中，保持井壁穩(wěn)定不僅有利于實現(xiàn)高效、經(jīng)濟鉆探，同時也是降低取心鉆頭失效風(fēng)險、減少孔內(nèi)事故發(fā)生的一種方法。從335 航次的經(jīng)歷就能夠發(fā)現(xiàn)，如果之前的1256D 孔的套管深度能夠從海底以下263 m 調(diào)整至1000 m，335 航次中就不必再花費2 周的時間自海底以下920～950 m 處重新開始鉆探。盡管套管送入需要一定的作業(yè)時間和經(jīng)費支持，而且在送入過程中也存在操作風(fēng)險，但對于進(jìn)行海底深部鉆探和取心來說，下套管固井是保持井孔穩(wěn)定的一個合理的方案，同時對于井孔清潔也有一定的幫助。

除此之外，如何利用泥漿維持井壁穩(wěn)定和進(jìn)行井孔清潔也是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。在深孔鉆探中，目前采用的無隔水管鉆探工藝無法實現(xiàn)泥漿循環(huán)，難以維持孔壁穩(wěn)定。在松散破碎地層中，由于沒有泥漿護(hù)壁和沖蝕作用較強，極易發(fā)生鉆具遇阻和埋鉆等孔內(nèi)復(fù)雜問題［24］。此外，必須花費一定的時間用泥漿進(jìn)行井孔清潔，以免留下大量的巖石碎屑，從而對井孔穩(wěn)定和鉆頭的使用造成影響，這在335航次中已經(jīng)得到了驗證。

2.3 取心工具

在海底硬巖鉆探中，普遍應(yīng)用的取心工具是回轉(zhuǎn)取心鉆具（RCB）。在 309、312、335 以及 360 航次也是使用該型取心鉆具，但從取心效果可以看出，在海底硬巖地層特別是破碎地層中，回轉(zhuǎn)取心鉆具始終難以獲得高質(zhì)量的巖心和巖心采取率。

近年來，為了解決這個問題，日本研發(fā)了一種新的繩索取心鉆具，即渦輪驅(qū)動取心鉆具（TDCS）。鉆具包括外管總成（BHA）以及由泥漿馬達(dá)（渦輪馬達(dá)）、活塞和內(nèi)巖心管組成的內(nèi)管總成。渦輪馬達(dá)由鉆探船上泵送的泥漿驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)帶動給進(jìn)活塞缸、內(nèi)管和底部鉆頭。給進(jìn)活塞隨著進(jìn)尺逐漸下壓，巖心進(jìn)入內(nèi)管［25］。

在取心前，在鉆井甲板投入內(nèi)管總成，在鉆柱中自由下落坐在外管總成中。然后循環(huán)泥漿，開始取心。當(dāng)給進(jìn)活塞到達(dá)活塞缸底部，完成取心，通過繩索打撈內(nèi)管總成。完成取心后，使用外鉆頭將取心孔擴大至取心的深度（使用外鉆頭掃孔），再繼續(xù)用TDCS 進(jìn)行下一個回次取心。鉆具的主要參數(shù)見表7。

表7 TDCS 主要參數(shù)Table 7 Main parameters of TDCS

TDCS 經(jīng)過了室內(nèi)的水平和垂直取心試驗。水平取心試驗利用斑巖、白色大理石、紅色大理石、白云巖、凝灰?guī)r和凝結(jié)煤對鉆具的取心效果進(jìn)行了驗證，56 組試驗結(jié)果表明，巖心采取率超過90%，其中3/4 為100%。9 組垂直試驗結(jié)果表明，除去2 組試驗因巖心管被堵，其余試驗巖心采取率均達(dá)到了100%。

在 2018 年 IODP 376 航 次 中 ，對 TDCS 進(jìn) 行了試驗。該航次采用回轉(zhuǎn)取心鉆具鉆進(jìn)1244 m，采取巖心222.4 m，巖心采取率為18%。在U1528C 和U1531E 鉆孔中對TDCS 進(jìn)行了試驗。在U1528C鉆孔中，使用TDCS 自海底以下22 m 取心鉆進(jìn)至53.5 m，采取巖心3.6 m，巖心采取率為12%。但在U1531E 孔中，TDCS 卡在了 BHA 中，沒有完成相應(yīng)的試驗［26］。

盡管TDCS 在IODP376 航次中的試驗效果并不理想，但作為對深海硬巖鉆探取心工具的一種新的嘗試，或許經(jīng)歷多個航次的試驗與改進(jìn)，適配TDCS 的取心工藝成熟后，會在取心效果方面有所改善。

3 海底硬巖鉆探展望

從不同的海洋地殼中鉆取海底硬巖樣品，不僅為深入了解地球內(nèi)部本質(zhì)及其動力學(xué)行為提供基礎(chǔ)信息，也有助于理解地球內(nèi)部與地殼，海洋和大氣之間的熱量、質(zhì)量和揮發(fā)物的交換過程。因此，為了實現(xiàn)從海洋地殼鉆入上地幔的終極目標(biāo)，需要創(chuàng)新的解決方案來應(yīng)對迄今為止所遇到的挑戰(zhàn)。

要想完全鉆穿洋殼，需要有組織地分階段、分步驟進(jìn)行實施，而且隨著深度和溫度的增加，海底硬巖鉆探技術(shù)還需要克服保持井壁穩(wěn)定、延長鉆頭壽命、提高巖心采取率、在高溫下鉆入巖石可能導(dǎo)致鉆孔壁熱破碎等一系列挑戰(zhàn)。同時，還需要研發(fā)新的測井工具、井下傳感器等，可以在海底深孔中超過200 ℃的條件下進(jìn)行連續(xù)工作或長期監(jiān)測。

此外，信息技術(shù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展也將給海洋科學(xué)鉆探的技術(shù)革新帶來新的機會。在鉆探取心的同時，每個航次都會對地球物理、地球化學(xué)以及生物學(xué)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。通過巖心分析、井下測量以及觀測站監(jiān)測的數(shù)據(jù)，與區(qū)域地質(zhì)和地球物理觀測結(jié)合后，將極大地增加數(shù)據(jù)的數(shù)量與質(zhì)量。海洋科學(xué)鉆探將越來越依賴這些海量的數(shù)據(jù)（大數(shù)據(jù)）用以分析計算，提前預(yù)測鉆探工程風(fēng)險，避免不必要的打撈、修井等作業(yè)，進(jìn)而加快實現(xiàn)從洋殼鉆入上地幔的步伐。

4 結(jié)語與建議

在世界大洋鉆探的50 多年歷程中，已成功實施了多個對洋殼較大深度的鉆探取心航次。但由于大洋鉆探實施難度巨大，至今仍未穿越洋殼。通過近些年實施的 309、312、335、360 以及 384 等航次硬巖鉆探經(jīng)驗，對于如何實現(xiàn)經(jīng)濟、高效的海底深孔硬巖鉆探，需要考慮以下幾個方面。

（1）鉆頭。在提高鉆頭碎巖效率方面，通過對鉆頭類型、結(jié)構(gòu)、材料等方面的改進(jìn)，從而提高機械鉆速和使用壽命；在工況監(jiān)測方面，考慮在鉆頭上安裝傳感器接頭，實現(xiàn)對鉆頭扭矩、壓力和機械鉆速實時監(jiān)測，提前預(yù)測鉆頭發(fā)生事故的可能性。

（2）取心工具。研發(fā)高效、高質(zhì)量取心鉆具，考慮通過改變鉆具結(jié)構(gòu)、巖心管材質(zhì)等方式提高破碎地層的巖心采取率。

（3）井壁穩(wěn)定性?？紤]通過使用膨脹套管、增加套管下入深度等方式，增強井壁穩(wěn)定性，建立泥漿返回系統(tǒng)，清洗井底殘留巖屑，提高鉆井效率和井筒完整性。

（4）數(shù)據(jù)集成與分析。充分利用巖心、測井、地震等數(shù)據(jù)資料，引入大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，預(yù)測鉆探工程風(fēng)險。