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我国实施大洋钻探工程的初步设想

发布时间:2019年05月30日
来源:探矿工程在线 作者:叶建良,张伟,谢文卫

引用格式:叶建良,张伟,谢文卫.我国实施大洋钻探工程的初步设想[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2019,46(2):1-8.

YE Jianliang, ZHANG Wei, XIE Wenwei. Preliminary thoughts on implementation of the ocean drilling project in China[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 2019,46(2):1-8.


摘要:约占地球面积71%的海洋里蕴藏着海量的地质、生物、气候等信息和丰富的资源,我国“十三五”国家科技创新规划中,将“深海、深地、深空、深蓝科学研究”列为战略性前瞻性重大科学问题,并将“国际大洋发现计划(IODP)列为5项国际大科学计划和大科学工程之一。但在深海钻探,作业环境和条件都较陆地上更加复杂,对钻探船、钻进工艺、环保措施、施工组织管理等都是严峻的考验。本文在概述大洋钻探的意义和成果,回顾世界大洋钻探的演进史和工程实施概况以及我国参加大洋钻探情况的基础上,针对大洋钻探的钻井特点和地层条件,探讨了海洋科学钻探取心技术、超深水条件的重入钻孔技术、跟管钻进下套管技术、超深水条件的泥浆循环等关键技术问题,提出了我国实施大洋钻探工程的初步设想。


关键词:大洋钻探;钻探工程;钻探船;钻探工艺


0引言

在我国的“十三五”国家科技创新规划中,“深海、深地、深空、深蓝科学研究”被列为战略性前瞻性重大科学问题。规划提出的5项国际大科学计划和大科学工程中,“国际大洋发现计划(IODP)”位居其中。对该项计划的目标是:瞄准国际前沿科学问题,验证大陆破裂形成海洋的重大理论假说,解决南海北部油气勘探开发中的关键问题。创新参与模式,提高我国的主导作用。

国务院已批准,由中国地质调查局承担建造天然气水合物钻采船(大洋钻探船)的任务。该钻探船的排水量为33000t,其主要功能是开展海域天然气水合物试采和深海科学钻探,同时兼顾海洋油气勘探。按照计划,该船将于2021年6月前下水。

对于中国的地球科学家和工程技术人员来说,实施大洋钻探工程的任务已摆在我们面前。


1世界大洋钻探的演进史

世界上最早的科学钻探活动开始于海洋,第一个科学钻探计划是美国的“莫霍面钻探计划”。该计划于20世纪50年代末启动,目的是要钻透莫霍面,实现地学研究的重大突破。

19666月,美国实施一项以揭示洋底上部地壳为目标的长期钻探计划,即“深海钻探计划”Deep Sea Drilling Project,简称DSDP),其做法是在世界各大洋施工数量较多但深度较浅的钻孔,广泛地采集沉积层样品和岩心。 “深海钻探计划”的实施时间是1968年8月至1983年11月。该计划起初由美国单独执行,后逐渐发展成有多国参加的国际性计划。

“深海钻探计划”进行到最后阶段时,学者们认为,有必要将深海和大洋的钻探继续下去,应该制定一项更长期的国际性大洋钻探计划,提出了新计划组织框架和优先研究的领域,“大洋钻探计划(Ocean Drilling Program,简称ODP”因此诞生,1985年1月开始实施,于2003年9月结束。

参与该计划的最初有美国、德国、法国、日本、英国、加拿大、澳大利亚和代表12个国家的欧洲科学基金会,我国于1998年春天作为“参与成员”加入。

大洋钻探计划(ODP)于2003年10月转入“综合大洋钻探计划(IODP)”的新阶段。目前正在实施的“国际大洋发现计划(IODP,2013—2023年)”是“综合大洋钻探计划”的延续,是地球科学历史上规模最大、影响最深的国际合作研究计划。目前,IODP共有26个国家参与,该计划实施时,依然采用美国的“决心号”、日本的“地球号”和欧洲的“特定任务平台”。


2大洋钻探施工数据统计

世界大洋钻探的钻进和取心数据统计见表1。

由表1可知,3806口海洋科学钻孔的平均孔深261 m,钻探施工主要在沉积层。岩心采取率较低,633858m取心钻进总进尺的平均岩心采取率62.2%。海洋科学钻探基岩钻进的岩心采取率更低,89个基岩钻孔总进尺28470 m,平均岩心采取率仅为40.8%。

世界大洋科学钻探的一些施工纪录见表2。

2  大洋科学钻探的一些钻进施工纪录

    统计资料还表明,世界大洋科学钻探在绝大多数情况下采用无隔水管方法施工。隔水管钻进的进尺,不到大洋钻探施工总进尺的2%。“地球号”虽然具有隔水管钻井的功能,但在多数情况下,还是采用无隔水管方法施工。


3 我国参加大洋钻探的情况

我国于1998年加入ODP,年付会费50万美元。2004年加入IODP,年付会费100万美元。2013年10月,经习近平、李克强等国家领导人批示,我国加入国际大洋发现计划,并大幅度提高资助强度。在新IODP运行的前4年(2014—2017年),中国为IODP提供了3000万美元的资助,成为仅次于美、日和欧洲的第四大资助方。

中国参与国际大洋发现计划突出的贡献在于组织领导国际科学家团队在南海成功实施的4IODP航次,4个航次在南海北部海域钻探12个站位,总进尺12000多米,获取岩心4100余米,获得大量珍贵的沉积物和玄武岩岩心样品。其中在南海3800m水深最深站位,成功向海底以下钻进1710m(进入基底玄武岩超过110m),是大洋钻探历史上第五深站位。

我国参与国际大洋科学钻探的主要方式是,按一定的配额派科学家参加“决心号”的海洋科学钻探航次和相关的研究活动。至今,实施了4个以中国科学家为首席科学家的南海大洋科学钻探航次。总的来说,我国在世界海洋科学钻探活动中居次要地位,作用和影响力较弱。目前,中国IODP“三步走”战略目标中的第一步已圆满完成,建造大洋钻探船已经提上议事日程,中国科学家和工程技术人员的大洋钻探梦即将实现。

中国地质调查局下属的与海洋及钻探技术有关的研究单位,多年来一直在开展大洋钻探工程技术研究工作:一方面长期跟踪世界大洋钻探的进展,分析研究大洋钻探实施中采用的各种技术;另一方面开展了海洋取心技术的研发,相继研发成功可适应不同地层条件的多种常规取心钻具和保压取心钻具。利用国产的钻探船进行了多轮取心钻具试验,常规取心钻具的最大作业水深达到了1720 m,保压取心钻具的最大作业水深达到了1309 m。广州海洋地质调查局目前正组织开展天然气水合物试采/大洋钻探船的建造和大洋钻探技术研发。


4 大洋钻探的主要工程技术问题

4.1 海上钻井施工的特点

1)海上钻井日费用非常高,万米钻井船日费用达几十万美元。

2)漂浮在海上的钻井船在海浪和洋流的作用下是动荡的,既有垂直方向的起伏,又有水平方向的移动和摇摆。

3)钻井船上的工作平台与洋底的井口有长段的水体相隔,给钻进施工操作带来很大困难。

4.2 海洋科学钻探的地层条件

海洋科学钻探的地层条件在不同地点变化较大。一般来说,最上层是沉积层,下部的岩性依次为玄武岩、辉长岩和橄榄岩(地幔岩)。钻进的条件是复杂多变的,在取心钻进技术方面,需要采取不同的对策。

4.3 海洋科学钻探取心技术

以美国为首的一些发达国家实施大洋科学钻探已经50多年了,在深海取心钻进技术方面开展了大量研发,在施工方面积累了丰富的经验,摸索出了一套适合于不同地层条件的取心钻具(表3,图1~4)和施工工艺。实践表明,有些钻具和工艺应用效果较好,但在某些地层,钻具和工艺应用效果依然较差。

海洋钻探一般深度较大,有时仅水深就有几千米。为了减少起下钻和钻头重入钻孔次数,节约施工时间,DSDP、ODP和IODP都采用了绳索取心方法。此外,绳索取心钻杆还作为测井仪器的通道,为测井提供高效施工和安全的保障。

目前大洋钻探取心钻进的主要问题是:

1)岩心采取率低。

2)硬岩钻具容易损坏导致事故。

 4.4 超深水条件的重入钻孔技术

大洋钻探进行取心钻进施工时,常常是在一个牙轮钻头寿命的范围内便完成了取心或取样,不存在钻头重入钻孔的问题。但有时需要钻进的孔深较大,采用一个钻头不能完成钻进任务,这时候就出现了提钻换钻头的问题。换完钻头后再下钻,要使新钻头进入钻孔是一个难题。有时候处理孔内事故和测井等,也需要重入钻孔。著名的504B钻孔施工时重入钻孔的次数达到了98次。为了解决重入钻孔问题,研发了一种钻头重入钻孔系统。海洋钻进重入钻孔原理如图5所示。采用该技术,目前已实现的重入钻孔最大水深是6928.5 m。

 

4.5 跟管钻进下套管技术

在大洋钻探实施过程中,开发了一种先进的跟管钻进下套管工艺,即套管在钻进的同时跟进。这样既简化了下套管的工序,显著节省了下套管施工时间,还可大大减轻下套管过程中套管遇阻和下套管失败的风险。在我国南海实施的IODP第367航次钻探施工中,曾采用该技术,一次下入直径273 mm的套管723.7 m。同时,还实现了重入锥的安放。

4.6 超深水条件的泥浆循环问题

迄今为止,世界大洋钻探98%的进尺都是采用无隔水管钻探船施工的。由于不能实现泥浆循环,对维持孔壁稳定不利。在松散破碎地层,该因素的影响作用十分明显。在松散破碎地层经常发生钻具遇阻和遇卡等孔内复杂问题甚至孔内事故。此外,无法采取井控措施,不能在含油气的高压地层施工。目前的隔水管技术,可以在3000 m水深条件下使用。隔水管钻进施工的成本高,并且风险也较高。新出现的一种无隔水管泥浆循环钻井技术(RMR),虽然免除了隔水管钻井的高成本和高风险,但该技术目前才用到1500 m左右的水深,要实现3000~4000 m甚至更大水深条件的泥浆泵举,难度非常之大,必须考虑新方法。

 

5 我国实施大洋钻探工程的初步设想

我国拥有自己的钻探船和钻探技术,能成为世界大洋钻探的主要力量之一,是我国地学领域的科学家梦寐以求的事。我国已决定要建造自己的大洋钻探船,并研发与之配套的钻进工艺和器具。我国自主建造的大洋钻探船计划于2021年下水。经过栖装,大概在2023年能够具备实施大洋钻探的条件。我们应该在此时间之前完成大洋科学钻探施工装备以及取心钻进工艺与器具的配套。对于钻探船的建造以及大洋钻探工艺与器具的研发,我们有以下一些粗浅的考虑。

5.1 钻探船建造

对钻探船的初步考虑:该钻探船开展天然气水合物试采和深水油气勘探时,采用隔水管;而开展大洋钻探时,原则上不用隔水管。钻探船的钻深能力(水深+孔深)为11000 m,以保证可钻穿莫霍面。钻探船配备高精度的动力定位系统和升沉补偿系统,以保证在一定风浪级别条件下钻进施工能正常进行。

考虑到该钻探船的日运行费高昂,一些影响钻探船施工时间或效率的因素将作为钻探船钻井系统设计时优先考虑的因素。影响因素按重要性排序如下:

1)可靠性。

2)施工效率。主要体现在起下钻速度方面。

3)钻进系统的升沉补偿效果。

4)系统购置成本。

5)对海洋环境污染的潜在风险。

6)对运营团队技术素质要求。

5.2 钻进工艺器具研发

首先,我们应该学习和吸收现有的先进大洋钻探技术。此外,应该针对目前大洋钻探技术存在的弱点和不足,开展技术创新研发。

技术研发工作从现在就开始,研发出的样机和样具等,先进行实验室试验、陆地现场试验和在海洋地质十号钻探船上进行浅水和浅孔条件的试验。通过不断的试验和改进,待研发的器具比较完善和钻探船建造完成后,再进行深水或超深水条件的试验。

开展大洋钻探技术的研发时,要充分调动国内相关钻探技术研发单位的积极性和创造性,吸收各单位的先进技术和经验,以便高效率地完成技术研发任务。

5.3 大洋钻探工程的组织实施

广州海洋地质调查局计划组建中国地调局莫霍钻工程技术中心,该中心的主要任务是:组织开展我国大洋科学钻探项目的工程实施,包括运行大洋钻探船,开展项目实施过程中的钻进、测井、取心、取样和现场样品测试等工作,为我国大洋钻探项目地学研究目标的实现提供技术支撑。


6结语

随着我国经济能力和科学技术实力的增强,我国的科学家和工程技术人员将作为主要力量之一,参与到大洋钻探这一世界性的巨大科学工程之中来,为地球科学和人类自身的发展,贡献中国的力量。钻井工程作为大洋钻探的核心技术支撑,对大洋钻探项目成功实施具有重要作用。鉴于我国大洋钻探船即将面世,开展大洋钻探的工程技术准备和技术研发工作已是迫在眉睫。


原文链接:

http://jour.tkgc.net/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20190029&flag=

http://m.cnki.net/mcnki/literature/detail?datatype=CJFD&instanceID=TKGC201902002&filetype=XML;EPUB;

[责任编辑:dc]

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