韓孝輝，龍根元，劉 剛，孫水文

(海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，海南?？?70206)

海南島環(huán)島濱海地帶廣泛分布有第四系砂質(zhì)地層［1］，沿岸具有豐富的重礦物資源，特別是東部沿海一帶是海南省鋯鈦等重礦物主要富集地，海南島濱淺海鈦砂礦、石英砂、鋯英砂儲量居全國前列［1－2］。我院承擔(dān)的一項(xiàng)海南島近淺海砂礦資源調(diào)查項(xiàng)目中，采用了繩索取心錘擊淺鉆技術(shù)，取得了良好的效果。

1 工區(qū)概況

工區(qū)位于海南島東部近海，鉆孔位置水深10～40 m，潮汐特點(diǎn)為不規(guī)則日潮混合潮，受風(fēng)浪作用顯著，由于沿岸多港灣，灣內(nèi)水流與潮流作用較強(qiáng)，風(fēng)浪與潮流為海岸主要水動力［3－4］，從工區(qū)底質(zhì)表層樣來看近岸表層沉積物相對較粗，以砂礫、礫砂、粗砂、中粗砂、中砂為主;遠(yuǎn)岸區(qū)為粘土質(zhì)粉砂，基本平行于海岸呈帶狀分布，局部有珊瑚礁分布。

2 施工要求

淺鉆孔位是在地震剖面解譯基礎(chǔ)上布設(shè)，要求鉆孔深度≮15 m，實(shí)際孔位與設(shè)計(jì)位置的偏差≯30 m，泥質(zhì)地層巖心采取率≮80%，砂質(zhì)地層巖心采取率≮60%，巖心采取率不得連續(xù)2次不滿足技術(shù)要求;鉆探施工過程中，應(yīng)每回次測量水深，以便校準(zhǔn)進(jìn)尺深度;單孔以砂層底板為界，一般鉆至基巖、礫石層或粘土以下1 m終孔;每回次鉆進(jìn)1.0 m左右，禁止進(jìn)尺長度超過取樣管與廢土管之和。

3 繩索錘擊取心淺鉆結(jié)構(gòu)原理及操作步驟

3．1 結(jié)構(gòu)原理

淺鉆由取樣管、花管、桿狀重錘、花瓣、刀口及其它附件構(gòu)成(見圖1)，為了減少對地層的擾動，取樣管設(shè)計(jì)長度為1.2 m，花管長度為4 m，花管的外徑與取樣管外徑為89 mm，管壁厚4.5 mm，花管就是密布直徑為1.5 cm小孔洞的鋼管，桿狀重錘在花管內(nèi)運(yùn)動，花管壁上的孔洞起到桿狀重錘運(yùn)動時排水的作用，刀口起到切割地層的作用，花瓣起到樣品止回作用［5］。

3．2 操作步驟

圖1 淺鉆結(jié)構(gòu)示意圖

本項(xiàng)目地質(zhì)淺鉆取樣采用套管護(hù)壁，套管外徑127 mm，管壁厚10 mm，長度1～4 m，鉆探船是本項(xiàng)工作的基礎(chǔ)平臺，由1000 t的貨船改造而成，在船體甲板穩(wěn)心部位改造設(shè)計(jì)一個1.2 m×1.2 m的方形口，套管、鉆具通過此口入水(見圖2、圖3)，在甲板口上方安裝一個13 m高的鉆塔架，塔架頂部固定一個定滑輪，卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩過定滑輪與桿狀重錘相連，卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)動通過鋼絲繩帶動桿狀重錘在花管內(nèi)做排水上下運(yùn)動。

第一步，鉆探船按GPD導(dǎo)航就位，船長一般使船頭迎風(fēng)(流)向拋錨［6］，根據(jù)海況至少拋4個錨，確保鉆探船穩(wěn)定。由于本項(xiàng)目鉆探船靠自身拋錨，就位、穩(wěn)定過程花費(fèi)的時間較長，影響作業(yè)效率。

圖2 淺鉆取樣過程示意圖

圖3 施工現(xiàn)場照片

第二步，鉆探船拋錨就位、穩(wěn)定之后下套管，套管長度1～4 m，套管一直插到穩(wěn)定的地層，下沉?xí)r在上面再加套管，保證使其起到護(hù)壁的作用。

第三步，套管下好后，卷揚(yáng)裝置拉起鉆具從套管內(nèi)入水，待取樣管觸底，卷揚(yáng)機(jī)迅速釋放桿狀重錘，桿狀重錘在花管內(nèi)排水向下運(yùn)動擊中花管受力部，花管連同取樣管一起向下運(yùn)動插入海底沉積物中，這樣提起桿狀重錘擊打幾次即可。

第四步，取出鉆具，為減少樣品擾動，取樣管設(shè)計(jì)成1.2 m長，計(jì)算取樣管已插入底質(zhì)1 m時，從套管中取出鉆具，從花管上擰下取樣管、刀口和花瓣，換上另一個取樣管，鉆探組人員繼續(xù)上述步驟，取樣組人員把裝滿巖心的樣品管放到專門設(shè)備上，把取樣管里的樣品擠出來(見圖4)，編錄人員測量巖心長度并現(xiàn)場進(jìn)行每一回次描述記錄及拍照，現(xiàn)場描述內(nèi)容包括頂部和底部的巖性，內(nèi)容有顏色、粒級、分選、磨圓度、物質(zhì)組成、重礦物含量［7］，如果樣品中間段能識別巖性的也同樣記錄，特別是分層界面要特別記錄清楚;同時記錄的還有航次、日期、孔號、坐標(biāo)、海況、水深等。

圖4 從取樣管中推出巖心

第五步，每個回次樣品按要求包裝好、做標(biāo)記封存。如此往復(fù)，直至取樣到設(shè)計(jì)深度。包裝樣品時，先將封存巖心用的對開的PVC塑料管沖洗干凈，其中一半依次鋪上白布、保鮮膜，再將巖心移至管內(nèi)。先用保鮮膜裹嚴(yán)巖心，外面再用白布裹緊，防止巖心變形和水分蒸發(fā)(見圖5)。接著將巖心標(biāo)簽置于回次的底部，兩端用木塞封堵，合上塑料管，用螺絲固定，膠帶密封兩個半管之間的縫隙，尼龍繃帶扎緊。封存巖心硬質(zhì)塑料管外的標(biāo)識:孔號，回次號，回次起止孔深，上下標(biāo)志等(見圖6)。樣品依次整齊堆放、固定，避免日曬雨淋和其他意外損壞。搬運(yùn)過程做到輕拿輕放。

圖5 巖心樣品封蠟包裝

4 施工情況及效果

4．1 施工情況

圖6 巖心樣標(biāo)記封存

從施工的實(shí)際情況看，該工藝適合于淺孔鉆探，具有高取心率、高效率、樣品擾動程度低等優(yōu)點(diǎn)。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)12個鉆孔(見表1)，由于施工時間是12月份，海況較差，影響了施工進(jìn)度和效率。實(shí)際完成12口，完成比例100%。淺鉆設(shè)計(jì)總進(jìn)尺為180 m，實(shí)際完成181.19 m，完成比例100.7%。

表1 12口淺鉆進(jìn)尺及巖心采取率

4．2 巖心采取率

根據(jù)施工設(shè)計(jì)要求，巖心采取率砂質(zhì)底質(zhì)60%以上，泥質(zhì)或者粘土底質(zhì)采取率80%以上，本次海上12口地質(zhì)淺鉆施工回次共計(jì)190次，各回次采取率均＞60%(見圖7)，回次采取率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。12口淺鉆的各孔的采取率均＞80%(見表1)。

5 施工中存在的問題

5．1 拋錨時間太長

圖7 12口淺鉆回次采取率曲線

海上鉆探作業(yè)至少拋4個錨，海況稍差或大一點(diǎn)的鉆探船需要拋6個錨來穩(wěn)定鉆探船。本項(xiàng)目鉆探船拋4個錨，艏艉各2個錨，自拋?zhàn)云?，艏艉錨都呈八字形入水，由于鉆探船本身噸位小，性能又不是很好，再加上作業(yè)時間在12月份，海況不是很好，靠鉆探船自身拋錨定位花費(fèi)的時間太長，有時從拋錨到就位穩(wěn)定鉆探船需要3個多小時，這樣的工作效率急需改進(jìn)。

5．2 鉆探深度淺

由于本鉆探方法完全是錘擊式取樣，只適合淺孔鉆探，適合在濱淺海域泥砂層鉆探取樣，比如30 m淺沉積層鉆探(深一點(diǎn)也能做到，但耗時較長)。本項(xiàng)目鉆探遇到基巖風(fēng)化土、略固結(jié)或者致密粘土、基巖、珊瑚和礫石砂層就可終孔，因此，本鉆探方法非常適合濱淺海砂礦調(diào)查。

5．3 進(jìn)尺深度測量有誤差

本項(xiàng)目鉆探過程中，進(jìn)尺深度是根據(jù)水深和測量鋼纜標(biāo)記計(jì)算得到的，但這種方法會有一定的誤差，而且與鉆探機(jī)長的經(jīng)驗(yàn)有很大關(guān)系。

6 建議

在海上作業(yè)時，由于風(fēng)浪流等影響大，鉆探船高精度定位難度大，鉆探母船應(yīng)配備一條拋錨小船(艇)，拋錨效率將會顯著提高，拋錨快、拋錨準(zhǔn)，節(jié)約拋錨定位時間。

鉆探船位穩(wěn)定是確保鉆探順利進(jìn)行的關(guān)鍵，船長及項(xiàng)目組成員應(yīng)關(guān)注潮位的變化，漲潮時船位將升高，錨纜將極度繃緊，而落潮時船位下降，錨纜將會松弛，而且由于底質(zhì)條件差異，錨抓力不盡一致［8－9］，鉆探船可能產(chǎn)生移位，因此，要求 GPS全過程監(jiān)控，及時調(diào)整錨纜，使船舶中心始終位于設(shè)計(jì)點(diǎn)位置上。

海流較大時下套管，套管可能會隨海流方向傾斜插入海底，這種情況通過慢慢收放錨鏈來緩慢調(diào)整船體位置直至套管垂直。當(dāng)此法無效時，應(yīng)需停止作業(yè)等待海流變小時絞放錨鏈調(diào)整船位，逐步減小套管傾斜度直至扶正垂直。

根據(jù)水深和鋼纜標(biāo)記計(jì)算進(jìn)尺有較大誤差，減少進(jìn)尺測量誤差應(yīng)該使用計(jì)米器。鋼纜運(yùn)動帶動計(jì)米器轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，計(jì)米器的智能計(jì)數(shù)器直接顯示鋼纜運(yùn)動距離，計(jì)米器是非常成熟的技術(shù)，很容易應(yīng)用到生產(chǎn)中去。

海上作業(yè)，安全是第一位的，必須嚴(yán)格按操作規(guī)程作業(yè)，嚴(yán)防事故發(fā)生，作業(yè)過程中確保通訊暢通，遇到不測事故及時向主管部門匯報(bào)情況。

［1］ 夏小明．海南省海洋資源環(huán)境狀況［M］．北京:海洋出版社，2015:65 －66，317 －319．

［2］ 李家彪．中國海區(qū)海學(xué)(海洋地質(zhì)學(xué))［M］．北京:海洋出版社，2012．

［3］ 中國海灣志編纂委員會．中國海灣志(海南省海灣)［M］．北京:海洋出版社，1999．

［4］ 中國人民解放軍海軍司令部航海保證部．中國航路指南(南海海區(qū))［M］．天津:中國航海圖書出版社，2011．

［5］ 國家海洋局海洋技術(shù)研究所．海洋調(diào)查儀器使用手冊［M］．北京:海洋出版社，2001．

［6］ 潘永堅(jiān)，朱章通．島礁海域工程勘察施工難點(diǎn)和對策［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(9):11 －14．

［7］ DD 2012—07，海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查規(guī)范［S］．

［8］ 鄭榮耀，盧秋平．舟山海域淡水資源調(diào)查巖心鉆探技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(5):26 －30．

［9］ 張永勤，孫建華，劉秀美，等．水力反循環(huán)連續(xù)取心(樣)鉆探在淺海砂礦勘查中的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(6):15 －18．