湖泊相沉积地层大陆环境科学钻探技术探索

许青海,刘维鹏,白宝云,吴礼林

(1.青海省核工业地质局第一地质矿产勘查大队,青海西宁 810016;2.中国地质科学院勘探技术研究所,河北廊坊 065000)

湖泊相沉积地层大陆环境科学钻探技术探索

许青海1,刘维鹏1,白宝云1,吴礼林2

(1.青海省核工业地质局第一地质矿产勘查大队,青海西宁 810016;2.中国地质科学院勘探技术研究所,河北廊坊 065000)

通过对云南鹤庆县湖泊相沉积地层环境钻探工程施工,总结出一套适合于湖泊相沉积地层的环境钻探技术。

环境钻探;湖泊相沉积地层;取心;泥浆

0 引言

大陆环境钻探是指专门为地球环境研究工作服务的钻探技术手段,通过采用钻探手段获取完整的、连续的、无污染和无扰动的近似原状岩心标本,分析其中含有的古气象信息,对其进行解密和对比分析,演绎推理出地球气候与地理环境发展演变的历史,这是环境研究的主要目的。

到目前为止,我国针对大陆环境科学钻探工作还没有成熟的施工技术,对于如何开展大陆环境科学钻探工作,还需要进行大量的实践和探索。大陆环境研究的主要对象是第四系沉积地层,这些地层大多为欠固结、弹塑性强的未成岩地层,并且环境钻探的质量要求获取高质量的岩心标本,这就要求需要有一套完整的、系统的环境钻探技术作保证达到环境钻探的目的。

青海核工业第一地质大队 2002年和 2009年先后在云南鹤庆进行了大陆环境科学钻探工作,通过在该地区钻探施工,逐步总结了一套适合于湖泊相沉积地层的环境钻探技术。

1 大陆环境科学钻探施工质量要求

(1)对钻孔所遇到的全部地层连续取心;

(2)要求岩心标本完整、连续、无污染和无扰动,保持近似原状结构;

(3)全孔岩心采取率≮95%,不出现连续 2个空回次;

(4)钻孔天顶角累计偏差≯1°/100 m;

(5)孔深误差≯0.3%;

(6)岩心直径≮80 mm。

2 湖泊相沉积地层的地质特征

(1)湖泊相沉积地层岩性主要是由泥岩组成,另外夹有粉砂、粗砂、砾石和古生物、植物残留物。

(2)从整个地层而言,湖泊相沉积地层随着地层的深度增加,地层有如下几个变化趋势:

①密实性能由极松散到松散再到密实;

②胶结性能由完全不胶结到弱胶结再到具有一定胶结;

③含水性能由最初含饱合水到不含水;

④互层和夹层现象比较多,层与层之间的物理特征变化大。

(3)环境科学钻探勘查的湖泊相沉积地层基本是未成岩的泥层和砂层,整个地层都具有很强的弹塑性能。浅孔处主要表现强流塑性,在地应力作用下,呈半流体状具有向钻孔中心滑动的倾向。随着孔深加深,地应力的增加,岩石内部应力增强,地层具有一定的胶结强度,同时表现出弹性性能大于塑性性能。

3 湖泊相沉积地层钻探施工的技术难点

由湖泊相沉积地层的特征所决定,在钻探施工过程中主要遇到以下 2个方面的施工问题。

3.1 取心方面问题

即钻探施工主要目的方面的问题。由于环境钻探的特殊性和湖泊相沉积地层的特点,钻探取心方面主要存在以下 2个问题。

3.1.1 岩心采取率难以保证

由于湖泊相沉积地层岩心松散,弹塑性强,怕冲刷等特点,同时采取率要求在 95%以上。在钻探施工过程中岩心极容易受到泥浆的冲刷和钻具振动的影响,造成岩心的缺损,严重时没有岩心。

3.1.2 岩心采取过程中保护岩心问题

环境钻探的目的主要是需要采取具有很好的连续性、完整性,同时要求岩心无扰动、无污染的岩心,但是湖泊相沉积地层所具有的特点,采用普通的钻探工艺时无法达到这一要求,必须采取有针对性的钻进工艺才能满足环境钻探的目的。

3.2 护壁方面问题

即钻探是否顺利进行方面的问题。湖泊相沉积地层主要以粘土质的淤泥层组成,岩心松散,弹塑性强,遇水化膨胀严重,在钻进过程中经常遇到长孔段缩径、埋钻,泥包钻头等现象,这些现象都会严重的影响钻进的正常进行。

4 钻探施工技术解决方案

青海核工业第一地质大队针对湖泊相沉积地层特征,为了达到钻探工程的目的和解决施工中出现的难点从以下 3个方面进行了工作。

4.1 取心工艺

根据湖泊相沉积地层主要由淤泥层和砂层组成,以及这种地层的分布规律特点,这类地层在钻进过程中可以将整个地层分为 3个大类,上部地层 (0～50 m)具有很强的流塑性,而中部地层 (50～300 m)则主要表现为弹性,底部 (300 m以深)主要由基本成岩的粘土层和砂砾石层组成。通过对地层的分析,我们针对不同地段和地层特点采用了 3种不同的取心钻具进行施工。

4.1.1 静压式取心工具(仿黄土取样器)

该钻具主要用于上部流塑性强的淤泥质地层,其结构如图 1所示。

4.1.2 超前式三管钻具

该钻具主要用于下部有一定胶结强度的泥岩地层,其结构如图 2所示。

图1 静压式取心工具

图2 超前式三管钻具

4.1.3 标准单动双管钻具

该钻具主要针对底部已基本成岩粘土层,卵砾石层。

4.2 泥浆技术

根据湖泊相沉积地层的特点,环境钻探对泥浆的要求主要在护壁性能、低失水量、高密度 3个方面,根据以往在沉积岩中施工的经验,我们采用了在这 3方面性能具有很好表现的 KP共聚物粗分散泥浆体系。

KP共聚物是以腐殖酸钾 (KHm)、聚丙烯酰胺(PAM)和羧甲基纤维素(CMC)作为主料,加入适量起着助溶、增效、润滑及稳定作用的表面活性剂,在一定的温度和压力下共聚而成的一种复合型泥浆处理剂,它具有良好的抑制水化、防止坍塌、稀释降粘、利于除砂等作用,而且具有润滑钻具、抗钙镁污染和耐高温等性能。

KP共聚物泥浆能够很好地满足淤泥质粘土的钻进取心要求。它的简单配方是:1 m3泥浆中加钙质膨润土 40 kg,碳酸钠 2 kg,KP共聚物 3 kg。配好的泥浆性能为:粘度 22～24 s,失水量 8～10 mL/30 min,泥皮厚度 1 mm。

4.3 操作技术

(1)提钻时要及时向孔内回灌泥浆,防止钻孔缩径和塌孔。

(2)钻进回次进尺 <2 m,尽力减少岩心磨耗。

(3)遇到钻进速度骤增和骤减时要及时提钻,防止岩心堵塞造成岩心损耗。

(4)提钻过程中要轻提轻放,以防震落岩心。

(5)时常检查取心钻具的单动性、隔水性,发现异常要及时检修,决不能凑合使用。

(6)时常检查泥浆的粘度、失水量以及泥浆污染情况,及时补充新泥浆和泥浆处理剂,使泥浆性能符合环境钻探要求。

5 施工情况

钻探设备为 XY-5型钻机、BW-250型水泵、SG-18钻塔、立式 1 m3泥浆搅拌机和小型除砂器。

主要采用 KP共聚物泥浆。

钻进方法:0～50 m采用静压式钻具进行钻进; 50～300 m采用内超前钻具进行钻进;300～750 m采用标准式单动双管钻具钻进,遇到卵、砾石层时采用金刚石复合片钻进。

由于采取技术方法得当,顺利完成了一个 750 m深孔和 5个 30 m浅孔的钻孔施工任务。全孔平均岩心采取率都达到 97%以上,保持了较好的岩心原状形,圆满地完成了环境钻探的取心要求。

6 结语

湖泊相环境钻探为大陆环境科学研究服务项目,主要要求获取高质量的、未扰动的岩心样品。在不同地层采用不同的钻具结合,同时配合高性能的泥浆体系是能够满足这种高质量要求的施工手段。通过云南鹤庆大陆环境钻探的施工,为湖泊相沉积地层大陆环境钻探施工提供了以下几个思路:

(1)对于湖泊相沉积地层进行系统的分析,细分各个层位 (定性的认识)和确定各个层位的物理化学特性(定量的认识);

(2)钻具的设计必须针对每个不同地层的物理特性进行,以达到岩心能快速进入内管中,保证高采取率且原状结构保持好;

(3)采用的泥浆体系必须要起到既护壁又护心的作用,既有效地保持孔壁稳定,同时又要保护岩心的完整性。

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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

许青海(1977-),男(汉族),青海乐都人,青海省核工业地质局第一地质矿产勘查大队地质工程公司总工程师,探矿工程专业,从事大陆环境科学钻探技术研究工作,青海省西宁市生物科技产业园区经三路 38号,xuqinghai@yahoo.com.cn。