我国海洋钻探技术
发布者:胡远彪 发布时间:2014-08-01 阅读次数:498
中国正在从海洋大国向海洋强国迈进,为此,国家“十二五”规划纲要提出“坚持陆海统筹,制定和实施海洋发展战略,提高海洋开发、控制、综合管理能力”实现了一次重大的战略思维转变。 中国已经到了向海洋发展,征服深海空间的时刻。
我国海洋钻探目前主要开展了下列几个方面的工作:
(1)南海大洋科学钻探;
(2)南海深水工程钻探;
(3)南海天然气水合物钻探;
(4)大洋固体矿产的勘探;
(5)南海深水石油钻探。
以上工作说明中国海洋梦已经启动,并已付诸实施,宣示了对南海的主权。
1 南海大洋科学钻探
我国于 1998年正式加入大洋钻探计划,随后开展了2 个航次的南海大洋科学钻探。
1.1 ODP 计划
1999年2月 18 日 ~4 月 12 日,国际大洋钻探船“决心号” 在南海实施 ODP ( Ocean Drilling Program)第184 航次。 时年 63 岁的汪品先教授为共同首席科学家之一,这是中国南海的首次大洋钻探航
次,也是第一次由中国人设计和主持的大洋钻探航次。 184 航次在南海南北 6个深水区钻孔17 个,从水深 2000 ~3300m 的海底钻入地层,最深一口井深入海底以下 850 m,取得了高质量的连续取心共计5500 m。
在 184 航次,获得的重大科研成果:
(1)建立了西太平洋区最佳深海地层剖面;
(2)揭示了热带过程在碳循环及气候周期演变
中的作用;
(3)取得了东亚季风演变的深海记录。
1.2 IODP计划
2014年 1 月 29 日 ~3 月 30 日进行了国际大洋发现计划,IODP(Integrated Ocean Drilling Program) 第 349 航次。 该航次是 IODP 计划的首个航次。
共同首席科学家是同济大学李春峰教授,此轮南海大洋钻探,一共完成 5 个钻位的取心,如同在海
底打下了 5 颗“金钉子”获取了具有极高价值的岩心。 钻探水深4000 m 最深处是黄岩岛附近 4200m,向下钻探 1000m。 据决心号船上另一位首席科学家(美籍华人) 说该孔深是大洋钻探第三个深孔纪录。
1.2.1 取得的科学成就
(1)精确地确定南海海盒扩张时代与岩浆活动过程;
(2)说明了南海扩张形成的晚期有多起强烈的火山活动;
(3)南海形成的年龄约在 1600 万年前;
1.2.2 取得技术上的成就
(1)首次在南海 4000 m 水深进行科学钻探;
(2)首次在南海深水钻探海底以下1000 m;
(3)所钻最深井深 5000 多米,是 ODP深海钻探中的第三个深井;
(4) 首次在南海取得说明海底扩张形成的硬岩———玄武岩。
1.2.3 深水钻探中出现的技术问题
(1) 钻探至海底之下600 多米时,因岩性突然变硬,曾使钻头损坏,被迫离开原井位 20 多米,重新钻孔。
研究其原因是船的升沉补偿精度仍不能精细控制,当船随波浪下降时,向上的补偿量不够,给井底钻头一个冲击力,致使将钻头压坏。
(2)有几个回次未能取上岩心,经研究改进后方再取出岩心。 研究其原因是,底层特别松散,易被冲洗液冲蚀,难以形成岩心。 后来所取岩心是半固结的地层比较容易取上岩心。
(3)曾因海浪较大,浪高达 4m,钻探船被迫离开钻探井位,待浪小以后再回到原井位,继续钻探。
研究其原因是:钻探船升沉补偿能力为浪高 3m,所以海浪达4 m 即超过了钻探船的补偿能力。
南海大洋钻探所取得的成果不仅是为我国地球科学注入新鲜活力,而且提升了中国深海钻探领域的地位。
但这次科学钻探所用的关键大型设备是美国1978年制造的“ JOIDES 决心号”钻探船及取样设备,钻探人员也是美国人。 这些技术还受制于国外,所以我国海洋科学家汪品先院士提出:我国应尽快制造一艘中国主导的大洋钻探船及相应取样设备,为人类探索更多的海底世界的奥秘,已是下一个航次的目标。
2 海洋深水工程钻探
深水工程钻探( 水深 >300 m) 在我国仍是空白。 特别是南海蕴藏有丰富的石油天然气和天然气水合物,我们对南海进行海洋工程钻探、天然气水合物的调查工作基础薄弱,主要是缺乏深海动力定位钻探船、深水取样器、深水工程钻机等。
现在国家已经立项和已完成的国家重大专项“大型油气田及煤层气开发“正在向深海发展,以寻找油气、各种矿产资源及调查海底地貌及构造环境等,研制了具有自主知识产权的深水工程钻探船、深水工程钻机、深水取样器及深水自动探测器,可进行地质钻探、工程勘察、矿产勘探、天然气水合物等调查研究。
深海钻探不再是梦想,不再是少数国家的专利,我国开始步入深水海洋国家的行列,从陆地走向海洋从浅蓝走向深绿,逐渐发展壮大,终将成为海洋强国。
2.1 深海钻探用深水工程钻机
我国设计制造了拥有自主知识产权的深水工程钻机,改变了我国深海钻机受制于人的现状,提高了我国重大装备的研发能力、制造能力和集成能力,加快了深海油气田的勘察,具有重要的意义。
我国现研制的深水工程钻机( 以中国 708 号为例)性能为:钻探名义深度 4000 m,最大静钩载 2250kN,最大作业水深 3000 m,钻探海底以下600 m,额定功率 400 HP,输出扭矩 30.5 kN· m,存放钻杆数
量 3200m,升沉补偿能力 ±2.25 m,井架高度 34.5m。
我国深水工程钻机的特点:
(1)先进的电动顶躯;
(2)钩载负荷大。 最大钻杆负荷115 t,顶驱和补偿器负荷为 37 t,动载系数为1.3, 最大钩载为225 t;
(3) 研制了国内正在起步研究的管子处理系统、折臂抓管机和鹰爪机;
(4)研制了海底遥控基盘,在船上控制基盘液缸夹紧和松开钻杆;
(5)研制了水下钻杆导向装置。
由上述参数和特点描述可知,我国深水工程钻机已有国际先进水平,功能齐全,人性化的设计,完全能适应南海深水钻探,仅是钻机能力偏小,进入3000 m 以深的海域较为困难。
2.2 深水工程钻探船
目前南海深水油气开发前期地质调查水深为300 m 以浅,大于 300 m 水深工程钻探需租用国外钻探船, 取心工作量大, 代价高。 国内现制造了3000 m 水深钻探船。
该钻探船的功能如下。
(1)工程勘探调查:包括水深测量、地貌浅地层剖面、磁力调查及二维高分辨率数字地震调查。
(2)工程地质勘察:包括工程地质钻探、随钻取样、海底表层取样、海底水合物取样、CPT(Cone Penetration Testing)原位测试。
(3)工程服务: 包括采油树安装、 海底基盘安装、电缆铺设和海底软管铺设等。
(4)科学考察:船上装备有多个实验室。
我国研制的深水工程钻探船( 以中国 708 号为例)性能为:船长105 m,船宽23.4 m,吃水深度 7.4m,最大航速 15 节,自持力 75 天,额定载员 90 人,甲板载货面积 1100 m,主动机率 14000 kW,工作水深 50 ~3000 m,海底以下钻孔深度 600 m,钻机钩载能力 225 t,升沉补偿距离 4.5( 主动),钻探方法使用非隔水管法,随钻取心采用绳索取心方式,海况条件浪高3 m、蒲福 7 级风,使用 DP-2 动力定位。
深水工程钻探船的特点:(1) 采用 DP-2 动力定位,定位精度高;(2) 升沉补偿设计为主动式,补偿能力大;(3) 船的功能齐全,可进行钻探、工程物探、科学考察;(4)船舱设计更加人性化。
2.3 深水随钻取样技术
深水随钻取样技术在国内尚是空白,国外对我是技术严密封锁,产品是只租不卖,还要外国技术人员现场服务,代价昂贵。 更重要的是南海资源应由我国自主勘探和开发,以行使我国领海主权。 深海钻探将为全国海洋科学家提供记录处于海表以下海底沉积物和岩中的地质和环境信息的巨大知识库。
通过这些信息会使我们对地球的过去、现在和将来有更好的认识。
2.3.1 主要特点
(1)在松软土层采用先进的压入式取样技术;
(2)在软硬地层中采用超前伸缩式取样技术;
(3)在破碎地层中采用射流式揽簧取样技术;
(4)模块式组合取样技术,实现钻头、钻杆不提出钻孔,即可更换取样模块。
2.3.2 技术要求
在 3000m 水深,蒲福 7 级风,在效波高 3m 和海流为2.5节的条件下能够实施取样作业。 取样长度1.5 m,取样直径≥60mm,采取率90%。
2.3.3 钻具性能
耐压 22 MPa,运动速度 1.5 m/s,外筒抗拉强度≥1080 MPa,屈服强度≥930 MPa,可承受最大扭矩802kN· m,外筒螺纹连接处最大应力为 348 MPa <外筒材质的屈服强度930 MPa。 翻板式采取沙土样品可靠,射流式钻具取破碎样品,保真性好。
3 南海天然气水合物钻探
中国地质调查局在南海北部成功钻获“可燃冰”,从而使我国成为继美国、日本、印度之后的第四个采到水合物实物样品的国家。 钻探采样的成功,标志着我国天然气水合物调查研究水平步入世界先进行列,即达到了国际先进水平,但其发展的
“瓶颈”是钻探技术和设备,特别是关键技术———保温保压取样器,被世界各国都十分重视和保密技术,也是天然气水合物取样的核心技术。
3.1 我国南海北部2次钻探天然气水合物的概况
(1)第一次于 2007 年 5月在南海北部神狐海域,首获天然气水合物实物样品,预计达上百亿吨油当量。 海水深度 1230~1245m,海底以下 183 ~225m,水合物沉积层厚度达34 m。
(2)第二次于 2013 年 6 月 ~9 月在广东沿海珠江口盆地东,钻获高纯度天然气水合物样品,并通过
钻探获得可观的控制储量。 天然气水合物赋存于海水深度为600~1100 m 的海底以下220m 以内的 2个矿层中,上层厚度 15m,下层厚度 30 m,自然产状呈层状、块状、结核状、脉状等多种类型,肉眼可辨。
通过实施 23口钻探井,控制天然气水合物 55 km,将天然气水合物折合成天然气,控制储量1000 ~1500 亿 m3,相当于特大型常规天然气田。
3.2 天然气水合物的钻探设备和技术
全部采用荷兰惠固公司的钻探船和俄罗斯的取样技术。
3.3 天然气水合物取样的关键技术———保温、保压取样器
天然气水合物是在低温(0 ~10 ℃)、高压( >10MPa)并有充足烃类气体连续补给和水参与下形成的一种矿物。 所以在常温常压条件下极易挥发,要保持天然气水合物的原状样品,必须设计制造保温保压的取样钻具。
该类型取样器设计的关键技术是取样管的密封机构。 大致有 2 种:(1) 球阀密封机构;(2) 翻板式密封机构。
4 大洋固体矿产勘探
4.1 海底固体矿产的勘探方法
占地球面积 70%的海洋就是一个海底金属矿产资源的大宝库,除了油气等能源资源外,最具开发价值的应属大洋多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物 3 种潜在的海底多金属矿产资源。
●目前多金属结核取样技术是箱式取样;
●结壳取样技术是深海钻探取样技术;
●硫化物取样常规手段是电视抓斗。
其中硫化物矿床的调查工作难度最大,一是硫化物矿床是三维分布的矿床,基本分布在海底两三千米以下,靠一般手段难以了解,最大技术“瓶颈”是钻探。
4.2 研制适合 4000m 深水钻探技术依据
(1)南海大洋科学钻探最大海水深度 4200 多米;
(2)南海天然气水合物赋存的海水深度1200多米;
(3)多金属硫化物矿床分布在海底水深3000 m以下;
(4)中海油工程勘察船708号设计水深 3000m。
4.3 设计海底以下钻探 1000 m 钻探技术依据
(1)南海大洋钻探最大海底以下钻探 1000 m左右;
(2)南海天然气水合物赋存于海底以下 225 m左右;
(3)多金属硫化物矿床赋存于海底以下 300 m左右;
(4) 中海油工程勘察船 708 号可钻海底以下600 m。
因此,设计适用于深海水深 4000 m,海底以下4000 m 的钻探船,钻机及取样工具可满足南海浅部及深部的多种领域的需要。
5 南海石油钻探
“南海是世界油气资源富集地区之一,是第二个波斯湾”美国能源信息局网站这样评价南海蕴藏的丰富资源。
在南海几乎所有西方大石油公司均涉足其中,建的油气井超过千口( 有资料称约2000 口)。 而中国在 2012 年3 月前在资源最密集的南沙海域没有一口井。
2012 年 5 月 9 日中国首座代表当今世界最先进水平的第六代半浅式深水钻进平台“海洋石油981”,在南海荔湾区域 1500m 深的水下钻入地层,标志着我国“深水战略”由此迈出了实质性的一步,实现了零的突破,是中国成为第一个在南海自营勘探开发深水油气资源的国家,表明中国深水作业能力领先于亚洲其他国家。
“海洋石油981”为旗舰的“深水舰队”代表了当今世界海洋石油钻井平台技术的最高水平,创造了多项世界第一。
“海洋石油 981”深水钻井平台长 114 m,宽 98m ,高137 m,最大钻井深度10000 m,最大作业水深3000 m,海底以下可钻7000 m。
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