南海超深水鉆探取樣鉆具優化及應用

阮海龍 陳云龍 蔡家品 蔣衛焱 何 繁 李 春

(1.中國地質大學(北京) 北京 100083；2.北京探礦工程研究所 北京 100083；3.中海油田服務股份有限公司 天津 300451)

南海超深水鉆探取樣鉆具優化及應用

阮海龍1,2陳云龍2蔡家品2蔣衛焱3何 繁3李 春2

(1.中國地質大學(北京) 北京 100083；2.北京探礦工程研究所 北京 100083；3.中海油田服務股份有限公司 天津 300451)

海洋鉆探取樣對于充分利用海洋資源起著至關重要的作用，然而缺乏深水及超深水自主取樣技術已成為制約我國海洋資源開發的瓶頸。在自主研制的已成功應用在南海北部陸坡588 m深水區的TK系列壓入活塞式取樣鉆具的基礎上，對該鉆具密封裝置、襯管、管鞋等進行了優化。新型壓入活塞式取樣鉆具具有良好的耐磨、抗變形等性能，已在南海北部陸坡1 720 m超深水區順利完成100 m連續鉆孔取樣作業，巖心平均收獲率達85%，成為我國超深水取樣第一鉆。新型壓入活塞式取樣鉆具可滿足我國海洋深水及超深水鉆探取樣的需求，具有良好的推廣應用價值。

南海；超深水；TK系列取樣鉆具；優化；新型壓入活塞式取樣鉆具；巖心收獲率

我國深水海域蘊藏著大量油氣資源[1-2]。由于我國海洋油氣勘探開發起步較晚，對海洋油氣資源量的估算主要通過地球物理方法、地球化學方法、鉆孔測井方法等，因此如何更準確地掌握海洋資源潛力、分布狀況以及資源量是目前面臨的一大難題。鉆探取樣是海洋油氣勘探的重要手段，目前淺水鉆探取樣主要應用的是比較成熟的重力活塞取樣技術，用于獲取海床表層的沉積物樣品[3-4]，但該技術應用于深水及超深水鉆探取樣具有極大的局限性[5-6]。

我國深水及超深水鉆探取樣作業大多依賴于外國鉆探船及其技術[7-9],如1999年大洋鉆探計劃“Joides Resolution”號首航南海，進行了184航次調查，在南海共完成了17個鉆孔的鉆探任務[8]; 2007年輝固國際集團公司Bavenit號船具體承擔的中國天然氣水合物鉆探工程在南海北部成功鉆獲了天然氣水合物實物樣品，取得了海洋深水找礦工作的重大突破，海域水深1 230～1 245 m[9]。近年來，國內研發的TK系列壓入活塞式取樣鉆具[10]已在我國南海北部陸坡588 m深水區得到成功應用，但應用在1 720 m超深水時取樣工具的密封裝置、襯管、管鞋等出現了損壞。為了攻克我國深水及超深水鉆探取樣技術瓶頸，筆者在TK系列壓入活塞式取樣鉆具基礎上，對取樣鉆具從密封裝置、襯管、管鞋等方面進行優化，并在南海北部陸坡1 720 m超深水區100 m連續取樣鉆孔作業中取得成功應用，打破了國外深水鉆探取樣技術的壟斷，為我國自主勘探開發深水油氣資源打下了堅實的基礎，具有良好的應用推廣價值。

1 超深水鉆探取樣鉆具優化

南海北部陸坡588 m深水區應用的壓入活塞式取樣鉆具采用的是我國自主研發的TK系列壓入活塞式取樣鉆具[10],該取樣鉆具如圖1所示。針對該取樣鉆具在我國南海北部陸坡1 720 m取樣存在的問題，從密封裝置、襯管、管鞋等方面進行了優化。

圖1 壓入活塞式取樣鉆具Fig.1 Press-in piston sampling drilling tool

1.1 密封裝置優化

在1 720 m超深水區作業時，水深壓力18 MPa左右，取樣作業時橡膠制成的支承環和壓環無法承受這一壓力工況下的持續工作而導致變形破壞；同時，作業地層以細砂為主，作業時產生的海底細砂容易進入到密封裝置與外管內壁之間的空間，長時間工作會由于過度摩擦而造成磨損，損壞密封件與外管內壁的表面，進而使密封裝置遭到破壞(圖2a)。

圖2 優化前后密封組對比Fig.2 Constrast of optimized seal group with former

因此，首先需要優選耐磨和耐壓性能的密封材料，其次要兼顧密封材料與外管內壁之間的摩擦系數小[11]。目前常用的各類密封圈的摩擦系數都不是很大，綜合分析后優選了添加二硫化鉬或硅油等助劑的聚氨酯橡膠V型密封裝置，該裝置密封圈摩擦系數相對更小，能最大限度地減少摩擦力的阻礙，同時聚氨酯橡膠V型密封裝置具有較強的耐磨和耐壓性能，能適應超深水的作業。另外，結合我國南海北部陸坡588 m深水區作業的情況，對于超深水作業，優化設計了軟金屬材質制成的支承環和壓環，這類支承環和壓環具有軟硬兩方面的特性[12]，不易變形，同時可以減少模型制造及加工費用，節約成本。優化后的密封裝置在1 720 m超深水區使用過程中幾乎無變形(圖2b)，達到了預期的效果。

1.2 襯管優化

在1 720 m超深水取樣作業時,襯管取心率較低，同時襯管發生了損壞(圖3a)。分析認為，取樣長度主要取決于取樣管的內徑、樣品與管壁的摩擦力和巖土層的強度[13-14]，靜壓作用下取樣長度存在一個臨界值，若鉆具繼續壓入，則巖心被壓實，產生“樁效應”。此外，取樣長度也與巖層的內摩擦角、黏聚力以及取樣深度有關[15-16]。在1 720 m超深水作業時，地層性質產生變化，土層強度增大，巖心與襯管之間的摩擦系數產生變化，導致巖樣進入襯管難度增加，最終導致取心率有所下降，同時由于巖心與襯管之間的摩擦力改變，長時間的不均衡摩擦引起了襯管的破裂損壞。

因此，優化特制了具有輕質、耐腐蝕、耐磨、強度高、內壁光潔的PC管作為內層襯管(圖3b)，在保證襯管強度及耐磨性的同時，減小了土層對取樣鉆具的摩擦阻力，并延遲了“樁效應”的產生，從而達到了最優取樣回次長度。

圖3 優化前后襯管對比Fig.3 Constrast of optimized pc tube with former

1.3 管鞋優化

ANSYS Workbench有限元模擬結果表明，若材料安全系數取2，則588 m深水區作業時使用的管鞋(圖4a)在1 720 m超深水中受到最大應力228 MPa時的屈服應力為456 MPa，將超過管鞋材料許用應力350 MPa，因此需要對管鞋進行優化。

通過優化管鞋端面面積，減少了管鞋所受到的阻力。ANSYSWorkbench有限元模擬結果表明，材料安全系數取2，優化后的管鞋(圖4b)在1 720 m超深水中受到最大應力為172 MPa時的屈服應力為344 MPa，處于管鞋材料許用應力范圍內。

圖4 優化前后管鞋對比Fig.4 Contrast of optimized pipe shoe with former

2 超深水鉆探取樣實踐

經過優化的TK系列深水隨鉆取樣鉆具搭載“海洋石油708”號深水工程勘察船，首次在我國南海北部陸坡1 720 m超深水區進行了100 m全孔連續取樣。本次作業鉆孔深度101 m，共取樣66回次，其中經過優化的新型壓入活塞式取樣鉆具取樣深度95 m，取樣63回次，獲取樣品81 m，樣品直徑為66 mm，巖心平均收獲率為85%，單筒巖心最大長度為2 m(滿管)。從現場取出的巖心(圖5)可以看到，樣品幾乎無擾動，質量很高。另外，新型壓入活塞式取樣鉆具在使用過程中，組合密封幾乎無損壞，管鞋使用壽命增長，取心率得到了保證，取樣鉆具到達井底的時間變短，表明經過優化的新型取樣鉆具完全能夠適應超深水作業條件。

圖5 南海取得的完整原狀的超深水巖心Fig.5 Complete and original ultra-deepwater core at the work site in South China Sea

3 結論

采用聚氨酯橡膠V型密封裝置、PC管襯管以及減小管鞋端面等優化手段可提高新型壓入活塞式取樣鉆具的耐磨性、抗變形能力，自主研制的新型壓入活塞式取樣鉆具在南海北部陸坡1 720 m超深水區取樣作業中取得良好成效，填補了國內技術空白，從而為我國自主勘探開發深水油氣資源奠定了堅實基礎，具有良好的推廣應用價值。

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(編輯：孫豐成)

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

阮海龍，男，工程師，2006年畢業于中國地質大學(北京)地質工程專業，現主要從事金剛石鉆頭、鉆具、鉆進工藝方面的研究。地址：北京市海淀區學院路29號探工樓207室(郵編：100083)。E-mail：dbksda@163.com。

陳云龍，男，工程師，2011年畢業于核工業北京化工冶金研究院核燃料循環與材料專業，現主要從事金剛石鉆頭、鉆具、鉆進工藝的優化設計。地址：北京市海淀區學院路29號探工樓207室(郵編：100083)。E-mail：cyl.011@163.com。

1673-1506(2017)01-0105-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.01.016

阮海龍,陳云龍,蔡家品，等.南海超深水鉆探取樣鉆具優化及應用[J].中國海上油氣，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

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2016-03-30 改回日期：2016-06-25