海洋超深水地质调查钻探实践

阮海龙，陈云龙，赵义，沈立娜

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 前言

海洋占据地球面积的70%以上，蕴藏着丰富的资源，为人类的科学探索及资源开发提供了巨大的空间。随着地球科学发展，海洋油气矿产资源、天然气水合物等新能源勘探开发以及海洋工程技术装备水平的提高，海洋超深水区域正成为科学探索的热点和前沿。

探矿工程及海洋油气开发等行业，通常将水深500 m以上海域称为深水，水深超过1500 m的海域称为超深水。随着水深的增加，钻探的难度越来越大，对工程装备、技术工艺的要求也越来越高。同时，海洋的复杂环境对钻探施工作业也提出了极大的挑战，诸多不可预见的因素需要依靠丰富的经验积累来分析处理。另一方面，海洋钻探成本高昂，气候、天气等原因导致作业窗口短，对钻探施工的效率、质量提出了极苛刻的要求[1-4]。

科学探索和资源开发通常以钻探取样或测井来进行地质调查获取第一手科学资料。基于成本、效率、作业时间窗口等因素的考虑，海洋超深水钻探通常以带动力定位的浮式钻井船或平台，采用“裸眼”即无隔水管或套管的钻井工艺进行作业施工。我国近几年才开始尝试超深水钻探的自主施工，此前的施工经验近乎空白，尚处在边摸索边实施的阶段[5-14]。笔者亲历了2014年我国在南海水深1720 m处首次自主实施的海洋地质调查超深水第一钻，以及2016年国际海洋钻探公司FUGRO在平均水深约1800 m处实施的数个超深水钻探作业，现整理施工概况及钻探相关技术工艺参数，望能为今后我国相关行业提供参考。

1 海洋超深水钻探简介

海洋超深水钻探，通常在水深1500 m以上海域，以钻进数米至数百米的海底沉积物层获取地层资料为目的。通常有隔水管钻井、“裸眼”钻井与海底钻机等几种形式[1,2](图1)。隔水管钻井(图1中)，即在钻井船(平台)与海底孔口之间通过隔水管联接，钻头通过钻杆从隔水管内部穿入下放至海底钻进，钻井液从钻杆注入后，从孔内上返至隔水管与钻杆间环空，最终上返至钻井船泥浆池形成循环。“裸眼”钻井(图1左)，即采用无隔水管或套管，钻井液采用无循环开放式直排的工艺进行钻探施工。钻头通过钻杆直接下放至海底进行钻进，钻井液通过钻杆注入，上返至海床面孔口后直接排入海水中。海底钻机(图1右)，即从工作船只通过吊缆将钻机下放至海床面，再通过动力与通讯缆为钻机供电与控制，从海床面开始下放钻杆进行钻进。与前两种相比，海底钻机在钻进深度、钻孔直径及钻孔成功率等方面处于劣势，应用范围相对受限。海洋超深水地质调查钻探，从经济性、作业效率及钻孔成功率等方面考虑，通常采用“裸眼”钻井方式进行。

图1 超深水钻井示意图

海洋超深水地质调查“裸眼”钻井具备以下特点：

(1)需采用具备动力定位功能的浮式钻井船或钻井平台，锚泊定位在超深水中耗时过长，且机动性差，作业成本与作业时间窗受限；

(2)由于钻杆在海水中“悬空段”较长，无孔壁或套管扶持，需选用高强度级别钻杆，通常为S135及以上钢级；

(3)钻机需有钻柱升沉补偿功能，以减弱或消除船(平台)受涌浪影响上下升沉引起的钻柱上下蹿动；

(4)钻井液为开放式直排，无法循环回收利用，对钻井液材料的成本及消耗量需额外考虑。

2 国内自主实施超深水钻探实例

2.1 实例概况

2014年8月，在我国南海北部陆坡1720 m超深水海域成功实施100 m全孔取样地质调查作业。该次作业由海洋石油708深水工程勘查船实施，钻井和取样工具为北京探矿工程研究所研发的TK系列深水随钻取样器。作业共耗时约8天，含1720 m水深加100 m钻深的起下钻、钻进及66回次的绳索取心作业。该次作业为我国首次采用国产化技术装备自主实施的海洋地质调查超深水第一钻。

2.2 工程装备参数简介

海洋石油708深水工程勘查船(图2)，简称“海洋石油708”，是国内首艘集钻井、水上工程、勘探功能于一体的3000 m深水工程勘察船，配备DP2级动力定位系统和3000 m水深工程地质调查钻探及取样能力，相关参数见表1。

2.3 钻探工艺技术参数

海洋石油708深水工程勘查船选用钻具组合相关参数如下：

表1 海洋石油708深水工程勘查船参数表

图2 海洋石油708深水工程勘查船

(1)钻杆：直径127 mm，壁厚9.19 mm，钢级S135，接头外径177.8 mm，接头内径104.77 mm，螺纹规格5FH，单根长度9.75m；

(2)钻铤：外径209.55 mm，内径104.77 mm；

(3)钻头：五刀翼金刚石复合片取心钻头，外径241.3 mm，内径101.6 mm；

(4)取样钻具：TK型深水随钻取样器，外径88.9 mm。

因缺乏超深水钻探的实际施工经验，该次作业在设计钻井工艺参数时采用保守原则，即采用低转速、低钻压、低泥浆排量的稳妥钻进，具体工艺参数及钻探效果如下：

水深1720 m，钻深100 m，转速30～60 r/min，排量200～300 L/min，钻压10～20 kN，钻速10～20 m/h，起下钻速度约300 m/h，取心绞车绳速40～60 m/min。

因所钻地层为黏土、粉砂、细砂等沉积物，钻进过程中存在井斜、孔壁不稳、塌孔埋钻等风险，钻进过程中采用减压减速钻进，全孔使用密度1.0～1.1 g/cm3泥浆护壁清孔。

3 FUGRO超深水钻井实例

3.1 实例概况

FUGRO公司在海洋钻探方面处于国际领先水平，具备完善的技术装备及丰富的施工经验。2016年，由FUGRO公司的VOYAGER钻井船在平均水深约1800 m超深水海域实施随钻测井作业，平均钻深约500 m，平均约4天完成一口钻井，含起下钻、钻进及移船定位。其作业效率、钻孔质量令人叹服。

3.2 工程装备参数简介

FUGRO VOYAGER钻井船(图3)配备DP2级动力定位系统和3000 m水深地质钻探能力，具体参数见表2。

图3 FUGRO VOYAGER 钻井船

表2 FUGRO VOYAGER钻井船参数表

3.3 钻探工艺技术参数

FUGRO VOYAGER因其钩载较小，选用的钻具组合中除钢质钻杆外，另配备了部分铝合金钻杆以降低钻柱悬重，其钻具组合相关参数如下：

(1)钻杆：直径139.7 mm，壁厚10.54 mm，钢级S135和铝合金，接头外径177.8 mm，接头内径104.77 mm，螺纹规格5FH；

(2)钻铤：外径177.8 mm，内径104.77 mm；

(3)钻头：三刀翼牙轮全面钻头，外径215.9 mm。

FUGRO公司具备丰富的超深水钻探经验，其钻探技术工艺参数经过实际施工优化完善，具备较高的安全性、经济性与施工效率。针对施工海域以黏土、粉砂为主的沉积物地层，制定工艺参数及钻探效果如下：

水深约1800 m，钻深约500 m，转速60～90 r/min，排量1100～1300 L/min，钻压30～50 kN，钻速20～30 m/h，起下钻速度约300 m/h。

钻井液以海水为主，辅以每3钻柱注入一次密度约1.1g/cm3搬土浆进行扫孔和护壁。在钻进过程中，通过海底基座摄像或ROV摄像实时观测监视孔口和钻柱回转状态，因此可较放心地采用高转速、大钻压、大泥浆排量，从而获得较高的钻进效率，见图4。

图4 摄像观测图

4 结论

由以上两个海洋超深水地质调查钻探实例进行对比及分析，FUGRO在转速、钻压及泥浆排量方面大胆地选用较高参数值，从而获得更高的钻探效率。同时，在钻井液方面，根据所钻地层性质及经验，在钻进过程中以海水为主要钻井液介质，大大降低了泥浆材料的消耗，在保证成孔质量的同时获得更好的经济性。初步总结可得以下结论：

(1)我国目前的技术装备，已具备开展超深水地质调查钻探能力；

(2)与国际先进海洋钻井公司相比，国内尚缺乏施工作业实际经验的积累；

(3)在钻探辅助装备方面，国内尚落后于国外，例如带实时摄像监测功能的超深水海底基座，国内尚未见类似装备获得应用；

(4)FUGRO实例比国内实例具备更强的钻探风险控制能力，在钻探效率及经济性上也高于国内水平；

(5)随着我国海洋强国战略的推进，超深水钻探工程应用开展越来越广泛，与国际先进的技术水平差距正逐步缩小。

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