水平定向勘察技术在长大隧道勘察中的应用现状与展望

西南高山峡谷区是我国重大铁路交通工程规划建设的重点区域,如川藏铁路建设等,深埋、长大隧道数量多,常规垂直孔勘察方法无法满足精细化地质勘察的需求。采用水平定向勘察技术沿隧道设计轴线施工水平定向孔为隧道勘察提供了一种有效的手段。水平定向勘察技术的核心包括钻进技术、取心技术、钻孔轨迹控制技术、随钻测量/随钻测井技术、综合测井技术等。结合国内外水平定向勘察技术的发展应用现状,分析了目前存在的问题,提出了开展单次钻探长度超3000 m的水平定向多工艺钻进关键技术与装备攻关,构建安全、高效、经济合理的水平定向勘察技术体系的建议。     

国内外割心钻具研发概况与分析

在松散、松软、破碎等复杂地层钻进时,与常规取心技术相比,割心技术能够获得更高的岩心采取率。国内外研发的割心钻具主要包括双动双管、单动双管和绳索取心割心钻具3种,钻具研发的关键点主要包括岩心爪结构设计和加压方式选择。从钻具研发情况看,三角形岩心爪具有良好的闭合性能,液力加压能够实现对割心压力的准确控制,绳索取心割心钻具钻进效率较高,但研发难度相对较大。本文详述了国内外割心钻具的结构设计特点及取心操作流程,分析了钻具设计原理的优缺点,提出了割心钻具发展趋势,为割心钻具的优化设计奠定了基础。     

A Comprehensive Observational Analysis for the Effects of Gas Cannons on Clouds and Precipitation

To analyze the effects of gas cannons on clouds and precipitation, multisource observational data, including those from National Centers for Environmental Prediction (NCEP) reanalysis, Hangzhou and Huzhou new-generation weather radars, laser disdrometer, ground-based automatic weather station, wind profiler radar, and Lin''an C-band dual polarization radar, were adopted in this study. Based on the variational dual-Doppler wind retrieval method and the polarimetric variables obtained by the dual-polarization radar, we analyzed the microphysical processes and the variations in the macro - and microphysical quantities in clouds from the perspective of the synoptic background before precipitation enhancement, the polarization echo characteristics before, during and after enhancement, and the evolution of the fine three-dimensional kinematic structure and the microphysical structure. The results show that the precipitation enhancement operation promoted the development of radar echoes and prolonged their duration, and both the horizontal and vertical wind speeds increased. The dual-polarization radar echo showed that the diameter of the precipitation particles increased, and the concentration of raindrops increased after precipitation enhancement. The raindrops were lifted to a height corresponding to 0 to -20 ℃ due to vertical updrafts. Based on the disdrometer data during precipitation enhancement, the concentration of small raindrops (lgNw) showed a significant increase, and the mass-weighted diameter Dm value decreased, indicating that the precipitation enhancement operation played a certain“lubricating”effect. After the precipitation enhancement, the concentration of raindrops did not change much compared with that during the enhancement process, while the Dm increased, corresponding to an increase in rain intensity. The results suggest the positive effect of gas cannons on precipitation enhancement.     

海域非成岩天然气水合物储层改造方法分析

天然气水合物是未来重要的战略开采资源,受到了世界各国的广泛关注,因此对海底天然气水合物进行大规模开采成为必然。目前,海底天然气水合物开采还处于试采阶段,到目前为止还未形成成熟的开采方式。本文从人们所担心的海域天然气水合物开采过程中因储层非成岩可能出现的海底水合物大规模气化、破坏海洋生态环境、产生海底地质灾害等问题出发,对海域天然气水合物开采的安全性进行了分析。同时调研了当前世界各国海域天然气水合物试采现状,指出了进行储层改造是海域天然气水合物未来进行大规模开采的必由之路。探讨分析了采用水力喷射微小井眼技术边钻进水平井边喷射改进发泡水泥浆以进行储层改造的可行性,可为我国水合物商业化开采提供借鉴。     

西北太平洋热带气旋快速加强过程中的水汽特征分析

利用NCEP的1°(纬度)×1°(经度)全球最终分析资料和JTWC(Joint Typhoon Warning Center)最佳路径资料,对2002~2011年西北太平洋热带气旋(TC)非减弱阶段快速加强(Rapid Intensification,RI)和缓慢加强及强度稳定(Non-RI)过程中,TC环境场及其内部各区域水汽分布和输送特征进行统计分析,揭示水汽因子对TC随后24 h强度变化的影响,为TC强度突变的趋势预报提供依据。结果表明:对流层低层900 h Pa层半径3~10纬距区域平均相对湿度(RH_3-10)能明显区分RI与Non-RI过程,说明西北太平洋TC强度变化对水汽的敏感高度较大西洋更接近洋面;RI初始时刻的RH_3-10显著大于Non-RI,而水平水汽通量(F_all)则弱于Non-RI,说明RI开始时刻TC环境表现为高水汽含量和较小的水汽输送,而随着RI过程TC内强对流发展对水汽的消耗,水汽含量明显减小故水汽通量则出现增强;RI和Non-RI过程水汽因子的分布和输送在TC内核区和外雨带差异明显,初始时刻RI过程净水汽获得区域大于Non-RI。相关性分析同样表明,适宜的相对湿度和水汽通量是非减弱阶段RI的有效潜势预报因子。     

郯庐断裂带起源与大陆斜向汇聚

郯庐断裂带起源于华北克拉通与扬子板块的汇聚过程中已被多数学者所认同。该断裂带的起源机制，涉及到这两个大陆板块的汇聚方式。可是，对于这一重要问题却长期存在着不同的认识。本文依据郯庐断裂带内部及其两侧前陆上构造与年代学研究成果，综合分析该断裂带的起源机制。郯庐断裂带内部残留的起源期构造为左行走滑韧性剪切带，所获得的白云母40Ar/39Ar同位素年龄为239~217 Ma。华北克拉通边缘的徐淮弧形逆冲-推覆构造，及九江地区扬子板块上的弧形褶皱带，分别为苏鲁造山带、大别造山带点碰撞的产物。郯庐断裂带西侧的华北克拉通边缘，在汇聚过程中呈现为刚性陆块的特征，没有出现大规模的牵引弯曲现象。而东侧的扬子板块前陆构造，在汇聚过程中却明显出现了大规模的牵引弯曲现象。断裂带东侧的张八岭隆起北段，出露了扬子板块上中地壳韧性拆离带，其中所获得的白云母40Ar/39Ar同位素年龄为245~218 Ma，其滑动方向受控于郯庐断裂带起源期的左行走滑运动。这一系列构造与年代学信息，表明郯庐断裂带起源于华北克拉通与扬子板块的汇聚过程中，代表了这两个大陆的斜向汇聚边界。该断裂带起源期的活动时限，与大别、苏鲁造山带内大陆深俯冲时间相吻合。在大别造山带北部的华北克拉通，原始应存在着向南的突出体(嵌入体)，从而导致嵌入式碰撞与嵌入体边界的大陆斜向汇聚(起源期郯庐断裂带)，符合嵌入式碰撞导致板片撕裂模式。     

2016年湖州地区两次降雪过程对比分析

利用Micaps观测资料、NCEP再分析资料及风廓线资料对2016年1月20—21日湿雪过程,1月31—2月1日干雪过程,从水汽、动力方面进行了对比分析,认为:1) 1月20—21日的湿雪过程水汽充沛,水汽输送为700 h Pa西南急流和850 h Pa东南气流; 1月31—2月1日的干雪过程水汽层次浅薄,水汽输送只有700h Pa西南气流。2)湿雪过程低层暖平流强,在中低层形成暖式切变线,冷空气楔入到暖湿气流底部,迫使其抬升,形成深厚上升运动区,雪量较大,但并不利于积雪;干雪过程低层冷平流强,在中低层形成冷式切变线,降雪过程中弱暖湿气流沿深厚冷空气垫爬升,上升运动较弱,降雪量较小,但有利积雪。     

地质特深孔绳索取心钻杆机械性能研究

地质特深孔绳索取心钻杆结构区别于API石油钻杆,其机械性能计算不可直接引用API石油钻杆的相关理论公式。针对这一理论依据与计算方法缺失,本文对地质特深孔双台肩钻杆接头进行了受力分析,开展了钻杆接头拉伸载荷与扭转载荷计算理论研究,构建了绳索取心钻杆机械性能计算的理论方法。同时,通过有限元分析和台架试验,确定了H-5000规格双台肩绳索取心钻杆的机械性能,验证了计算方法的准确性,并提出了钻杆结构改进建议与下一步研究方向,为高性能薄壁绳索取心钻杆“服役”于5000 m地质岩心钻探工程提供了技术支撑。     

特深钻探钻柱组合优化设计研究

钻杆柱作为地球深部探测中深地与深水钻探技术的核心与关键,单一规格钻柱许用深度有限,难以满足大陆万米特深孔科学钻探及大洋深水深孔钻探工程的设计要求。本文通过减轻下部钻柱重力及提高上部钻柱强度方案,对其组合设计开展优化研究。以拉伸条件下的强度计算为主,加之一定的设计安全系数和拉伸余量来满足动载荷以及其他复杂情况对钻柱强度的需求,并开发了钻柱组合设计与安全系数计算的软件,可实现不同孔深设计和钻杆结构要求下的钻柱组合设计与安全系数计算。