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。

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。