西寧盆地科學(xué)鉆探中黃土地層段泥漿體系的初步研究與應(yīng)用

張濤, 張偉林, 馬麗芳

1) 蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室&西部環(huán)境與氣候變化研究院, 蘭州， 730000; 2) 中國科學(xué)院青藏高原研究所盆地與資源環(huán)境研究中心, 北京， 100101; 3) 蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院, 蘭州， 730000

圖1 特殊泥漿采取的西寧盆地科學(xué)鉆探黃土巖芯

中國黃土經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的研究雖取得了舉世矚目的成就, 但因黃土地層多孔性、濕陷性與透水性等特性致使以往眾多黃土研究僅局限于天然剖面; 近年來, 隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、綜合國力的增強(qiáng), 能提供高精度、高分辨率信息的科學(xué)鉆探已受到眾多地質(zhì)學(xué)家深入研究黃土的青睞. 目前黃土的科學(xué)鉆探工藝一般分為干鉆以及泥漿鉆兩種, 然而沒有任何潤滑效果的干鉆將會出現(xiàn)卡鉆、消耗巖芯或鉆速變慢至不進(jìn)尺等現(xiàn)象, 不僅限制了黃土巖芯的正常獲取, 而且沒有冷卻效果的干鉆又可破壞有機(jī)物、巖石磁學(xué)等環(huán)境代用指標(biāo)攜帶的信息, 即無法準(zhǔn)確恢復(fù)黃土沉積時(shí)的原生環(huán)境面貌。黃土含水量低、強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)特征明顯、遇水強(qiáng)度降低以及結(jié)構(gòu)易破壞等屬性決定了不恰當(dāng)?shù)哪酀{材料使用又會導(dǎo)致黃土巖芯的擾動以及浸濕軟化變形, 黃土巖芯的采取率更是難以達(dá)到科學(xué)環(huán)境鉆探的精度要求。 2013年1月中國科學(xué)院青藏高原研究所委托西寧博源地質(zhì)工程有限責(zé)任公司對西寧盆地進(jìn)行科學(xué)鉆探, 鉆遇約15 m厚的黃土地層,如何獲取高質(zhì)量的黃土巖芯成為研究西寧盆地環(huán)境演化等信息的關(guān)鍵。 上述分析可知, 被譽(yù)為“鉆井工程血液”的泥漿材料的選取顯然成為解決這一問題的突破口。 通過查閱相關(guān)資料以及現(xiàn)場工程師的指導(dǎo), 我們成功地探索了一種可行的泥漿材料, 并順利通過現(xiàn)場多次試驗(yàn)驗(yàn)證。 試驗(yàn)方法如下:

(1) 在普通泥漿材料膨潤土、纖維素、燒堿中加入化學(xué)材料聚乙烯醇(1799)。 首先分別取攪拌均勻的普通泥漿(主要成分: 膨潤土、纖維素以及燒堿)以及特殊泥漿[主要成分:聚乙烯醇(1799)、膨潤土、纖維素以及燒堿]分別盛入兩只1000 mL的量筒和燒杯中, 其后將特殊泥漿逐步加溫以致聚乙烯醇(1799)完全溶解。

(2) 用繩子將鉆點(diǎn)附近野外露頭剖面采集的5 cm×5 cm×5 cm 四塊正方形黃土標(biāo)本系住, 在普通泥漿以及特殊泥漿中分別放入兩塊進(jìn)行觀察。

(3) 20 min后從普通泥漿和特殊泥漿中各取出一塊黃土標(biāo)本, 此時(shí)從外觀上看浸在普通泥漿中的黃土標(biāo)本已經(jīng)膨脹, 用美工刀從其中間十字狀切開觀察發(fā)現(xiàn)普通泥漿材料已經(jīng)侵入黃土標(biāo)本內(nèi)部, 黃土原生結(jié)構(gòu)已被破壞; 浸在特殊泥漿中的黃土標(biāo)本外觀沒有任何變化, 切開后觀察其內(nèi)部也與初始一致。

(4) 60 min后再分別從普通泥漿和特殊泥漿中將另一塊取出觀察, 此時(shí)浸在普通泥漿中的黃土標(biāo)本已經(jīng)浸濕軟化變形, 無法從量筒中取出; 而放置在特殊泥漿中的黃土標(biāo)本僅表層2～3 mm被浸濕, 美工刀從中間十字狀切開觀察到其內(nèi)部依舊完整無損。

據(jù)此, 我們對西寧盆地科學(xué)鉆探中鉆遇的黃土段地層采用特殊泥漿材料進(jìn)行濕鉆方案(具體泥漿配合比例如表1所示), 并成功獲取了原生結(jié)構(gòu)保持完好而且采取率高達(dá)96%的一根長約15 m的高質(zhì)量黃土巖芯(圖1a—d), 這為順利完成西寧盆地科學(xué)鉆探任務(wù)奠定了良好基礎(chǔ)。 此次試驗(yàn)的特殊泥漿材料在西寧盆地科學(xué)鉆探中的成功應(yīng)用, 可為今后其它地區(qū)的黃土科學(xué)鉆探提供重要的參考價(jià)值。 由于野外實(shí)驗(yàn)條件的限制, 該試驗(yàn)僅進(jìn)行了初步的對比研究。 下一步我們將在實(shí)驗(yàn)室分析此種特殊泥漿的具體性能參數(shù), 從表現(xiàn)粘度、塑性粘度、屈服值、靜切力等多角度來佐證此種特殊泥漿材料適用于黃土科學(xué)鉆探的科學(xué)性。

注: 聚乙烯醇需在沸水中充分溶解后再與其它材料混合攪拌。

致謝: 方小敏研究員提供了鉆探現(xiàn)場學(xué)習(xí)機(jī)會， 胡國軍工程師給予了建設(shè)性意見， 陳建工程師、李永清機(jī)長等在野外分析中提供了無私幫助, 在此一并表示感謝!