分类：电子论文 时间：2022-03-14 热度：436
摘要：约占地球面积71%的海洋里蕴藏着海量的地质、生物、气候等信息和丰富的资源，我国“十三五”国家科技创新规划中，将“深海、深地、深空、深蓝科学研究”列为战略性前瞻性重大科学问题，并将“国际大洋发现计划(IODP)列为5项国际大科学计划和大科学工程之一。但在深海钻探，作业环境和条件都较陆地上更加复杂，对钻探船、钻探工艺、环保措施、施工组织管理等都是严峻的考验。本文在概述大洋钻探的意义和成果，回顾世界大洋钻探的演进史和工程实施概况以及我国参加大洋钻探情况的基础上，针对大洋钻探的钻井特点和地层条件，探讨了海洋科学钻探取心技术、超深水条件的重入钻孔技术、跟管钻进下套管技术、超深水条件的泥浆循环等关键技术问题，提出了我国实施大洋钻探工程的初步设想。
关键词：大洋钻探;钻探工程;钻探船;钻探工艺
0 引言
钻探是目前直接获取地球深部实物资料的唯一方法，但地球面积的71%被海水所覆盖，在海上实施钻探成为人类探索地球所面临的一项巨大挑战。美国自实施“莫霍面钻探计划”之后，于1968年启动了“深海钻探计划(DSDP)”，并逐渐发展成国际性的计划。此后相继实施了“大洋钻探计划(ODP)”、 “综合大洋钻探计划(IODP)”和“国际大洋发现计划(IODP)”。世界海洋科学钻探实施50多年来，在全球各大洋钻井近4000口，获取了60余万米岩心和大量数据。根据获得的信息，验证了“大陆漂移”和 “海底扩张”假说;创建了“板块构造”学说;揭示了气候演变的规律;发现了海底“深部生物圈”和“可燃冰”;在海洋的历史、古气候和古生物的演化、海底火山喷发、沉积作用、海底矿产分布等研究方面，取得了许多重大成果，推动了地球科学一次又一次的重大突破。
在我国的“十三五”国家科技创新规划中，“深海、深地、深空、深蓝科学研究”被列为战略性前瞻性重大科学问题。对于这一类问题，国家将强化以原始创新和系统布局为特点的大科学研究组织模式，部署基础研究重点专项，实现重大科学突破、抢占世界科学发展制高点[1]。
规划提出的5项国际大科学计划和大科学工程中，“国际大洋发现计划(IODP)”位居其中。该项计划的目标是：瞄准国际前沿科学问题，验证大陆破裂形成海洋的重大理论假说，解决南海北部油气勘探开发中的关键问题。创新参与模式，提高我国的主导作用[1]。
国务院已批准，由中国地质调查局承担建造天然气水合物钻采船(大洋钻探船)的任务。该钻探船的排水量为33000t，其主要功能是开展海域天然气水合物试采和深海科学钻探，同时兼顾海洋油气勘探。按照计划，该船将于2021年6月前下水。
对于中国的地球科学家和工程技术人员来说，实施大洋钻探工程的任务已摆在我们面前。
1 世界大洋钻探的演进史
世界上最早的科学钻探活动开始于海洋，第一个科学钻探计划是美国的“莫霍面钻探计划”。该计划于20世纪50年代末启动，目的是要钻透莫霍面(地壳和地幔的界面)，实现地学研究的重大突破。实施该计划采用 CUSS1号钻探船。第一口科学钻孔于1961年3月在地拉霍亚海岸附近施工，在水深948m的海底向下钻进了315m。由于实施该计划技术难度大且费用高昂，1966年8月美国国会投票否决了对该计划的拨款预算，计划宣告终止。
“莫霍面钻探计划”虽然中途夭折，但其实施的意义重大，对于地球科学的发展起了不可估量的作用：一方面它开启了科学钻探的先河，宣告科学钻探作为一种新的地学研究手段开始得到应用;另一方面它证明了通过实施深海钻探获取洋底的沉积层和基岩样品在技术上是可行的。
1966年6月，美国科学基金会(NSF)与斯克利浦斯海洋研究所(ScrippsInstitutionofOceanogra-phy，SIO)签定合同，由科学基金会提供1260万美元，实施一项以揭示洋底上部地壳为目标的长期钻探计划，即“深海钻探计划”(DeepSeaDrillingPro-ject，简称DSDP)，其做法是在世界各大洋施工数量较多但深度较浅的钻孔，广泛地采集沉积层样品和岩心。该计划由地球深部取样海洋研究机构联合体(JOIDES)实施，由斯克利浦斯海洋研究所牵头，采用“格洛玛·挑战者号”(GlomarChallenger)科学钻探船。“深海钻探计划”的实施时间是1968年8月至1983年11月。该计划起初由美国单独执行，后逐渐发展成有多国参加的国际性计划。
在“深海钻探计划”进行到最后阶段时，学者们认为，有必要将深海和大洋的钻探继续下去，应该制定一项更长期的国际性大洋钻探计划，提出了新计划组织框架和优先研究的领域，“大洋钻探计划(O-ceanDrillingProgram，简称 ODP)”因此诞生。大洋钻 探 计 划(ODP)从1985年1月 开 始 实 施，于2003年9月结束。
参与该计划的最初有美国、德国、法国、日本、英国、加拿大、澳大利亚和代表12个国家的欧洲科学基金会，我国于1998年春天作为“参与成员”加入。ODP每年的经费预算约为4000万美元，美国科学基金会是最大的出资机构，其他成员出资不一，但其享有的权益(上船学者的人数和在各委员会和专题组中占的席位)与出资成比例。
大洋钻探计划(ODP)于2003年10月转入“综合大洋钻探计划(IODP)”的新阶段。综合大洋钻探以“地球系统科学”思想为指导，计划打穿大洋壳，揭示地震机理;查明深部生物圈和天然气水合物;了解极端气候和快速气候变化的过程;为国际学术界构筑起新世纪地球系统科学研究的平台;同时为深海新资源勘探开发、环境预测和防震减灾等实际目标服务。IODP的钻探范围扩大到全球所有海区(包括陆架浅海和极地海区)，研究领域从地球科学扩大到生命科学，手段从钻探扩大到海底深部观测网和井下试 验。美 国、日本等国的投入有重大增加。IODP的年度总预算将达到1.6亿美元，是 ODP的4倍。
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与DSDP、ODP仅仅依靠一艘钻探船的情况不同，综合大洋钻探计划的一个主要特点是同时采用多个钻探平台，除了类似于“JOIDES决心号”这样的无隔水管钻探船以外，日本斥资5.4亿美元建造的五万吨级的隔水管钻探船“地球号(Chikyu)”也加盟到IODP计划中。此外，由15个国家组成的 “欧洲海洋科学钻探联合体(ECORD)”采用一些能在海冰区和浅海区钻探的钻探平台(特定任务平台)也加入了IODP。
目前正在实施的“国际大洋发现计划(IODP，2013-2023年)”是“综合大洋钻探计划”的延续，是地球科学历史上规模最大、影响最深的国际合作研究计划。IODP新十年科学计划的四大科学目标是：理解海洋和大气的演变;探索海底下面的生物圈;揭示地球表层与地球内部的连接;研究导致灾害的海底过程。目前，IODP共有26个国家参与，包括美国、日本、欧洲18国、中国、巴西、印度、韩国、澳大利亚和新西兰等。该计划实施时，依然采用3种钻探平台，即美国的“决心号”、日本的“地球号”和欧洲的“特定任务平台”。
2 大洋钻探施工数据统计
世界大洋钻探的钻进和取心数据统计(1968年8月-2018年2月)见表1[2-4]。
由表1可知，3806口海洋科学钻孔的平均孔深只有261m，主要的钻探施工是在沉积层中进行的。另外，岩心采取率较低，633858m 取心钻进总进尺的平均岩心采取率只有62.2%，明显低于陆地取心钻进的岩心采取率。实际上，海洋科学钻探基岩钻进的岩心采取率更低。统计数据表明，89个基岩钻孔总进尺28470m，平均岩心采取率仅为40.8%[5]。世界大洋科学钻探的一些施工纪录见表2，这些纪录反映了目前人类勘探海洋地壳钻进施工的能力。统计资料还表明，世界大洋科学钻探在绝大多数情况下采用无隔水管方法施工。隔水管钻进的进尺，不到大洋钻探施工总进尺的2%。“地球号”虽然具有隔水管钻井的功能，但在多数情况下，还是采用无隔水管方法施工。
3 我国参加大洋钻探的情况
我国于1998年加入 ODP，年付会费50万美元。2004 年 加 入 IODP，年 付 会 费 100 万 美 元。2013年10月，经习近平、李克强等国家领导人批示，我国加入国际大洋发现计划，并大幅度提高资助强度，除了每年支付300万美元会费，还以匹配经费的形式资助IODP的航次，在新IODP运行的前4年(2014-2017年)，中国为IODP提供了3000万美元的资助，成为仅次于美、日和欧洲的第四大资助方。我国参加IODP的相关工作由科技部牵头，协调财政部、自然科学基金委、国土资源部(现自然资源部)、教育部、海洋局(现隶属于自然资源部)和中科院等相关部门共同领导，同时成立了中国IODP专家咨询委员会和中国IODP办公室负责具体组织实施，办公室设在同济大学[11]。
中国参与国际大洋发现计划突出的贡献在于组织领导国际科学家团队在南海成功实施的4个IO-DP航次，即2014年1-3月执行的IODP349航次、2017年2-6月执行的IODP367、368航次和2018年11-12月执行的IODP368X航次。4个航次在南海北部海域钻探12个站位，总进尺12000多米，获取岩心4100余米，获得大量珍贵的沉积物和玄武岩岩心样品。其中在南海3800m 水深最深站位，成功向海底以下钻进1710m(进入基底玄武岩超过110m)，是大洋钻探历史上第五深站位。上述4个大洋钻探航次均由同济大学汪品先院士领衔的团队设计领导，推动实施。同济大学作为中国IO-DP 办 公 室 所 在 地，也 是 中 国 IODP 的 研 究 基地[12-13]。
我国参与国际大洋科学钻探的主要方式是，按一定的配额派科学家参加“决心号”的海洋科学钻探航次和相关的研究活动。至今，实施了4个以中国科学家为首席科学家的南海大洋科学钻探航次。总的来说，我国在世界海洋科学钻探活动中居次要地位，作用和影响力较弱，其主要原因是我国没有深海科学钻探船，不具备在深水或超深水条件下直接获取洋底地层样品和数据的能力。建造我国自己的钻探船，研发自己的深海钻探技术，实施由中国主导的海洋科学深钻，是改变目前不利局面的最佳方案。据介绍，中国IODP“三步走”战略目标已经确定：第一步，实现2～3个以我国科学家为主导的大洋钻探航次;第二步，仿效欧洲，争取成为IODP又一个平台提供者;第三步，建造中国自己的大洋钻探船。目前，中国IODP“三步走”战略目标中的第一步已圆满完成，建造大洋钻探船已经提上议事日程，中国科学家和工程技术人员的大洋钻探梦即将实现[14-15]。
中国地质调查局下属的与海洋及钻探技术有关的研究单位，如广州海洋地质调查局、探矿工程研究所、勘探技术研究所等，多年来一直在开展大洋钻探工程技术研究工作：一方面长期跟踪世界大洋钻探的进展，分析研究大洋钻探实施中采用的各种技术，包括取心技术、重入钻孔技术、跟管钻进下套管技术等;另一方面开展了海洋取心技术的研发，相继研发成功可适应不同地层条件的多种常规取心钻具和保压取心钻具。利用国产的钻探船(如海洋地质十号钻探船)进行了多轮取心钻具试验，常规取心钻具的最大作业水深达到了1720m，保压取心钻具的最大作业水深达到了1309m[16-18]。广州海洋地质调查局目前正组织开展天然气水合物试采/大洋钻探船的建造和大洋钻探技术研发。
4 大洋钻探的主要工程技术问题
4.1 海上钻井施工的特点
(1)海上钻井日费用非常高，万米钻井船日费用达几十万美元。因此，减少辅助时间，提高施工效率，是海上钻进技术设计的首要考虑因素，钻井技术方案围绕着这一点进行制定，强调高效率和可靠性。
(2)漂浮在海上的钻井船在海浪和洋流的作用下是动荡的，既有垂直方向的起伏，又有水平方向的移动和摇摆。必须采取与常规陆地钻井完全不同的特殊技术措施手段，保障钻进施工的平稳性和避免钻具异常损坏。
(3)钻井船上的工作平台与洋底的井口有长段的水体相隔，给钻进施工操作带来很大困难。必须采取一些特殊的技术手段，才能保证钻井施工正常进行和任务目标的实现。
4.2 海洋科学钻探的地层条件
海洋科学钻探的地层条件在不同地点变化较大。一般来说，最上层是沉积层，下部的岩性依次为玄武岩、辉长岩和橄榄岩(地幔岩)。沉积层的厚度很不一样，在大洋中脊部位，基本上没有沉积层;有的地方沉积层厚几十到几百米;有的地方沉积层厚达数千米。而沉积层也有软泥层、硬土层和较硬的砂岩地层之分。在较软的沉积层中，往往含有较硬的夹层，如碳酸岩结壳、燧石等。总之，钻进的条件是复杂多变的，在取心钻进技术方面，需要采取不同的对策。
4.3 海洋科学钻探取心技术
以美国为首的一些发达国家实施大洋科学钻探已经50多年了，在深海取心钻进技术方面开展了大量研发，在施工方面积累了丰富的经验，摸索出了一套适合于不同地层条件的取心钻具(参见表3，图1～4)和施工工艺[19]。实践表明，有些钻具和工艺应用效果较好，但在某些地层，钻具和工艺应用效果依然较差。
6 结语
大洋科学钻探是世界科学技术史上浓墨重彩的一笔，催生了地球科学领域的许多重大理论和重大发现，对人类认识地球系统及其运动规律作用巨大。尽管大洋钻探实施已经50多年，但由于世界海洋面积广阔和大洋钻探实施难度巨大，此方面的工作方兴未艾，还有许许多多的地球奥秘需要通过大洋钻探予以揭示。随着我国经济能力和科学技术实力的增强，我国的科学家和工程技术人员将作为主要力量之一，参与到大洋钻探这一世界性的巨大科学工程之中，为地球科学和人类自身的发展，贡献中国的力量。钻井工程作为大洋钻探的核心技术支撑，对大洋钻探项目成功实施具有重要作用。鉴于我国大洋钻探船即将面世，开展大洋钻探的工程技术准备和技术研发工作已是迫在眉睫。——论文作者：叶建良1，张 伟2，谢文卫1，3
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文章名称：我国实施大洋钻探工程的初步设想
