Drill bits

Met uitzicht op de magische Fuji vulkaanmeren we aan in de haven van Shimizu. Eindelijk hebben we weer vaste grond onder de voeten.

Terwijl ik de Chikyu bekijk vanop het dok lijkt dit schip, dat gedurende de voorbije zeven weken voor mij gekrompen leek tot een kleine cel, weer enorm groot. Het waren zeven zeer intense weken. Zeven weken van hard werk en verrassende ontdekkingen, maar nu wil iedereen gewoon graag naar huis.

And with the majestical Mount Fuji on the horizon we docked in Shimizu port. Finally we have solid ground under our feet. Watching the Chikyu from the dock, the ship that seemed to have shrunk to a tiny cell, seems incredibly large again. It has been a very intens seven weeks. Seven weeks of hard work and thrilling discoveries, but now everybody just wants to go home.

Nog slechts een aantal dagen en dan zit deze expeditie erop. Toch zijn er nog zoveel dingen die moeten gebeuren! Iedereen werkt dus enorm hard en maakt enorm lange dagen (12 tot 16 werkuren per dag!) om alles op tijd klaar te krijgen. De laatste stalen worden geanalyseerd, rapporten worden geschreven en gecorrigeerd, grafieken en figuren worden gemaakt. Er zijn momenten geweest dat de sfeer aan boord iets minder gespannen was dan nu.

Only a few more days and this expedition will be over. Still so many things have to be done! Everybody is working really hard and really long hours (12 to 16 hours a day!) to get everything finished. The last samples have to be analysed, reports have to written and corrected, graphs and figures have to be made. There have been times when the atmosphere on this ship was slightly lighter.

Ik ben één van de drie sedimentologen op dit schip. Het is onze taak om de modder van de diepzee die naar het oppervlak wordt gebracht te beschrijven. Wij gaan na of deze modder zand, silt of klei is, of er speciale kenmerken in te onderscheiden zijn (bv. lagen, verschillende kleuren, fossielen, ...). Al deze eigenschappen vertellen iets over de omgeving en de omstandigheden waarin deze modder op de zeebodem werd afgezet.

De laatste dagen kregen we sedimentkernen vol met turbidieten onder de neus geschoven. Een turbidiet is een geologische term voor een turbulente stromingsafzetting. Een turbulente stroming onstaat door een onderwaterlawine. Dergelijke stromingen zorgen voor de verspreiding van grote hoeveelheden sediment in de diepzee.

Een typische turbidiet is herkenbaar als een interval waar de korrelgrootte geleidelijk afneemt. In de diepzee, ver weg van de kust, wordt er normaalgezien enkel zeer fijn materiaal (klei of silt) afgezet. Een turbidiet, daarentegen, heeft meestal een grofkorrelige basis (vaak zand) en geleidelijk aan neemt de korrelgrootte in deze afzetting af tot zeer fijn materiaal. In de onderstaande foto kan je verschillende van deze turbidietafzettingen onderscheiden.

Om een turbulente stroming te creëren heb je meestal een helling nodig. Wanneer een grote hoeveelheid sediment wordt afgezet op een helling, kan dit pakket soms onstabiel worden en naar beneden glijden. Zo onstaat een turbulente stroming. Ook tektoniek (bv. aardbevingen) kan er voor zorgen dat het sediment op een helling onstabiel wordt.

I am one of the three sedimentologists on this ship. It is our job to describe the deep sea mud that is brought to the surface. We have to determine if it is sand or clay, if we can see special features (layers, different colouring, fossils, ...), because it will tell us something about the environment in which this mud was deposited on the seafloor.

The last couple of days we have receiving cores full of turbidites. A turbidite is a geological name for a turbidity current deposit. A turbidity current is created by an underwater avalanche and they are responsible for distributing vast amounts of sediment into the deep ocean.

A typical turbidite can be recognised as a fining upward interval. In general in the deep ocean, far away from the coast, only very fine material is deposited (clay or silt). A turbidite starts with coarse material (mostly sand) and grades gradually into fine material. In the photo below you can see several of these fining upward sequences (red arrows).

The formation of a turbity current generally requires a slope. When a lot of sediment is deposited on top of a slope, it can become unstabel and slide downslope resulting in the creation of a turbidite. But also tectonism (e.g. earthquakes) can trigger slope instability.

D/V Chikyu is een boorschip. Heel eenvoudig betekent dit dus dat de Chikyu gebouwd is om gaten in de zeebodem te boren. Maar, een gat in de zeebodem boren is echter heel complex.

Tijdens mijn verblijf aan boord werd er 'gewoon' geboord, d.w.z. boren zonder riser. Dit type van boring beperkt de boordiepte. In een geologisch dynamische  omgeving zoals een accretieprisma is het risico voor boorgatinstorting zeer hoog. Door een boorgatinstorting kan de boorpijp vast komen te zitten en dit moet ten allen tijde vermeden worden. Bijgevolg wordt er met deze methode in deze regio niet dieper geboord dan 1300-1400 m onder de zeebodem.

Om dieper te kunnen boren wordt er een andere techniek gebruikt: riser drilling. De riser is een dikke buis die rond de boorpijp wordt geplaatst. In de riserbuis circuleert er een dikke, visceuze modder. Deze modder zorgt ervoor dat de druk hoog genoeg blijft, zodat het boorgat niet kan instorten. De riserbuis bevindt zich tussen de bodem van het schip en de zeebodem.

De druk in de riser en in het boorgat wordt zeer streng gemonitord en gecontroleerd. De druk neemt toe naarmate men dieper in de aardkorst boort, maar in een accretieprisma komen er vaak zones voor met overdruk. Het boren in gesteenten in overdruk is gevaarlijk. Wanneer er in een zone met overdruk wordt geboord, kan de boorpijp uit het boorgat geblazen worden. Dit wordt een blow-out genoemd. Een blow-out is niet alleen gevaarlijk voor de beschadiging van het materiaal en de drill rig, maar is ook zeer risicovol voor de bemanning aanwezig op de drill rig. Om dit te voorkomen wordt de riser verbonden met een BlowOut Preventer (BOP). De BOP wordt op de zeebodem geplaatst, boven op het boorgat (well head). De BOP is een grote, speciale klep. Meestal worden er meerdere kleppen op elkaar 'gestackt'. Wanneer er overdruk optreedt zal de BOP zijn kleppen sluiten en voorkomen dat er vloeistoffen in overdruk uit de gesteentes in overdruk naar boven vloeien.

Omdat BOPs zo essentieel zijn voor de veiligheid van de bemanning en het boorschip, worden ze zeer regelmatig gecontroleerd, getest en onderhouden.

Door slechte weercondities werd de riser van de D/V Chikyu beschadigd tijdens het eerste deel van de expeditie. Een herstelling aan boord van het schip was niet mogelijk. Bijgevolg werd het oorspronkelijke plan om tot 3600 m diep onder de zeebodem te boren aangepast. Volgend jaar zullen verschillende wetenschappers terugkeren met een volledig herstelde riser en BOP om toch de geheimen van deze dieptes te kunnen ontsluieren.

D/V Chikyu is a deep drilling vessel. So in essence it is a ship that is specially built to drill holes in the ground. Of course, there is far more to drilling a hole in the ground than just drilling a hole in the ground.

While I have been on board we have been doing 'normal' drilling or riserless drilling. This limits the depth to which we can drill, because especially in dynamic geological environments as an accretionary prism, the risks of hole collaps, consequently leading to the drill pipe being stuck, are high. Therefore we have not been drilling deeper than 1300-1400 m below the seafloor.

In order to drill deeper, another drilling technique has to be used, called riser drilling. The riser is a large pipe that goes around the drill string. Inside of the riser pipe a viscous mud is circulating, which will keep enough pressure in the hole to prevent collaps. The riser extends from the bottom of the ship to the bottom of the ocean.

The pressure needs to be controlled rigorously. In general pressure increases while we drill deeper in the Earth's crust, but in an accretionary prism, there will be zones in the crust which will be overpressured. Drilling into overpressured rock is dangerous. Drilling into an overpressured zone might cause the drill pipe to be blown out of the bore hole. Such a blow out is incredibly dangerous, not just for the equipment, but also for all the crew working on the drill rig. To prevent this from happening, the riser pipe is connected to a BlowOut Preventer (BOP) which is placed on the bottom of the ocean on top of the well head. The BOP is a large, specialized valve, usually installed in stacks. In case of overpressure the BOP will close its valves and will prevent the influx of overpressured fluids coming from the overpressured zone into the wellbore.

Because BOPs are essential for the crew's safety as well as the for the drilling rig, the BOPs are regularly inspected, tested and refurbished.

Due to bad weather conditions, the riser of D/V Chikyu got damaged during the first part of the expedition. The original plan (see drawing below) of drilling down to 3600 m below the seafloor had to be changed. But scientist will be back next year, with a fully operational riser and BOP to hit that mark.

De Chikyu is een boorschip, dus in tegenstelling tot de meeste schepen waar de brug één van de hoogste plaatsen is, staat er hier nog een gigantische hoge structuur achter de brug. Deze structuur noemt in het Engels 'derrick'. De derrick is een soort lift, een grote kraan eigenlijk, die in dit geval de boor'string' en boorpijp optilt en positioneert. De derrick torent zo'n 121 meter boven het zeeniveau uit net boven de 'moon pool'. De moon pool is een rechthoekig gat van 12 bij 22 m in het midden van het schip, waardoor de boorpijp naar beneden gelaten wordt.

Indien je wil kan je een virtueel kijkje nemen op de derrick en moon pool van de Chikyu via de Chikyu website.

Om de lange boorpijp te komen onderhouden en eventuele herstellingen te kunnen uitvoeren, is het soms noodzakelijk om iets hoger te staan. Daarom werden er verschillende platformen rond de derrick gebouwd. Deze platformen kan je bereiken via je een kleine lift.

Aangezien lucht beperkt is in deze kleine ruimte, gelden er bepaalde regels ...

Vandaag mochten de wetenschappers het kleine liftje nemen naar de top van de derrick. Eenmaal daar, besef je pas hoe groot dit schip is. Aangezien de zon scheen en er slechts een licht briesje woei, was het daar vandaag geen slecht plekje, helemaal niet zelfs!

The Chikyu is a drilling vessel, so unlike most ships where the bridge is the highest point of the ship, here there is a whole structure standing behind the bridge. This structure is called the derrick. A derrick is a lifting device, a big crane actually, which lifts and positions in this case the drill string and drill pipes. The derrick towers 121 meters above the sea surface, right above the moon pool. The moon pool is a rectangular hole of 12 by 22 m in the middle of the ship through which they lower the drill pipe towards the sea floor. You can take a tour on the derrick and moon pool yourself on the Chikyu website.

In order to maintain and to repair different parts of the drill pipe or string it is sometimes necessary to go higher up, so there are several platforms around the derrick which you can reach with a tiny lift. Since air supply is restricted in such a small space, certain rules apply ...

Today we were allowed to go to the top of the derrick, only then you can really get a grasp of how high this tower is and big this ship is. Since the sun was shining and there was only a small breeze, it was not bad up there, not bad at all!