湖泊相沉積地層大陸環境科學鉆探技術探索

許青海,劉維鵬,白寶云,吳禮林

(1.青海省核工業地質局第一地質礦產勘查大隊,青海西寧 810016;2.中國地質科學院勘探技術研究所,河北廊坊 065000)

湖泊相沉積地層大陸環境科學鉆探技術探索

許青海1,劉維鵬1,白寶云1,吳禮林2

(1.青海省核工業地質局第一地質礦產勘查大隊,青海西寧 810016;2.中國地質科學院勘探技術研究所,河北廊坊 065000)

通過對云南鶴慶縣湖泊相沉積地層環境鉆探工程施工,總結出一套適合于湖泊相沉積地層的環境鉆探技術。

環境鉆探;湖泊相沉積地層;取心;泥漿

0 引言

大陸環境鉆探是指專門為地球環境研究工作服務的鉆探技術手段,通過采用鉆探手段獲取完整的、連續的、無污染和無擾動的近似原狀巖心標本,分析其中含有的古氣象信息,對其進行解密和對比分析,演繹推理出地球氣候與地理環境發展演變的歷史,這是環境研究的主要目的。

到目前為止,我國針對大陸環境科學鉆探工作還沒有成熟的施工技術,對于如何開展大陸環境科學鉆探工作,還需要進行大量的實踐和探索。大陸環境研究的主要對象是第四系沉積地層,這些地層大多為欠固結、彈塑性強的未成巖地層,并且環境鉆探的質量要求獲取高質量的巖心標本,這就要求需要有一套完整的、系統的環境鉆探技術作保證達到環境鉆探的目的。

青海核工業第一地質大隊 2002年和 2009年先后在云南鶴慶進行了大陸環境科學鉆探工作,通過在該地區鉆探施工,逐步總結了一套適合于湖泊相沉積地層的環境鉆探技術。

1 大陸環境科學鉆探施工質量要求

(1)對鉆孔所遇到的全部地層連續取心;

(2)要求巖心標本完整、連續、無污染和無擾動,保持近似原狀結構;

(3)全孔巖心采取率≮95%,不出現連續 2個空回次;

(4)鉆孔天頂角累計偏差≯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,地層有如下幾個變化趨勢:

①密實性能由極松散到松散再到密實;

②膠結性能由完全不膠結到弱膠結再到具有一定膠結;

③含水性能由最初含飽合水到不含水;

④互層和夾層現象比較多,層與層之間的物理特征變化大。

(3)環境科學鉆探勘查的湖泊相沉積地層基本是未成巖的泥層和砂層,整個地層都具有很強的彈塑性能。淺孔處主要表現強流塑性,在地應力作用下,呈半流體狀具有向鉆孔中心滑動的傾向。隨著孔深加深,地應力的增加,巖石內部應力增強,地層具有一定的膠結強度,同時表現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難點

由湖泊相沉積地層的特征所決定,在鉆探施工過程中主要遇到以下 2個方面的施工問題。

3.1 取心方面問題

即鉆探施工主要目的方面的問題。由于環境鉆探的特殊性和湖泊相沉積地層的特點,鉆探取心方面主要存在以下 2個問題。

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,怕沖刷等特點,同時采取率要求在 95%以上。在鉆探施工過程中巖心極容易受到泥漿的沖刷和鉆具振動的影響,造成巖心的缺損,嚴重時沒有巖心。

3.1.2 巖心采取過程中保護巖心問題

環境鉆探的目的主要是需要采取具有很好的連續性、完整性,同時要求巖心無擾動、無污染的巖心,但是湖泊相沉積地層所具有的特點,采用普通的鉆探工藝時無法達到這一要求,必須采取有針對性的鉆進工藝才能滿足環境鉆探的目的。

3.2 護壁方面問題

即鉆探是否順利進行方面的問題。湖泊相沉積地層主要以粘土質的淤泥層組成,巖心松散,彈塑性強,遇水化膨脹嚴重,在鉆進過程中經常遇到長孔段縮徑、埋鉆,泥包鉆頭等現象,這些現象都會嚴重的影響鉆進的正常進行。

4 鉆探施工技術解決方案

青海核工業第一地質大隊針對湖泊相沉積地層特征,為了達到鉆探工程的目的和解決施工中出現的難點從以下 3個方面進行了工作。

4.1 取心工藝

根據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律特點,這類地層在鉆進過程中可以將整個地層分為 3個大類,上部地層 (0～50 m)具有很強的流塑性,而中部地層 (50～300 m)則主要表現為彈性,底部 (300 m以深)主要由基本成巖的粘土層和砂礫石層組成。通過對地層的分析,我們針對不同地段和地層特點采用了 3種不同的取心鉆具進行施工。

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的淤泥質地層,其結構如圖 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強度的泥巖地層,其結構如圖 2所示。

圖1 靜壓式取心工具

圖2 超前式三管鉆具

4.1.3 標準單動雙管鉆具

該鉆具主要針對底部已基本成巖粘土層,卵礫石層。

4.2 泥漿技術

根據湖泊相沉積地層的特點,環境鉆探對泥漿的要求主要在護壁性能、低失水量、高密度 3個方面,根據以往在沉積巖中施工的經驗,我們采用了在這 3方面性能具有很好表現的 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、潤滑及穩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粘土的鉆進取心要求。它的簡單配方是:1 m3泥漿中加鈣質膨潤土 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

(1)提鉆時要及時向孔內回灌泥漿,防止鉆孔縮徑和塌孔。

(2)鉆進回次進尺 <2 m,盡力減少巖心磨耗。

(3)遇到鉆進速度驟增和驟減時要及時提鉆,防止巖心堵塞造成巖心損耗。

(4)提鉆過程中要輕提輕放,以防震落巖心。

(5)時常檢查取心鉆具的單動性、隔水性,發現異常要及時檢修,決不能湊合使用。

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

5 施工情況

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

主要采用 KP共聚物泥漿。

鉆進方法:0～50 m采用靜壓式鉆具進行鉆進; 50～300 m采用內超前鉆具進行鉆進;300～750 m采用標準式單動雙管鉆具鉆進,遇到卵、礫石層時采用金剛石復合片鉆進。

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

6 結語

湖泊相環境鉆探為大陸環境科學研究服務項目,主要要求獲取高質量的、未擾動的巖心樣品。在不同地層采用不同的鉆具結合,同時配合高性能的泥漿體系是能夠滿足這種高質量要求的施工手段。通過云南鶴慶大陸環境鉆探的施工,為湖泊相沉積地層大陸環境鉆探施工提供了以下幾個思路:

(1)對于湖泊相沉積地層進行系統的分析,細分各個層位 (定性的認識)和確定各個層位的物理化學特性(定量的認識);

(2)鉆具的設計必須針對每個不同地層的物理特性進行,以達到巖心能快速進入內管中,保證高采取率且原狀結構保持好;

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

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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),青海樂都人,青海省核工業地質局第一地質礦產勘查大隊地質工程公司總工程師,探礦工程專業,從事大陸環境科學鉆探技術研究工作,青海省西寧市生物科技產業園區經三路 38號,xuqinghai@yahoo.com.cn。