海洋钻孔取样技术现状及发展趋势

(中海油田服务股份有限公司， 天津300459)

0 引 言

自1872年人类开始对海底土层进行地质取样[1]以来，海洋钻孔取样技术和装备历经近150年的发展，从较原始的冲击式取样器取样到压力驱动匀速贯入取样，以及更先进的国际深海钻探计划(Deep Sea Drilling Project，DSDP)采用的保压取芯筒(Pressure Core Barrel，PCB)等保真取样器[2-4]取样，从船载钻井设备到澳大利亚便携式遥控钻机(Portable Remotely Operated Drill， PROD)系统等远程遥控海床式钻井系统[5]，从仅具备十几米水深作业能力的浅水勘察船到钻探最大水深达8 235 m的 “乔迪斯·决心”号深海钻探船[6]，从仅能够获取海底表层样品的取样系统到能够获取海底以下几千米的大洋钻探装备，海洋取样技术及装备在工作原理方面发生了巨大变革，在工作能力方面取得了显著进步。随着人类对海洋矿产及油气资源的探索和开发进程的不断深入，对获取海底地层样品的质量和作业效率的要求不断提高，工程地质取样新技术和新装备更新速度也越来越快。

通过对业内相关取样技术和装备信息的收集和研究，总结目前在海洋取样关键技术及作业能力方面所取得的进展和突破，同时对相关领域的装备研发和技术革新提供建设性意见和技术参考。

1 海洋钻孔取样技术概述

1.1 海洋钻孔取样定义

海洋钻孔取样借助船舶或海上平台等承载工具，利用相关取样技术及设备，获取海底面以下的地层样品，从而根据实际生产及科研需要，对海底地层的物理和力学性质以及地层中的矿产资源进行定量评估。

1.2 相关技术及设备

根据取样用途、搭载及驱动方式、作业方式以及取芯筒结构等的不同，海洋钻孔取样技术的表现形式和实现方式也不同。

1.2.1 取样用途

根据实际需求，从海底获取的地层样品的用途大概分以下几种：(1)工程需求，即建设海上设施的安全性评估，如海上油气开发平台及管道设施建设勘察评估等；(2)自然资源储量评估，如矿产资源、天然气水合物资源评估等；(3)科学研究需求，如区域地质背景、沉积环境及沉积年代分析等。

1.2.2 搭载和驱动方式

根据ISO钻井设备设计技术规范，海上钻井设备的搭载和驱动方式可分为船载钻井驱动、远程遥控控制和海床式钻井驱动等[7]。船载钻井驱动方式的优点在于钻进深度较大，但是其受作业环境的影响也较大，并且对作业船舶的要求较高；海床式钻井驱动方式更加灵活、便于样品储运，且受作业环境影响较小，但是缺点在于钻进能力有限。

1.2.3 作业方式

取样器获取样品的作业方式可分为压入、射入、吸入、冲击式和随钻回转式等。有些钻井设备一次仅能获取有限长度的样品，需多次连续对海底一定深度范围内的土层进行获取；有些钻井设备则能够实现对地层的连续贯入获取，这需要钻机具有足够大的扭力和贯入能力，如荷兰的代夫特连续取样器(Delft Continuous Sampler)的最大推力达200 kN，可连续获取海底面以下30 m深度的地层样品[8]。

1.2.4 取芯筒结构

取芯筒的总体设计结构可分为直通式和活塞式，根据取芯筒壁厚不同又可分为薄壁取芯器和厚壁取芯器。取芯筒的集成结构一般为单筒式，但是为了达到检测样品中某种化学元素或物质含量等特殊目的，须防止样品接触金属取芯筒内壁，取芯筒集成结构也被设计成双筒式和三筒式。

2 新技术装备及特点

2.1 样品质量

经过100多年的发展，人们已不再把海底地层样品的获取率做为海洋钻孔取样技术的唯一追求目标，更多地关注获取样品的质量。近年来，深水海洋油气资源开发进程的加快对深水区沉积土层样品的获取质量提出了更高的要求。能否精确评估深水区海底岩土的力学性质，直接关系到深水油气开发工程的成本控制和工程设施的安全运营。目前，很多勘察公司都研制出了对海底土层具有较小扰动性的取样技术和装备，比较主流的是通过控制管线中液体压力或钻杆井筒中的泥浆压力实现取样器在土层中的匀速贯入，从而降低对土层的扰动程度。辉固(Fugro)公司的Dophin系统就是比较典型的利用泥浆压力驱动的取样和原位测试系统。该系统的取样器为井下无缆式，当钻进至目的层位后，将取样器从井口自由下放至钻杆内，取样器与钻铤总承中的卡环固定，同时在钻杆中形成封闭空间，然后利用泥浆泵泵入泥浆，当钻杆中的泥浆压力达到一定值后，取样器内部的压力传动装置促使取芯管匀速贯入土层。

另外，随着人类加大对天然气水合物资源的探索和开发，需对海底土层中的天然气水合物含量进行测试和评估，这不仅要求采取高质量的土层样品，而且应尽可能地让所采取的样品保持原始土层条件下的压力和温度，保真取样器应运而生。目前世界上较先进的保真取样器有DSDP采用的PCB、国际大洋钻探计划(Ocean Drilling Program， ODP)采用的活塞取样器(Advanced Piston Corer， APC)和保压取样器(Pressure Core Sampler， PCS)、日本研制的保温保压取样器(Pressure Temperature Core Sampler， PTCS)，以及我国的大庆MY-215取样器[2-4]和浙江大学研制的重力活塞式保真取样器[9]等。保真取样器一般由钻头卡芯、球阀机构、内外岩芯筒总成、压力补偿系统、轴承悬挂总成和上部差动机构等6部分组成，同时还需配备岩芯储运和卸压分离等配套装置。

2.2 作业能力

钻孔取样技术的作业能力包括作业水深和钻进深度两方面。目前国外较先进的钻井取样系统均在这两方面取得了长足进步。表1为国际上较先进的钻井设备的最大适用水深和钻进能力统计。

表1 国际上较先进的钻井设备作业能力统计

我国深水钻探能力的发展一直以来因国外的技术垄断而受到制约，但经过业内专家和技术人员的不懈努力，近年来取得了技术突破。2013年-2014年，中海油田服务股份有限公司与北京探矿工程研究所合作开展了“新型深水随钻取样器研制”项目，其成果“TK-01”型喷射式深水取样器被配置到“海洋石油708”深水综合勘察船上，并在1 720 m水深条件下完成100 m连续取样[10]。2015年，由我国自主研制的“海牛”号深水钻机在南海3 109 m水深成功完成60 m海底钻探取样，标志着我国深水钻机技术跻身世界一流[11]。2.3 综合性能

随着钻孔取样技术的发展，钻井取样设备的综合性能也越来越高，其已不再是单纯的取样器，而是能够实现多种功能的综合体，既能够进行地层取样，也可以对地层进行原位测试，既能够对海底软土层进行取样，又能够对岩层进行岩芯钻取。

目前国外比较先进的钻井设备都具有以上特征。澳大利亚PROD系统，德国MeBo系统和美国ROVDRILL系统等，都既能进行硬岩岩芯取样，还能实现压入式沉积物取芯，同时又具备海底CPT测试作业等功能，其中PROD系统还能够进行海底天然气水合物分析[5，12-13]。

“一机多用”技术的应用实践，让钻井设备成为一个技术综合体，同时也在很大程度上提高了作业效率。

2.4 智能化程度

现代科技水平的发展和进步，尤其是传感器、光纤通信技术和遥控无人潜水器(Remote Operated Vehicle， ROV)等横向技术学科的发展，为钻孔取样设备注入更多新鲜的科学元素，使其智能化程度越来越高，为钻井取样作业提供了更便利的条件。

国外很多深水钻井设备，如辉固公司的SFD系统配套使用ROV等水下监控设备，有效提高了水下作业可视度，保证了设备的安全运行。

美国“乔迪斯·决心”号的核心技术之一为“钻孔重返系统”，包括高分辨率声呐扫描系统和反孔漏斗装置(见图1)。在首次钻探时，将返孔漏斗安放在钻孔位置，并在钻孔附近安放声呐发射器，在更换钻头或临时撤离后需继续进行原孔位钻井作业时，船舶通过接收钻孔附近的声呐发射器信号，借助钻杆上的水下摄像机找到返孔漏斗，将钻杆重新放入原井眼中。

图1 钻孔重返系统示例

3 发展趋势

通过总结目前国内外现有钻孔取样设备及其关键技术，可以预见钻孔取样设备和技术将会有如下几方面的发展趋势。

(1) 井下无缆式和海床式作业方式将成为主流发展方向。针对作业母单元对取样模块的控制方式，井下无缆式和海床式更加适应目前和未来实际工程以及科学研究在调查作业环境和取样效率方面的需求。这两种作业方式不仅能突破作业水深的限制，而且能使取样模块与作业母单元脱离，从而更大限度地摆脱海洋作业环境对作业母单元的影响，同时能够提高作业效率和取样质量。Dophin系统、PROD系统和ROVDRILL等一系列较先进的国外钻井取样装备均采用这两种作业方式，这势必会成为未来主流的装备制造研发模式。

(2) 智能化程度会越来越高。科学技术发展有效地推动了海洋钻井取样技术的进步。通过与无线通信技术、遥感技术和水下监控技术等其他横向相关学科的技术融合，钻孔取样装备的智能化程度会越来越高、功能会越来越完善，将逐渐降低钻井作业的盲目性，这也会使该领域存在的技术难题迎刃而解，推动整个行业的技术发展和创新。

(3) 取样设备模块化。取样设备模块化会打破钻孔取样设备对海上承载单元的限制，将钻孔取样系统各部分模块设计成整体模块形式，便于储存、保养和运输，使用时只需将各个模块进行组装连接，操作更加灵活便利，这也会成为未来钻井设备的主要发展趋势之一。

(4) 功能集成度和综合作业能力会越来越高。“一机多用”的功能实践为海洋钻孔取样设备的设计研发提供了广阔的思路，未来的钻孔取样设备集成的功能会越来越多，作业能力也会越来越强，技术综合体的设计理念将成为未来的主流趋势。

(5) 保真取样技术。获取样品质量的好坏直接关系到科研数据的准确性以及拟建生产设施的建设成本和运营安全，因此能够获取高质量样品的保真取样技术的升级创新也将是未来重要的发展方向之一。

4 结 论

海洋钻孔取样技术的发展凝聚了多方面的技术创新和进步的力量。根据实际生产和科学研究需求，更先进的技术和设备在未来会应运而生，尤其是海洋调查承载设备、无线通信技术等其他相关横向学科的发展进步，可以为海洋钻孔取样技术提供更广阔的发展思路和空间，学科之间的融合也会越来越紧密。类似于自主水下航行器独立运行模块单元的技术研发思路，钻孔取样模块与海上承载母单元脱离并独立进行取样操作和原位测试的相关技术愿景会变成现实，从而更大程度地降低海洋环境对钻孔取样作业的制约，并能大幅提高样品质量和作业效率。