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淺析國外海底鉆探取樣技術的現狀及發展趨勢-海底取樣技術介紹之一,摘自地質科技情報 第19卷 第2期 2000 年 6 月

來源:地質科技情報第19卷第2期 2006年 瀏覽次數: 日期:2018年1月18日 09:55
淺析國外海底取樣技術的現狀及發展趨勢-海底取樣技術介紹之一
地質科技情報第19卷 第2期  2000 年 6 月
摘 要:
    概述了海底鉆探取樣在海洋油氣鉆井和深海科學鉆探中的不同特點, 指出海底鉆探取樣是一個前沿性的復雜課題; 分析了海底取樣器的分類及巖石可鉆性分級; 針對海底柱狀取樣器的科研和設計方向提出了建議。
關鍵詞: 鉆探取樣; 可鉆性分級; 柱狀取樣器
 
    
 
    我國有著漫長的海岸線和沿海上千個島嶼。由于歷史的原因, 與發達國家相比我國對大陸架和深海水域底部的地質構造研究程度還很不夠, 對近海海底的固體礦產資源勘探投入的工作量也不多。這些正是新一輪國土資源大調查的重要內容之一。而海底鉆探取樣則是研究海底地質構造, 尋找礦產資源, 進行大陸架工程地質勘察和完成其它海運基本建設任務時必不可少的主要技術方法。海底鉆探取樣所用的設備及工藝與海洋油氣鉆井及深海科學鉆探不同, 前者主要采用工作于海底的簡單鉆機或鉆具, 鉆一個不深的孔(一般為3~ 6 m ) , 僅鉆進一個回次, 并用柱狀取樣管在給定位置完成一次性取樣。它不需要也不可能像深海鉆探那樣重復地把鉆具下入同一個鉆孔中, 沒有連續的鉆探作業循環, 不需要配置龐大昂貴的專用鉆探船。當然, 這并不意味著海底鉆探取樣只是一種簡單技術。因為, 如何保證它在海底安全工作, 如何取全、取準土(巖) 樣, 如何安全地把它提取上來等, 都還有許多問題值得研究。
 
    為此, 筆者試圖從國外常用的海底取樣鉆具的分類入手, 分析其結構、工作原理, 論證其基本參數的計算方法及選擇海底鉆具類型的依據, 并就我國今后研制新型海底取樣鉆具的研究方向和技術路線發表一些看法。
 
1 海底取樣器的應用范圍及其技術要求
  海底取樣鉆具可用于海洋和內陸水域的地質填圖, 尋找和勘探砂積層(建筑材料) 和其它固體礦產資源, 進行工程地質勘察和環境生態研究, 還可用于石油天然氣普查。考慮到取樣地點地質條件和取樣方法的多樣性, 人們對海底取樣鉆具提出了下述技術要求: ①盡可能深地鉆(貫) 入到海底地層中; ②保證取樣的可靠性, 有高的巖芯采取率, 并對所取柱狀土(巖) 樣的擾動程度最低; ③限制其質量和外形盡寸, 使其能用于小型船只和浮動裝置上; ④使其基本作業和輔助作業過程實現機械化與自動化, 減少非生產性時間的消耗; ⑤在操作使用過程中必須簡便、可靠, 并保證安全, 同時在研制開發的取樣機具上應盡量采用國內通用機械和鉆探設備制造業中的標準化產品及配套件, 以便于現場維修。
 
    上述技術要求中有些是相互矛盾的。例如, 要求海底取樣鉆具既能達到最大深度, 又要限制其質量和外形盡寸。所以, 開發出能在最合理的范圍內滿足上述要求的結構具有重要意義。海底鉆探取樣的實踐表明, 試圖研制出一種能適用于各種地質及工藝條件(從軟淤泥層到硬基巖取樣) 的萬能取樣器是不可能的。一般在船上或其它浮動裝置上應準備若干種類型的取樣鉆具, 才能滿足上述要求。
 
 
 
2 海底取樣器的分類
    綜合國外各類現代海底取樣器(筆者所述的海底取樣器不包括僅獲得深度為0.3~ 0.4 m 淺表層樣品的抓斗式、盒式、抽吸式等形式的取樣工具) 的基本特征, 我們可以按照下述4 個方面對它們進行分類(見圖1) :
①與浮動裝置的連接方式;
②控制的方式;
③取樣器貫入海底地層時, 管內發生過程的類型;
④鉆進能量的類型。這4 個方面既影響取樣的深度、時間、樣品質量、從孔內提升取樣管的方法, 也影響在取樣點按什么要求拋錨固定船只和浮動裝置等問題。
圖1 海底取樣鉆(器) 的分類
 
    根據與浮動裝置的連接方式可把取樣器分成自動式和非自動式兩種。自動式不用鋼索或承載電纜與船體相連。當船到達取樣位置時, 直接把取樣器從船上拋下, 靠重力落至海底并貫入到海底沉積物中。當配重自動分離后, 取樣器獲得向上的浮力而自動浮出水面, 自動尋找并打撈至船只甲板上。非自動式則靠浮動裝置上的絞車鋼索下放至海底, 當土(巖)樣充滿取樣管后, 再把它從孔內提出并提升至甲板上。自動式(自浮式) 取樣器主要用于深海水域獲取洋底沉積物, 故本文不加以討論。而目前在海洋大陸架進行地勘工作時, 基本上都使用非自動式取樣器。
 
    按控制的方式, 即按控制能量供給的方式, 可把海底取樣器分成非可控式和可控式兩種。非可控式取樣器靠儲存的能量貫入到海底沉積物中, 這種能量只有在取樣器或者取樣器的超前裝置到達海底時才釋放出來。非可控式取樣器的工作不受浮動裝置控制, 所以可從輕便船只和浮筏上下投, 在海浪小于3 級的條件下, 船只不用拋錨便可快速完成全部取樣作業。
 
    從浮動裝置上供應能量使其貫入到海底土層的取樣工具叫做可控式取樣器, 其工作過程可從浮動裝置上監測與控制。這類取樣器的鉆探深度和適應的巖石可鉆性級別范圍更寬, 但必然增加了取樣過程中的時間消耗, 對船只的要求也提高了, 即船只在取樣點上必須保持穩定。取樣管的結構取決于貫入土層時巖芯的形成過程, 按取樣管內工作過程的特征可把取樣器分成直通式、活塞式、靜水壓力式和負壓—靜水壓力式。因此, 取樣器的結構特征及其作用原理完全取決于能量的供給方式和對取樣器的控制程度。
 
3 適用于海底取樣器的巖石可鉆性分級
    海洋底部的軟土厚度與基巖墊層的地形密切相關。通常在凹處軟土層最厚, 而在凸起的地方軟土層很薄, 甚至表現為基巖裸露。在基巖層面呈陡傾斜的地方, 往往不可能形成軟土層。海洋沉積層的垂直剖面常表現為各種粒度地層(由淤泥至礫石) 的互層。其主要成分是淤泥、粉砂、細砂、亞砂、砂質粘土、粘土、礫石、卵石和漂礫, 它們以不同的關系互層。海底柱狀取樣的主要目的在于研究海底地層剖面中地質成分、性質及其埋深的變化情況。由于巖石碎塊被海浪、水流沿水平方向搬運并沉積下來, 故岸邊通常為塊度較大的沉積物, 而遠離海岸處通常為細粒土層。在土層的下部通常為花崗巖、片麻巖、閃長巖等結晶巖, 只能用回轉式取樣鉆來鉆取這類巖芯。目前在海洋普查中通常用這種方法來研究海底鈷—錳結核和多金屬硫化物。
    遺憾的是到目前為止, 國際鉆探界還沒有為海底取樣制訂一張統一的巖石可鉆性分級表。考慮到海底地層的多變性和所用鉆探取樣方法的多樣性,特提出如下巖石可鉆性分級表(表1)。它尤其適用于回轉式、鋼繩沖擊式和振動沖擊式取樣器。考查國外目前常用的海底取樣器, 可把它們歸納成表2 的形式。根據取樣任務和取樣點的巖石可鉆性級別、海深和地質—工藝條件, 可選定一兩種適用的取樣器類型。
 
4 建 議
    國外一些單位進行海底淺孔取樣鉆探的經費概算資料表明, 花費在每個樣品上的總經費中船只作業費用占了80%~ 90%。因此, 努力提高取樣鉆探的生產效率、降低花在每個樣品上的作業時間, 是擺在鉆探界面前的重要任務。為完善海底柱狀取樣鉆具的結構, 今后主要的科研和試驗設計方向如下。
(1) 研制能在多種海洋地質條件下順利完成海底取樣的新型鉆具結構。
(2) 進一步提高取樣的質量和樣品的代表性, 盡量消除樣品中出現地層特征紊亂、樣品的物理—力學性質被擾動等現象。
(3) 引入高科技成果, 努力實現海底取樣工藝過程可視化, 乃至實現自動化, 尤其是在比較困難的升降作業方面。以中國南海為例, 由于海水較深(無法拋錨) , 加之海流無規律, 提升取樣管時, 船體很可能已旋轉或漂移離開了取樣點位置。如果不能實現水下過程可視化與自動化, 將導致拉彎、拉斷取樣管事故的發生, 從而前功盡棄。
(4) 由于我國在海底取樣技術領域的研究起步較晚, 技術儲備不多, 目前主要的工作目標應是沿海大陸架與近海的海底取樣。當務之急是研制開發適用于海深在300 m 以內, 輕便, 功能較強, 自動化程度較高, 但對船只沒有過高技術要求的海底取樣鉆具。
(5) 制訂科學的海底取樣作業規范及安全操作規程, 使在各種海洋地質條件下進行的取樣作業達到最好的技術—經濟指標。

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該資訊的關鍵詞為:海洋油氣鉆井  深海科學 

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