绳索锤击取心浅钻技术在近海砂矿勘查中的应用

2015-01-01韩孝辉龙根元孙水文

钻探工程 2015年12期

韩孝辉，龙根元，刘刚，孙水文

(海南省海洋地质调查研究院，海南海口570206)

海南岛环岛滨海地带广泛分布有第四系砂质地层［1］，沿岸具有丰富的重矿物资源，特别是东部沿海一带是海南省锆钛等重矿物主要富集地，海南岛滨浅海钛砂矿、石英砂、锆英砂储量居全国前列［1－2］。我院承担的一项海南岛近浅海砂矿资源调查项目中，采用了绳索取心锤击浅钻技术，取得了良好的效果。

1 工区概况

工区位于海南岛东部近海，钻孔位置水深10～40 m，潮汐特点为不规则日潮混合潮，受风浪作用显著，由于沿岸多港湾，湾内水流与潮流作用较强，风浪与潮流为海岸主要水动力［3－4］，从工区底质表层样来看近岸表层沉积物相对较粗，以砂砾、砾砂、粗砂、中粗砂、中砂为主;远岸区为粘土质粉砂，基本平行于海岸呈带状分布，局部有珊瑚礁分布。

2 施工要求

浅钻孔位是在地震剖面解译基础上布设，要求钻孔深度≮15 m，实际孔位与设计位置的偏差≯30 m，泥质地层岩心采取率≮80%，砂质地层岩心采取率≮60%，岩心采取率不得连续2次不满足技术要求;钻探施工过程中，应每回次测量水深，以便校准进尺深度;单孔以砂层底板为界，一般钻至基岩、砾石层或粘土以下1 m终孔;每回次钻进1.0 m左右，禁止进尺长度超过取样管与废土管之和。

3 绳索锤击取心浅钻结构原理及操作步骤

3．1 结构原理

浅钻由取样管、花管、杆状重锤、花瓣、刀口及其它附件构成(见图1)，为了减少对地层的扰动，取样管设计长度为1.2 m，花管长度为4 m，花管的外径与取样管外径为89 mm，管壁厚4.5 mm，花管就是密布直径为1.5 cm小孔洞的钢管，杆状重锤在花管内运动，花管壁上的孔洞起到杆状重锤运动时排水的作用，刀口起到切割地层的作用，花瓣起到样品止回作用［5］。

3．2 操作步骤

图1 浅钻结构示意图

本项目地质浅钻取样采用套管护壁，套管外径127 mm，管壁厚10 mm，长度1～4 m，钻探船是本项工作的基础平台，由1000 t的货船改造而成，在船体甲板稳心部位改造设计一个1.2 m×1.2 m的方形口，套管、钻具通过此口入水(见图2、图3)，在甲板口上方安装一个13 m高的钻塔架，塔架顶部固定一个定滑轮，卷扬机钢丝绳过定滑轮与杆状重锤相连，卷扬机转动通过钢丝绳带动杆状重锤在花管内做排水上下运动。

第一步，钻探船按GPD导航就位，船长一般使船头迎风(流)向抛锚［6］，根据海况至少抛4个锚，确保钻探船稳定。由于本项目钻探船靠自身抛锚，就位、稳定过程花费的时间较长，影响作业效率。

图2 浅钻取样过程示意图

图3 施工现场照片

第二步，钻探船抛锚就位、稳定之后下套管，套管长度1～4 m，套管一直插到稳定的地层，下沉时在上面再加套管，保证使其起到护壁的作用。

第三步，套管下好后，卷扬装置拉起钻具从套管内入水，待取样管触底，卷扬机迅速释放杆状重锤，杆状重锤在花管内排水向下运动击中花管受力部，花管连同取样管一起向下运动插入海底沉积物中，这样提起杆状重锤击打几次即可。

第四步，取出钻具，为减少样品扰动，取样管设计成1.2 m长，计算取样管已插入底质1 m时，从套管中取出钻具，从花管上拧下取样管、刀口和花瓣，换上另一个取样管，钻探组人员继续上述步骤，取样组人员把装满岩心的样品管放到专门设备上，把取样管里的样品挤出来(见图4)，编录人员测量岩心长度并现场进行每一回次描述记录及拍照，现场描述内容包括顶部和底部的岩性，内容有颜色、粒级、分选、磨圆度、物质组成、重矿物含量［7］，如果样品中间段能识别岩性的也同样记录，特别是分层界面要特别记录清楚;同时记录的还有航次、日期、孔号、坐标、海况、水深等。

图4 从取样管中推出岩心

第五步，每个回次样品按要求包装好、做标记封存。如此往复，直至取样到设计深度。包装样品时，先将封存岩心用的对开的PVC塑料管冲洗干净，其中一半依次铺上白布、保鲜膜，再将岩心移至管内。先用保鲜膜裹严岩心，外面再用白布裹紧，防止岩心变形和水分蒸发(见图5)。接着将岩心标签置于回次的底部，两端用木塞封堵，合上塑料管，用螺丝固定，胶带密封两个半管之间的缝隙，尼龙绷带扎紧。封存岩心硬质塑料管外的标识:孔号，回次号，回次起止孔深，上下标志等(见图6)。样品依次整齐堆放、固定，避免日晒雨淋和其他意外损坏。搬运过程做到轻拿轻放。

图5 岩心样品封蜡包装

4 施工情况及效果

4．1 施工情况

图6 岩心样标记封存

从施工的实际情况看，该工艺适合于浅孔钻探，具有高取心率、高效率、样品扰动程度低等优点。

项目设计12个钻孔(见表1)，由于施工时间是12月份，海况较差，影响了施工进度和效率。实际完成12口，完成比例100%。浅钻设计总进尺为180 m，实际完成181.19 m，完成比例100.7%。

表1 12口浅钻进尺及岩心采取率

4．2 岩心采取率

根据施工设计要求，岩心采取率砂质底质60%以上，泥质或者粘土底质采取率80%以上，本次海上12口地质浅钻施工回次共计190次，各回次采取率均＞60%(见图7)，回次采取率达到设计要求。12口浅钻的各孔的采取率均＞80%(见表1)。

5 施工中存在的问题

5．1 抛锚时间太长

图7 12口浅钻回次采取率曲线

海上钻探作业至少抛4个锚，海况稍差或大一点的钻探船需要抛6个锚来稳定钻探船。本项目钻探船抛4个锚，艏艉各2个锚，自抛自起，艏艉锚都呈八字形入水，由于钻探船本身吨位小，性能又不是很好，再加上作业时间在12月份，海况不是很好，靠钻探船自身抛锚定位花费的时间太长，有时从抛锚到就位稳定钻探船需要3个多小时，这样的工作效率急需改进。