绳索锤击取心浅钻技术在近海砂矿勘查中的应用

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。

5．2 钻探深度浅

由于本钻探方法完全是锤击式取样，只适合浅孔钻探，适合在滨浅海域泥砂层钻探取样，比如30 m浅沉积层钻探(深一点也能做到，但耗时较长)。本项目钻探遇到基岩风化土、略固结或者致密粘土、基岩、珊瑚和砾石砂层就可终孔，因此，本钻探方法非常适合滨浅海砂矿调查。

5．3 进尺深度测量有误差

本项目钻探过程中，进尺深度是根据水深和测量钢缆标记计算得到的，但这种方法会有一定的误差，而且与钻探机长的经验有很大关系。

6 建议

在海上作业时，由于风浪流等影响大，钻探船高精度定位难度大，钻探母船应配备一条抛锚小船(艇)，抛锚效率将会显著提高，抛锚快、抛锚准，节约抛锚定位时间。

钻探船位稳定是确保钻探顺利进行的关键，船长及项目组成员应关注潮位的变化，涨潮时船位将升高，锚缆将极度绷紧，而落潮时船位下降，锚缆将会松弛，而且由于底质条件差异，锚抓力不尽一致［8－9］，钻探船可能产生移位，因此，要求 GPS全过程监控，及时调整锚缆，使船舶中心始终位于设计点位置上。

海流较大时下套管，套管可能会随海流方向倾斜插入海底，这种情况通过慢慢收放锚链来缓慢调整船体位置直至套管垂直。当此法无效时，应需停止作业等待海流变小时绞放锚链调整船位，逐步减小套管倾斜度直至扶正垂直。

根据水深和钢缆标记计算进尺有较大误差，减少进尺测量误差应该使用计米器。钢缆运动带动计米器转轮旋转，计米器的智能计数器直接显示钢缆运动距离，计米器是非常成熟的技术，很容易应用到生产中去。

海上作业，安全是第一位的，必须严格按操作规程作业，严防事故发生，作业过程中确保通讯畅通，遇到不测事故及时向主管部门汇报情况。

［1］ 夏小明．海南省海洋资源环境状况［M］．北京:海洋出版社，2015:65 －66，317 －319．

［2］ 李家彪．中国海区海学(海洋地质学)［M］．北京:海洋出版社，2012．

［3］ 中国海湾志编纂委员会．中国海湾志(海南省海湾)［M］．北京:海洋出版社，1999．

［4］ 中国人民解放军海军司令部航海保证部．中国航路指南(南海海区)［M］．天津:中国航海图书出版社，2011．

［5］ 国家海洋局海洋技术研究所．海洋调查仪器使用手册［M］．北京:海洋出版社，2001．

［6］ 潘永坚，朱章通．岛礁海域工程勘察施工难点和对策［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2009，36(9):11 －14．

［7］ DD 2012—07，海洋区域地质调查规范［S］．

［8］ 郑荣耀，卢秋平．舟山海域淡水资源调查岩心钻探技术［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2013，40(5):26 －30．

［9］ 张永勤，孙建华，刘秀美，等．水力反循环连续取心(样)钻探在浅海砂矿勘查中的应用［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2008，35(6):15 －18．