浅析国外海底取样技术的现状及发展趋势_海底取样技术介绍之一

浅析国外海底取样技术的现状及发展趋势
——海底取样技术介绍之一
鄢泰宁　补家武　李邵军
(中国地质大学,湖北武汉,430074)
摘　要:概述了海底钻探取样在海洋油气钻井和深海科学钻探中的不同特点,指出海底钻探取样是一个前沿性的复杂课题;分析了海底取样器的分类及岩石可钻性分级;针对海底柱状取样器的科研和设计方向提出了建议。

关键词:钻探取样;可钻性分级;柱状取样器
中图分类号:P71511 文献标识码:A 文章编号:100027849(2000)022******* αα
我国有着漫长的海岸线和沿海上千个岛屿。

由于历史的原因,与发达国家相比我国对大陆架和深海水域底部的地质构造研究程度还很不够,对近海海底的固体矿产资源勘探投入的工作量也不多。

这些正是新一轮国土资源大调查的重要内容之一。

海底钻探取样则是研究海底地质构造,寻找矿产资源,进行大陆架工程地质勘察和完成其它海运基本建设任务时必不可少的主要技术方法。

海底钻探取样所用的设备及工艺与海洋油气钻井及深海科学钻探不同,前者主要采用工作于海底的简单钻机或钻具,钻一个不深的孔(一般为3～6m),仅钻进一个回次,并用柱状取样管在给定位置完成一次性取样。

它不需要也不可能像深海钻探那样重复地把钻具下入同一个钻孔中,没有连续的钻探作业循环,不需要配置庞大昂贵的专用钻探船。

当然,这并不意味着海底钻探取样只是一种简单技术。

因为,如何保证它在海底安全工作,如何取全、取准土(岩)样,如何安全地把它提取上来等,都还有许多问题值得研究。

为此,笔者试图从国外常用的海底取样钻具的分类入手,分析其结构、工作原理,论证其基本参数的计算方法及选择海底钻具类型的依据,并就我国今后研制新型海底取样钻具的研究方向和技术路线发表一些看法。

1　海底取样器的应用范围及其技术要求
海底取样钻具可用于海洋和内陆水域的地质填图,寻找和勘探砂积层(建筑材料)和其它固体矿产资源,进行工程地质勘察和环境生态研究,还可用于石油天然气普查。

考虑到取样地点地质条件和取样方法的多样性,人们对海底取样钻具提出了下述技术要求:①尽可能深地钻(贯)入到海底地层中;②保证取样的可靠性,有高的岩芯采取率,并对所取柱状土(岩)样的扰动程度最低;③限制其质量和外形尽寸,使其能用于小型船只和浮动装置上;④使其基本作业和辅助作业过程实现机械化与自动化,减少非生产性时间的消耗;⑤在操作使用过程中必须简便、可靠,并保证安全,同时在研制开发的取样机具上应尽量采用国内通用机械和钻探设备制造业中的标准化产品及配套件,以便于现场维修。

上述技术要求中有些是相互矛盾的。

例如,要求海底取样钻具既能达到最大深度,又要限制其质量和外形尽寸。

所以,开发出能在最合理的范围内满足上述要求的结构具有重要意义。

海底钻探取样的实践表明,试图研制出一种能适用于各种地质及工艺条件(从软淤泥层到硬基岩取样)的万能取样器是不可能的。

一般在船上或其它浮动装置上应准备若干种类型的取样钻具,才能满足上述要求。

2　海底取样器的分类
综合国外各类现代海底取样器(笔者所述的海底取样器不包括仅获得深度为013～014m浅表层样品的抓斗式、盒式、抽吸式等形式的取样工具)的
第19卷　第2期2000年 6月
地质科技情报
Geo l ogical Science and T echno l ogy Infor m ati on
Vol119　No12
Jun1　2000
α
α基金项目:国家“863”计划820203202课题
第一作者简介:鄢泰宁,男,1945年4月生,教授,主要从事钻探工艺技术的教学和科研工作收稿日期:2000202229 编辑:曲梅兰
基本特征,我们可以按照下述4个方面对它们进行分类(见图1):①与浮动装置的连接方式;②控制的方式;③取样器贯入海底地层时,管内发生过程的类型;④钻进能量的类型。

这4个方面既影响取样的深度、时间、样品质量、从孔内提升取样管的方法,也影响在取样点按什么要求抛锚固定船只和浮动装置等问题。

可控式
配重的能量
高压水能
电能
人的能量
水柱和大气压的势能
水柱的势能
动力机的能量
爆炸能
取样器的动能
活塞式
直通式直通式
活塞式
静水压力式和负压—静水压力式
非可控式非自动式自动式
海底取样钻(器)
图1　海底取样钻(器)的分类
Fig .1　The classification of sea floor sample device
根据与浮动装置的连接方式可把取样器分成自动式和非自动式两种。

自动式不用钢索或承载电缆与船体相连。

当船到达取样位置时,直接把取样器从船上抛下,靠重力落至海底并贯入到海底沉积物中。

当配重自动分离后,取样器获得向上的浮力而自动浮出水面,自动寻找并打捞至船只甲板上。

非自动式则靠浮动装置上的绞车钢索下放至海底,当土(岩)样充满取样管后,再把它从孔内提出并提升至甲板上。

自动式(自浮式)取样器主要用于深海水域获取洋底沉积物,故本文不加以讨论。

而目前在海洋大陆架进行地勘工作时,基本上都使用非自动式取样器。

按控制的方式,即按控制能量供给的方式,可把海底取样器分成非可控式和可控式两种。

非可控式取样器靠储存的能量贯入到海底沉积物中,这种能量只有在取样器或者取样器的超前装置到达海底时才释放出来。

非可控式取样器的工作不受浮动装置控制,所以可从轻便船只和浮筏上下投,在海浪小于3级的条件下,船只不用抛锚便可快速完成全部取
样作业。

从浮动装置上供应能量使其贯入到海底土层的取样工具叫做可控式取样器,其工作过程可从浮动装置上监测与控制。

这类取样器的钻探深度和适应的岩石可钻性级别范围更宽,但必然增加了取样过程中的时间消耗,对船只的要求也提高了,即船只在取样点上必须保持稳定。

取样管的结构取决于贯入土层时岩芯的形成过程,按取样管内工作过程的特征可把取样器分成直通式、活塞式、静水压力式和负压—静水压力式。

因此,取样器的结构特征及其作用原理完全取决于能量的供给方式和对取样器的控制程度。

3　适用于海底取样器的岩石可钻性
分级
海洋底部的软土厚度与基岩垫层的地形密切相关。

通常在凹处软土层最厚,而在凸起的地方软土层很薄,甚至表现为基岩裸露。

在基岩层面呈陡倾斜的地方,往往不可能形成软土层。

海洋沉积层的垂直剖面常表现为各种粒度地层(由淤泥至砾石)的互层。

其主要成分是淤泥、粉砂、细砂、亚砂、砂质粘土、粘土、砾石、卵石和漂砾,它们以不同的关系互层。

海底柱状取样的主要目的在于研究海底地层剖面中地质成分、性质及其埋深的变化情况。

由于岩石碎块被海浪、水流沿水平方向搬运并沉积下来,故岸边通常为块度较大的沉积物,而远离海岸处通常为细粒土层。

在土层的下部通常为花岗岩、片麻岩、闪长岩等结晶岩,只能用回转式取样钻来钻取这类岩芯。

目前在海洋普查中通常用这种方法来研究海底钴—锰结核和多金属硫化物。

遗憾的是到目前为止,国际钻探界还没有为海底取样制订一张统一的岩石可钻性分级表。

考虑到海底地层的多变性和所用钻探取样方法的多样性,特提出如下岩石可钻性分级表(表1)。

它尤其适用
表1　海底岩石可钻性分级表
T able 1　T he classificati on of drilling possibility
of rock in sea fl oor
岩 石 名 称
岩石级别淤泥、粉砂、不含卵砾石的饱和吸水砂层 致密淤泥、粉砂、细砂、亚砂土,含10%以下卵砾
石、角砾和碎石的砂质粘土层
　致密砂层、粉砂层、亚砂土,含10%～20%卵砾石、角砾和碎石的粘土层 砂质卵砾石层,致密粉砂层、亚砂土,含20%～35%卵砾石、角砾和碎石的粘土层 花岗岩、片麻岩、闪长岩和其它结晶岩的风化壳, 含钴—锰的结核块、深海多金属硫化物
～
8
6地质科技情报
2000年
于回转式、钢绳冲击式和振动冲击式取样器。

考查国外目前常用的海底取样器,可把它们归纳成表2的形式。

根据取样任务和取样点的岩石可钻性级别、海深和地质—工艺条件,可选定一两种适用的取样器类型。

4　建　议
国外一些单位进行海底浅孔取样钻探的经费概算资料表明,花费在每个样品上的总经费中船只作业费用占了80%～90%。

因此,努力提高取样钻探的生产效率、降低花在每个样品上的作业时间,是摆在钻探界面前的重要任务。

为完善海底柱状取样钻具的结构,今后主要的科研和试验设计方向如下。

(1)研制能在多种海洋地质条件下顺利完成海底取样的新型钻具结构。

(2)进一步提高取样的质量和样品的代表性,尽量消除样品中出现地层特征紊乱、样品的物理—力学性质被扰动等现象。

(3)引入高科技成果,努力实现海底取样工艺过程可视化,乃至实现自动化,尤其是在比较困难的升降作业方面。

以中国南海为例,由于海水较深(无法抛锚),加之海流无规律,提升取样管时,船体很可能已旋转或漂移离开了取样点位置。

如果不能实现水下过程可视化与自动化,将导致拉弯、拉断取样管事故的发生,从而前功尽弃。

(4)由于我国在海底取样技术领域的研究起步较晚,技术储备不多,目前主要的工作目标应是沿海大陆架与近海的海底取样。

当务之急是研制开发适用于海深在300m以内,轻便,功能较强,自动化程
表2　国外常用的海底取样器
T able2　Conventi onal sea fl oor samp le device in foreign countries
取样器的控制方式取样器
类　型
取样器
型　号
海深
m
钻孔深度
m
直径 mm
取样管 岩芯
取样器质量
kg
岩石可钻性
级 别
非可控式直接冲击式
活塞冲击式
负压—静水压力式ВГП26
静水压力式
ГСП21
ГСП22
ПСП23
不限
100
≤200
≤300
≤1000
≤8
30～40
2
3
10
10
50～180
152
146
127
127
≤2000
3000～6000
60
500
250
600
,
,
～
可控式气动冲击式
水动力式
МП21
ПО270
≤40
50
3
6
89
108 66
180
220
～
, 水力冲击式
ПУВБ2150
УГВП2150
ПГВУ2150M
УГВМ2130 8
КМО23
100
100
50
50
30
4
6
6
8
6
150 125
150 112
150 112
130 90
219 100
300
500
600
375
350
～ 振动式ПТГУ504146200 ～
振动回转式
振动冲击式
ПБУ2100 4
ВБ27
ПОБУ2200 6
100
50
200
4
6
6
146
168
146
700
1000
1200
～
远距离控制的海底
回转式取样器
LO KH I D(美国)
M DC2200(日本)
AOL(加拿大)
M D2500H(日本)
100
200
360
500
216
1010
413
610
6315 4219
— 86
— 3015
56 44
463
10000
1500
3300
～
自动化的海底回转
式取样器
RO KDR I LM ak2
(加拿大)
360～36001175— 25141360
PKBP(英国)
M D2300RT(日本)
≤200
≤300
0126
1100
— 1217
— 36
160
1000
～
安装于水下机构上
的微型取样器
ELB I N(美国)
ST21(法国)
CON S UB(英国)
A PTYC(俄罗斯)
≤1800
≤1000
≤600
≤600
0110
0128
0113
0118
— 19
—
— 11
— 21
—
—
—
—
～
96
第2期鄢泰宁等:浅析国外海底取样技术的现状及发展趋势——海底取样技术介绍之一　
度较高,但对船只没有过高技术要求的海底取样钻具。

(5)制订科学的海底取样作业规范及安全操作规程,使在各种海洋地质条件下进行的取样作业达到最好的技术—经济指标。

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BR I EF STUDY ON THE I NTERNATI ONAL PRESENT C OND I TI ON AND D EVE LOP I NG TEND ENC Y OF THE TECHNOLOG Y OF SEA F LOOR SA M PL E D R I LL I NG
Yan T aining　Bu J ia w u　L i Shao jun
(Ch ina U niversity of Geosciences,W uhan,430074,Ch ina)
Abstract:T he paper briefly discusses the difference betw een the m arine oil2gas drilling and the deep sea science drilling in sea fl oo r sa mp le drilling.It als o points out that sea fl oo r sa mp le drilling is a comp licated internati onal advanced ite m and analyses the classificati on of sea fl oo r sa mp le drilling and rock dilling possibility.T he paper p roposes s om e suggesti on for the research and design directi on of sea fl oor co lum n sa mp le devices.
Key words:sa mp le drilling;classificati on of drilling possibility;co lum n sa mp le device
(上接第66页)
H OT M E L T D R I LL I NGM ETH OD AND I TS APPL I CATI ON I N ENGI-NEER I NG I NSTALLATI ON
T ang Fenglin1　B1B1Kudriashov2
(11E ng ineering F acu lty,Ch ina U niversity of Geosciences,W uhan,430074,Ch ina;
21F acu lty of Geolog y and E x p loration,S anct2P eterbu rg
S tate M ining U niversity,S anct2P eterbu rg,199026,R ussia)
Abstract:In th is paper p rinci p le and p rocess of hot m elt drilling m ethod are considered and its app licati on in en2 gineering in stallati on is introduced and co rres ponding suggesti on s are given1
Key words:hot m elt drilling;engineering in stallati on;app licati on
07地质科技情报2000年。