葉建良， 張 偉， 謝文衛(wèi),3

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，北京 100037；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

鉆探是目前直接獲取地球深部實(shí)物資料的唯一方法，但地球面積的71%被海水所覆蓋，在海上實(shí)施鉆探成為人類(lèi)探索地球所面臨的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。美國(guó)自實(shí)施“莫霍面鉆探計(jì)劃”之后，于1968年啟動(dòng)了“深海鉆探計(jì)劃(DSDP)”，并逐漸發(fā)展成國(guó)際性的計(jì)劃。此后相繼實(shí)施了“大洋鉆探計(jì)劃(ODP)”、“綜合大洋鉆探計(jì)劃(IODP)”和“國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃(IODP)”。世界海洋科學(xué)鉆探實(shí)施50多年來(lái)，在全球各大洋鉆井近4000口，獲取了60余萬(wàn)米巖心和大量數(shù)據(jù)。根據(jù)獲得的信息，驗(yàn)證了“大陸漂移”和“海底擴(kuò)張”假說(shuō)；創(chuàng)建了“板塊構(gòu)造”學(xué)說(shuō)；揭示了氣候演變的規(guī)律；發(fā)現(xiàn)了海底“深部生物圈”和“可燃冰”；在海洋的歷史、古氣候和古生物的演化、海底火山噴發(fā)、沉積作用、海底礦產(chǎn)分布等研究方面，取得了許多重大成果，推動(dòng)了地球科學(xué)一次又一次的重大突破。

在我國(guó)的“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃中，“深海、深地、深空、深藍(lán)科學(xué)研究”被列為戰(zhàn)略性前瞻性重大科學(xué)問(wèn)題。對(duì)于這一類(lèi)問(wèn)題，國(guó)家將強(qiáng)化以原始創(chuàng)新和系統(tǒng)布局為特點(diǎn)的大科學(xué)研究組織模式，部署基礎(chǔ)研究重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)重大科學(xué)突破、搶占世界科學(xué)發(fā)展制高點(diǎn)[1]。

規(guī)劃提出的5項(xiàng)國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃和大科學(xué)工程中，“國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃(IODP)”位居其中。該項(xiàng)計(jì)劃的目標(biāo)是：瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿科學(xué)問(wèn)題，驗(yàn)證大陸破裂形成海洋的重大理論假說(shuō)，解決南海北部油氣勘探開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵問(wèn)題。創(chuàng)新參與模式，提高我國(guó)的主導(dǎo)作用[1]。

國(guó)務(wù)院已批準(zhǔn)，由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局承擔(dān)建造天然氣水合物鉆采船(大洋鉆探船)的任務(wù)。該鉆探船的排水量為33000 t，其主要功能是開(kāi)展海域天然氣水合物試采和深?？茖W(xué)鉆探，同時(shí)兼顧海洋油氣勘探。按照計(jì)劃，該船將于2021年6月前下水。

對(duì)于中國(guó)的地球科學(xué)家和工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，實(shí)施大洋鉆探工程的任務(wù)已擺在我們面前。

1 世界大洋鉆探的演進(jìn)史

世界上最早的科學(xué)鉆探活動(dòng)開(kāi)始于海洋，第一個(gè)科學(xué)鉆探計(jì)劃是美國(guó)的“莫霍面鉆探計(jì)劃”。該計(jì)劃于20世紀(jì)50年代末啟動(dòng)，目的是要鉆透莫霍面(地殼和地幔的界面)，實(shí)現(xiàn)地學(xué)研究的重大突破。實(shí)施該計(jì)劃采用CUSS1號(hào)鉆探船。第一口科學(xué)鉆孔于1961年3月在地拉霍亞海岸附近施工，在水深948 m的海底向下鉆進(jìn)了315 m。由于實(shí)施該計(jì)劃技術(shù)難度大且費(fèi)用高昂，1966年8月美國(guó)國(guó)會(huì)投票否決了對(duì)該計(jì)劃的撥款預(yù)算，計(jì)劃宣告終止。

“莫霍面鉆探計(jì)劃”雖然中途夭折，但其實(shí)施的意義重大，對(duì)于地球科學(xué)的發(fā)展起了不可估量的作用：一方面它開(kāi)啟了科學(xué)鉆探的先河，宣告科學(xué)鉆探作為一種新的地學(xué)研究手段開(kāi)始得到應(yīng)用；另一方面它證明了通過(guò)實(shí)施深海鉆探獲取洋底的沉積層和基巖樣品在技術(shù)上是可行的。

1966年6月，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)(NSF)與斯克利浦斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography，SIO)簽定合同，由科學(xué)基金會(huì)提供1260萬(wàn)美元，實(shí)施一項(xiàng)以揭示洋底上部地殼為目標(biāo)的長(zhǎng)期鉆探計(jì)劃，即“深海鉆探計(jì)劃”(Deep Sea Drilling Project，簡(jiǎn)稱(chēng)DSDP)，其做法是在世界各大洋施工數(shù)量較多但深度較淺的鉆孔，廣泛地采集沉積層樣品和巖心。該計(jì)劃由地球深部取樣海洋研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合體(JOIDES)實(shí)施，由斯克利浦斯海洋研究所牽頭，采用“格洛瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)”(Glomar Challenger)科學(xué)鉆探船?！吧詈ｃ@探計(jì)劃”的實(shí)施時(shí)間是1968年8月至1983年11月。該計(jì)劃起初由美國(guó)單獨(dú)執(zhí)行，后逐漸發(fā)展成有多國(guó)參加的國(guó)際性計(jì)劃。

在“深海鉆探計(jì)劃”進(jìn)行到最后階段時(shí)，學(xué)者們認(rèn)為，有必要將深海和大洋的鉆探繼續(xù)下去，應(yīng)該制定一項(xiàng)更長(zhǎng)期的國(guó)際性大洋鉆探計(jì)劃，提出了新計(jì)劃組織框架和優(yōu)先研究的領(lǐng)域，“大洋鉆探計(jì)劃(Ocean Drilling Program，簡(jiǎn)稱(chēng)ODP)”因此誕生。大洋鉆探計(jì)劃(ODP)從1985年1月開(kāi)始實(shí)施，于2003年9月結(jié)束。

參與該計(jì)劃的最初有美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、日本、英國(guó)、加拿大、澳大利亞和代表12個(gè)國(guó)家的歐洲科學(xué)基金會(huì)，我國(guó)于1998年春天作為“參與成員”加入。ODP每年的經(jīng)費(fèi)預(yù)算約為4000萬(wàn)美元，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)是最大的出資機(jī)構(gòu)，其他成員出資不一，但其享有的權(quán)益(上船學(xué)者的人數(shù)和在各委員會(huì)和專(zhuān)題組中占的席位)與出資成比例。

大洋鉆探計(jì)劃(ODP)于2003年10月轉(zhuǎn)入“綜合大洋鉆探計(jì)劃(IODP)”的新階段。綜合大洋鉆探以“地球系統(tǒng)科學(xué)”思想為指導(dǎo)，計(jì)劃打穿大洋殼，揭示地震機(jī)理；查明深部生物圈和天然氣水合物；了解極端氣候和快速氣候變化的過(guò)程；為國(guó)際學(xué)術(shù)界構(gòu)筑起新世紀(jì)地球系統(tǒng)科學(xué)研究的平臺(tái)；同時(shí)為深海新資源勘探開(kāi)發(fā)、環(huán)境預(yù)測(cè)和防震減災(zāi)等實(shí)際目標(biāo)服務(wù)。IODP的鉆探范圍擴(kuò)大到全球所有海區(qū)(包括陸架淺海和極地海區(qū))，研究領(lǐng)域從地球科學(xué)擴(kuò)大到生命科學(xué)，手段從鉆探擴(kuò)大到海底深部觀測(cè)網(wǎng)和井下試驗(yàn)。美國(guó)、日本等國(guó)的投入有重大增加。IODP的年度總預(yù)算將達(dá)到1.6億美元，是ODP的4倍。

與DSDP、ODP僅僅依靠一艘鉆探船的情況不同，綜合大洋鉆探計(jì)劃的一個(gè)主要特點(diǎn)是同時(shí)采用多個(gè)鉆探平臺(tái)，除了類(lèi)似于“JOIDES決心號(hào)”這樣的無(wú)隔水管鉆探船以外，日本斥資5.4億美元建造的五萬(wàn)噸級(jí)的隔水管鉆探船“地球號(hào)(Chikyu)”也加盟到IODP計(jì)劃中。此外，由15個(gè)國(guó)家組成的“歐洲海洋科學(xué)鉆探聯(lián)合體(ECORD)”采用一些能在海冰區(qū)和淺海區(qū)鉆探的鉆探平臺(tái)(特定任務(wù)平臺(tái))也加入了IODP。

目前正在實(shí)施的“國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃(IODP，2013-2023年)”是“綜合大洋鉆探計(jì)劃”的延續(xù)，是地球科學(xué)歷史上規(guī)模最大、影響最深的國(guó)際合作研究計(jì)劃。IODP新十年科學(xué)計(jì)劃的四大科學(xué)目標(biāo)是：理解海洋和大氣的演變；探索海底下面的生物圈；揭示地球表層與地球內(nèi)部的連接；研究導(dǎo)致災(zāi)害的海底過(guò)程。目前，IODP共有26個(gè)國(guó)家參與，包括美國(guó)、日本、歐洲18國(guó)、中國(guó)、巴西、印度、韓國(guó)、澳大利亞和新西蘭等。該計(jì)劃實(shí)施時(shí)，依然采用3種鉆探平臺(tái)，即美國(guó)的“決心號(hào)”、日本的“地球號(hào)”和歐洲的“特定任務(wù)平臺(tái)”。

2 大洋鉆探施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

世界大洋鉆探的鉆進(jìn)和取心數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(1968年8月-2018年2月)見(jiàn)表1[2-4]。

表1 大洋鉆探鉆進(jìn)和取心數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(1968年8月-2018年2月)Table 1 Drilling and coring data of ocean scientific drilling(08/1968-02/2018)

由表1可知，3806口海洋科學(xué)鉆孔的平均孔深只有261 m，主要的鉆探施工是在沉積層中進(jìn)行的。另外，巖心采取率較低，633858 m取心鉆進(jìn)總進(jìn)尺的平均巖心采取率只有62.2%，明顯低于陸地取心鉆進(jìn)的巖心采取率。實(shí)際上，海洋科學(xué)鉆探基巖鉆進(jìn)的巖心采取率更低。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，89個(gè)基巖鉆孔總進(jìn)尺28470 m，平均巖心采取率僅為40.8%[5]。

世界大洋科學(xué)鉆探的一些施工紀(jì)錄見(jiàn)表2，這些紀(jì)錄反映了目前人類(lèi)勘探海洋地殼鉆進(jìn)施工的能力。

表2 大洋科學(xué)鉆探的一些鉆進(jìn)施工紀(jì)錄[6-10]Table 2 Some drilling records in ocean scientific drilling

統(tǒng)計(jì)資料還表明，世界大洋科學(xué)鉆探在絕大多數(shù)情況下采用無(wú)隔水管方法施工。隔水管鉆進(jìn)的進(jìn)尺，不到大洋鉆探施工總進(jìn)尺的2%?！暗厍蛱?hào)”雖然具有隔水管鉆井的功能，但在多數(shù)情況下，還是采用無(wú)隔水管方法施工。

3 我國(guó)參加大洋鉆探的情況

我國(guó)于1998年加入ODP，年付會(huì)費(fèi)50萬(wàn)美元。2004年加入IODP，年付會(huì)費(fèi)100萬(wàn)美元。2013年10月，經(jīng)習(xí)近平、李克強(qiáng)等國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人批示，我國(guó)加入國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃，并大幅度提高資助強(qiáng)度，除了每年支付300萬(wàn)美元會(huì)費(fèi)，還以匹配經(jīng)費(fèi)的形式資助IODP的航次，在新IODP運(yùn)行的前4年(2014-2017年)，中國(guó)為IODP提供了3000萬(wàn)美元的資助，成為僅次于美、日和歐洲的第四大資助方。我國(guó)參加IODP的相關(guān)工作由科技部牽頭，協(xié)調(diào)財(cái)政部、自然科學(xué)基金委、國(guó)土資源部(現(xiàn)自然資源部)、教育部、海洋局(現(xiàn)隸屬于自然資源部)和中科院等相關(guān)部門(mén)共同領(lǐng)導(dǎo)，同時(shí)成立了中國(guó)IODP專(zhuān)家咨詢(xún)委員會(huì)和中國(guó)IODP辦公室負(fù)責(zé)具體組織實(shí)施，辦公室設(shè)在同濟(jì)大學(xué)[11]。

中國(guó)參與國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃突出的貢獻(xiàn)在于組織領(lǐng)導(dǎo)國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在南海成功實(shí)施的4個(gè)IODP航次，即2014年1-3月執(zhí)行的IODP 349航次、2017年2-6月執(zhí)行的IODP 367、368航次和2018年11-12月執(zhí)行的IODP 368X航次。4個(gè)航次在南海北部海域鉆探12個(gè)站位，總進(jìn)尺12000多米，獲取巖心4100余米，獲得大量珍貴的沉積物和玄武巖巖心樣品。其中在南海3800 m水深最深站位，成功向海底以下鉆進(jìn)1710 m(進(jìn)入基底玄武巖超過(guò)110 m)，是大洋鉆探歷史上第五深站位。上述4個(gè)大洋鉆探航次均由同濟(jì)大學(xué)汪品先院士領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)，推動(dòng)實(shí)施。同濟(jì)大學(xué)作為中國(guó)IODP辦公室所在地，也是中國(guó)IODP的研究基地[12-13]。

我國(guó)參與國(guó)際大洋科學(xué)鉆探的主要方式是，按一定的配額派科學(xué)家參加“決心號(hào)”的海洋科學(xué)鉆探航次和相關(guān)的研究活動(dòng)。至今，實(shí)施了4個(gè)以中國(guó)科學(xué)家為首席科學(xué)家的南海大洋科學(xué)鉆探航次?？偟膩?lái)說(shuō)，我國(guó)在世界海洋科學(xué)鉆探活動(dòng)中居次要地位，作用和影響力較弱，其主要原因是我國(guó)沒(méi)有深?？茖W(xué)鉆探船，不具備在深水或超深水條件下直接獲取洋底地層樣品和數(shù)據(jù)的能力。建造我國(guó)自己的鉆探船，研發(fā)自己的深海鉆探技術(shù)，實(shí)施由中國(guó)主導(dǎo)的海洋科學(xué)深鉆，是改變目前不利局面的最佳方案。據(jù)介紹，中國(guó)IODP“三步走”戰(zhàn)略目標(biāo)已經(jīng)確定：第一步，實(shí)現(xiàn)2～3個(gè)以我國(guó)科學(xué)家為主導(dǎo)的大洋鉆探航次；第二步，仿效歐洲，爭(zhēng)取成為IODP又一個(gè)平臺(tái)提供者；第三步，建造中國(guó)自己的大洋鉆探船。目前，中國(guó)IODP“三步走”戰(zhàn)略目標(biāo)中的第一步已圓滿(mǎn)完成，建造大洋鉆探船已經(jīng)提上議事日程，中國(guó)科學(xué)家和工程技術(shù)人員的大洋鉆探夢(mèng)即將實(shí)現(xiàn)[14-15]。

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局下屬的與海洋及鉆探技術(shù)有關(guān)的研究單位，如廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局、探礦工程研究所、勘探技術(shù)研究所等，多年來(lái)一直在開(kāi)展大洋鉆探工程技術(shù)研究工作：一方面長(zhǎng)期跟蹤世界大洋鉆探的進(jìn)展，分析研究大洋鉆探實(shí)施中采用的各種技術(shù)，包括取心技術(shù)、重入鉆孔技術(shù)、跟管鉆進(jìn)下套管技術(shù)等；另一方面開(kāi)展了海洋取心技術(shù)的研發(fā)，相繼研發(fā)成功可適應(yīng)不同地層條件的多種常規(guī)取心鉆具和保壓取心鉆具。利用國(guó)產(chǎn)的鉆探船(如海洋地質(zhì)十號(hào)鉆探船)進(jìn)行了多輪取心鉆具試驗(yàn)，常規(guī)取心鉆具的最大作業(yè)水深達(dá)到了1720 m，保壓取心鉆具的最大作業(yè)水深達(dá)到了1309 m[16-18]。廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局目前正組織開(kāi)展天然氣水合物試采/大洋鉆探船的建造和大洋鉆探技術(shù)研發(fā)。

4 大洋鉆探的主要工程技術(shù)問(wèn)題

4.1 海上鉆井施工的特點(diǎn)

(1)海上鉆井日費(fèi)用非常高，萬(wàn)米鉆井船日費(fèi)用達(dá)幾十萬(wàn)美元。因此，減少輔助時(shí)間，提高施工效率，是海上鉆進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)的首要考慮因素，鉆井技術(shù)方案圍繞著這一點(diǎn)進(jìn)行制定，強(qiáng)調(diào)高效率和可靠性。

(2)漂浮在海上的鉆井船在海浪和洋流的作用下是動(dòng)蕩的，既有垂直方向的起伏，又有水平方向的移動(dòng)和搖擺。必須采取與常規(guī)陸地鉆井完全不同的特殊技術(shù)措施手段，保障鉆進(jìn)施工的平穩(wěn)性和避免鉆具異常損壞。

(3)鉆井船上的工作平臺(tái)與洋底的井口有長(zhǎng)段的水體相隔，給鉆進(jìn)施工操作帶來(lái)很大困難。必須采取一些特殊的技術(shù)手段，才能保證鉆井施工正常進(jìn)行和任務(wù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4.2 海洋科學(xué)鉆探的地層條件

海洋科學(xué)鉆探的地層條件在不同地點(diǎn)變化較大。一般來(lái)說(shuō)，最上層是沉積層，下部的巖性依次為玄武巖、輝長(zhǎng)巖和橄欖巖(地幔巖)。沉積層的厚度很不一樣，在大洋中脊部位，基本上沒(méi)有沉積層；有的地方沉積層厚幾十到幾百米；有的地方沉積層厚達(dá)數(shù)千米。而沉積層也有軟泥層、硬土層和較硬的砂巖地層之分。在較軟的沉積層中，往往含有較硬的夾層，如碳酸巖結(jié)殼、燧石等?？傊?，鉆進(jìn)的條件是復(fù)雜多變的，在取心鉆進(jìn)技術(shù)方面，需要采取不同的對(duì)策。

4.3 海洋科學(xué)鉆探取心技術(shù)

以美國(guó)為首的一些發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)施大洋科學(xué)鉆探已經(jīng)50多年了，在深海取心鉆進(jìn)技術(shù)方面開(kāi)展了大量研發(fā)，在施工方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，摸索出了一套適合于不同地層條件的取心鉆具(參見(jiàn)表3，圖1～4)和施工工藝[19]。實(shí)踐表明，有些鉆具和工藝應(yīng)用效果較好，但在某些地層，鉆具和工藝應(yīng)用效果依然較差。

表3 大洋鉆探取心鉆具Table 3 Core drilling tools for ocean scientific drilling

圖1 高級(jí)活塞取心鉆具(APC)Fig.1 Advanced piston core drilling tool

海洋鉆探一般深度較大，有時(shí)僅水深就有幾千米。為了減少起下鉆和鉆頭重入鉆孔次數(shù)，DSDP、ODP和IODP都采用了繩索取心方法，可顯著節(jié)省施工時(shí)間。此外，繩索取心鉆桿還作為測(cè)井儀器的通道，為測(cè)井提供高效施工和安全的保障。繩索取心鉆桿柱為內(nèi)平、外加厚結(jié)構(gòu)；不管是多大的鉆桿外徑，都保證鉆桿柱內(nèi)徑為105 mm，以適應(yīng)于各種ODP取心、取樣和測(cè)量器具。鉆桿單根的長(zhǎng)度為9.65 m。

圖2 伸縮式超前取心鉆具(XCB)Fig.2 Telescopic advanced core drilling tool

圖3 回轉(zhuǎn)取心鉆具(RCB)Fig.3 Rotary core drilling tool

圖4 保壓取心鉆具(PCB)Fig.4 Pressure core drilling tool

目前大洋鉆探取心鉆進(jìn)的主要問(wèn)題是：

(1)巖心采取率低。

巖心采取率低的情況在3類(lèi)地層中存在，即砂層、軟硬交變地層和破碎的硬巖層。造成巖心采取率低的原因除了地層條件之外，還與鉆頭種類(lèi)和取心鉆具結(jié)構(gòu)有關(guān)。大洋鉆探的幾種取心鉆具都是由帶牙輪鉆頭的外鉆具和具有不同作用的內(nèi)鉆具組成。牙輪鉆頭能適應(yīng)各種地層條件，并且在鉆探壽命和機(jī)械鉆速方面都可獲得較好的效果。不過(guò)，牙輪鉆頭取心鉆進(jìn)的巖心采取率較低。采用牙輪鉆頭是權(quán)衡各方面因素后的決策結(jié)果。牙輪鉆頭直徑為250.8 mm。要滿(mǎn)足這么大直徑的鉆孔的巖屑排出，需要的泵量比較高，因此牙輪取心鉆進(jìn)對(duì)巖心的沖蝕作用較強(qiáng)。砂層、軟硬交變地層和破碎的硬巖層都是怕沖蝕的地層，高泵量會(huì)使巖心采取率顯著下降。南海大洋鉆探第367航次鉆孔U1499A取心鉆進(jìn)時(shí)，在松散的砂層中巖心采取率極低：第37～43回次，孔深337.0～404.9 m，進(jìn)尺67.9 m，巖心長(zhǎng)度僅為1.37 m，巖心采取率2%；第51～57回次，孔深472.8～540.7 m，進(jìn)尺67.9 m，巖心長(zhǎng)度僅為1.82 m，巖心采取率2.7%[20]。

(2)硬巖鉆具容易損壞導(dǎo)致事故。

硬巖取心鉆進(jìn)主要采用牙輪鉆頭。由于鉆探船隨波起伏以及在海水段鉆柱無(wú)約束等方面原因，孔內(nèi)鉆具受力惡劣，經(jīng)常發(fā)生鉆具斷裂、牙輪落井等孔內(nèi)事故。

4.4 超深水條件的重入鉆孔技術(shù)

大洋鉆探進(jìn)行取心鉆進(jìn)施工時(shí)，常常是在一個(gè)牙輪鉆頭壽命的范圍內(nèi)便完成了取心或取樣，不存在鉆頭重入鉆孔的問(wèn)題。但有時(shí)需要鉆進(jìn)的孔深較大，采用一個(gè)鉆頭不能完成鉆進(jìn)任務(wù)，這時(shí)候就出現(xiàn)了提鉆換鉆頭的問(wèn)題。換完鉆頭后再下鉆，要使新鉆頭進(jìn)入鉆孔是一個(gè)難題。除了換鉆頭之外，有時(shí)候處理孔內(nèi)事故和測(cè)井等，也需要重入鉆孔。著名的504B鉆孔施工時(shí)重入鉆孔的次數(shù)達(dá)到了98次。為了解決重入鉆孔問(wèn)題，研發(fā)了一種鉆頭重入鉆孔系統(tǒng)。該系統(tǒng)中設(shè)有一個(gè)稱(chēng)之為“重入錐”的大直徑喇叭體，用以將鉆頭導(dǎo)入鉆孔。重入錐附近安放有聲納發(fā)射器，其信號(hào)經(jīng)船上的接收器接收并處理后，可以確定重入錐的位置。根據(jù)測(cè)量結(jié)果移動(dòng)鉆探船，可實(shí)現(xiàn)鉆柱的初步定位。等到下鉆至接近重入錐時(shí)，沿鉆桿柱下入水下電視，觀察洋底重入錐的位置，根據(jù)觀察結(jié)果移動(dòng)鉆探船，實(shí)現(xiàn)鉆頭位置精調(diào)。只要鉆頭落在重入錐的內(nèi)錐面上，鉆頭便可沿著錐面滑向鉆孔，最終進(jìn)入鉆孔(參見(jiàn)圖5)。采用該技術(shù)，目前已實(shí)現(xiàn)的重入鉆孔最大水深是6928.5 m。

圖5 海洋鉆進(jìn)重入鉆孔原理Fig.5 Re-entry drilling principle of ocean scientific drilling

4.5 跟管鉆進(jìn)下套管技術(shù)

按照常規(guī)的鉆進(jìn)施工程序，下套管至少分成兩步來(lái)實(shí)施，即先鉆成大于套管直徑的鉆孔，然后將套管下入。在下套管的過(guò)程中有可能發(fā)生由于鉆孔縮徑，導(dǎo)致下套管遇阻、套管不能下到位等情況。在大洋鉆探實(shí)施過(guò)程中，開(kāi)發(fā)了一種先進(jìn)的跟管鉆進(jìn)下套管工藝，即套管在鉆進(jìn)的同時(shí)跟進(jìn)。這樣既簡(jiǎn)化了下套管的工序，顯著節(jié)省了下套管施工時(shí)間，還可大大減輕下套管過(guò)程中套管遇阻和下套管失敗的風(fēng)險(xiǎn)。在我國(guó)南海實(shí)施的IODP第367航次鉆探施工中，曾采用該技術(shù)，一次下入直徑273 mm的套管723.7 m。同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了重入錐的安放。跟管鉆進(jìn)下套管鉆具由鉆桿、套管送入工具、螺桿馬達(dá)、套管下擴(kuò)孔器和牙輪鉆頭等組成。

4.6 超深水條件的泥漿循環(huán)問(wèn)題

迄今為止，世界大洋鉆探98%的進(jìn)尺都是采用無(wú)隔水管鉆探船施工的。采用這種方式施工，設(shè)備器具簡(jiǎn)單，施工成本低。但是，由于不能實(shí)現(xiàn)泥漿循環(huán)，對(duì)維持孔壁穩(wěn)定不利。在松散破碎地層，該因素的影響作用十分明顯。由于沒(méi)有泥漿護(hù)壁和沖蝕作用較強(qiáng)，在松散破碎地層經(jīng)常發(fā)生鉆具遇阻和遇卡等孔內(nèi)復(fù)雜問(wèn)題甚至孔內(nèi)事故。此外，無(wú)法采取井控措施，不能在含油氣的高壓地層施工。目前的隔水管技術(shù)，可以在3000 m水深條件下使用。隔水管鉆進(jìn)施工的成本高，并且風(fēng)險(xiǎn)也較高。新出現(xiàn)的一種無(wú)隔水管泥漿循環(huán)鉆井技術(shù)(RMR)，雖然免除了隔水管鉆井的高成本和高風(fēng)險(xiǎn)，但該技術(shù)目前才用到1500 m左右的水深，要實(shí)現(xiàn)3000～4000 m甚至更大水深條件的泥漿泵舉，難度非常大，必須考慮新方法。

5 我國(guó)實(shí)施大洋鉆探工程的初步設(shè)想

迄今為止，我國(guó)還沒(méi)有大洋鉆探的工程技術(shù)手段，即深海鉆探船和配套的鉆進(jìn)工藝器具，只能搭載“決心號(hào)”或“地球號(hào)”鉆探船，開(kāi)展一些與大洋鉆探相關(guān)的地學(xué)研究工作。雖然實(shí)施了少數(shù)幾個(gè)以我國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)的大洋鉆探航次，但總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)在大洋鉆探和相關(guān)的地學(xué)研究領(lǐng)域還不能起主導(dǎo)作用。我國(guó)擁有自己的鉆探船和鉆探技術(shù)，能成為世界大洋鉆探的主要力量之一，是我國(guó)地學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家夢(mèng)寐以求的事。如今好夢(mèng)即將成真，我國(guó)已決定要建造自己的大洋鉆探船，并研發(fā)與之配套的鉆進(jìn)工藝和器具。我國(guó)自主建造的大洋鉆探船計(jì)劃于2021年下水。經(jīng)過(guò)棲裝，大概在2023年能夠具備實(shí)施大洋鉆探的條件。我們應(yīng)該在此時(shí)間之前完成大洋科學(xué)鉆探施工裝備以及取心鉆進(jìn)工藝與器具的配套。對(duì)于鉆探船的建造以及大洋鉆探工藝與器具的研發(fā)，我們有以下一些粗淺的考慮。

5.1 鉆探船建造

我們對(duì)鉆探船的初步考慮是：該鉆探船開(kāi)展天然氣水合物試采和深水油氣勘探時(shí)，采用隔水管；而開(kāi)展大洋鉆探時(shí)，原則上不用隔水管。鉆探船的鉆深能力(水深+孔深)為11000 m，以保證可鉆穿莫霍面。鉆探船配備高精度的動(dòng)力定位系統(tǒng)和升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，以保證在一定風(fēng)浪級(jí)別條件下鉆進(jìn)施工能正常進(jìn)行。

鉆井系統(tǒng)是鉆探船的核心。海洋科學(xué)鉆探船的鉆井系統(tǒng)主要包括：鉆機(jī)及其配套裝置、鉆桿柱、隔水管柱、防噴器、鉆進(jìn)器具(包括取心和全面鉆進(jìn))、重入鉆孔裝置等。

考慮到該鉆探船的每日運(yùn)行費(fèi)大約40～50萬(wàn)美元，一些影響鉆探船施工時(shí)間或效率的因素將作為鉆探船鉆井系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮的因素。

影響因素按重要性排序如下：

(1)可靠性。如果船上的鉆井系統(tǒng)可靠性差，常出故障，會(huì)造成全船停待或者施工不正常，將直接影響鉆探船的運(yùn)行成本。

(2)施工效率。主要體現(xiàn)在起下鉆速度方面。大洋鉆探以取心鉆進(jìn)為主，起下鉆次數(shù)多、時(shí)間長(zhǎng)。如果起下鉆效率高，可節(jié)省鉆探船的施工時(shí)間。

(3)鉆進(jìn)系統(tǒng)的升沉補(bǔ)償效果。該因素對(duì)鉆桿和鉆頭壽命、起鉆間隔和巖心采取率等有直接影響作用。

(4)系統(tǒng)購(gòu)置成本。

(5)對(duì)海洋環(huán)境污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)。該因素會(huì)影響鉆探船的運(yùn)行成本。

(6)對(duì)運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)技術(shù)素質(zhì)要求。系統(tǒng)的使用操作要求較低和運(yùn)行維護(hù)更加容易和便利。

5.2 鉆進(jìn)工藝器具研發(fā)

我國(guó)迄今為止尚未自主實(shí)施海洋科學(xué)鉆探工程，目前缺乏實(shí)施海洋科學(xué)鉆探所需的工藝和器具，開(kāi)展此方面的研發(fā)工作已是迫在眉睫。世界大洋鉆探已經(jīng)實(shí)施50多年了，實(shí)施過(guò)程中，在大洋鉆探工藝和器具的研發(fā)和應(yīng)用方面，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。首先，我們應(yīng)該學(xué)習(xí)和吸收現(xiàn)有的先進(jìn)大洋鉆探技術(shù)，包括特深井繩索取心鉆進(jìn)工藝、適用于不同地層條件的取心鉆具、重入鉆孔技術(shù)、跟管鉆進(jìn)下套管技術(shù)等。此外，應(yīng)該針對(duì)目前大洋鉆探技術(shù)存在的弱點(diǎn)和不足，開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)，內(nèi)容包括井底動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的繩索取心鉆具、氣舉反循環(huán)取心(樣)技術(shù)、無(wú)隔水管泥漿循環(huán)技術(shù)、膨脹套管護(hù)壁技術(shù)等。

技術(shù)研發(fā)工作從現(xiàn)在就開(kāi)始，研發(fā)出的樣機(jī)和樣具等，先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、陸地現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和在海洋地質(zhì)十號(hào)鉆探船上進(jìn)行淺水和淺孔條件的試驗(yàn)。通過(guò)不斷的試驗(yàn)和改進(jìn)，待研發(fā)的器具比較完善和鉆探船建造完成后，再進(jìn)行深水或超深水條件的試驗(yàn)。

開(kāi)展大洋鉆探技術(shù)的研發(fā)時(shí)，要充分調(diào)動(dòng)國(guó)內(nèi)相關(guān)鉆探技術(shù)研發(fā)單位的積極性和創(chuàng)造性，吸收各單位的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，以便高效率地完成技術(shù)研發(fā)任務(wù)。

5.3 大洋鉆探工程的組織實(shí)施

廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局計(jì)劃組建中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局莫霍鉆工程技術(shù)中心，該中心的主要任務(wù)是：組織開(kāi)展我國(guó)大洋科學(xué)鉆探項(xiàng)目的工程實(shí)施，包括運(yùn)行大洋鉆探船，開(kāi)展項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的鉆進(jìn)、測(cè)井、取心、取樣和現(xiàn)場(chǎng)樣品測(cè)試等工作，為我國(guó)大洋鉆探項(xiàng)目地學(xué)研究目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支撐。

6 結(jié)語(yǔ)

大洋科學(xué)鉆探是世界科學(xué)技術(shù)史上濃墨重彩的一筆，催生了地球科學(xué)領(lǐng)域的許多重大理論和重大發(fā)現(xiàn)，對(duì)人類(lèi)認(rèn)識(shí)地球系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律作用巨大。盡管大洋鉆探實(shí)施已經(jīng)50多年，但由于世界海洋面積廣闊和大洋鉆探實(shí)施難度巨大，此方面的工作方興未艾，還有許許多多的地球奧秘需要通過(guò)大洋鉆探予以揭示。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)能力和科學(xué)技術(shù)實(shí)力的增強(qiáng)，我國(guó)的科學(xué)家和工程技術(shù)人員將作為主要力量之一，參與到大洋鉆探這一世界性的巨大科學(xué)工程之中，為地球科學(xué)和人類(lèi)自身的發(fā)展，貢獻(xiàn)中國(guó)的力量。鉆井工程作為大洋鉆探的核心技術(shù)支撐，對(duì)大洋鉆探項(xiàng)目成功實(shí)施具有重要作用。鑒于我國(guó)大洋鉆探船即將面世，開(kāi)展大洋鉆探的工程技術(shù)準(zhǔn)備和技術(shù)研發(fā)工作已是迫在眉睫。