海上頂部雙驅(qū)動聯(lián)動隔水管鉆探取心技術(shù)

張會寅，田烈余，林 康，郭 武，李占釗，楊 楠，王世棟

（中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州 510000）

0 引言

礁灰?guī)r又稱生物骨架灰?guī)r，是一種特殊的巖土體，本質(zhì)上是生物礁，由珊瑚死亡后的殘骸堆積或珊瑚殘骸堆積其他貝殼等形成，具有多孔隙、高透水率的特征［1-2］。礁灰?guī)r廣泛分布于中國南海諸島的各珊瑚島礁。珊瑚的生長受海平面、水深、水溫、鹽度、pH值、水流方向等因素的影響，因此珊瑚島礁可作為劃分地層，海平面研究，判斷古氣候、古地理的重要標(biāo)志［3-4］。此外我國南海諸島的珊瑚島礁，擁有豐富的漁業(yè)、旅游、油氣等資源有待開發(fā)［5］，具有較高的研究價值。

為查明我國南海珊瑚島礁的地質(zhì)情況和形成歷史，幫助珊瑚島礁油氣等資源的開發(fā)，鉆探取樣是一種不可或缺的重要手段。礁灰?guī)r地層具有原生孔隙大、壓縮性強(qiáng)、容易變形、強(qiáng)度小等特點，因此易滲透、易破碎、易坍塌。在島礁上鉆探也常常出現(xiàn)斷鉆、垮孔、埋鉆等事故。對于海洋礁灰?guī)r地層鉆探，不僅要克服陸地上面臨的問題，還需要面對更為復(fù)雜的海洋環(huán)境。現(xiàn)有的采樣技術(shù)一般是潛水到水下，用便攜式鉆機(jī)鉆取樣品［6］。這種方式采取的樣品長度一般不超過10 m，作業(yè)風(fēng)險大，取樣水深受限于人體耐壓極限。對于一般的海上鉆探作業(yè)，多采用搭建固定平臺［7］或者用船載鉆探系統(tǒng)取樣。然而，對于礁灰?guī)r地層，其硬度較大，通過打樁等方式搭建固定平臺比較困難，對珊瑚礁的破壞也比較大。船載鉆探系統(tǒng)可分為無隔水管鉆進(jìn)和隔水管鉆進(jìn)［8］。由于珊瑚島礁的礁灰?guī)r地層具有高孔隙度、易破碎和高壓縮性等特征，采用一般的無隔水管鉆探工藝取心時，施加的鉆壓會使孔隙遭到破壞和壓縮，同時未被破壞的孔隙容易流失泥漿，造成返漿困難，巖屑難以排出，進(jìn)而導(dǎo)致鉆具摩擦力大，扭矩?fù)p失大，容易出現(xiàn)取不上樣的問題。隨著鉆孔加深，還會出現(xiàn)卡鉆事故而無法繼續(xù)進(jìn)行深層取樣。而對于隔水管鉆進(jìn)系統(tǒng)，目前尚未查閱到國內(nèi)在礁灰?guī)r地層應(yīng)用的報道。關(guān)于礁灰?guī)r鉆探的報道僅限于人工吹填的珊瑚島礁的鉆探取樣［9-14］。南海島礁演化的研究仍停留在淺表層和“一孔之見”［15］。珊瑚島礁周圍海域和深海礁灰?guī)r區(qū)域研究是開展各種研究的關(guān)鍵。目前，還沒有研究提出對這些區(qū)域鉆探取樣行之有效的技術(shù)方案。為解決上述技術(shù)空缺，在全液壓鉆探無隔水管鉆探系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了海上頂部雙驅(qū)動聯(lián)動隔水管鉆探取心技術(shù)。

1 平臺和設(shè)備

海上頂部雙驅(qū)動聯(lián)動隔水管鉆探取心技術(shù)主要設(shè)備有勘探船、船載鉆探系統(tǒng)、立軸式輔助鉆機(jī)以及井口浪涌補(bǔ)償裝置。

1.1 勘探船

海洋地質(zhì)十號船，采用全電力推進(jìn)系統(tǒng)，具備2套全回轉(zhuǎn)舵槳和2套槽道式艏側(cè)推，具有良好的航向穩(wěn)定性和靈活的操作性，在直航時具有良好的航向穩(wěn)定性。船上配備DP-2型動力定位系統(tǒng)和錨泊定位系統(tǒng)，在海況良好的情況下，定位精度＜0.2 m，為海上鉆探作業(yè)提供可靠的支撐。海洋地質(zhì)十號船如圖1所示，參數(shù)如表1所示。

圖1 海洋地質(zhì)十號船F(xiàn)ig.1 Ocean Geology 10 ship

表1 海洋地質(zhì)十號船參數(shù)Table 1 The parameters of Ocean Geology 10

1.2 船載鉆探系統(tǒng)

海洋地質(zhì)十號船本身搭載的船載鉆探系統(tǒng)為舉升式全液壓海洋鉆探系統(tǒng)［16］，船載鉆探系統(tǒng)如圖2所示。鉆探系統(tǒng)是針對淺海沉積物取樣、井下靜力觸探（CPT）作業(yè)設(shè)計。從經(jīng)濟(jì)性、作業(yè)效率及鉆孔成功率等方面綜合考慮，鉆探系統(tǒng)的設(shè)計方案采用低轉(zhuǎn)速無隔水管開式鉆探作業(yè)方式，可裝備5?2 in（1 in=25.4 mm，下同）鋼鉆桿在水深600 m條件下鉆進(jìn)取樣400 m，或裝備5 in鋁合金鉆桿在1200 m水深的條件下鉆進(jìn)取樣200 m。鉆探系統(tǒng)采用交流變頻和液壓控制技術(shù)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的全數(shù)字控制和液壓控制。頂驅(qū)的提升/下放作業(yè)采用雙液缸直接驅(qū)動，以簡化機(jī)械傳動流程，降低機(jī)械設(shè)備故障率以及減輕整機(jī)質(zhì)量。升沉浪涌補(bǔ)償方面采用被動液氣浪涌補(bǔ)償，消除海浪作用下平臺升沉對鉆探作業(yè)的影響，在有浪涌的條件下保持鉆壓相對穩(wěn)定，升沉補(bǔ)償范圍±1.5 m。此外，鉆探系統(tǒng)配備海底基盤，用于鉆探船勘探作業(yè)時，限定井口位置，取樣過程中固定鉆桿，避免由于海流作用引起鉆桿擺動或上下運(yùn)動，防止在鉆進(jìn)時出現(xiàn)鉆具滑動等情況。

圖2 船載鉆探系統(tǒng)示意Fig.2 Ship-borne drilling system

1.3 輔助鉆機(jī)

選用XY-2D型巖心鉆機(jī)作為輔助鉆機(jī)，配備? 114 mm套管和?88 mm巖心管。XY-2D型巖心鉆機(jī)作為一種輕便型鉆機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕和搬遷方便的優(yōu)點。該鉆機(jī)可用于地球物理勘探，其最大鉆深300 m。根據(jù)不同巖層可選用硬質(zhì)合金鉆頭、金剛石鉆頭進(jìn)行鉆探取心。配套的泥漿泵選用BW250型臥式三缸往復(fù)式單作用活塞泵，最大壓力7 MPa。

1.4 井口浪涌補(bǔ)償裝置

在有套管的條件下，需要考慮套管的補(bǔ)償。在淺海，可以選用伸縮套管作為套管補(bǔ)償［17］。本方案選用BCQ型升降補(bǔ)償器，是一種鉆探用懸浮工具，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，八方桿左側(cè)為5?2 in IF扣公螺紋，中間為八方桿身，右側(cè)通過螺紋連接活塞?；钊蠋芊馊Γc缸套之間形成密封，可保證在一定泥漿壓力下不泄漏。八方桿可在方桿套內(nèi)活動，而方桿套通過螺紋與缸套連接。缸套的右側(cè)連接上接頭，上接頭內(nèi)帶5?2 in IF扣母螺紋。整個補(bǔ)償裝置通徑121 mm，可連接5?2 in鉆桿，用于5?2 in外套管隔斷上下部鉆具，起到保護(hù)鉆探設(shè)備的作用。海上鉆探作業(yè)中，當(dāng)遇到潮汐或浪涌導(dǎo)致船舶上下劇烈移動時，升降補(bǔ)償器補(bǔ)償作用啟動，上部固定于船舶、下部連接地層，上下兩部分之間，通過方桿和方桿套上的方形結(jié)構(gòu)在軸線方向相互移動，升降補(bǔ)償器始終處于減緩上下位移對套管影響的工作狀態(tài)，并保證上部活動組件和下部活動組件之間不會出現(xiàn)剛性碰撞，最大限度地保護(hù)整個套管體系。

圖3 浪涌補(bǔ)償裝置示意Fig.3 Surge compensation device

2 頂部雙驅(qū)動聯(lián)動隔水管鉆探取心技術(shù)方案

海洋地質(zhì)十號船載鉆機(jī)以海底表層沉積物取樣為主，不具備礁灰?guī)r、硬巖等特殊巖體的鉆進(jìn)能力，在礁灰?guī)r地層取樣鉆探的實踐中，鉆進(jìn)5 m左右就出現(xiàn)卡鉆問題而無法深入取樣。而立軸式鉆機(jī)原用于陸地鉆探，直接搭載于船舶鉆探取樣容易受海流、浪涌、海底地形、海底表面地層硬度的影響，若直接連接鉆桿到海底開始鉆取表層硬巖，容易出現(xiàn)鉆桿彎曲、鉆頭打滑的情況，導(dǎo)致無法成孔甚至損壞鉆桿。

基于以上問題，以海洋地質(zhì)十號船以及船載鉆機(jī)為基礎(chǔ)，立軸式鉆機(jī)作為輔助，提出了一種頂部雙驅(qū)動聯(lián)動隔水管鉆探取心技術(shù)（見圖4、圖5）。利用海洋地質(zhì)十號船載鉆機(jī)5?2 in鉆桿作為外套管以及海底基盤限定鉆孔位置，然后用立軸式鉆機(jī)?88 mm取心鉆具取心，?114 mm套管護(hù)壁并實現(xiàn)泥漿循環(huán)，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖4 頂部雙驅(qū)動聯(lián)動隔水管鉆探取心裝置示意Fig.4 Coring drilling device with the marine top double-drive linkage riser system

圖5 頂部雙驅(qū)動聯(lián)動隔水管鉆探取心裝置實物Fig.5 Coring drilling device with the marine top double-drive linkage riser system

圖6 鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.6 Borehole structure

頂部雙驅(qū)動聯(lián)動隔水管鉆探取心技術(shù)的具體實施步驟：

（1）船舶DP定位至指定作業(yè)點，用船載鉆機(jī)系統(tǒng)連接5?2 in鉆桿到海底，然后下放海底基盤，以約束5?2 in鉆桿鉆進(jìn)位置。

（2）用船載鉆機(jī)系統(tǒng)鉆進(jìn)，繩索取心鉆進(jìn)3～5 m，然后提鉆更換最上面的5?2 in鉆桿為浪涌補(bǔ)償裝置，保留5?2 in鉆桿和浪涌補(bǔ)償裝置作為外套管。5?2 in鉆桿和浪涌補(bǔ)償裝置形成的外套管管道用于約束井口位置并作為泥漿循環(huán)的一部分，同時浪涌補(bǔ)償裝置可防止外套管因浪涌和潮汐對井口設(shè)備剛性碰撞。

（3）切換輔助鉆機(jī)，驅(qū)動?88 mm鉆具掃孔至上次取心層位，然后關(guān)閉泥漿進(jìn)行干掃提鉆取心。

（4）當(dāng)出現(xiàn)塌孔或泥漿循環(huán)變差時，下?114 mm套管至取心層位，以保護(hù)鉆孔并確保巖屑正常排出。

（5）重復(fù)步驟（3）和（4）至終孔，并注意?114 mm套管應(yīng)根據(jù)潮汐及涌浪情況，通過短節(jié)，調(diào)整套管孔口高度，避免過低脫離孔底、過高頂沖操作平臺。

3 現(xiàn)場取樣效果

頂部雙驅(qū)動聯(lián)動隔水管鉆探取心技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用于西沙海域礁灰?guī)r取樣。取樣過程按照技術(shù)方案的工藝流程鉆進(jìn)，采用轉(zhuǎn)速677 r/min，鉆壓保持在6 kN左右，表層采用復(fù)合片鉆頭，鉆進(jìn)至硬層采用金剛石鉆頭，回次取心長度≯2 m，共進(jìn)行了4個站位的取心。整個取心過程比較順利，沒有出現(xiàn)卡鉆、埋鉆、垮孔等鉆進(jìn)事故。

取心發(fā)現(xiàn)，西沙海域的礁灰?guī)r表層為珊瑚及珊瑚碎屑組成，膠結(jié)弱，可壓縮性強(qiáng)，取心樣品較松散。隨著鉆進(jìn)的深入，礁灰?guī)r地層的膠結(jié)逐漸變強(qiáng)，硬度逐漸變大，取心樣品完整性逐漸變好，此層位的礁灰?guī)r巖心如圖7所示，其孔隙度高，透水性強(qiáng)。

圖7 礁灰?guī)r巖心Fig.7 Reef limestone core

4個站位的礁灰?guī)r的取心概況如表2所示。最大鉆孔深度達(dá)130.75 m，巖心采取率達(dá)76.80%，部分包裝好的巖心如圖8所示。其中3號鉆孔出現(xiàn)溶洞，因此采取率較其他鉆孔稍低。

表2 礁灰?guī)r取心情況Table 2 Coring results in reef limestone

圖8 包裝好的樣品Fig.8 Packed samples

4 結(jié)論與展望

頂部雙驅(qū)動聯(lián)動隔水管鉆探取心技術(shù)采用海底基盤和外套管限位鉆孔，內(nèi)套管護(hù)壁，取心鉆具干掃取心，極大限度地保護(hù)鉆孔，減少了卡鉆、埋鉆事故，并增大了巖心采取率。實踐證明對于礁灰?guī)r地層有良好的鉆進(jìn)效率和較高的巖心取心率。

目前方案仍然存在以下問題：

（1）提鉆取心一定程度上降低了取心效率。

（2）自動化程度低、人力操作過程較多。

（3）輔助鉆機(jī)功率不足，取樣深度受限。

下一步可將提鉆取心改為繩索取心，增大輔助鉆機(jī)功率并進(jìn)一步集成于船載鉆機(jī)系統(tǒng)，以適用更廣泛的巖心取樣需求。

隨著國家從海洋大國向海洋強(qiáng)國的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，海洋地質(zhì)將成為新的研究熱點。此項技術(shù)的成功應(yīng)用，將為研究南海海域的工程地質(zhì)穩(wěn)定特征、生物礁的發(fā)育機(jī)理及古海洋環(huán)境演變，提供寶貴的地質(zhì)基礎(chǔ)資料；同時為可礁灰?guī)r地層船載鉆機(jī)設(shè)計提供思路。具有廣闊的應(yīng)用前景。