南海超深水钻探取样钻具优化及应用

阮海龙 陈云龙 蔡家品 蒋卫焱 何 繁 李 春

(1.中国地质大学(北京) 北京 100083；2.北京探矿工程研究所 北京 100083；3.中海油田服务股份有限公司 天津 300451)

南海超深水钻探取样钻具优化及应用

阮海龙1,2陈云龙2蔡家品2蒋卫焱3何 繁3李 春2

(1.中国地质大学(北京) 北京 100083；2.北京探矿工程研究所 北京 100083；3.中海油田服务股份有限公司 天津 300451)

海洋钻探取样对于充分利用海洋资源起着至关重要的作用，然而缺乏深水及超深水自主取样技术已成为制约我国海洋资源开发的瓶颈。在自主研制的已成功应用在南海北部陆坡588 m深水区的TK系列压入活塞式取样钻具的基础上，对该钻具密封装置、衬管、管鞋等进行了优化。新型压入活塞式取样钻具具有良好的耐磨、抗变形等性能，已在南海北部陆坡1 720 m超深水区顺利完成100 m连续钻孔取样作业，岩心平均收获率达85%，成为我国超深水取样第一钻。新型压入活塞式取样钻具可满足我国海洋深水及超深水钻探取样的需求，具有良好的推广应用价值。

南海；超深水；TK系列取样钻具；优化；新型压入活塞式取样钻具；岩心收获率

我国深水海域蕴藏着大量油气资源[1-2]。由于我国海洋油气勘探开发起步较晚，对海洋油气资源量的估算主要通过地球物理方法、地球化学方法、钻孔测井方法等，因此如何更准确地掌握海洋资源潜力、分布状况以及资源量是目前面临的一大难题。钻探取样是海洋油气勘探的重要手段，目前浅水钻探取样主要应用的是比较成熟的重力活塞取样技术，用于获取海床表层的沉积物样品[3-4]，但该技术应用于深水及超深水钻探取样具有极大的局限性[5-6]。

我国深水及超深水钻探取样作业大多依赖于外国钻探船及其技术[7-9],如1999年大洋钻探计划“Joides Resolution”号首航南海，进行了184航次调查，在南海共完成了17个钻孔的钻探任务[8]; 2007年辉固国际集团公司Bavenit号船具体承担的中国天然气水合物钻探工程在南海北部成功钻获了天然气水合物实物样品，取得了海洋深水找矿工作的重大突破，海域水深1 230～1 245 m[9]。近年来，国内研发的TK系列压入活塞式取样钻具[10]已在我国南海北部陆坡588 m深水区得到成功应用，但应用在1 720 m超深水时取样工具的密封装置、衬管、管鞋等出现了损坏。为了攻克我国深水及超深水钻探取样技术瓶颈，笔者在TK系列压入活塞式取样钻具基础上，对取样钻具从密封装置、衬管、管鞋等方面进行优化，并在南海北部陆坡1 720 m超深水区100 m连续取样钻孔作业中取得成功应用，打破了国外深水钻探取样技术的垄断，为我国自主勘探开发深水油气资源打下了坚实的基础，具有良好的应用推广价值。

1 超深水钻探取样钻具优化

南海北部陆坡588 m深水区应用的压入活塞式取样钻具采用的是我国自主研发的TK系列压入活塞式取样钻具[10],该取样钻具如图1所示。针对该取样钻具在我国南海北部陆坡1 720 m取样存在的问题，从密封装置、衬管、管鞋等方面进行了优化。

图1 压入活塞式取样钻具Fig.1 Press-in piston sampling drilling tool

1.1 密封装置优化

在1 720 m超深水区作业时，水深压力18 MPa左右，取样作业时橡胶制成的支承环和压环无法承受这一压力工况下的持续工作而导致变形破坏；同时，作业地层以细砂为主，作业时产生的海底细砂容易进入到密封装置与外管内壁之间的空间，长时间工作会由于过度摩擦而造成磨损，损坏密封件与外管内壁的表面，进而使密封装置遭到破坏(图2a)。

图2 优化前后密封组对比Fig.2 Constrast of optimized seal group with former

因此，首先需要优选耐磨和耐压性能的密封材料，其次要兼顾密封材料与外管内壁之间的摩擦系数小[11]。目前常用的各类密封圈的摩擦系数都不是很大，综合分析后优选了添加二硫化钼或硅油等助剂的聚氨酯橡胶V型密封装置，该装置密封圈摩擦系数相对更小，能最大限度地减少摩擦力的阻碍，同时聚氨酯橡胶V型密封装置具有较强的耐磨和耐压性能，能适应超深水的作业。另外，结合我国南海北部陆坡588 m深水区作业的情况，对于超深水作业，优化设计了软金属材质制成的支承环和压环，这类支承环和压环具有软硬两方面的特性[12]，不易变形，同时可以减少模型制造及加工费用，节约成本。优化后的密封装置在1 720 m超深水区使用过程中几乎无变形(图2b)，达到了预期的效果。

1.2 衬管优化

在1 720 m超深水取样作业时,衬管取心率较低，同时衬管发生了损坏(图3a)。分析认为，取样长度主要取决于取样管的内径、样品与管壁的摩擦力和岩土层的强度[13-14]，静压作用下取样长度存在一个临界值，若钻具继续压入，则岩心被压实，产生“桩效应”。此外，取样长度也与岩层的内摩擦角、黏聚力以及取样深度有关[15-16]。在1 720 m超深水作业时，地层性质产生变化，土层强度增大，岩心与衬管之间的摩擦系数产生变化，导致岩样进入衬管难度增加，最终导致取心率有所下降，同时由于岩心与衬管之间的摩擦力改变，长时间的不均衡摩擦引起了衬管的破裂损坏。

因此，优化特制了具有轻质、耐腐蚀、耐磨、强度高、内壁光洁的PC管作为内层衬管(图3b)，在保证衬管强度及耐磨性的同时，减小了土层对取样钻具的摩擦阻力，并延迟了“桩效应”的产生，从而达到了最优取样回次长度。

图3 优化前后衬管对比Fig.3 Constrast of optimized pc tube with former

1.3 管鞋优化

ANSYS Workbench有限元模拟结果表明，若材料安全系数取2，则588 m深水区作业时使用的管鞋(图4a)在1 720 m超深水中受到最大应力228 MPa时的屈服应力为456 MPa，将超过管鞋材料许用应力350 MPa，因此需要对管鞋进行优化。

通过优化管鞋端面面积，减少了管鞋所受到的阻力。ANSYSWorkbench有限元模拟结果表明，材料安全系数取2，优化后的管鞋(图4b)在1 720 m超深水中受到最大应力为172 MPa时的屈服应力为344 MPa，处于管鞋材料许用应力范围内。

图4 优化前后管鞋对比Fig.4 Contrast of optimized pipe shoe with former

2 超深水钻探取样实践

经过优化的TK系列深水随钻取样钻具搭载“海洋石油708”号深水工程勘察船，首次在我国南海北部陆坡1 720 m超深水区进行了100 m全孔连续取样。本次作业钻孔深度101 m，共取样66回次，其中经过优化的新型压入活塞式取样钻具取样深度95 m，取样63回次，获取样品81 m，样品直径为66 mm，岩心平均收获率为85%，单筒岩心最大长度为2 m(满管)。从现场取出的岩心(图5)可以看到，样品几乎无扰动，质量很高。另外，新型压入活塞式取样钻具在使用过程中，组合密封几乎无损坏，管鞋使用寿命增长，取心率得到了保证，取样钻具到达井底的时间变短，表明经过优化的新型取样钻具完全能够适应超深水作业条件。

图5 南海取得的完整原状的超深水岩心Fig.5 Complete and original ultra-deepwater core at the work site in South China Sea

3 结论

采用聚氨酯橡胶V型密封装置、PC管衬管以及减小管鞋端面等优化手段可提高新型压入活塞式取样钻具的耐磨性、抗变形能力，自主研制的新型压入活塞式取样钻具在南海北部陆坡1 720 m超深水区取样作业中取得良好成效，填补了国内技术空白，从而为我国自主勘探开发深水油气资源奠定了坚实基础，具有良好的推广应用价值。

[1] 吴必豪，马开义，陈邦彦.西太平洋天然气水合物矿藏找矿远景刍议[J].矿床地质，1998，17(增刊)：741-744.

[2] 王淑红，宋海斌，颜文.全球与区域天然气水合物中天然气资源估算[J].地球物理学进展，2005，20(4)：1145-1154.WANG Shuhong,SONG Haibin,YAN Wen.The global and regional estimation of gas resource quantity in gas hydrates[J].Progress in Geophysics,2005，20(4)：1145-1154.

[3] 程毅.天然气水合物保真取样技术的研究[D].杭州：浙江大学，2006.CHENG Yi.Truth-preserving sampling technique of natural gas hydrate research[D].Hangzhou:Zhejiang University,2006.

[4] 秦华伟.海底表层样品低扰动取样原理及保真技术研究[D].杭州：浙江大学，2005.QIN Huawei.The low-disturbance sampling principle and Truth-preserving sampling technique for the deep-sea surface layer sample[D].Hangzhou:Zhejiang University,2005.

[5] 张凌，宁伏龙，蒋国盛，等.海洋水合物钻探取心与处理现状分析[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2009,36(增刊)：100-103.ZHANG Ling,NING Fulong,JIANG Guocheng,et al.Current state of the art of coring and processing in Marine gas hydrate drilling[J].Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling),2009,36(S):100-103.

[6] 阮锐.海底重力取样技术的探讨[J].海洋测绘，2009,29(1)：66-69.RUAN Rui.Discussion of technology on seafloor gravity sampling[J].Hydrographic Surveying and Charting,2009,29(1):66-69.

[7] 赵尔信，蔡家品，贾美玲，等.海洋深水钻探船及取样技术[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2009,36(增刊)：152-154.ZHAO Erxin,CAI Jiapin,JIA Meiling,et al.Offshore deep water drilling ship and technology of sample[J].Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling),2009,36(S):152-154.

[8] 宋海斌，耿建华，WANG How-King，等.南海北部东沙海域天然气水合物的初步研究[J].地球物理学报，2001,44(5)：687-695.SONG Haibin,GENG Jianhua,WANG How-King,et al.A preliminary study of gas hydrates in dongsha region North of South China sea[J].Chinese Journal of Geophysics,2001,44(5):687-695.

[9] 张洪涛，张海启，祝有海.中国天然气水合物调查研究现状及其进展[J].中国地质，2007,34(6)：953-961.ZHANG Hongtao,ZHANG Haiqi,ZHU Youhai.Gas hydrate investigation and research in China:present status and progress[J].Geology in China,2007,34(6):953-961.

[10] 阮海龙，沈立娜，蒋卫焱，等.海底沉积地层保真取样钻具的设计及应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2013,40(2)：12-14.RUAN Hailong,SHEN Lina,JIANG Weiyan,et al.Design of drilling Tool for truth-preserving sampling in submarine sedimentary strata and the application[J].Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling),2013,40(2):12-14.

[11] 王宣银.聚四氟乙烯组合密封圈及其摩擦阻力的计算[J].润滑与密封，1997(2)：57-59.WANG Xuanyin.Analysis of PTFE composition seal ring and caculation of its friction drag[J].Lubrication Engineering,1997(2)：57-59.

[12] 赵虹辉.浅析液压缸活塞杆密封泄漏的原因及改进方法[J].液压气动与密封，2006,4(4)：22-24.ZHAO Honghui.The analysis and improvement on hydraulic cylinder's rod seals leakage[J].Hydraulics Pneumatics & Seals,2006,4(4):22-24.

[13] 刘军，庞雄，颜承志，等.南海北部陆坡白云深水区深水沉积结构要素[J].吉林大学学报(地球科学版)，2011,41(4)：992-998.LIU Jun,PANG Xiong,YAN Chengzhi,et al.Deepwater depositional elements in Baiyun deepwater area of the northern continental slope,South China Sea[J].Journal of Jilin University(Earth Science Edition),2011,41(4):992-998.

[14] 魏巍.南海中沙天然气水合物资源远景区海底沉积物的物理力学性质研究[J].海岸工程，2006,25(3)：33-38.WEI Wei.Study on physicomechanical properties of Bottom sediments from the zhongsha natural gas hydrate prospective area of the South China Sea[J].Coastal Engineering,2006,25(3):33-38.

[15] 吴时国，秦蕴珊.南海北部陆坡深水沉积体系研究[J].沉积学报，2009,27(5)：922-930.WU Shiguo,QIN Yunshan.The research of deepwater depositional system in the northern South China Sea[J].Acta Sedimentologica Sinica,2009,27(5):922-930.

[16] 袁圣强.南海北部陆坡区深水水道沉积体系研究[D].青岛：中国科学院海洋研究所，2009.YUAN Shengqiang.Sedimentary system of deepwater channel,the slope area of northern South China sea[D].Qingdao:Graduate University of the Chinese Academy of Sciences(Institute of Oceanology),2009.

(编辑：孙丰成)

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

阮海龙，男，工程师，2006年毕业于中国地质大学(北京)地质工程专业，现主要从事金刚石钻头、钻具、钻进工艺方面的研究。地址：北京市海淀区学院路29号探工楼207室(邮编：100083)。E-mail：dbksda@163.com。

陈云龙，男，工程师，2011年毕业于核工业北京化工冶金研究院核燃料循环与材料专业，现主要从事金刚石钻头、钻具、钻进工艺的优化设计。地址：北京市海淀区学院路29号探工楼207室(邮编：100083)。E-mail：cyl.011@163.com。

1673-1506(2017)01-0105-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.01.016

阮海龙,陈云龙,蔡家品，等.南海超深水钻探取样钻具优化及应用[J].中国海上油气，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