海底井下观测技术的发展与应用

季福武，周怀阳，杨群慧

（同济大学海洋地质国家重点实验室，上海 200092）



海底井下观测技术的发展与应用

季福武，周怀阳，杨群慧

（同济大学海洋地质国家重点实验室，上海 200092）

摘要:海底地下流体广泛存在，且对于发生在海底之下的地球化学和生物地球化学过程、以及海底之下与海洋之间的物质和能量的输运具有重要意义，因此备受相关研究者的关注。在海底打钻为观测和研究海底地下流体提供了机会。本文对钻孔中原位观测地下流体的相关技术和装置的发展进行了回顾，包括用于钻孔中不同层位封隔的封隔器，以及用于沉积物钻孔中的轻便有缆海底地下原位观测系统，并着重介绍了用于密封钻孔口进行原位流体观测的海底井塞装置。本文也对这些技术和装置的应用和所取得的认识成果作了简要介绍。

关键词:海底地下；流体；原位观测；海底井塞装置

1　引言

海底是“漏”的［1］。从洋中脊到俯冲带、从大陆边缘到深海盆地的广阔范围的海底均存在地下流体，它们在地形、构造、热等因素的驱动下在海底沉积物和岩石中运动，并在海底表面与海水发生交换。海底地下流体作为热量传递和元素活化迁移的载体，其在海底下的运动以及与岩石或沉积物的相互作用，对海洋热通量、元素迁移成矿、海水化学平衡、生物地球化学过程、洋壳岩石的热结构及物理力学性质等方面具有重要影响［2-8］。因此，对海底地下流体进行研究，认识海底地下流体的特征和状况，揭示海底地下发生的各种过程及其原因，成为热液系统研究、海底成矿机理研究、海底生物地球化学过程研究等领域关注的焦点之一。

采集沉积物柱状样，利用离心、压榨等方法取得沉积物间隙水是获取地下流体的方法之一。但柱状样的长度有限，且此法只能获得沉积物中的流体。而在海底打钻，不仅为获取深部沉积物甚至基岩中的流体提供了条件，也为在钻井中对地下流体进行长期观测和取样提供了机会。因此，随着深海钻探计划（DSDP）、大洋钻探计划（ODP）和综合大洋钻探计划（IODP）的实施，一些用于开展海底井下观测的技术和装置相继发展起来，例如，用于钻孔中不同层位封隔的封隔器、用于密封钻孔口进行原位流体观测的海底井塞装置等。本文对这些技术和装置的发展及其应用进行了回顾。

2　钻孔中的封隔技术和封隔器

介质的渗透性是影响海底地下流体运动的重要参数［9，10］。海底地下岩石的渗透性可由多种方法获得，例如在实验室对岩心样品进行分析测试然后估算岩石的渗透性，或者在钻孔内进行原位观测［9］。其中，原位测试海底地下某一层位岩石渗透性的方法是：在钻孔中将待测层位上下密封，然后向该层位快速泵入流体使压力升高并监测压力随时间的变化（压力脉冲测试法），或以恒定的速度持续泵入流体同时监测压力随时间的变化（恒流注射测试法），最后通过压力随时间的变化来推算该层位岩石的渗透性。

在钻孔中将待测层位与上下层位密封隔开，同时又不影响将流体泵入该层位，是进行渗透性原位观测的基础。一种被称为“封隔器（packer）”的橡胶密封装置应运而生，其充入海水后可以膨胀，被用于钻管（drill string）和套管之间、或钻管与钻孔壁之间环形区域的密封，起到将孔内流体分隔开的作用［10，11］。

封隔器主要由封隔膨胀元件（packer inflation element）和辅助器件组成（图1）［12］。应用封隔器时，首先用钻杆将封隔器布放到海底钻孔中的待封隔部位，然后通过特定装置连接封隔器，向封隔器泵入海水充压，使封隔膨胀元件膨胀；待使用完成后，使封隔器消胀，将封隔器移动到新的待封隔部位进行封隔或直接回收。

图1　封隔器示意图注：A. 封隔器膨胀前或消胀后；B. 封隔器膨胀图片来源: 文献［12］。

封隔器根据密封装置是否可旋转可分为旋转式和非旋转式两类。其中，旋转式封隔器用于钻孔上部，可以通过旋转对返回圆锥安装口进行铰孔和去毛刺。封隔器可以单个使用，也可由两个封隔器组成跨装封隔器（straddle packer）使用，以实现对某一段的封隔或加强封隔的效果［13］。

利用封隔器进行的原位渗透率测试表明，洋壳渗透性观测结果具有一致性，即在洋壳上层约300m范围，不论洋壳上覆盖有厚层沉积物（如504B站位）还是直接裸露海底（如735B站位，辉长岩出露），其渗透系数通常介于10-15～10-12m2范围［10］。这些不同地点不同构造环境的洋壳基底上层渗透性观测结果的一致性，表明全球洋壳上层的渗透性可能是一致的，孔隙率可能是控制上层洋壳渗透性的主要因素。对同一站位，洋壳上层渗透系数变化不大，但从上层向下，其渗透系数迅速降低2～3个数量级，这表明，随着深度的增加，洋壳渗透率的降低幅度要远远大于早期的已应用于热液系统模型时的认识。洋壳渗透性的突然转换可能与洋壳2A层向2B层的过渡一致，因此，渗透性好、热液活动活跃的“热液基底”的厚度可以洋壳2A层的厚度为参考［10］。

3　钻孔口的密封技术与海底井塞装置

在海底打钻为在钻孔中对地下流体进行长期观测和取样提供了机会。然而，由于钻孔时破坏了地下原位流体，且钻孔内流体与海水可通过孔口交换，因此，需要对钻孔口进行密封，阻止孔内流体与海水的交换，并使钻孔中的流体恢复至原位状态。

采用非立管方式（Riserless Drilling）钻孔时，需要安装返回圆锥，以方便钻杆的再入。返回圆锥由倒圆锥体返回漏斗（reentry funnel）、支撑平台（support plate）和转换连接管（transition pipe）组成，其中支撑平台平置于钻孔口海底表面，与沉积物紧密接触，起到了密封的作用。因此只要将返回圆锥转换连接管密封，就能实现对钻孔口的密封。通常，转换连接管内部可安放套管用于保护钻孔，套管上部边缘配有弹性材料，安装后可形成环形密封［13］。此时，将安装有环形密封材料的塞子塞入返回圆锥转换连接管或最内侧的套管中并与之接触密封，则可实现对孔口的密封。这一密封装置的构想最早于1989年的一个研讨会上被提出（图2），当时被称为“钻孔封口装置（instrument borehole seal）”［14］；并于1991年夏天在Middle Valley被成功实施（ODP 139航次）［15］。在前往Middle Valley的途中，ODP执行主管Glen Foss为其取名为“Circulation Obviation Retrofit Kit”，取其首字母缩写为“CORK”，其中，“CO”表示防止海底地下原位流体与海底海水交换，“RK”表示不论是早期的钻孔还是近期的钻孔，只要有返回圆锥就可以用来布放海底井塞装置（CORK）。基于CORK的结构，将CORK名称译为“海底井塞装置”，将CORK body（插入返回圆锥提供密封功能的“塞子”）译为“井塞”。

目前，“海底井塞装置”已被用于密封钻孔及对钻孔内流体进行长期观测的装置的统称，对于不同的海底井塞装置则冠以不同的型号，如初级海底井塞装置（Original CORK）、改进型海底井塞装置（Advanced CORK）、有缆型海底井塞装置（Wireline CORK）、Ⅱ型海底井塞装置（CORKⅡ）和L型海底井塞装置（L-CORK）。海底井塞装置主要的观测项目包括温度、压力和取样，也可布放VLF地震测试仪，扩大和强化对海底地下的观测能力［15］。

图2　海底井塞装置（CORK）的概念模型示意图图片来源: 文献［14］。

3.1初级海底井塞装置

初级海底井塞装置（Original CORK）的基本组成包括：井塞（CORK body）、长期观测传感器链和数据记录仪（图3）［14，16］。通常，返回圆锥的转换连接管内可依次安装4根套管，其直径分别为20英寸、16英寸、13-3/8英寸和10-3/4英寸（早期为11-3/4英寸）。井塞部分插入最内侧套管中，通过密封件对井塞与套管的连接部位进行密封。观测传感器链通过井塞中心孔进入钻孔，其上部末端封装有数据记录仪的仓体搭在井塞中心孔边缘的肩部（landing shoulder）。

受钻管和井塞中心孔内径的限制，传感器链的外径应小于3-3/4英寸。观测传感器链包括温度和压力传感器，观测数据输入到位于井塞内的数据记录仪中存储。数据记录仪可由载人潜水器或水下无人遥控机器人通过“水下插拔式连接器（Underwater-Mateable Connector，简称UMC）”进行数据下载和维护。除了在钻孔内安装压力传感器外，井塞头部也装配有压力传感器，检测钻孔外海底压力，便于对钻孔内外的压力进行比较。此外，井塞上还留有流体采集口，通过管道通入钻孔内，用于采集钻孔内的流体。

初级海底井塞装置实现了对钻孔的密封，阻止了钻孔内外流体的交换，是ODP一项重要的技术革新。1991年第一次布放之后约10年的时间里，ODP共在海底的12个钻孔布放了14套初级海底井塞装置并取得了有价值的观测成果［14，17］。然而，初级海底井塞装置也存在明显不足［17］：（1）仅在孔口处密封，不能在同一钻孔中进行不同层位水力学的观测；（2）布放和回收等主要维护工作需要钻探船来完成；（3）观测链的外径受到限制，制约了观测传感器的选用。

图3　初级海底井塞装置设计示意图图片来源: 文献［14］。

3.2改进型海底井塞装置

针对初级海底井塞装置不能在同一钻孔中分层观测的不足，一种引入封隔器技术对钻孔内流体进行分层观测的海底井塞装置构想被提出（图4）［17］，并于2001年的ODP196航次被成功实施，布放于Nankai Trough的1173B和808I孔［18］。该装置被称为“改进型海底井塞装置（Advanced CORK，或ACORK）”，与初级海底井塞装置的主要区别在于ACORK利用套管和多个封隔器将孔内的流体分隔成了互不连通的密封层位，分别对这些层位的流体开展长期观测［17，18］。

图4　ACORK组成和结构示意图图片来源: 文献［14］。

改进型海底井塞装置的实施过程与初级海底井塞装置不同。以ODP196航次为例［18］，在布放返回圆锥和第一根套管（外径为20英寸）后，立即进行LWD（logging while drilling）操作，边钻孔边观测孔内流体的温度和压力。LWD钻孔直径起初为9-7/8英寸，然后被扩大至17-1/2英寸，用于布放ACORK。综合了LWD等观测资料，了解了地层信息，确定ACORK观测的目标层位、封隔位置和可达到的总深度后，据此组装ACORK，将封隔器、观测窗口、传感器等安装于外径10-3/4英寸的套管上的相应位置，套管最底部密封，套管上端连接井塞，各封隔器、观测窗口和传感器等通过管线连接至井塞相应的阀门或数据记录仪。ACORK集成安装完成后，利用钻杆将其通过返回圆锥布放入钻孔中，待封隔器和观测窗口均到达计划位置后，操作封隔器膨胀，然后作业工具撤离，ROV作业平台安装就位，钻杆回收，ACORK安装完成。

与初级海底井塞装置仅在钻孔口处密封、将观测传感器链布入10-3/4英寸套管内观测不同，改进型海底井塞装置将套管和观测窗口安装于10-3/4英寸套管上，利用封隔器和套管将各观测窗口隔离，从而实现了对不同层位的观测。由于在安装上存在一定的技术困难，到目前为止，改进型海底井塞装置仅在ODP196航次布放了两套［18］。

3.3 Ⅱ型海底井塞装置

对改进型海底井塞装置进一步的改进发展出了Ⅱ型海底井塞装置（CORKⅡ）（图5），其主要的改进包括［14，19］：（1）封隔器安装在直径为4-1/2英寸的套管上，既可吸附于钻孔内壁，也可吸附于直径为10-3/4英寸套管内壁；（2）对直径为10-3/4英寸套管的底部通过粘合剂密封，隔离海水和钻孔的连通；（3）利用渗透流体连续采集器（OsmoSampler）［20］连续采集流体样品，并且采集器配备有温度传感器，流体采集和温度测量同时进行；（4）连接管线等进一步优化。

图5　Ⅱ型海底井塞装置结构示意图图片来源: 文献［14］。

与前两种海底井塞装置相比，Ⅱ型海底井塞装置的功能更加完善，设计更加合理，能够实现对钻孔中流体的分层观测和连续取样，并且回收数据和样品时对钻孔原位流体的影响小。Ⅱ型海底井塞装置最先于ODP205航次布放于1253A孔和1255A孔［21］。

3.4L型海底井塞装置

目前最新型的是L型海底井塞装置（L-CORK），它是在Ⅱ型海底井塞装置基础上发展而来的，主要进行了如下的改进［22］：（1）增加一个直径10.2厘米的球阀，该球阀与井塞柱头上连通钻孔内部的管道连接，在球阀上可安装流量计，也可通过球阀接触孔内传感器和采集样品；（2）增加了一个顶部阀门；（3）增加使用遇水膨胀的封隔器，强化对钻孔的密封；（4）布放的流体采样器由带孔的钻铤保护，避免因暴露在外而被埋没的风险；（5）增设一个新的阀门系统，通过脐带管采集孔内流体。L型海底井塞装置于IODP327航次布放于1362A和1362B孔［23］。

3.5有缆型海底井塞装置

在提出改进型海底井塞装置构想的同时，一种不依赖于钻探船而通过一个由缆线连接至船上，并受船上控制的专用运载工具进行布放的海底井塞装置构想被提了出来，被称为有缆型海底井塞装置（Wireline CORK）［14，17］。

有缆型海底井塞装置的基本组成包括支持舱（support package）、封隔器和观测链，其中支持舱内部装有流体动力单元、数据记录仪、动力源和遥测装置等。封隔器安装位置和观测传感器位置根据观测目标来确定，最上面的封隔器与支持舱相连接。

布放有缆型海底井塞装置只需要钻孔稳定并已安装返回圆锥，若钻孔不稳定则需要安装套管。布放时，运载工具与支持舱软连接，通过控制运载工具将该海底井塞装置的封隔器和观测链通过返回圆锥进入海底钻孔，布放就位后操作封隔器膨胀，运载工具和支持舱脱开，布放完成。2001年，利用斯克利普斯（Scripps）海洋研究所海洋物理实验室（Marine Physical Laboratory）的运载工具Control Vehicle对504B孔和896A孔进行了有缆型海底井塞装置的布放［24］。

有缆型海底井塞装置布放不依赖于钻探船，因此实施灵活、经济。不过，受到缆线载荷的限制，通常最多只能封隔三个层位［17］。

4　全孔密封技术与轻便有缆海底地下原位观测系统（SCIMPI）

如前所述，海底井塞装置通过密封钻孔口和钻孔中不同层位而开展观测，需要安装返回圆锥等永久性部件，系统安装较复杂，施工周期较长，成本也较高。一种利用沉积物或泥浆对全孔进行密封、可用于海底沉积物的长期观测系统被开发出来，它简单实用、价格低廉，被称为轻便有缆海底地下原位观测系统（Simple Cabled Instrument for Measuring Properties in situ），简称SCIMPI［25，26］。

与CORK相比，SCIMPI最显著的特点是利用沉积物或泥浆密封钻孔（图6）。当钻孔完成并将观测传感器链布放进入钻孔后，将钻管拔出时，钻孔壁沉积物可能会塌陷，封闭钻孔以及分层封隔不同层位的传感器；如果沉积物不塌陷，钻探泥浆也会起到相似的密封钻孔的作用。沉积物或泥浆充填钻孔的密封效果较好，并且有利于钻孔原位流体的恢复。由于不需要安装返回圆锥、套管、封隔器等部件，因此不仅节约了设备成本，更是节省了布放船时。

图6　SCIMPI布放简要过程示意图图片来源: 文献［25］。

SCIMPI在组成上采用模块化设计，主要由传感器模块、控制模块和电缆组成。其中，传感器模块可包括温度传感器、电导率传感器、压力传感器等，同时也可集成微型地震仪等其他传感器。通过具有一定硬度的浮力电缆将多个传感器模块连接起来组成观测传感器链。传感器模块之间的距离根据观测要求而定。用于流体采样的管道可沿着浮力电缆布置。

当传感器链布放入钻孔且钻管离开后，利用水下遥控机器人（ROV）或载人潜水器（HOV）安装托盘，通过水下插拔式连接器将传感器链与控制模块连接。控制模块的功能是给传感器模块供电、存储观测数据以及数据管理。控制模块可更换，也可与海底观测网络连接。模块化的结构使SCIMPI结构简单、组成灵活、易于安装，能适应多种工作环境。2013年，IODP341S航次在U1416A孔布放了一套SCIMPI［27］。

5　海底井下观测技术的应用

海底井下观测技术发展的主要目标是观测海底地下原位流体的温度、压力和成分等信息，研究海底地下水文地质学特征［14］，该技术及相关装置的应用已帮助人们取得了很多有价值的认识。例如，根据孔口密封前后观测的温度和压力资料，可估算岩石的渗透性以及钻孔中流体运动的方向和流速［28，29］；根据长期连续采集的流体的化学资料，可推断地下流体的运动和演化［30］。海底扩张等事件也可在长期观测中被记录下来［31］。

揭示地下流体活动最直观的方法是进行人工示踪试验，例如，布放海底井塞装置，在单个钻孔中的某处以恒定速率添加示踪剂，然后在钻孔中的其他位置连续采集流体，通过采集的流体中示踪剂浓度的变化来估算孔内流体的流向和流速，进而推断地下流体的运动状况［32，33］。

除了在单个钻孔内进行人工示踪试验外，还可在区域范围进行多孔示踪试验。例如，1996年执行的ODP168航次在胡安·德富卡洋脊东段的4个钻孔（1024C、1025C、1026B和1027C）布放了海底井塞装置；2004年的IODP301航次又在1026B孔的西南钻孔布放了两套装置（1301A和1301B），其目的就是为后期开展区域三维水文地质学示踪试验作准备。2010年执行的IODP327航次在1026B孔和1301孔之间的两个钻孔（1362A和1362B）布放了海底井塞装置，此时，在几公里的范围内有6个钻孔布放了海底井塞装置（1026B、1027C、1301A、1301B、1362A 和1362B）。通过在1362B孔注射示踪剂，在其他钻孔中进行流体采样，可以根据各钻孔示踪剂到达的时间和峰形来推断该区域地下流体的运动（图7）［23，34-38］。2011年AT18-07航次利用ROV对部分海底井塞装置进行了维护，包括数据下载、采集流体样品、井塞外部流体采样器回收和更换，但真正有意义的示踪剂流体样品要几年后才能回收［39］。

图7　IODP327航次流体示踪试验示意图图片来源: 文献［36］。

海底井下观测技术及相关装置（包括海底井塞装置（CORK）和轻便有缆海底地下原位观测系统（SCIMPI）），不仅为观测和研究海底水文地质学提供了条件，也为开展其他井下观测和实验提供了机会。例如，可将地震仪布放于钻孔中以取得更好的观测效果，也可将矿物片等布放于钻孔中开展微生物定殖实验等［40］。

6　结语

随着海洋钻探的发展，在认识海底地下流体需求的驱动下，海底井下观测技术及相关装置被发展起来并得以应用，取得了一些有价值的认识成果。但是，目前对于海底水力学系统的基本特征仍然知之甚少，例如流体运移路径的三维分布、流体运移的速率及其随流向和地域的变化等［41］。因此，继综合大洋钻探计划（IODP，2003-2013）将海底地下流体作为主要研究内容之后［42］，大洋发现计划（IODP，2013-2023）将继续发展钻孔、流体取样和传感器技术，开展海底地下流体的采集、观测和试验等工作［41］。

目前，海底井下观测是各钻孔独立进行，并且需要定期的维护。随着传感器技术以及海底观测网络技术的发展，我国科技工作者已提出将海底井下观测作为观测节点纳入海底观测网络的设想，这将大大提高对海底井下的观测能力，并且有望在不久的将来得以实现。

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Development and Application of Techniques for Borehole Observation of Fluids under the Seafloor

Ji Fuwu， Zhou Huaiyang， Yang Qunhui
（State Key laboratory of Marine Geology， Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract:Fluid is ubiquitous under the seafloor， which is important to the geochemical and biogeochemical interactions and the processes such as the transportation of matter and energy across the seafloor. Sub-seafloor fluid is paid attention to by many studies， and drilling the seafloor provides good opportunities to observe it. Techniques and instruments for in-situ observation of sub-seafloor fluid will be reviewed in this paper， including Packer， Simple Cabled Instrument for Measuring Properties in situ （SCIMPI）， and especially Circulation Obviation Retrofit Kit （CORK）， and their implication and scientific results related will also be introduced briefly.

Keywords:sub-seafloor； fluid； in-situ observation； CORK

中图分类号:P7

文献标识码:A

文章编号：1674-4969（2016）02-0162-10

DOI：10.3724/SP.J.1224.2016.00162

收稿日期：2016-12-15； 修回日期： 2016-02-16

基金项目：国家自然科学基金重点项目“南海深海海底铁锰结核/结壳的成因和历史记录”（批准号：91428207）

作者简介：季福武（1979-），男，博士，讲师，研究方向为海洋地球化学。E-mail: jfuwu@tongji.edu.cn