南极冰下基岩钻探工程技术是研究极地地质科学的重要方向之一。通过解决南极冰下基岩岩心获取工程的技术问题,可为深入探究南极冰下地质体的物质成分、岩石组成及性质等基础地质学问题提供样本。由于南极大陆被平均几千米厚的冰盖覆盖,因此,对冰下地质体的物质成分和岩石组成等了解十分困难,详细资料更加缺乏。为此,本文介绍了南极冰下基岩钻探概况,分别从南极冰下基岩钻探装备及相关工艺方法进行综述分析,从中探寻能够实现在南极内陆快速钻穿冰层,获取更长的冰下基岩岩心的南极冰下基岩钻探装备。结果表明:(1)空气/钻井液反循环技术、连续管技术和热水钻技术是冰层快速钻进的重要发展方向之一;(2)提钻取心技术、绳索取心技术和钻井液反循环连续取心技术将是未来南极冰下基岩取心钻探的重要方向之一。本文还基于电缆悬吊式电动机械钻及岩心回转钻机,提出了多工艺融合的冰下基岩快速钻探技术,并对未来南极冰下基岩多工艺钻探装备及配套工艺技术具体研究方向进行探讨,指出南极冰下多工艺钻探技术在未来冰下基岩钻探有着极大的发展潜力,是未来获取更长冰下基岩岩心的必经之途。
西藏尼洋河流域水能资源丰富，然而存在超300 m厚度的覆盖层，探明深厚覆盖层的成因对开发水能资源有十分重要的意义。通过对多布水电站坝址深厚覆盖层进行钻探分析、物探解译和综合分析，发现青藏高原特殊的地质环境与气候变迁是多布水电站深厚覆盖层形成的直接原因。研究结果表明，尼洋河流域深厚覆盖层成因主要包含“气候型”加积型、河流冲积层、崩滑流加积层、堰塞湖相沉积、“构造型”加积层等5种类型。本文可为含深厚覆盖层地区水电工程选址和开发提供参考和指导。
通过分析研究大场地区冻土地层特点、矿区低温对钻探生产影响的主要方式,阐述了大场永冻层地区钻孔ZK0001钻探施工工艺,为进一步开展相关地区永冻地层的钻探施工提供借鉴。
钻探取心是天然气水合物资源调查研究的一种重要技术手段,也是识别天然气水合物最有效的方法之一。青海木里煤田三露天调查区地质构造复杂,水合物钻探施工时极易出现孔壁坍塌、水合物分解、气侵泥浆及孔内涌气、涌水、漏失等问题,取芯困难、钻进效率低。针对这些技术难题,开展了泥浆制冷技术、大口径绳索快速取心钻进技术、聚合物低温泥浆工艺及泥浆防塌体系、钻孔结构及钻进参数优化、钻头选型、气体防喷等技术工艺研究,并在现场实践中取得了较好的效果,为今后青藏高原冻土地带进行天然气水合物钻探施工提供借鉴。
泥浆冷却技术是天然气水合物钻探的关键技术之一,低温泥浆可以抑制天然气水合物在钻进和提钻过程中分解,有利于钻获水合物实物样品。新型天然气水合物钻井泥浆冷却系统主要包括载冷剂制冷器、翅片管式换热器、温度监测与记录和防冻装置4部分。制冷机组采用变频启动,减小了野外施工中配套发电机的功率,大幅度降低油料消耗;翅片管式换热器中泥浆与载冷剂对流换热,换热面积大,换热效率高;温度监测与记录装置对4个关键节点的温度进行监测和记录,同时防冻装置可防止泥浆在换热器中结冰堵塞,影响正常使用。运用传热学和流体力学理论对泥浆与载冷剂对流换热过程进行计算,在满足制冷要求的前提下,换热器换热面积是10.58 m2,管路压力损失为0.34 MPa。
东北冻土区天然气水合物钻探试验MK-2井中,采用了天然气水合物取心技术,同时还装备了钻井参数监控系统。利用钻井参数监控系统采集到的钻井深度、钻压、钻速、转速、回转扭矩、流量、泥浆循环泵压力等数据,结合地层情况,对影响钻进效率的因素进行了分析。分析表明:①在破碎带、碳质板岩和糜棱岩的地层中钻进效率低,在砂岩、砂质泥板岩、泥板岩和板岩的钻进效率较高;②得到了在不同地层中的最优钻压;③MK-2井钻探试验使用的技术、设备和试验结果对于以后的天然气水合物钻探具有一定的借鉴意义。
2008～2009年,中国地质调查局组织中国地质科学院矿产资源研究所、勘探技术研究所、青海煤炭地质105勘探队等单位,在祁连山木里地区实施"祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程",迄今共完成DK-1、DK-2、DK-3和DK-44个钻探试验井,总进尺2059.13m,并在井深133～396m区间钻获多层天然气水合物,取得了找矿工作的重大突破,证实中国冻土区存在规模巨大的天然气水合物潜在能源。祁连山冻土区天然气水合物具有埋深浅、冻土层薄、气体组分复杂、以热解气为主等特征,应是一种新类型的水合物。初步研发集成出一套冻土区天然气水合物调查方法、钻探施工工艺和配套装备,为下一步的调查研究奠定了基础。
大量的研究和钻探取样证明,不仅海洋深处存在着天然气水合物,陆地永久冻土带也存在天然气水合物。从目前的地质探测技术发展现状看,确定冻土层水合物的储藏深度、含量等物理化学特性还必须靠取样钻探技术。论述了全球陆地永久冻土带天然气水合物的钻探现状,介绍了陆地永久冻土带天然气水合物取心钻具的结构设计、试制过程和在海拔4200m的青海祁连山地区进行永久冻土带天然气水合物钻探技术研究过程中取得的成果。
