南海深水取樣海試的研究(2012.10.25)

1、1 2 1 1 1 1 1（1. 北京 100083 300451）南海深水取樣海試的研究1一、概況深海鉆探走向海洋挺進(jìn)南海走向海洋，走向深海，走向大洋，誰控制了海洋，誰就控制一切，美國人說中國在海上開采石油尚需100年，國人說大洋開發(fā)中國落后2030年.南海已有近千口國外產(chǎn)油井，尚未有一口我國產(chǎn)油井，是退守大陸還是走向海洋，我們是決心從陸地走向海洋，來了一個美麗的轉(zhuǎn)身，“十一五”期間發(fā)改委、科技部高瞻遠(yuǎn)矚投資160億造了六艘船和設(shè)備.組成以981號平臺為航母的海上艦隊，其中就包括深水工程勘察鉆探船中國海洋708號制造708號，船就是為了鉆探取樣。目標(biāo)：2025年建成5000萬噸的“深水大慶”

2、。2981鉆井平臺（2012.7.9正式開鉆）3深水物探船720（2012.5.21正式投產(chǎn)）4鋪管船201號（2012.5.21開赴南海）5708鉆探船（2012.1.15開赴南海正式試鉆）6708鉆探船7深水隨鉆取樣工具8登船的探工所年輕人9我所和中海油田服務(wù)股份有限公司合作研究“深水隨鉆取樣器設(shè)計和制造技術(shù)研究”（課題編號2008Z05027-001-02-01），該課題棣屬于國家重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（項目編號2008Z05027），經(jīng)過近兩年的研究于2012年6月2日在天津唐沽通過驗收，專家一致認(rèn)為：研究的深水隨鉆取樣技術(shù)，完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，填補國內(nèi)技術(shù)空白。其創(chuàng)新點

3、為：研制了模塊化取樣器，實現(xiàn)了壓力活塞式、超前伸縮式、射流攬簧式三種取樣器的不提鉆更換；通過液壓作為動力源，實現(xiàn)孔底不擾動快速取樣；研制了海上繩索取樣防脫卡安全裝置，保障海上取樣作業(yè)安全。驗收組一致同意該課題通過驗收。10該課題的重點是深水隨鉆取樣器的設(shè)計、制造和應(yīng)用特別是在南海深海水域進(jìn)行了三次海上試驗，皆獲得滿意的效果，為進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。三次海上試驗是我國首次應(yīng)用具自主知識產(chǎn)權(quán)的取樣器，在我國海域自行鉆探取樣，打破了深水取樣禁區(qū)，打破了國外深水取樣技術(shù)的封鎖，為下一步對南海進(jìn)行全面的工程、地質(zhì)、礦產(chǎn)、油氣田及天然氣水合物的勘查提供技術(shù)條件。11二、深水隨鉆取樣海試的工藝研究

4、深水隨鉆取樣效果，不僅依存于取樣器的結(jié)構(gòu)、性能同時取決于取樣鉆進(jìn)工藝，后者更為重要，是檢驗取樣器能否用于生產(chǎn)的關(guān)鍵一步，取不上樣品說明取樣器失敗，全部取上樣品，說明取樣器成功。取樣器海試工藝研究包括如下幾方面：取樣器穩(wěn)定性研究；取樣器護(hù)樣工藝研究；取樣器采取樣品工藝研究；退樣工藝研究；鉆進(jìn)工藝研究。122.1 取樣器穩(wěn)定性研究取樣時首先要保持取樣器在井底的穩(wěn)定，這是取樣的首要條件，當(dāng)鉆探船被海浪托起時，鉆頭和取樣器不被從孔底提起，當(dāng)鉆探船隨海浪下沉?xí)r，鉆頭和取樣器不被壓壞，需要船上鉆機開動主動升沉補償器進(jìn)行補償，維持鉆頭和取樣處于不動狀態(tài)才能開始鉆進(jìn)和取樣工作。在取樣時井底裝置將鉆桿自動夾持，

5、可靠地固定取樣器，此后開泵升高壓力，產(chǎn)生一個沖擊力將內(nèi)取樣筒壓入沙、土層、形成柱狀樣品。為取樣器形成穩(wěn)定工作狀況，研制了抗渦動的黑冰齒金剛石鉆頭和扶正器。13放于海底的基盤142.2 保護(hù)樣品工藝設(shè)計了合理的間隙，即PC管的內(nèi)徑大于沙、土芯樣品直徑2-3mm，此間隙既能保持沙、土芯樣品順利進(jìn)入，又不至沙、土芯樣品倒塌，將完整柱狀沙、土芯保護(hù)好。PC管的頂部有回水球閥，沙、土芯進(jìn)入PC管后將上部的海水從回回水球閥排出，保護(hù)沙、土芯不被擾動。PC管有光滑的內(nèi)表面，沙、土芯進(jìn)入PC管內(nèi)推進(jìn)的阻力較小，有利的保護(hù)了沙、土芯。152.3 采取樣品工藝不同型號的取樣器有不同的樣品采取工藝。TK-1型采用翻

6、板式取樣機構(gòu)（圖1），在樣品進(jìn)入PC管時不受翻板的阻檔，在提取樣品時，翻板在背面彈簧的作用下和樣品自重的作用下，自行關(guān)閉，動作靈敏，關(guān)閉可靠，試驗中成功率達(dá)100%。圖1 翻板式取樣機構(gòu)16TK-2：用于硬地層，采取樣品裝置是卡簧及爪簧（圖2）使用效果明顯。TK-3：用于破碎地層，采取樣品裝置是引心套爪簧，即鉆進(jìn)時爪簧隱藏在引心套外，不與破碎巖心接觸，不阻擋破碎巖心進(jìn)入PC管，一旦采取巖心時，提動鋼絲繩，內(nèi)取樣筒向上提動，爪簧片伸出托住破碎巖心。三種取樣鉆具三種取樣裝置，皆能完成采樣工作。圖2 爪簧式結(jié)構(gòu)172.4 退出樣品工藝將內(nèi)取樣筒放置樣品退樣機上，固定好后，用液壓的力量將樣品退出（圖3

7、），退出的巖心完整、光滑代表性強，省去常規(guī)的錘敲棒打，保持巖心順序，達(dá)到原位的要求。圖3 樣品退樣結(jié)構(gòu)182.5 取樣鉆進(jìn)工藝不同取樣器采用不同的鉆進(jìn)工藝TK-1型適應(yīng)地層為松散沙、土層壓力P=10KN 轉(zhuǎn)速n=30rpm 泵壓p=5-6Mpa 泵量Q=30L/min19TK-2型適應(yīng)地層為半固結(jié)和固結(jié)地層。壓力P=15-20kn；轉(zhuǎn)速n=30-60rpm泵壓p=1-2 Mpa；Q=30L/minTK-3型適應(yīng)地層為破碎的硬地層壓力P=15-20 KN；轉(zhuǎn)速n=30-60rpm泵壓p=1-2 Mpa；Q=30L/min20三、海上試驗效果在海上進(jìn)行了3次取樣試驗，其試驗情況分述如下：213.1

8、 試驗設(shè)備海上取樣試驗依托于多種設(shè)備，包括工程鉆探船、深海鉆機、鉆塔、高壓泥漿泵、排管機、鷹爪機、相應(yīng)的動力定位、升沉補償裝置及Tk系列取樣器等。工程鉆探船海洋石油708號，船的外形尺寸（長寬高）105m23.4m9.6m，排水量11986T。深水工程鉆機鉆探能力3600m（5鋼鉆桿）鉆桿自動移動裝置鉆桿的排布機和送鉆桿到井口的鷹爪機。深水隨鉆取樣器TK-1型，TK-2型，TK-3型。深水電動液壓取樣絞車ME/HSMW/40T。223.2 取樣條件3.2.1 海底軟層上部為淤泥，下部是松散土層、砂層、粗砂層及貝殼及硬層等。3.2.2 海況條件水深200米、風(fēng)力6級、涌浪3米左右，由主動補償器補

9、償。233.3 取樣試驗效果3.3.1 第一次海上TK-1型取樣試驗2012年1月15日下午一點，“海洋石油708號”深水工程勘探船啟航，經(jīng)過近20小時左右的航行，到達(dá)了南海海上試驗地點。在準(zhǔn)備工作就緒后，將TK-1型取樣器放入海中（見圖4），開啟泥漿泵，泵壓逐漸升高至5MPa時，穿釘瞬間剪斷，內(nèi)取樣筒快速壓入地層，僅1-2秒時間，壓入深度最深可達(dá)2m，共進(jìn)行了三次試驗。第一次取上樣品1.6m。第二次取上樣品2m，（見圖5），第三次由于工人操作經(jīng)驗不足，鉆具沒有放到海底，未能取到樣品。試驗效果與合同要求對比見表1。24圖4 取樣器放入海中 圖5 取上2m的樣品25海底地層合同要求樣品長度（m）

10、試驗取樣長度（m）備注軟土和粗硬紗1.11.21月16日三回次平均值通過初次試驗可知，在軟層硬度和泵壓數(shù)值配合較好時，能實現(xiàn)滿管取樣（2m）,比任務(wù)書中的取樣長度1.1m的指標(biāo)超出0.9m。翻板靈活非常吻合地封住樣品，PC管中樣品很容易取出，亦便于在透明的PC管中觀察。表1 第一次海試取樣效果對比表263.3.2 第二次海上TK型取樣試驗3.3.2.1 TK型取樣試驗2012年3月4日，在海上陸風(fēng)油田，水深200m，進(jìn)行了TK-1型和TK-2型取樣器的試用。TK-1型進(jìn)行了12次取樣試驗，TK-2型進(jìn)行了4次取樣試驗。在軟土層中在5MPa的壓力下，取樣長度為1.5m，在細(xì)砂、中砂層中在5MPa

11、的壓力下取樣長度為0.82m，在粗砂層中在5MPa的壓力下取樣長度為0.45m。通過海上試驗可見，在5MPa壓力條件下（1個銷釘）取樣鉆具TK系列滿足海上取樣的要求，見表2.27海底地層合同要求樣品長度（m）試驗取樣長度（m）備注粘土層1.11.333月4日 13回次平均值稍硬粘性土松散砂土0.750.823月4日 43回次平均值硬粘性土密實砂土0.450.453月4日 912回次平均值表2 第2次海上試取樣效果對比表283.3.3 第三次海上TK-1型、TK-2型、TK-3型取樣試驗時間：2012年4月6日至2012年4月13日地點：番禺區(qū)塊，中國南海，深圳外圍約300公里試驗內(nèi)容：TK 系

12、列深水隨鉆取樣器工作性能；抗渦動金剛石復(fù)合片鉆頭用于海洋鉆探的適應(yīng)性及鉆探工藝的探索；深水隨鉆取樣工藝的探索。29TK系列深水隨鉆取樣器于2012年4月6日至2012年4月13日，在中國南海番禺區(qū)塊水深約200米、6級風(fēng)、涌浪3米的條件下，高效率、高質(zhì)量地成功完成孔深10米（PY34-1-PL10-BH）全孔取樣作業(yè)和孔深300米（PY34-1-CEP-BH）分段取樣作業(yè)，一舉打破國內(nèi)現(xiàn)有壓入式深水取樣的鉆孔深度及取樣深度兩項紀(jì)錄。30通過海試嚴(yán)格檢驗了TK系列深水隨鉆取樣器的各項性能指標(biāo)，均圓滿達(dá)到設(shè)計和合同要求。取樣器的取樣成功率高、效率高，所取的樣品原位性、原狀性好，完全滿足海洋地質(zhì)土工

13、實驗要求。31試驗同時也檢驗了抗渦動金剛石復(fù)合片鉆頭用于海底鉆探各項性能指標(biāo)，結(jié)果表明該鉆頭鉆進(jìn)效率高、地層適應(yīng)性好、成孔質(zhì)量高、使用壽命長，完全滿足海洋鉆探各種復(fù)雜工況的要求。32本次試驗對海洋鉆探工藝進(jìn)行了進(jìn)一步的探索和細(xì)化，總結(jié)出不同海況、工況條件下進(jìn)行鉆探、取樣的各種工藝參數(shù)，積累了海洋鉆探取樣的寶貴經(jīng)驗。33TK-1型、TK-2型、TK-3型三種取樣器共試驗取樣24次其中TK-1型取樣18次，TK-2型采樣3次，TK-3型取樣3次。34海底地層合同要求取樣長度（米）實際取樣長度（米）備注軟的粘性土層及松散砂土層1.11.344月9日 23回次及第6回次4月10日 1-6回次4月12日

14、 第2回次*稍硬的粘性土層及中密實砂土層0.751.054月9日第1回次4月12日第3回硬的粘土層、密實砂層、粗砂層及貝殼0.450.744月7日2、3、4回次4月8日第1回次4月9日第4回表3 第三次海試TK-1型取樣效果與合同要求對比表*注：4月12號第1回次取樣長度未參加計算，因為是泥漿管線出現(xiàn)問題，沒有憋上壓力。35從表3可見所設(shè)計的TK-1型取樣器的取樣效果完全滿足合同的要求并超過了合同的指標(biāo)30%40%。36另外，TK-2型和TK-3型，設(shè)計用于半固結(jié)和固結(jié)的地層或破碎地層，不適合松散砂土層和含貝殼的砂土層，但為了試驗鉆具的回轉(zhuǎn)性能及鉆具的互換性能，仍然試驗了六次（各3次），由于其

15、爪簧的性能好，在不適合的松散地層中仍然取得相應(yīng)的樣品。在少量沖洗液或無循環(huán)的條件下能取出0.51.1米的樣品，在沖洗液排量大時將砂土樣沖刷，難以取出樣品。即在不適合的地層條件下，適當(dāng)改變鉆探規(guī)程也能取出相當(dāng)數(shù)量的樣品。建議TK-2型和TK-3型用于固結(jié)或半固結(jié)的巖石中，軟、硬、完整、破碎皆可。37圖6 鉆具下入井中38圖7 鉆具提出井口39圖8 取出內(nèi)取樣筒40圖9 取出的樣品41圖10 取出的貝殼42圖11 培訓(xùn)人員43圖12 趕上好日子喜慶的一天44四、結(jié)論1、研制的深水隨鉆取樣鉆具TK-1型、TK-2型、TK-3型、經(jīng)過海上試驗3次，在正常操作下，在不同軟層及硬粗砂層中樣品采取長度滿足深水隨鉆取樣的技術(shù)要求。2、研制的深水隨鉆取樣鉆具在國內(nèi)尚屬首次，填補了國內(nèi)空白。打破了國外封鎖。3、通過三次海上取樣試驗，取樣效果達(dá)到了國際先進(jìn)水平，實現(xiàn)了三個百分之百。TK-1型取樣成功率百分之百繩索隨鉆打撈成功率百分之百取樣器