中国南海珊瑚岛礁钻探技术

中国南海珊瑚岛礁拥有巨大的资源潜力和科研价值。2013—2017年,贵州省地矿局一一五地质大队配合中国科学院在南海诸岛礁实施科研钻井数百口,施工过程中,合理解决了远离大陆封闭环境中的各种特殊困难,攻克了“珊瑚岛礁松散珊瑚砂层抽水试验成井下管”、“珊瑚岛礁第四系覆盖层钻探取心”、“珊瑚岛礁泻湖砂层钻探取心”、“珊瑚岛礁钻探事故预防与处理”等重要技术难题,形成了一套成熟完整的适用于岛礁勘查的钻探技术工艺体系,开我国岛礁钻探工程实践之先河。该技术体系能保证岛礁钻探工程安全和质量,对于我国今后岛礁勘查具有重要的指导意义。     

中国南海珊瑚岛礁第四系覆盖层钻探取心技术

中国南海珊瑚岛礁拥有巨大的资源潜力和科研价值。珊瑚岛礁第四系覆盖层结构为珊瑚砂和珊瑚骨架的松散堆积物,无胶结,钻探取心、成井极端困难。通过南海诸岛礁数百口钻井的施工实践,总结出"套管连续跟进干钻取心技术",工艺要点为4个步骤循环操作,称为"四步法"。使用该技术:①能确保珊瑚岛礁第四系覆盖层岩心采取率达到95%以上,并基本保持岩心原状性;②能实现在珊瑚岛礁第四系覆盖层中不使用泥浆护壁情况下安全钻进成井,达到避免地层过水通道堵塞、满足抽水试验要求的效果。研究成果对于珊瑚岛礁钻探具有重要的借鉴作用。     

珊瑚礁地层钻探取心技术研究及应用

人工吹填珊瑚岛礁地层结构比较特殊,以珊瑚砂和珊瑚碎屑为主,取心和成孔难度较大。以南海某岛礁地质钻探取心工程实践为例,针对地层岩性特点,采用一系列对应技术措施：上部松散或弱胶结砂砾层采取跟管钻进和无水干钻取心技术;礁灰岩全漏失地层设计了一套掏砂钻具进行掏砂,确保井眼干净;软硬互层采用超前侧喷钻头;粉砂质地层采取小口径钻具无水干钻取心技术等。该技术在18个钻孔实施中取得了良好的效果,可为后续珊瑚礁地层钻探取心提供借鉴。     

南海珊瑚礁本底调查“琛科一井”钻探工艺

南海珊瑚礁拥有巨大的资源潜力和科研价值,通过西沙群岛琛航岛"琛科一井"的实施,拟摸清南海珊瑚礁大致分层及地质本底。从钻孔基本信息、工程概况、钻进工艺等方面,介绍和探讨了南海珊瑚礁本底调查"琛科一井"的钻探工艺。结果表明:(1)3套钻具配合扫孔、无固相钻井液配合正循环大泵量工艺异地层洗孔、"水锤效应"震动砂液化等工艺能有效处理泻湖相珊瑚砂层的埋钻事故;(2)超前钻头和半合管配合使用能确保礁格架地层岩心采取率;(3)在受钻孔摄像限制不能使用低固相钻井液条件下,不同标准多口径钻孔级配快速穿越后套管封隔是有效的成井方法。研究成果可为类似区域的珊瑚礁取心钻探提供借鉴作用。     

国内常规海洋地质钻探取心技术进展

为实现在海洋地质钻探中高效、便捷地采获海底各类地层样品,设计研发了绳索取心泥浆静压活塞取心钻具、海洋砂质地层绳索取心钻具和液动冲击绳索取心钻具,并在南海进行了钻探试验和作业。结果表明,泥浆静压活塞取心钻具能有效减少样品扰动,原始结构较为完整,海洋砂质地层绳索取心钻具和液动冲击绳索取心钻具在粉砂层、砂层中的岩心采取率高于规范要求,能够满足作业需求。     

海上顶部双驱动联动隔水管钻探取心技术

我国南海海域分布着大量礁灰岩地层,这种地层具有原生孔隙大、压缩性强、容易变形、强度小等特点,因此易渗透、易破碎、易坍塌。在岛礁上钻探也常常出现断钻、垮孔、埋钻等事故。对于海洋礁灰岩地层钻探,不仅要克服陆地上面临的问题,还需要面对更为复杂的海洋环境。为解决海上特殊地层取心困难问题,基于船载无隔水管钻探系统,开发了海上顶部双驱动联动隔水管钻探取心技术。该钻探取心技术方案在西沙海域4个不同的站位进行了海洋钻探试验。试验结果表明,该技术可实现高效率、高岩心采取率的海上礁灰岩取心目的,取心深度可达130.75 m,具有广阔的推广前景。     

松散砂岩取心技术的应用

砂岩取心是迄今为止仍然没有完全解决的钻探技术难题。砂岩的种类很多,但都有共同的特点：结构比较松散,无胶结或少量胶结,遇水膨胀,透水性好。在砂岩中钻探取心,岩心采取率不高,钻孔容易垮塌。为了解决砂岩取心钻探中的技术难题,从钻进工艺技术参数、取心器结构、钻头优化设计、冲洗液配方、钻机配套、岩心烧结卡取以及水压出心等多方面开展研究,总结出了一套砂岩取心技术,应用在实际钻探生产中,取得的各项技术指标完全满足地质要求,为地浸砂岩取心钻探提供了宝贵的经验。     

舟山海域淡水资源调查岩心钻探技术

舟山海域淡水资源调查项目DZS1孔,水深15 m、钻孔深度达202.1 m,在以粘土层和砂层为主的第四系覆盖层全孔取心、在风化基岩层取心2 m。在第四系覆盖层不下套管直接利用φ127 mm钻具进行绳索锤击取心钻探,基岩采用φ127 mm钻具作为套管、φ50 mm钻具单动双管回转取心钻探。介绍了该孔的主要施工工艺与质量控制方法,包括勘探船抛锚定位、潮汛对钻杆的影响、钻探取心过程控制、用取心钻头不取心扫孔技术、更换钻头技术、泥浆工艺等。     

绳索取心钻进技术在松散盐岩地层中的应用探讨

地质岩心钻探中,岩心采取率一直是地质找矿、地学科研工作者重点关注的对象,也是岩心钻探重要的考核指标。传统的钻探取心方法在松散、软弱、含盐地层,特别是含易溶盐地层的取心质量不佳;绳索取心钻探在完整地层取心效果较为理想,同时可大大提高劳动生产率、降低劳动强度,而对于松散、软弱地层,其取心难度比起传统钻探有时更为复杂。通过柴达木盆地达布逊干盐湖科学钻探工程,对钻遇的地表层、松散地层如何采取技术方法提高岩心采取率进行了探索和研究。实践证明,通过改善冲洗液性能、改进取心卡簧特性及钻头出水方式3个方面技术措施,可大大提高绳索取心钻进在松散、软弱、弱固结、含盐地层的岩心采取率,由改进前的平均30%提高为平均96%。     

天津东丽湖CGSD-01井取心问题及技术探索

天津东丽湖CGSD-01井位于天津潘庄凸起构造区,该井设计井深4000 m,完钻井深4051.68 m,该井的主要目的之一是通过分段取心钻进获取各地层的地质资料。本文主要介绍了通过尝试不同的取心钻具与钻进方法的组合,探索出一种高效的取心钻进方案,成功地解决了三开雾迷山组复杂地层岩心采取率低的难题,并高质量地达到了取心要求。通过对各技术方案的取心对比分析,总结了地热深井取心钻进的关键技术,以期对后续的钻探取心提供技术上的借鉴和指导。     

中国海洋的珊瑚-珊瑚礁: 南海中央区珊瑚-珊瑚礁生物多样性特征

珊瑚是地球上最古老的原住民,具有近6×108年的发育史,弱势群居、喜温和原地长成是珊瑚的基本特征。作者介绍了珊瑚-珊瑚礁的基本特征,综述了跨十年调查的研究区珍贵照片资料和相关认识,指出中国是全球主要的珊瑚-珊瑚礁国家,地位举足轻重;珊瑚-珊瑚礁作为地球生物多样性的代表,造岛、固礁、护鱼、防护岛岸流失,形成南海四大群岛280余座岛、礁、滩、沙,所构建庞大海洋生态系统是无与伦比的海洋生态资源和寸土寸金的南海海洋国土。提出划分南海珊瑚-珊瑚礁为中央区和周缘区2个分布区,阐述了南海中央区珊瑚-珊瑚礁的基本特征,系统汇集报道了间隔10年2个科考航次调查在浅水礁盘浮潜、至20 m水深浅潜-深潜和礁盘及开展岛、礁、滩、沙地质调查的发现,包括科学定名46种六放石珊瑚和6种八放软珊瑚等成果,同时,收集了西沙、中沙、东沙和南沙群岛海域的相关调查航次珊瑚照片;进一步阐述了单体环礁和复合环礁的特征及分布,并进行了初步对比,指出永乐环礁是南海唯一一个真正的切合达尔文模式的环礁,也是环礁发展到最高阶段的产物,构成现代海洋珊瑚-珊瑚礁形成演化研究最好的天然实验室。     

中国南海吹填岛礁钙质砂动力特性试验研究

南海对我国经济发展、资源开发与运输、维护国土完整具有战略性意义。目前我国已在南海海域以吹填方式建设了一系列的岛礁,并在其上修建了一系列的结构物（房屋、防波堤、机场等）。作为这些重要结构物的地基材料,珊瑚钙质砂在极端波浪、海底地震等环境荷载作用下的动态响应特性对评价其上结构物的安全稳定性具有重要的意义。以我国南海珊瑚岛礁吹填工程为背景,对取自岛礁吹填体现场的钙质砂样品,以吹填现场实测的颗粒级配和干密度为依据,开展动态三轴循环试验,研究我国南海珊瑚岛礁吹填体钙质砂地基土的动力特性。试验结果表明：岛礁钙质砂受动态循环荷载作用,在排水不通畅的条件下可以达到部分液化状态,在排水通畅的条件下不发生液化;在不排水条件下,岛礁钙质砂归一化的累积孔压u/ 与振次比N/Nf符合Seed提出的反正弦孔压发展模式;在不排水条件下,所有岛礁钙质砂样品的动态变形模量Ed /E0与归一化应变?m /?r之间全部重合在一条双曲线上,表明不排水条件下岛礁钙质砂的Ed /E0与?m /?r之间的关系不受干密度和颗粒级配的影响,具有很好的统一性。     

珊瑚砂热物理参数测试与预测模型对比分析

在我国“海洋强国”建设下,南海岛礁建设顺利推进,以浅层礁坪为介质的地源热泵技术、能量桩等,实质是与礁砂介质能量交换的过程,需进一步掌握珊瑚砂导热性能的演变规律。以南海岛礁珊瑚细砂为研究对象,测定并探讨在不同干密度和含水率下对3大热物理参数的影响,并选用12种砂土热物理参数模型的预测数据与实测数据进行类比分析,提出适宜预测珊瑚细砂导热性能的经验模型。结果表明,珊瑚细砂导热系数和体积比热容、热扩散系数均与干密度呈正相关关系,导热系数和体积比热容与含水率的相关系数高于干密度,而热扩散系数与含水率呈“凸”形增长关系,与干密度的相关系数远高于含水率。基于试验实测数据进行线性回归分析,修订Cote-Konrad模型与Gangadhara Rao模型,显著提高模型对珊瑚细砂导热系数预测准确性;通过De Vries模型与Xu模型的线性修正,大幅缩小珊瑚细砂体积比热容预测值与实测值的差异,在Dai模型相关系数的二元拟合分析基础上,建立表征珊瑚细砂热扩散系数预测模型,为岛礁隔热、控温工程设计以及珊瑚砂热物理特性研究提供参考。     

珊瑚礁岩土工程地质的探索与研究——从事珊瑚礁研究30年

珊瑚礁是一种特殊的岩土体,从工程地质角度可分为珊瑚砂屑土和珊瑚礁灰岩两大类。本文回顾了珊瑚礁研究30年的基本历程,重点对珊瑚砂屑土的静力学特性、动力学特性、颗粒强度低等特殊力学性能以及桩基工程性质的探索和研究成果进行了回顾与展望,并以南海岛礁工程建设为引,号召更多的科研学者加入到珊瑚礁的研究队伍中,共同促进珊瑚礁工程地质学科的发展。     

南沙群岛珊瑚礁区仙掌藻的现代沉积特征

仙掌藻为温暖水体中钙化的绿藻,是南沙群岛珊瑚礁区重要的钙质沉积物源。对南沙群岛８座环礁现代沉积物样品的分析表明,仙掌藻碎屑在环礁各地貌沉积带沉积物中的含量,以泻湖盆底最高,平均为32.66％,最高可达75％,泻湖坡次之,平均9.22％,礁坪含量低,平均6.06％。南沙群岛仙掌藻以砂质基底上生长的直立类型为主,能生长于各个地貌沉积带,最适生态环境为封闭性好、泻湖面积大、水深较大（10～25m）、水动力弱的砂质泻湖盆底。仙掌藻的现代沉积特征反映了其生态特征,可作为中新世以来珊瑚礁沉积相划分的依据。     

南海西北部珊瑚礁记录所反映的新构造运动*

珊瑚礁是发育于热带海洋环境中由生物作用和地质作用共同形成的地质体,具有独特的新构造运动意义。南海西北部珊瑚礁记录所反映的新构造运动主要有火山活动、地壳升降运动和地震活动等。珊瑚礁区第四纪火山活跃,到现代已停止活动,部分火山构成珊瑚礁的基座,个别出露海面为火山岛;地壳升降运动差异较大,雷州半岛西南部珊瑚礁呈上升趋势,上升率为0.02~0.05mm/a;西沙群岛等岛礁地壳运动则呈下降趋势,下降率为-0.07~-0.10mm/a,岛礁中的造礁石珊瑚生长率、礁顶和灰沙岛的堆积率均相当于或大于地壳下降率与现代海平面上升率的总和;南海西北部珊瑚礁区内地震活动较强,尤其是1994年12月31日和1995年1月10日在雷州半岛西南部海域发生了6.1级和6.2 级地震,这两次地震对该区珊瑚礁的发育有较大的影响。     

三层管底喷取心钻具在海相第四系和新近系中的应用

在海相第四系和新近系地层中钻进存在流塑、软塑等淤泥地层取心困难,砂层中堵心、被冲刷、样品扰动等现象时有发生。针对上述问题,设计了三层管底喷取心钻具,并在施工中加以改进。通过在南黄海科钻CSDP-2孔第四系、新近系中施工验证,证明该钻具具有很好的取心效果。     

天然胶结钙质土强度及微观结构研究

自20世纪80年代起,国内就开展了关于岛礁钙质土岩土工程性质的研究工作,至今已经取得了大量的研究成果,但上述研究工作均是针对松散钙质土进行的,针对岛礁上广泛分布的胶结钙质土的研究工作尚未系统开展。而国外大量工程实践表明,胶结钙质土具有完全不同于松散钙质土的工程性状。针对天然胶结钙质土的空间各向异性,从微观角度研究影响其强度的主要参数,为今后的胶结钙质土的分类研究提供理论指导。文中采用多种试验研究方法,最后建立了天然胶结钙质土的密度、胶结度、孔隙度、颗粒大小等参数与强度间的对应关系,当前的研究结果表明,天然胶结钙质土的密度及胶结度与强度间存在良好的相关性。     

南海诸岛土壤的形成和年龄

本文在阐明南海珊瑚诸岛土壤的生物集聚过程、积盐和脱盐过程,以及有关的土壤诊断特性基础上,进一步介绍了那里的磷质石灰土和滨海盐土两大土壤类型,它们的空间分布及其与岛屿结构、地形、植被和鸟类活动之间的关系。最后,作者针对南海珊瑚岛土壤的特征,运用(１４)Ｃ方法探讨了它的年龄及其与土壤形成、发育之间的相互关系。     

南海诸岛全新世珊瑚礁演化的特征

本文概括了南海诸岛珊瑚礁的分布,礁体地形、地貌和地质的一般特征,论述了老灰沙岛、新灰沙岛和礁坪等几类典型的全新世珊瑚礁礁体演化的基本过程,讨论了全新世珊瑚礁演化与季风、气候和海平面的关系。礁坪是随着冰后期海平面上升在晚更新世侵蚀面上堆积的,全新世中期高海面出现前后分别形成老灰沙岛和新灰沙岛。