南极东方站深冰层及冰下湖钻探技术

自1970年至今,前苏联和俄罗斯在南极东方站持续进行了近50年的冰层钻探活动,先后攻克了包含粒雪层、冰层、冰岩夹层和湖水冻结冰的复杂冰层钻进难题,逐渐形成了一套集热融取芯钻探、电动机械取芯钻探和分支孔钻探等为一体的深冰芯钻探技术。创造了冰层最深干孔钻进深度记录（952.4 m）、最深热融取芯钻进记录（2755 m）、最深冰芯钻探记录（3769.3 m）,累计进尺达13000 m,并获取了总长超46 m的含湖水冻结冰样品的冰芯。东方站的钻探活动对极地冰层钻探技术的发展起到了巨大的推动和引领作用,同时积累了宝贵的深冰钻探经验。通过对东方站深冰钻探技术的系统梳理,将为我国正在实施的深冰芯钻探和即将开启的冰下湖科学钻探提供重要的借鉴。     

美国极地钻探科学目标分析与钻探技术进展

极地钻探是获取极地冰层或冰下环境样品和在极地冰层或冰下布放科学观测仪器的最直接方法,是开展极地科学研究的必要技术手段。美国是开展极地钻探较早的国家之一,也是极地钻探强国。相比美国,我国极地钻探技术尚处于起步阶段。本文以《美国冰钻委员会长期科学规划2021-2031》为基础,结合其官方网站和相关文献资料,梳理了美国极地钻探科学目标和极地钻探技术现状,并简要介绍了过去10年美国极地钻探的现场工作情况及其在未来3年的工作计划,以期为我国极地钻探发展提供参考。     

南极冰层电缆式机械取芯钻进

介绍了南极冰钻的科学意义以及世界各国如原苏联、美国、法国、丹麦等国家施工冰钻的情况；重点阐述了俄罗斯南极冰钻的先进技术以及所采用的КЗМС－１１２型电缆式机械取芯钻具的结构和施工工艺。     

中国大陆科学钻探工程进展

经过12年锲而不舍的努力,中国大陆科学钻探工程终于成为国家级大科学工程及国际大陆科学钻探工程项目.直接观察陆壳的"大陆科学钻探"是伸入地球内部的"望远镜",是具有划时代意义的地学高科技系统工程,是解决人类发展所面临的资源、灾害和环境三大问题的重要手段之一,是继人类登月后向地球的又一次挑战!     

俄罗斯南极冰上钻探技术

介绍了南极中心部分东方站地区的温度情况;讨论了在该地区钻探中使用的钻具、钻头和钻进工艺参数;探讨了所用低温冲洗液的合适密度和许用极限动粘度;评述了东方站地区钻探的技术经济指标。     

南极乔治王岛柯林斯冰帽冰芯（SDT）中火山物质成分特征

对柯林斯冰帽小冰穹冰芯中物质成分的研究,发现冰芯中有九层火山灰沉积。它们由玻屑（橙玄玻璃）、岩屑（黑色）和晶屑（长石、辉石、橄榄石和微量的钛铁氧化物）组成。长石为钠钙系列的中长石到拉长石。橄榄石为镁质的贵橄榄石。主要元素和微量元素分析结果表明,该类火山灰为玄武质成分,其ＳｉＯ２含量在５０ｗｔ％左右,Ｎａ２Ｏ大于Ｋ２Ｏ,并具有轻稀土元素轻微的富集、重稀土元素亏损、Ｅｕ正异常的特征。这些火山灰的存在,证实了近百年来南极地区的企鹅岛和欺骗岛的火山喷发活动。     

南极地区数百年来气候变化的冰芯记录对比研究

随着国际横穿南极科学考察计划的实施, 近年来开展了沿中山站-Dome A考察路线的冰芯研究, 获得了伊丽莎白公主地250 a来气候环境变化的高分辨率记录. 通过与Lambert冰川流域西侧有关研究结果的对比, 揭示了该冰川谷地为东南极洲重要气候分界线的特征. 综合南极地区其它地点冰芯记录和冰盖变化研究结果, 发现以小冰期为代表的寒冷期在东南极洲较为明显, 在西南极洲则不明显, 甚或恰好相反, 表现为温暖阶段. 就东南极洲来说, 也存在明显的区域差异: 以Lambert冰川谷地为界, 东部地区, 如Wilkes Land (Law Dome), Victoria Land北部(Hercules Neve)等地, 小冰期冷期比较突出;西部地区, 如Dronning Maud Land和Mizuho高原, 情况不是很明确. Lambert冰川流域是非常特殊的地方, 虽然小冰期冷期也存在, 但1850年前后的显著高温和近100多年来的降温与南极洲其它地方都不一样, 而与南极半岛北侧一冰芯所给出的400 a温度变化记录极为相似, 我们尚不能解释为何如此遥远的两个地点具有很好的一致性而与其它地方则不一致.     

4 000 m DISC深冰芯钻机概述

深冰芯钻探(Deep Ice Sheet Coring, DISC)钻机是美国冰芯钻探服务中心(ICDS)开发研制的一款机电钻机, 设计取芯直径122 mm, 钻取深度4 000 m.该系统由两部分组成,包括机械钻进系统和地面支撑系统. 其中, 机械钻进系统由钻机、 电缆、 钻塔和绞车四部分组成, 钻机是该系统的钻探部分, 由6个不同部件(刀盘、 芯管、 筛管、 电机/水泵、 钻机控制板和顶端)组成; 地面支撑系统包括电源、 控制系统、 冰芯处理系统、 钻井液处理系统、 筛管清洗系统、 辅助设备以及安全设备设施. 2006年夏季ICDS在格陵兰Summit营地对该套钻机系统进行了成功试验, 2011年12月31日在西南极冰原(WAIS Divide)成功获取3 405 m深度的冰芯.实践证明, 该套钻机能够满足目前钻探项目的科学需求. 但是, 在西南极冰原主冰孔不同深度钻取同深度副冰孔冰芯的过程中, 钻刀无法在主冰孔壁上侧向钻取新的冰芯孔, 未能如期获取复制的冰芯样品.     

极地冰钻关键技术研究进展

极地冰钻技术是获取冰芯,研究冰盖-冰架-海洋相互作用,以及获取极地冰下基岩与冰下水环境样品,开展冰下环境探测的重要手段。目前极地冰钻技术的难点与前沿主要包括深冰芯钻探、冰架热水钻、冰下基岩钻和冰下水环境采样与观测技术。本文针对以上4个极地冰钻关键技术,对国内外相关技术的研究进展与项目开展情况进行了总结与梳理。综合来看,虽然我国开展极地钻探技术研究起步较晚,但随着我国极地战略不断推进,我国的极地冰钻关键技术与装备的研究正持续向着赶超极地钻探强国方向迈进,这必将为我国的极地科学研究提供强有力的技术支撑。     

中国深部岩心钻探钻井液技术应用现状及研究方向的探讨

出于深部找矿与科学钻探的需要,岩心钻探由浅孔向深孔迈进,钻遇易坍塌地层、硬岩地层、高温高压地层、盐膏层等复杂地层的几率增加,从而对深部取心钻进钻井液技术提出了更高的要求。在总结各类深部复杂地层取心钻进钻井液使用现状的基础上,分析并归纳了强抑制防塌钻井液、强润滑减阻钻井液、高温钻井液、饱和盐水钻井液、高密度钻井液的研配要点及难点,提出了针对性钻井液体系的性能调控思路以及研究重点,为深部岩心钻探钻井液体系选用提供借鉴依据及参考。     

南极冰层取心钻探酯基钻井液抗低温性能试验

钻井液的选择是顺利进行极地科学钻探工程的关键技术之一。为寻找一种新型安全、环保的耐低温钻井液,笔者深入分析一元脂肪酸酯与二元脂肪酸酯分子结构特点,对三种不同混合酯的耐低温性能进行了试验研究,测试了三种混合酯的黏度与密度随温度的变化。试验发现,当温度下降时,混合酯的黏度都存在一个稠化温度,稠化温度的高低受酯的分子结构、分子量及分子间作用力的影响。混合酯的组成、分子结构及分子间作用力大小不影响密度随温度的变化关系,但对密度的大小与密度增加的速度影响较大。     

冰层回转钻进钻头切削具温度理论计算分析

极地冰盖底部暖冰层冰的脆性小而粘弹性大,且温度和压力较高,可钻性差。回转钻进时产生的切削热量极易使冰屑处于熔融或半融状态,致使冰屑相互聚结成团,甚至会在钻具局部位置再次冻结,导致孔内事故频发。为了解冰层回转钻进时切削具的温度变化规律,本文对切削具的受力特性和传热规律进行了理论研究,建立了钻井液循环条件下切削具温度计算理论模型,对切削具的温度变化及影响因素进行了深入分析。结果表明,回转速度、切削深度、冰与切削具间的摩擦系数、切削具刃前角及冰的抗剪强度等参数对切削温度均有重要影响,而低温钻井液虽有良好的冷却、降温效果,但仍可使切削具温度升温2～5 ℃,为暖冰层钻进带来不利影响,需深入优化钻进参数组合。     

水源钻机在超深土层绳索取心钻进中的应用

山西省清徐县区域地质调查项目设计800、2000、3000 m科学钻探孔,以调查填补新生界底板埋深控制空白区,各孔钻入基岩30 m完钻。要求全孔取心,岩心采取率≮85%,岩心直径≮60 mm,采用塑料保护管采取原状岩样。针对超深软土层、各组地层特性及厚度未知、钻遇基岩完钻深度未知、大直径高保真全孔取心、项目价格远低于目前市场成本等难题,经过“水源钻机+大提钻取心+长裸眼孔段”实施800 m孔、“岩心钻机+绳索取心+套管固井”实施640 m参数对比孔,创新性使用“水源钻机+绳索取心+长裸眼孔段”工艺完成了2000 m孔的施工。该工艺岩心采取率达到93%,孔径和孔斜符合地质要求,为3000 m孔顺利施工打下了坚实的基础,为同类型项目提供了经验和借鉴。     

北京大安山煤矿井下深孔钻探实践

北京大安山煤矿地表只有少数钻孔控制到+550 m水平,为探明下部煤层赋存条件,提高资源储量级别,应用ZDY1000G型全液压坑道钻机、S75绳索取心钻进工艺进行了硐内深孔钻探,完成了坑道内试验钻探孔深505.17 m。随之在2012-2014年共计钻探进尺8237 m,勘探增加资源储量1877.7万t。深孔钻探技术不仅加快了对深部水平煤层的勘探,探明了深部水平煤层赋存条件。为开拓工程部署提供了可靠的地质资料,而且减少了巷探成本,提高了工程效率。本文对井下硐内深孔钻探进行了介绍。     

深部盐岩层绳索取心钻井液技术研究与应用

由于次生应力场的作用以及盐岩易溶于水的特性,深部盐岩层钻进存在岩层蠕动、钻井液易遭受盐钙侵等问题;钻进参数选择不合理易导致盐岩层取心效率低、岩心冲蚀严重。本文以河南省叶舞凹陷ZK3井为例,采用石油钻井与绳索取心相结合的措施,解决了普通固体矿产钻探设备在深部地层取心中效力不足的问题;通过阳离子交换容量测定、矿物组分鉴定、钻井液体系优选及性能测试等试验,确定了针对上部泥岩地层的聚合物钻井液体系,中部含膏泥岩的欠饱和盐水钻井液体系,下部盐岩层取心段的饱和盐水钻井液体系。通过确定合适的钻井液密度与临界环空返速,可以有效控制深部盐岩层蠕变与井壁冲蚀,适度提高排量以成倍提高钻进速度。钻进过程中钻井液性能稳定,体系转换顺利且性能易于调整,为取心任务的顺利完成提供了有力保证。     

5000米地质岩心钻机主绞车设计

为应对深地探测工程对特深孔地质钻探装备提出的新要求,“十三五”国家重点研发计划立项开展5000 m地质岩心钻机的研发。作为钻机核心部件的主绞车,需要满足自动化、智能化钻探需求。在调研了主绞车的研究发展现状基础上,借鉴石油钻机绞车的结构,确定了本主绞车运行参数及方案,并对关键零部件进行了设计与选型,完成了主绞车的设计。经过验算,主绞车运行参数能满足特深孔岩心钻探工艺的要求,并可以在地热、浅层油气探采等领域进行应用拓展。     

青藏高原唐古拉哈日钦冰芯表层和深层可培养细菌特征

对唐古拉哈日钦冰芯表层0.04~3.04 m及深层127.44~130.36 m中可培养细菌进行了对比研究。发现表层和深层可培养细菌数没有表现出显著差异性,表层冰芯中可培养细菌数为0~9.8×10³ CFU·mL^-1,略高于深层冰芯的0~8.4×10³ CFU·mL^-1。表层冰芯中微生物总数为10³~10⁶ cells·mL^-1,深层冰芯中微生物总数为10²~10³ cells·mL^-1。冰芯中可培养细菌属于Firmicutes（厚壁菌门）、Proteobacteria（变形菌门）、Actinobacteria（放线菌门）、Bacteroidetes（拟杆菌门）和Deinococcus-Thermus（异常球菌门） 5大类。但表层和深层可培养细菌属于不同的优势门,表层为Proteobacteria（38%）,深层为Firmicutes（42%）。表层和深层优势属均为Bacillus（芽孢杆菌属）,占比分别为18%和29%。已有研究表明哈日钦冰芯98.8 m达到了公元1000年的历史记录,因此对比千年尺度上可培养细菌数量及多样性的差异,能够为进一步发掘新基因,丰富微生物多样性,为了解可培养细菌的进化历史奠定基础。     

锡矿山复杂地层小口径取心深孔钻探施工方法

针对冷水江市锡矿山谭家冲矿区ZK2401钻孔复杂地层,把单个钻孔的钻探施工作为一个系统工程来实施,对可控制部分进行合理有效的控制,做到有备而动并提高钻孔的成孔率。从前期调查、钻孔结构设计及钻探设备选择、钻孔工程设计和实际施工情况4个方面总结钻探施工方法,确保在矿区复杂地层小口径深孔钻探施工的顺利进行,其经验可供同行参考。