許青海,劉維鵬,白寶云,吳禮林

(1.青海省核工業(yè)地質(zhì)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查大隊(duì),青海西寧 810016;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000)

湖泊相沉積地層大陸環(huán)境科學(xué)鉆探技術(shù)探索

許青海1,劉維鵬1,白寶云1,吳禮林2

(1.青海省核工業(yè)地質(zhì)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查大隊(duì),青海西寧 810016;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000)

通過(guò)對(duì)云南鶴慶縣湖泊相沉積地層環(huán)境鉆探工程施工,總結(jié)出一套適合于湖泊相沉積地層的環(huán)境鉆探技術(shù)。

環(huán)境鉆探;湖泊相沉積地層;取心;泥漿

0 引言

大陸環(huán)境鉆探是指專門為地球環(huán)境研究工作服務(wù)的鉆探技術(shù)手段,通過(guò)采用鉆探手段獲取完整的、連續(xù)的、無(wú)污染和無(wú)擾動(dòng)的近似原狀巖心標(biāo)本,分析其中含有的古氣象信息,對(duì)其進(jìn)行解密和對(duì)比分析,演繹推理出地球氣候與地理環(huán)境發(fā)展演變的歷史,這是環(huán)境研究的主要目的。

到目前為止,我國(guó)針對(duì)大陸環(huán)境科學(xué)鉆探工作還沒(méi)有成熟的施工技術(shù),對(duì)于如何開展大陸環(huán)境科學(xué)鉆探工作,還需要進(jìn)行大量的實(shí)踐和探索。大陸環(huán)境研究的主要對(duì)象是第四系沉積地層,這些地層大多為欠固結(jié)、彈塑性強(qiáng)的未成巖地層,并且環(huán)境鉆探的質(zhì)量要求獲取高質(zhì)量的巖心標(biāo)本,這就要求需要有一套完整的、系統(tǒng)的環(huán)境鉆探技術(shù)作保證達(dá)到環(huán)境鉆探的目的。

青海核工業(yè)第一地質(zhì)大隊(duì) 2002年和 2009年先后在云南鶴慶進(jìn)行了大陸環(huán)境科學(xué)鉆探工作,通過(guò)在該地區(qū)鉆探施工,逐步總結(jié)了一套適合于湖泊相沉積地層的環(huán)境鉆探技術(shù)。

1 大陸環(huán)境科學(xué)鉆探施工質(zhì)量要求

(1)對(duì)鉆孔所遇到的全部地層連續(xù)取心;

(2)要求巖心標(biāo)本完整、連續(xù)、無(wú)污染和無(wú)擾動(dòng),保持近似原狀結(jié)構(gòu);

(3)全孔巖心采取率≮95%,不出現(xiàn)連續(xù) 2個(gè)空回次;

(4)鉆孔天頂角累計(jì)偏差≯1°/100 m;

(5)孔深誤差≯0.3%;

(6)巖心直徑≮80 mm。

2 湖泊相沉積地層的地質(zhì)特征

(1)湖泊相沉積地層巖性主要是由泥巖組成,另外夾有粉砂、粗砂、礫石和古生物、植物殘留物。

(2)從整個(gè)地層而言,湖泊相沉積地層隨著地層的深度增加,地層有如下幾個(gè)變化趨勢(shì):

①密實(shí)性能由極松散到松散再到密實(shí);

②膠結(jié)性能由完全不膠結(jié)到弱膠結(jié)再到具有一定膠結(jié);

③含水性能由最初含飽合水到不含水;

④互層和夾層現(xiàn)象比較多,層與層之間的物理特征變化大。

(3)環(huán)境科學(xué)鉆探勘查的湖泊相沉積地層基本是未成巖的泥層和砂層,整個(gè)地層都具有很強(qiáng)的彈塑性能。淺孔處主要表現(xiàn)強(qiáng)流塑性,在地應(yīng)力作用下,呈半流體狀具有向鉆孔中心滑動(dòng)的傾向。隨著孔深加深,地應(yīng)力的增加,巖石內(nèi)部應(yīng)力增強(qiáng),地層具有一定的膠結(jié)強(qiáng)度,同時(shí)表現(xiàn)出彈性性能大于塑性性能。

3 湖泊相沉積地層鉆探施工的技術(shù)難點(diǎn)

由湖泊相沉積地層的特征所決定,在鉆探施工過(guò)程中主要遇到以下 2個(gè)方面的施工問(wèn)題。

3.1 取心方面問(wèn)題

即鉆探施工主要目的方面的問(wèn)題。由于環(huán)境鉆探的特殊性和湖泊相沉積地層的特點(diǎn),鉆探取心方面主要存在以下 2個(gè)問(wèn)題。

3.1.1 巖心采取率難以保證

由于湖泊相沉積地層巖心松散,彈塑性強(qiáng),怕沖刷等特點(diǎn),同時(shí)采取率要求在 95%以上。在鉆探施工過(guò)程中巖心極容易受到泥漿的沖刷和鉆具振動(dòng)的影響,造成巖心的缺損,嚴(yán)重時(shí)沒(méi)有巖心。

3.1.2 巖心采取過(guò)程中保護(hù)巖心問(wèn)題

環(huán)境鉆探的目的主要是需要采取具有很好的連續(xù)性、完整性,同時(shí)要求巖心無(wú)擾動(dòng)、無(wú)污染的巖心,但是湖泊相沉積地層所具有的特點(diǎn),采用普通的鉆探工藝時(shí)無(wú)法達(dá)到這一要求,必須采取有針對(duì)性的鉆進(jìn)工藝才能滿足環(huán)境鉆探的目的。

3.2 護(hù)壁方面問(wèn)題

即鉆探是否順利進(jìn)行方面的問(wèn)題。湖泊相沉積地層主要以粘土質(zhì)的淤泥層組成,巖心松散,彈塑性強(qiáng),遇水化膨脹嚴(yán)重,在鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常遇到長(zhǎng)孔段縮徑、埋鉆,泥包鉆頭等現(xiàn)象,這些現(xiàn)象都會(huì)嚴(yán)重的影響鉆進(jìn)的正常進(jìn)行。

4 鉆探施工技術(shù)解決方案

青海核工業(yè)第一地質(zhì)大隊(duì)針對(duì)湖泊相沉積地層特征,為了達(dá)到鉆探工程的目的和解決施工中出現(xiàn)的難點(diǎn)從以下 3個(gè)方面進(jìn)行了工作。

4.1 取心工藝

根據(jù)湖泊相沉積地層主要由淤泥層和砂層組成,以及這種地層的分布規(guī)律特點(diǎn),這類地層在鉆進(jìn)過(guò)程中可以將整個(gè)地層分為 3個(gè)大類,上部地層 (0～50 m)具有很強(qiáng)的流塑性,而中部地層 (50～300 m)則主要表現(xiàn)為彈性,底部 (300 m以深)主要由基本成巖的粘土層和砂礫石層組成。通過(guò)對(duì)地層的分析,我們針對(duì)不同地段和地層特點(diǎn)采用了 3種不同的取心鉆具進(jìn)行施工。

4.1.1 靜壓式取心工具(仿黃土取樣器)

該鉆具主要用于上部流塑性強(qiáng)的淤泥質(zhì)地層,其結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

4.1.2 超前式三管鉆具

該鉆具主要用于下部有一定膠結(jié)強(qiáng)度的泥巖地層,其結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖1 靜壓式取心工具

圖2 超前式三管鉆具

4.1.3 標(biāo)準(zhǔn)單動(dòng)雙管鉆具

該鉆具主要針對(duì)底部已基本成巖粘土層,卵礫石層。

4.2 泥漿技術(shù)

根據(jù)湖泊相沉積地層的特點(diǎn),環(huán)境鉆探對(duì)泥漿的要求主要在護(hù)壁性能、低失水量、高密度 3個(gè)方面,根據(jù)以往在沉積巖中施工的經(jīng)驗(yàn),我們采用了在這 3方面性能具有很好表現(xiàn)的 KP共聚物粗分散泥漿體系。

KP共聚物是以腐殖酸鉀 (KHm)、聚丙烯酰胺(PAM)和羧甲基纖維素(CMC)作為主料,加入適量起著助溶、增效、潤(rùn)滑及穩(wěn)定作用的表面活性劑,在一定的溫度和壓力下共聚而成的一種復(fù)合型泥漿處理劑,它具有良好的抑制水化、防止坍塌、稀釋降粘、利于除砂等作用,而且具有潤(rùn)滑鉆具、抗鈣鎂污染和耐高溫等性能。

KP共聚物泥漿能夠很好地滿足淤泥質(zhì)粘土的鉆進(jìn)取心要求。它的簡(jiǎn)單配方是:1 m3泥漿中加鈣質(zhì)膨潤(rùn)土 40 kg,碳酸鈉 2 kg,KP共聚物 3 kg。配好的泥漿性能為:粘度 22～24 s,失水量 8～10 mL/30 min,泥皮厚度 1 mm。

4.3 操作技術(shù)

(1)提鉆時(shí)要及時(shí)向孔內(nèi)回灌泥漿,防止鉆孔縮徑和塌孔。

(2)鉆進(jìn)回次進(jìn)尺 <2 m,盡力減少巖心磨耗。

(3)遇到鉆進(jìn)速度驟增和驟減時(shí)要及時(shí)提鉆,防止巖心堵塞造成巖心損耗。

(4)提鉆過(guò)程中要輕提輕放,以防震落巖心。

(5)時(shí)常檢查取心鉆具的單動(dòng)性、隔水性,發(fā)現(xiàn)異常要及時(shí)檢修,決不能湊合使用。

(6)時(shí)常檢查泥漿的粘度、失水量以及泥漿污染情況,及時(shí)補(bǔ)充新泥漿和泥漿處理劑,使泥漿性能符合環(huán)境鉆探要求。

5 施工情況

鉆探設(shè)備為 XY-5型鉆機(jī)、BW-250型水泵、SG-18鉆塔、立式 1 m3泥漿攪拌機(jī)和小型除砂器。

主要采用 KP共聚物泥漿。

鉆進(jìn)方法:0～50 m采用靜壓式鉆具進(jìn)行鉆進(jìn); 50～300 m采用內(nèi)超前鉆具進(jìn)行鉆進(jìn);300～750 m采用標(biāo)準(zhǔn)式單動(dòng)雙管鉆具鉆進(jìn),遇到卵、礫石層時(shí)采用金剛石復(fù)合片鉆進(jìn)。

由于采取技術(shù)方法得當(dāng),順利完成了一個(gè) 750 m深孔和 5個(gè) 30 m淺孔的鉆孔施工任務(wù)。全孔平均巖心采取率都達(dá)到 97%以上,保持了較好的巖心原狀形,圓滿地完成了環(huán)境鉆探的取心要求。

6 結(jié)語(yǔ)

湖泊相環(huán)境鉆探為大陸環(huán)境科學(xué)研究服務(wù)項(xiàng)目,主要要求獲取高質(zhì)量的、未擾動(dòng)的巖心樣品。在不同地層采用不同的鉆具結(jié)合,同時(shí)配合高性能的泥漿體系是能夠滿足這種高質(zhì)量要求的施工手段。通過(guò)云南鶴慶大陸環(huán)境鉆探的施工,為湖泊相沉積地層大陸環(huán)境鉆探施工提供了以下幾個(gè)思路:

(1)對(duì)于湖泊相沉積地層進(jìn)行系統(tǒng)的分析,細(xì)分各個(gè)層位 (定性的認(rèn)識(shí))和確定各個(gè)層位的物理化學(xué)特性(定量的認(rèn)識(shí));

(2)鉆具的設(shè)計(jì)必須針對(duì)每個(gè)不同地層的物理特性進(jìn)行,以達(dá)到巖心能快速進(jìn)入內(nèi)管中,保證高采取率且原狀結(jié)構(gòu)保持好;

(3)采用的泥漿體系必須要起到既護(hù)壁又護(hù)心的作用,既有效地保持孔壁穩(wěn)定,同時(shí)又要保護(hù)巖心的完整性。

[1] 劉寶林,何躍文,司敬成.湖泊環(huán)境科學(xué)鉆探施工技術(shù)[J].探礦工程,1999,(2):47-49.

[2] 宋濤,劉寶林,李國(guó)民.冬季呼倫湖環(huán)境科學(xué)鉆探冰上湖泊鉆探平臺(tái)及取樣技術(shù)[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2008,35 (10):1-6,10.

[3] 何遠(yuǎn)信,等.環(huán)境科學(xué)鉆探取樣技術(shù)研究[J].現(xiàn)代地質(zhì),2005, (9).

[4] 鄭綿平,等.青藏高原第四紀(jì)重點(diǎn)湖泊地層序列和湖相沉積若干特點(diǎn)[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2008,(6).

[5] 黃衛(wèi)東,等.系列原狀取心鉆具在中國(guó)大陸環(huán)境科學(xué)鉆探中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2005,32(S1).

[6] 費(fèi)連成,等.鹽水泥漿在羅布泊大陸環(huán)境科學(xué)鉆探中的應(yīng)用[J].探礦工(巖土鉆掘工程)程,2005,32(S1).

Research on Cont inental Environment Scientific Drilling Technology in Lake Facies Deposit Strata

XU Q ing2hai1, LIU W ei2peng1,BA I Bao2yun1,WU Li2lin2(1.No.1 Geology and Mines Investigation Branch of Qinghai Province Nuclea Geology,Xining Qinghai 810016,China;2.The Institute of Exploration Techniques,CAGS,Langfang Hebei 065000 China)

Based on the environment drilling construction in lake facies deposit strata of Yunnan,the technologies were summed up for such engineering.

environment drilling;lake facies deposit strata;coring;drillingmud

P634.5

A

1672-7428(2011)05-0020-03r ,

2010-12-08;

2011-04-20

許青海(1977-),男(漢族),青海樂(lè)都人,青海省核工業(yè)地質(zhì)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查大隊(duì)地質(zhì)工程公司總工程師,探礦工程專業(yè),從事大陸環(huán)境科學(xué)鉆探技術(shù)研究工作,青海省西寧市生物科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)經(jīng)三路 38號(hào),xuqinghai@yahoo.com.cn。