摘要
我国南海海域分布着大量礁灰岩地层，这种地层具有原生孔隙大、压缩性强、容易变形、强度小等特点，因此易渗透、易破碎、易坍塌。在岛礁上钻探也常常出现断钻、垮孔、埋钻等事故。对于海洋礁灰岩地层钻探，不仅要克服陆地上面临的问题，还需要面对更为复杂的海洋环境。为解决海上特殊地层取心困难问题，基于船载无隔水管钻探系统，开发了海上顶部双驱动联动隔水管钻探取心技术。该钻探取心技术方案在西沙海域4个不同的站位进行了海洋钻探试验。试验结果表明，该技术可实现高效率、高岩心采取率的海上礁灰岩取心目的，取心深度可达130.75 m，具有广阔的推广前景。
礁灰岩又称生物骨架灰岩，是一种特殊的岩土体，本质上是生物礁，由珊瑚死亡后的残骸堆积或珊瑚残骸堆积其他贝壳等形成，具有多孔隙、高透水率的特
为查明我国南海珊瑚岛礁的地质情况和形成历史，帮助珊瑚岛礁油气等资源的开发，钻探取样是一种不可或缺的重要手段。礁灰岩地层具有原生孔隙大、压缩性强、容易变形、强度小等特点，因此易渗透、易破碎、易坍塌。在岛礁上钻探也常常出现断钻、垮孔、埋钻等事故。对于海洋礁灰岩地层钻探，不仅要克服陆地上面临的问题，还需要面对更为复杂的海洋环境。现有的采样技术一般是潜水到水下，用便携式钻机钻取样
海上顶部双驱动联动隔水管钻探取心技术主要设备有勘探船、船载钻探系统、立轴式辅助钻机以及井口浪涌补偿装置。
海洋地质十号船，采用全电力推进系统，具备2套全回转舵桨和2套槽道式艏侧推，具有良好的航向稳定性和灵活的操作性，在直航时具有良好的航向稳定性。船上配备DP-2型动力定位系统和锚泊定位系统，在海况良好的情况下，定位精度<0.2 m，为海上钻探作业提供可靠的支撑。海洋地质十号船如
图1 海洋地质十号船
Fig.1 Ocean Geology 10 ship
| 项 目 | 参 数 |
|---|---|
| 船舶吨位/t | 2980 |
| 样品库 | 配备具有常温、冷冻、冷藏等各种保存能力的样品库 |
|
干实验室/ | 67 |
|
湿实验室/ | 35 |
| 床位、救生设备 | 58个 |
| 设备供电 | 干试验室配套30 kW AC220 V供电；后甲板配套50 kW AC380 V供电 |
| 通讯设备 | 配套了单边带通讯设备、卫星电话等 |
| 船型参数/m | 75.8×15.4×7.6 |
| 续航力/海里 | 8000 |
| 自持力/d | 45 |
| 主发电机组 | 1960 kW×3台 |
| 最大航速/节 | 15 |
| 经济航速/节 | 12 |
| 动力定位系统 | DP-2 |
海洋地质十号船本身搭载的船载钻探系统为举升式全液压海洋钻探系
图2 船载钻探系统示意
Fig.2 Ship‑borne drilling system
选用XY-2D型岩心钻机作为辅助钻机，配备Ø114 mm套管和Ø88 mm岩心管。XY-2D型岩心钻机作为一种轻便型钻机，具有结构紧凑、体积小、质量轻和搬迁方便的优点。该钻机可用于地球物理勘探，其最大钻深300 m。根据不同岩层可选用硬质合金钻头、金刚石钻头进行钻探取心。配套的泥浆泵选用BW250型卧式三缸往复式单作用活塞泵，最大压力7 MPa。
在有套管的条件下，需要考虑套管的补偿。在浅海，可以选用伸缩套管作为套管补
图3 浪涌补偿装置示意
Fig.3 Surge compensation device
海洋地质十号船载钻机以海底表层沉积物取样为主，不具备礁灰岩、硬岩等特殊岩体的钻进能力，在礁灰岩地层取样钻探的实践中，钻进5 m左右就出现卡钻问题而无法深入取样。而立轴式钻机原用于陆地钻探，直接搭载于船舶钻探取样容易受海流、浪涌、海底地形、海底表面地层硬度的影响，若直接连接钻杆到海底开始钻取表层硬岩，容易出现钻杆弯曲、钻头打滑的情况，导致无法成孔甚至损坏钻杆。
基于以上问题，以海洋地质十号船以及船载钻机为基础，立轴式钻机作为辅助，提出了一种顶部双驱动联动隔水管钻探取心技术（见
图4 顶部双驱动联动隔水管钻探取心装置示意
Fig.4 Coring drilling device with the marine top double‑drive linkage riser system
图5 顶部双驱动联动隔水管钻探取心装置实物
Fig.5 Coring drilling device with the marine top double‑drive linkage riser system
图6 钻孔结构
Fig.6 Borehole structure
顶部双驱动联动隔水管钻探取心技术的具体实施步骤：
（1）船舶DP定位至指定作业点，用船载钻机系统连接51/2 in钻杆到海底，然后下放海底基盘，以约束51/2 in钻杆钻进位置。
（2）用船载钻机系统钻进，绳索取心钻进3~5 m，然后提钻更换最上面的51/2 in钻杆为浪涌补偿装置，保留51/2 in钻杆和浪涌补偿装置作为外套管。51/2 in钻杆和浪涌补偿装置形成的外套管管道用于约束井口位置并作为泥浆循环的一部分，同时浪涌补偿装置可防止外套管因浪涌和潮汐对井口设备刚性碰撞。
（3）切换辅助钻机，驱动Ø88 mm钻具扫孔至上次取心层位，然后关闭泥浆进行干扫提钻取心。
（4）当出现塌孔或泥浆循环变差时，下Ø114 mm套管至取心层位，以保护钻孔并确保岩屑正常排出。
（5）重复步骤（3）和（4）至终孔，并注意Ø114 mm套管应根据潮汐及涌浪情况，通过短节，调整套管孔口高度，避免过低脱离孔底、过高顶冲操作平台。
顶部双驱动联动隔水管钻探取心技术目前已经应用于西沙海域礁灰岩取样。取样过程按照技术方案的工艺流程钻进，采用转速677 r/min，钻压保持在6 kN左右，表层采用复合片钻头，钻进至硬层采用金刚石钻头，回次取心长度≯2 m，共进行了4个站位的取心。整个取心过程比较顺利，没有出现卡钻、埋钻、垮孔等钻进事故。
取心发现，西沙海域的礁灰岩表层为珊瑚及珊瑚碎屑组成，胶结弱，可压缩性强，取心样品较松散。随着钻进的深入，礁灰岩地层的胶结逐渐变强，硬度逐渐变大，取心样品完整性逐渐变好，此层位的礁灰岩岩心如
图7 礁灰岩岩心
Fig.7 Reef limestone core
4个站位的礁灰岩的取心概况如
| 站位 | 水深/m | 钻孔深度/m | 岩心总长/m | 采取率/ % | 样品 类型 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 61.10 | 104.44 | 73.63 | 70.49 | 礁灰岩 |
| 2 | 34.78 | 130.75 | 100.42 | 76.80 | 礁灰岩 |
| 3 | 56.34 | 46.30 | 32.08 | 69.28 | 礁灰岩 |
| 4 | 33.59 | 40.73 | 29.00 | 71.20 | 礁灰岩 |
图8 包装好的样品
Fig.8 Packed samples
顶部双驱动联动隔水管钻探取心技术采用海底基盘和外套管限位钻孔，内套管护壁，取心钻具干扫取心，极大限度地保护钻孔，减少了卡钻、埋钻事故，并增大了岩心采取率。实践证明对于礁灰岩地层有良好的钻进效率和较高的岩心取心率。
目前方案仍然存在以下问题：
（1）提钻取心一定程度上降低了取心效率。
（2）自动化程度低、人力操作过程较多。
（3）辅助钻机功率不足，取样深度受限。
下一步可将提钻取心改为绳索取心，增大辅助钻机功率并进一步集成于船载钻机系统，以适用更广泛的岩心取样需求。
随着国家从海洋大国向海洋强国的战略转移，海洋地质将成为新的研究热点。此项技术的成功应用，将为研究南海海域的工程地质稳定特征、生物礁的发育机理及古海洋环境演变，提供宝贵的地质基础资料；同时为可礁灰岩地层船载钻机设计提供思路。具有广阔的应用前景。
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