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大陆架科学钻探CSDP-2井钻探施工的几项关键技术

张英传 翟育峰 田志超 郭兴伟

张英传, 翟育峰, 田志超, 郭兴伟. 大陆架科学钻探CSDP-2井钻探施工的几项关键技术[J]. 海洋地质前沿, 2020, 36(1): 74-76.
引用本文: 张英传, 翟育峰, 田志超, 郭兴伟. 大陆架科学钻探CSDP-2井钻探施工的几项关键技术[J]. 海洋地质前沿, 2020, 36(1): 74-76.

大陆架科学钻探CSDP-2井钻探施工的几项关键技术

详细信息
    作者简介:

    张英传(1965—),男,高级工程师,主要从事地质岩心钻探、水文水井钻探工作.E-mail:syzzyc@sohu.com

图(4) / 表 (1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-04
  • 刊出日期:  2020-06-30

大陆架科学钻探CSDP-2井钻探施工的几项关键技术

    作者简介:

    张英传(1965—),男,高级工程师,主要从事地质岩心钻探、水文水井钻探工作.E-mail:syzzyc@sohu.com

English Abstract

张英传, 翟育峰, 田志超, 郭兴伟. 大陆架科学钻探CSDP-2井钻探施工的几项关键技术[J]. 海洋地质前沿, 2020, 36(1): 74-76.
引用本文: 张英传, 翟育峰, 田志超, 郭兴伟. 大陆架科学钻探CSDP-2井钻探施工的几项关键技术[J]. 海洋地质前沿, 2020, 36(1): 74-76.
    • 南黄海连接了扬子块体和海区,是联系朝鲜半岛和东亚大陆边缘演化的重要组成部分。在南黄海中部隆起实施的大陆架科学钻探CSDP-2井,承载着多个科学目标:在建立陆架区晚新生代以来的标准地层层序基础上,开展古气候与古环境演化研究,探讨东亚大陆边缘的源汇过程;获取南黄海中—古生代海相地层,研究扬子块体向东延伸的大地构造格局与岩相古地理,详细评价其油气资源潜力。科学目标的实现,有赖于陆架区钻探平台的选取,更需要钻探技术的创新来获得高取心率的连续岩心。

      大陆架科学钻探CSDP-2井钻探施工存在几个技术难题:①如何选取钻探平台,采用石油钻井平台费用昂贵,采用简易钻探平台无法适应水深与安全要求;②第四系和新近系地层未固结,难获取高取心率;③海水配冲洗液对冲洗液提出更高的要求;④海水钻探对钻具及平台的腐蚀加剧;⑤海上气候多变,影响施工进度。通过自主研发制造“探海一号”钻井平台,采用三层管取心钻进工艺、海水聚合物泥浆体系等多项技术措施,达到了全井97.7%的高取心率,创造了2 843.18 m全球大陆架全取心科学钻探的世界最深纪录。

    • 大陆架科学钻探CSDP-2井位于东经121°15′41″,北纬34°33′18.9″,连云港以东约170 km,水深度22~25 m。钻遇地层上部主要为淤泥、黏土、细—粗沙、含砾沙等,结构松散;下部以灰岩、泥岩、砂岩和煤层为主,局部地层较为破碎,甚至破碎严重,特别是炭质泥岩和煤层,裂隙发育。工区位于温带季风区,自施工以来,浪高一般1~2 m,最高可达6~7 m。冬季冷高压最强,冷高压的冷峰过后,海面常有西北大风,风力8级左右,有时可达10级。夏季工区内有时出现温带气旋和台风,台风来临时伴有大雨或暴雨,施工期间钻井平台先后经历了“灿鸿”“莲花”“浪卡”等台风的洗礼。

    • 为了满足科学钻进取心直径的要求,同时保障钻孔留有足够的套管程序以封隔复杂地层,确保钻井顺利完井,井身结构设计初衷以五开完井。结合现场钻遇地层实际情况,对CSDP-2井各开次设计井深进行了相应调整。具体井身结构及套管程序见表 1。开孔下Φ299 mm隔水管至桩管深度54.00 m;一开采用Φ175 mm钻具钻进至井深154.74 m,采用Φ255 mm钻头扩孔至154.74 m,下入Φ219 mm套管152.15 m;二开采用Φ175 mm钻具钻进至井深654.91 m,下如Φ168 mm套管646.00 m;三开采用Φ150 mm钻具钻进至井深1 207.15 m,下入Φ140 mm套管1 207.15 m;四开采用Φ122 mm钻具钻进至井深1 480.88 m,下Φ114 mm钻杆为套管1 480.88 m;五开采用Φ98 mm钻进至终孔孔深2 843.18 m。

      表 1  CSDP-2井套管程序表

      Table 1.  CSDP-2 well casing program

      开钻次序 钻头尺寸/mm 钻达深度/m 套管尺寸/mm 套管下深/m
      一开 255 154.74 219 152.15
      二开 175 654.91 168 646.00
      三开 150 1 207.15 140 1 207.15
      四开 122 1 480.88 114 1 480.88
      五开 98 2 843.18
    • 海上钻井平台是海洋钻探的载体,平台上装钻井、动力、通讯、科学实验等设备以及安全救生和生活设施。按照工区的水深、海况以及钻探的地质目标,自主研发了“探海一号”平台。平台为拼装式插桩海上钻井平台(图 1),由标准集装箱式甲板、四根桩腿、四套液压升降装置、钻探设施及配套设备、生活区五大系统组成,甲板面积约756 m2,桩腿插入海底,甲板底面距离海平面约12~14 m,可在水深20~30 m的海域工作,具有3 000 m钻孔施工能力,可以满足36人的试验、办公、生活需要。

      图  1  “探海一号”钻井平台模型示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of "Tanhai 1" drilling platform

      在“探海一号”的研制过程中,组合使用了几项关键技术:①桩腿型式,采用多段插桩式,4根桩腿为壳体式圆柱管桩,直径Φ1 000×30 mm,每节桩腿长约10~15 m,由两端焊接的内法兰进行连接(图 2),桩腿下端采用打桩法直接插入海底约20 m左右。桩腿和平台主体可以拆开,便于通过海运或陆运,运输到指定地点。②升降系统,采用4组液压升降系统,这是该拼装式插桩海上钻井平台中的关键部分。桩腿体插入(拔离)海床时,有足够的动力克服泥土、砂石等阻力与平台自身的重力。在工作过程中,桩腿运行平稳,无卡死现象,插桩(拔桩)过程中,液压执行机构将满足一定节距的行程要求,可以实现自锁。③防腐处理,结合平台的施工海域环境与施工周期,采用了环氧防锈漆组合,一度底漆加一度面漆。其防锈处理分为3步,第1步是打磨除锈,第2步是涂刷环氧铁红防锈底漆;第3步涂刷环氧橙红防锈面漆。

      图  2  平台桩体法兰连接示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of flange connection of the platform pile

      为了验证平台在不同海况及负载下的安全性,根据搜集的工程地质资料,结合施工海域的环境资料及设计环境载荷,对平台进行了强度校核及稳定性分析,完成了平台在设计载荷下的运行状态的安全评估。针对钻井提下钻、孔内遇阻等特殊情况,通过结构静力分析,及平台的极限状态判断准则,对平台的运行状态进行了安全评估。针对海浪及台风的影响,通过逐步推进的方式增大波浪载荷,使平台接近极限状态,对平台进行极限承载能力分析。平台的各项安全评估结果合格,完全满足施工海域作业要求。

    • 针对CSDP-2井钻遇的施工难点,采取了多项技术措施,保证了采取率:①针对岩心流塑、软塑取心困难的问题,使用超前卡簧座加拦簧钻具(图 3),结合不回转压入法取心,有效地地解决了该问题,保障了岩心采取率及岩心原状性。②针对粉质黏土层缩径的问题,一是保持冲洗液性能稳定,适当加大降失水剂的含量,降低失水量,使其保持在8~10 mL;二是适当加大钻头和扩孔器外径,以确保留有足够的环装间隙,降低了地层缩颈带来的卡钻、提下钻困难(图 4)。③针对煤系地层和破碎严重的地层取心难问题,采用三层管钻具取心配合底喷钻头,有利于提高岩心采取率,很好地解决了破碎岩心的混层、污染、采取率等问题。④为了解决生产用淡水困难的问题,采用了MBM盐水冲洗液技术。现场按照配方“海水+0.1%烧碱+0.1%纯碱+4%~5%耐盐水污染多功能剂(MBM)+0.6%~0.8%抗盐共聚物(GTQ)”配制冲洗液。MBM冲洗液体系具有良好的护壁效果,有效保护岩心,有较强的悬浮能力和良好的流变性。配置相对简单,大大提高了钻进效率。

      图  3  超前卡簧座与拦簧

      Figure 3.  Advanced snap spring seat and arresting spring

      图  4  加大钻头外径

      Figure 4.  Increased outer diameter of the bit

    • (1) 针对大陆架科学钻探CSDP-2井的施工环境和地质目标,研发了“探海一号”大陆架科学钻探平台,使用甲板及桩腿模块化、升降系统自动化等技术,具备运输便捷、安装方便、针对不同水深自动调节平台高度的性能,可以在工区30 m水深施工,能抵御14级风力。

      (2) 在钻探过程中,分别使用三层管等特殊取心工艺、MBM盐水冲洗液工艺等技术,解决了取心困难、地层复杂等技术难题。

      (3)“探海一号”钻探平台的研发,钻探工艺技术及泥浆工艺技术的综合应用,保障了钻井顺利完井,达到了全井97.7%的高取心率,创造了2 843.18 m全球大陆架全取心科学钻探的世界最深纪录,为科学钻探成果的获得提供了强有力的技术支撑。

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