Achievements and progress of deep-sea scientific drilling technology research in China
-
摘要:
深海科学钻探是直接了解地球内部的关键手段，大洋钻探计划(Ocean Drilling Project, ODP)的实施推动解决了一系列重大科学问题，实现了工程技术和能源资源的重大突破，开展深海科学钻探工程技术的研究对加快我国海洋能源资源勘探开发进程，推动地球科学和海洋科学发展具有重要意义。通过全面总结国际深海科学钻探的工程技术成就，系统梳理中国地质调查局实施“深海钻探技术与工程支撑”项目以来取得的成果，结果显示: 项目开展深海科学钻探技术综合研究，研发了系列水下工程技术装备，完善了取心技术体系，攻克了钻探事故预防与处理技术，启动了超深井钻探关键技术预研究，取得了一批创新成果和进展，有力支撑了我国深海科学钻探技术体系的建立，为促进地球系统科学研究提供了重要的技术装备支持。研究可为我国深海科学钻探技术的发展提供借鉴和参考。
Abstract:Deep-sea scientific drilling is the key approach to investigate the earth's interior. Ocean Drilling Project (ODP) has promoted the settlement of critical technical problems, and achieved the breakthrough of engineering technology and energy resources. The engineering technology research of deep-sea scientific drilling is of great significance for the exploration and exploitation progress of marine energy resources, and for the promotion of earth sciences and marine sciences of China. The engineering technology achievements of international deep-sea scientific drilling were summarized in this paper, and the achievements of deep-sea drilling technology and engineering support project by China Geological Survey were sorted. The research results show that comprehensive research of deep-sea scientific drilling technology were carried out, and a series of deep-sea drilling underwater engineering technology and equipment were developed. The drilling coring technology system was improved, and the drilling accident prevention and treatment technology was obtained. Besides, pre-research on key technologies for deep-sea ultra-deep well drilling was initiated, and a number of innovative research results and progress were obtained. These achievements have strongly supported the establishment of China's deep-sea drilling engineering technology system, and provided strong technical and equipment support for promoting earth system scientific research, which could provide references and guidance for deep-sea scientific drilling technology in China.
-
-
表 1 国际深海科学钻探4个阶段钻探工作量统计
Table 1. Statistics of the drilling workloads in the four phases of the international deep-sea scientific drilling
钻探计划阶段 航次数/个 站位数/个 钻孔数/个 取心回次数/次 岩心总长度/m 平均岩心采取率/% 最大钻深/m 最大水深/m DSDP(1968—1983年) 96 624 1 053 19 119 97 056 57.1 1 741 7 044 ODP(1985—2003年) 111 669 1 797 35 772 222 704 69.1 2 111 5 980 IODP(2003—2013年) 54 250 649 12 094 66 306 80.2 3 059 6 929 IODP(2013—2023年) 50 225 625 14 616 81 583 73.6 3 263 8 023 合计 311 1 768 4 124 81 601 467 649 — — — 注: “—”为无数据。 
下载: 导出CSV
表 2 国际深海科学钻探工程成果
Table 2. Engineering achievements of the international deep-sea scientific drilling
工程名称 记录数据 水深/m 主要内容 最大钻进施工水深 8 023 8 023 “地球号”钻探船, IODP第386航次M0081站位, 2021年5月14日，日本哈达尔海沟 最大重入钻孔水深 6 928.5 6 928.5 “地球号”钻探船, IODP第343航次, 2012年5月5日，日本八户市近海 最大钻进总深度 7 752.31 6 883.5 “地球号”钻探船, IODP第343T航次, 2012年6月12日，日本八户市近海 最大洋底钻进深度 3 262.5 1 939 “地球号”钻探船，IODP第358航次, 2019年3月31日，日本南海海槽 最大洋底取心深度 2 848.5 1 939 “地球号”钻探船，IODP第358航次, 2019年3月31日，日本南海海槽 最大取心钻进深度 7 734 6 889.5 “地球号”钻探船, IODP第343航次, 2012年5月22日，日本八户市近海 最大基岩进尺 1 841 3 474 印度洋钻孔504B，共钻进7个航次 最大重入钻孔次数 98 3 474 印度洋钻孔504B，共钻进7个航次 最大隔水管应用深度 2 054 2 054 “地球号”钻探船, IODP第319航次, 2009年5月至8月，日本南海海槽 注: “记录数据”中，最大重入钻孔次数的单位为“次”，其他工程的单位为m。
下载: 导出CSV
表 3 无隔水管泥浆回收钻井技术应用
Table 3. Application of RMR drilling technology
应用地区 井眼数量/口 应用水深/m 应用时间 北海 35 85~430 2004—2009年 里海 34 152 2004年 澳大利亚 24 47~306 2006—2009年 巴伦支海 7 76~350 2006—2009年 地中海 7 85~108 2007—2008年 南中国海 1 1 419 2008年 墨西哥湾 1 620 2009年 挪威周边海域 53 65~925 2004—2013年 英国周边海域 9 85~600 2006—2013年 加拿大周边海域 16 120 2010—2013年
下载: 导出CSV
表 4 最佳耐230 ℃高温海水钻井液配方的性能
Table 4. Performance of the optimal drilling fluid formula resistant to high-temperature seawater at 230 ℃
实验条件 密度/(g·cm-3) 表观黏度/mPa·s 黏度恢复值/% 动塑比 静切力 压滤失量/mL HTHP滤失量/mL 常温 1.1 48.5 — 0.44 2/7 4.8 — 230 ℃×16 h 1.1 60.0 — 0.59 3/4 7.2 24 常温 1.3 65.0 — 0.52 3.5/10 3.6 — 230 ℃×16 h 1.3 76.5 — 0.45 3.5/6.5 6.0 18 常温 1.5 88.5 86.1 0.41 5/13.5 2.8 — 230 ℃×16 h 1.5 93.0 86.1 0.49 6/11.5 4.8 18 指标要求230 ℃×16 h ≤1.5 — ≥70 — — ≤15 ≤35 注: “—”为无数据。
下载: 导出CSV
表 5 高温堵漏材料配方
Table 5. Formulas of high-temperature leakage plugging materials
材料 小型漏失 中型漏失 大型漏失 级配/目 比例/% 级配/目 比例/% 级配/目 比例/% 刚性颗粒 16~60 39.0 7~40 38.0 4~16 47.0 弹性颗粒 20~40 8.0 20~40 16.0 20~40 9.0 拉筋剂 50 13.0 — 9.5 — 11.5 填塞剂 片状材料 7.0 — 7.5 — 8.0 悬浮剂 — 3.0 — 5.0 — 5.0 填充剂 — 30.0 — 24.0 — 19.5 注: “—”为无数据。
下载: 导出CSV
-
[1] 叶建良, 张伟, 谢文卫. 我国实施大洋钻探工程的初步设想[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2019, 46(2): 1-8.
Ye J L, Zhang W, Xie W W. Preliminary thoughts on implementation of the ocean drilling project in China[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 2019, 46(2): 1-8.
[2] 王成善, 冯志强, 吴河勇, 等. 中国白垩纪大陆科学钻探工程: 松科一井科学钻探工程的实施与初步进展[J]. 地质学报, 2008, 82(1): 9-20.
Wang C S, Feng Z Q, Wu H Y, et al. Preliminary achievement of the Chinese cretaceous continental scientific drilling project-SK-I[J]. Acta Geologica Sinica, 2008, 82(1): 9-20.
[3] 宋刚, 崔淑英, 谢文卫, 等. 钻孔重入与跟管钻进技术研究与应用[J]. 海洋地质前沿, 2022, 38(7): 75-85.
Song G, Cui S Y, Xie W W, et al. Research and application of reentry cone and drilling-in casing[J]. Marine Geology Frontiers, 2022, 38(7): 75-85.
[4] 熊亮, 谢文卫, 卢秋平, 等. 我国深海钻探重入钻孔技术优选及设计思路[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2020, 47(7): 1-7.
Xiong L, Xie W W, Lu Q P, et al. Optimization and design approach for deep-sea drilling well reentry technology in China[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 2020, 47(7): 1-7.
[5] 赵义, 蔡家品, 阮海龙, 等. 大洋科学钻探船综述[J]. 地质装备, 2019, 20(3): 11-14.
Zhao Y, Cai J P, Ruan H L, et al. Overview of ocean scientific drilling vessels[J]. Equipment for Geotechnical Engineering, 2019, 20(3): 11-14.
[6] 汪品先. 大洋钻探五十年: 回顾与前瞻[J]. 科学通报, 2018, 63(36): 3868-3876.
Wang P X. Fifty years of scientific ocean drilling: review and prospect[J]. Chinese Science Bulletin, 2018, 63(36): 3868-3876.
[7] 汪品先. 我国参加大洋钻探的近十年回顾与展望[J]. 地球科学进展, 2014, 29(3): 322-326.
Wang P X. China's participation in the ocean drilling program: decade retrospect and future prospect[J]. Advances in Earth Science, 2014, 29(3): 322-326.
[8] 翦知湣. 进军深海科学前沿——我国参与大洋钻探的进展[J]. 科学通报, 2018, 63(36): 3877-3882.
Jian Z M. Towards the scientific frontier of deep-sea research-progress of China's participation in ocean drilling[J]. Chinese Science Bulletin, 2018, 63(36): 3877-3882.
[9] 汪品先. 未雨绸缪——迎接大洋钻探学术新计划的制定[J]. 地球科学进展, 2017, 32(12): 1229-1235.
Wang P X. Towards the new decade of ocean drilling: Preparing its science plan[J]. Advances in Earth Science, 2017, 32(12): 1229-1235.
[10] 熊亮, 谢文卫, 于彦江, 等. 大洋钻探随钻扩孔下套管关键技术[J]. 海洋地质前沿, 2021, 37(3): 74-80.
Xiong L, Xie W W, Yu Y J, et al. Key technology of drill in casing in ocean drilling[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(3): 74-80.
[11] 王偲, 谢文卫, 张伟, 等. RMR技术在海域天然气水合物钻探中的适应性分析[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2020, 47(2): 17-23.
Wang C, Xie W W, Zhang W, et al. Adaptability of RMR for marine gas hydrate drilling[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 2020, 47(2): 17-23.
[12] 陈浩文, 于彦江, 王艳丽, 等. 气举技术应用于深海无隔水管泥浆回收钻井工艺可行性分析[J]. 钻探工程, 2022, 49(2): 9-15.
Chen H W, Yu Y J, Wang Y L, et al. Feasibility analysis of gas lift technology for application in deep-sea riserless mud recovery drilling[J]. Drilling Engineering, 2022, 49(2): 9-15.
[13] 刘协鲁, 阮海龙, 陈云龙, 等. 国内常规海洋地质钻探取心技术进展[J]. 钻探工程, 2021, 48(3): 113-117.
Liu X L, Ruan H L, Chen Y L, et al. Progress in domestic conventional marine geological coring technology[J]. Drilling Engineering, 2021, 48(3): 113-117.
[14] 黄柳松, 卢春华, 赵慧斌, 等. 天然气水合物样品带压转移装置的抓捕机构设计[J]. 钻探工程, 2022, 49(1): 34-40.
Huang L S, Lu C H, Zhao H B, et al. Capture mechanism design for the pressure transfer device for gas hydrate samples[J]. Drilling Engineering, 2022, 49(1): 34-40.
[15] 成海, 郑卫建, 夏彬, 等. 国内外涡轮钻具钻井技术及其发展趋势[J]. 石油矿场机械, 2008, 37(4): 28-31.
Cheng H, Zheng W J, Xia B, et al. The development trend of turbodrilling technology[J]. Oil Field Equipment, 2008, 37(4): 28-31.
[16] 谢文卫. 科学钻探深孔钻进用液动潜孔锤研究[R]. 河北省: 中国地质科学院勘探技术研究所, 2008.
Xie W W. Research on Hydraulic Downhole Hammer for Scientific Drilling of Deep Holes[R]. Hebei Province: Institute of Exploration Technology, Chinese Academy of Geological Sciences, 2008.
[17] 殷国乐, 王艳丽, 陈浩文, 等. 气举反循环连续取心工艺探索[J]. 钻探工程, 2022, 49(2): 22-29.
Yin G Y, Wang Y L, Chen H W, et al. Air lift reverse circulation continuous coring technology[J]. Drilling Engineering, 2022, 49(2): 22-29.
[18] 彭博一, 于培志. 破碎带地层钻探化学凝胶护壁堵漏技术的研究与应用[J]. 钻探工程, 2022, 49(1): 64-71.
Peng B Y, Yu P Z. Research and application of chemical gel wall protection and plugging technology in fractured zone formation drilling[J]. Drilling Engineering, 2022, 49(1): 64-71.
[19] 崔淑英, 宋刚, 田英英, 等. 扩张式随钻扩孔器扩孔机构流场分析与优化[J]. 钻探工程, 2022, 49(1): 25-33.
Cui S Y, Song G, Tian Y Y, et al. Flow field analysis and optimization for the reaming mechanism of the expandable underreamer[J]. Drilling Engineering, 2022, 49(1): 25-33.
[20] 周策, 罗光强, 李忠, 等. 深海钻探大深度超高温测斜仪的研制[J]. 西部探矿工程, 2020, 32(8): 87-90, 94.
Zhou C, Luo G Q, Li Z, et al. Development of ultra-high temperature inclinometer for deep-sea drilling at large depth[J]. West-China Exploration Engineering, 2020, 32(8): 87-90, 94.
[21] 李忠, 赵燕来, 罗光强. 存储式高温高压钻孔测温仪的研制与应用[J]. 钻探工程, 2021, 48(2): 35-41.
Li Z, Zhao Y L, Luo G Q. Development and application of storage high temperature and high pressure borehole thermometer[J]. Drilling Engineering, 2021, 48(2): 35-41.
[22] 邹志飞, 熊正强, 李晓东, 等. 耐230℃高温海水钻井液室内实验研究[J]. 钻探工程, 2022, 49(1): 49-56.
Zou Z F, Xiong Z Q, Li X D, et al. Laboratory research on 230℃ high temperature-resistant seawater-based drilling fluids[J]. Drilling Engineering, 2022, 49(1): 49-56.
[23] 严君凤, 吴金生, 蒋炳, 等. 高温高压堵漏评价仪器的研制[J]. 钻井液与完井液, 2021, 38(2): 212-217.
Yan J F, Wu J S, Jiang B, et al. Development of a device for evaluating lost circulation materials at high temperature high pressure[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2021, 38(2): 212-217.
[24] 蒋炳, 严君凤, 张统得. HTD-3型高温堵漏材料研制及性能评价[J]. 钻探工程, 2022, 49(1): 57-63.
Jiang B, Yan J F, Zhang T D. Development and performance evalu- ation of HTD-3 high temperature pluyging material[J]. Drilling Engineering, 2022, 49(1): 57-63.
-
图(13)
表(5)
计量
- 文章访问数: 152
- PDF下载数: 13
- 施引文献: 0