分类号：密级：
编号：
桂林理工大学
硕士研究生学位论文
（专业学位）
高原冻土天然气水合物钻探泥浆的
研制
The Research of Grout while Drilling in Frozen Plateau for
Natural Gas Hydrate
学位类别工程硕士
研究生宗俊秀学号212011489
工程领域地质工程
研究方向材料的试验研究
导师牟春梅职称副教授
企业导师职称
2013年 5 月 30 日
The Research of Grout while Drilling in Frozen Plateau for
Natural Gas Hydrate
Major：Geological engineering
Direction of Study：Experimental Study of The Material
Graduate Student：Zong Junxiu
Supervisor：Prof. Chunmei Mu
College of Civil Engineering and Architecture
Guilin University of Technology
April,2012 to April,2013
摘要
目前我国青海南缘冻土带成功钻获可燃冰实物样品，高原地区温度低，存在永冻土地层，这就对钻探过程中所使用的冲洗液提出了要求。本文的试验目的是为了将来在高原冻土层中钻取可燃冰而做的准备工作，要求泥浆正常工作的同时也要有足够的抗低温能力，本文同时对于天然气水合物的性质方面、高原冻土的特性方面以及不分散低固相泥浆冲洗液性能方面做了简要的介绍。
本文通过室内试验，在分析了天然气水合物的结构特点和存在环境以及高原冻土层特征的前提下，以理论指导为基础，研制出了一种低温不分散低固相泥浆冲洗液，实验步骤如下：
（1）根据需要选择适合用来配置泥浆冲洗液的添加剂种类，以及各组分的加量，确定一组初选配方；
（2）以初选配方为基础，进行正交试验，本次试验采用的是五因素四水平共16组，对其进行性能测试，选出一组性能最优的配方，其各组份加量分别是2%的钠土、1%的NH4-HPAN、0.08% 的Na-CMC、0.03%的PHP和20%的乙二醇；
（3）根据不同组分加量改变后的性能变化，进一步验证了所用的添加剂的特性。
通过对低温泥浆的性能测试可以看出该配方达到了在低温-10℃的条件要求，并且在试验中可以达到在-12℃时，保持钻井液的正常工作；该泥浆属于不分散低固相泥浆，其固相含量低、密度小，不影响钻速；而且测得的浆液流变参数低，剪切稀释作用好，所以清洗孔底的能力强；由于在泥浆中加入了高分子聚合物，所以有较强的护壁能力。因为失水量小，形成的泥皮薄而致密，可以保护孔壁稳定，同时，高分子聚合物对孔壁也有吸附胶结作用，对于油、气产层，失水量小可以减少对油、气的污染，对于配方中的各组分材料，都是常见的化学药品，价格低廉。
关键字：天然气水合物，高原冻土，泥浆，性能，低温
Abstract
Now reforcing tundra the Flammable ice physical samples was successed drilling in qinghai, one of citys of our country. However,plateau low temperature and the presence of permafrost strata set forth requirements for flushing fluid used in the drilling process. The purpose of this test is to do the preparatory work of drilling the combustible ice in plateau permafrost for future,not only requires the normal work of the slurry but also have the cold resistance.This article has done a brief introduction of the characteristics on the nature of the gas hydrate, the frozen plateau soil and performance of the dispersed low solids slurry flushing fluid
Basing on laboratory test, this paper has analyzed the structural characteristics of the natural gas hydrate and its presence of the environment as well as the characteristics of the permafrost layer in plateau. And based on theoretical guidance, a low-temperature washing fluid was developed experimental steps are as follows:
(1) Based on the need of the additives types selected for using to configure the mud flushing fluid, and the the increase amount of each component, determine a set of primaries formulations;
(2)Based on the primaries formula, orthogonal test was made. this test is used a total of 16 groups of five factors and four levels to make performance test, then select a set of optimal performance formula that the respectively components plus are 2% of sodium soil, 1% of NH4-HPAN, 0.08% of Na-CMC, 0.03% of the PHP and 20% of ethylene glycol;
(3) According to the change in performance after the change of the amount of different components add, furtherly validates the characteristics of the additive used.
It can be seen that this formulation achieve the requirements of conditions of low temperature -10 ° C by the performance test of the low-temperature slurry. And the operation can maintain in normal level when the test is in the -12 ° C. The slurry that low solids content, small density, and does not affect the rate of drilling is not the Lower scattered solid one. And because of the low rheological parameters of this slurry measured and the good effect of its shear thinning, there is a great ability of clearing the bottom of the hole; In addition, the polymers is added in the mud, there is a strong ability of mud protection. Because of low Water loss which can form a thin and compact mud, this slurry can protect the stability of the hole wall. in the meantime, polymers has an Adsorptive cementation to the hole wall and can reduce the oil or gas pollution, as for the component materials of the slurry, they are common, inexpensive chemicals.
Keywords: Natural Gas Hydrate，Frozen Plateau Soil，Slurry，Performance，Low-temperature
目录
摘要.................................................................................................................................... I V Abstract ............................................................................................................................... V 第1章绪论 (1)
1.1 研究背景及研究意义 (1)
1.2 国内外天然气水合物的研究现状 (2)
1.2.1 国外天然气水合物的研究现状 (2)
1.2.2 国内天然气水合物的研究现状 (4)
1.3 本文的研究内容 (5)
第2章高原冻土天然气水合物概述 (6)
2.1 高原冻土概述 (6)
2.1.1 我国冻土分布 (6)
2.1.2高原冻土的成因 (7)
2.2 天然气水合物概述 (9)
2.2.1 天然气水合物的结构特征 (9)
2.2.2 天然气水合物的性质 (10)
2.3 天然气水合物的勘探方法 (11)
2.4 天然气水合物开发的潜在风险 (13)
第3章泥浆冲洗液概述 (15)
3.1泥浆冲洗液的分类 (15)
3.2 造浆粘土 (17)
3.3 粘土-水分散体系的物理化学性质 (18)
3.3.1粘土的水化膨胀 (18)
3.3.2粘土—水界面的双电层 (19)
第4章高原冻土天然气水合物钻探泥浆的研制 (22)
4.1 高原冻土天然气水合物钻探泥浆的组成 (22)
4.1.1 膨润土 (22)
4.1.2 水解聚丙烯腈铵盐（NH4-HPAN） (23)
4.1.3 钠羧甲基纤维素（Na-CMC） (23)
4.1.4 部分水解聚丙烯酰胺（PHP） (25)
4.1.5 乙二醇 (26)
4.2 高原冻土天然气水合物钻探泥浆的性能及测试 (27)
4.2.1 泥浆的密度和固相含量的测定 (27)
4.2.2 泥浆的流变特性 (29)
4.2.3 泥浆的滤失与造壁性 (31)
第5章高原冻土天然气水合物钻探泥浆的试验研究 (33)
5.1 低温泥浆基础配方的确定 (33)
5.2 低温泥浆优选配方的确定 (34)
5.3 低温泥浆优选配方各组分用量对泥浆性能的影响 (44)
第6章结论与建议 (54)
6.1 结论 (54)
6.2 建议 (54)
参考文献 (55)
个人简历
致谢
第1章绪论
1.1 研究背景及研究意义
分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中的天然气水合物（Natural Gas Hydrate），是一种由天然气与水在高压低温的环境下形成的类冰状的结晶物质。因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作可燃冰、固体瓦斯和气冰。在1810年，这种水合物首次在实验室被发现，19世纪末期，一个石油公司在北极永久冻土带中在此发现，但是没有引起重视，前苏联在1934年再次发现后，才引起重视。到1971年，“天然气水合物”的概念才被斯托尔等正式提出。
煤、石油、天然气是当今世界各国的主要矿物能源，按照目前的能源消费方式，人类很快就要面临这些矿物能源枯竭的局面[1]。幸运的是，人类发现了可燃冰——天然气水合物，可燃冰已是国际能源界公认的21 世纪接替石油天然气的新能源[2]。作为一种新型能源，天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称NGH）是一种清洁能源，未来可以取代石油煤炭的重要的潜在未来资源，目前已知其储量巨大。研究表明，其资源量相当于全球煤、石油和天然气资源量和的两倍[3]。就我国而言，开发和利用新型的清洁能源，同时降低能源使用过程中与技术发展过程中对环境造成的负面影响，是解决21世纪能源问题的主要出路，而高效、清洁的天然气水合物在我国能源发展战略中，应该成为重要的后续发展能源。而且，我国国土资源部门也已经将天然气水合物的调查与评价工作列入了2015 年规划[4]。据粗略估算，世界上NGH所含天然气的总资源量约为（1.8～2.1）×1016m3。根据理论计算，lm3的天然气水合物可释放出164m3的甲烷气体和0.8m3的水[5]。NGH在分解后，主要释放甲烷，与常规天然气相比含有更少的杂质，在燃烧之后几乎不产生污染环境的物质。NGH主要蕴藏在深海和陆地冻土区，在海洋的底部它主要分布在深水的特定区，其中未固结沉积层域和是水深在100～250米以下的极地陆架海域是天然气水合物形成的理想场所。我国一些专家建议优先从陆地冻土区的NGH开始开采，之后在滨海从陆缘钻大位移水平井，最后下海钻采NGH[6]。目前，自然界发现的NGH主要有层状、针状晶体、亚等晶轴状，颜色有暗褐色、琥珀色、淡黄色、白色等等。
目前，人们对美国的阿拉斯加北坡、加拿大马更些三角洲的Mallik井以及俄罗斯的麦索雅哈的研究已经获得了大量地极其宝贵的数据资料，为多年冻土区可
燃冰的开采打下了良好的基础。冻土地区是NGH主要赋存的地带之一，通过地质勘察表明：我国的青藏高原地区也分布有大量的NGH，并且具备大规模开采可燃冰的地质条件。在冻土层上部常夹有大量的冰层，冻土多呈坚硬状态，在冻土层钻探过程中要尽量避免或者减少冻土的融化。因此，在钻进过程中就要考虑到钻井冲洗液的性能。在高原冻土区NGH钻探进程中，所选用的泥浆冲洗液必须能够有效抑制水合物分解，维持其相态稳定，同时，在低温的条件下，必须保持有良好流变特性用以悬浮岩屑以及维持井壁的稳定，保证钻探取样过程的正常进行。
在进入20世纪70年代以后，通过国际合作的大洋钻探计划（ODP），美国、加拿大、日本、德国、韩国和印度等国家在NGH的问题上，单独或者共同合作开展了大规模的研究，进入了工业化钻探实验性开采阶段。但是，由于NGH物理化学特性的特殊性以及处在的恶劣自然环境下，还需在理论研究和实践上作大量的工作，才能进行大规模工业性地开采。随着科学技术的飞速发展和能源需求的快速增长，我们可以预见NGH作为一种新型的环保能源在不远的将来会发挥其应有的经济效益。
1.2 国内外天然气水合物的研究现状
1.2.1 国外天然气水合物的研究现状
（1）以美国为主的深海钻探计划/大洋钻探计划(DSDP/ODP）
大洋钻探计划的前身是1975年开始的国际大洋钻探项目，在1985年大洋钻探计划正式实施[7]。ODP是目前世界上对海洋NGH钻探取样调查评价最多次数的国际机构。我国在1998 年4月与美国国家科学基金会签署谅解备忘录，正式以六分之一的成员国身份加入到大洋钻探计划中。其中深海钻探计划的目标是DSDP66 线（太平洋大陆边缘、南墨西哥滨海带、中美洲海槽）、DSDP67线（太平洋大陆边缘、危地马拉滨海带、中美洲海槽）、DSDP76 线（大西洋大陆边缘、布莱克外海岭、美国东南滨海带）、DSDP89线和ODP96线（墨西哥湾等）；大洋钻探计划的目标是ODP112线（太平洋大陆边缘、秘鲁—智利海沟），ODP146 线和ODP164 线（美国东南陆隆区布莱克海岭）等[8]，这两个计划代表着当今海洋内NGH研究的最高水平。自1983 年以来，这两项计划在多个地区采集到NGH 样品，为各国制定了长远发展规划和实施开采计划提供了依据。通过研究，NGH 的资源量巨大，而这两项钻探计划揭开了人类全面进行陆地及海洋NGH调查研究的序幕。
在1995年，美国制订了一个10年研究与开发目标，针对NGH的开发利用，目标是到2015 年获得在商业生产中所需要的有关NGH的相关技术与知识。
（2）阿拉斯加天然气水合物研究项目
从1983 年开始，由美国能源部出资，在美国地质调查局和前苏联地质部共同合作下，进行资源潜能评价。到1988 年，是对阿拉斯加北部NGH产状的一些已有数据进行评估，分析控制NGH分布的地质条件；之后是对前段工作的继续，对温度测量和钻孔重力测量、露头和井眼取地质、地球化学样品分析、露头和井眼取水样分析就行现场研究[错误！未定义书签。]。并初步建立了可以描述该地区NGH的可能埋藏深度、成因模式、区域分布、厚度以及资源量等参数。
（3）四国联合国际合作项目
这是一项以德国教授为首的，由德国、美国、加拿大和俄罗斯四国的合作项目。他们是对东太平洋Cascadia聚合边缘的水合物海岭（Hydrate Ridge，44°40′N，125°06′W）通过较小的考察船，利用含有高科技的先进手段进行全方位综合考察，并选择适当的采样站位置。分别在1996年和1999年利用巨大抓斗在深海大约800 m水深处，海底浅表沉积物处获取了大量的层块状NGH，此外还有一些小结核或小块状的NGH。在1999年，运用多管重力取样器，获取到了几个含有NGH的重力岩心柱（约50～150 cm长）。因为科技和技术的不断取得突破，在深度钻探方面和浅层取样方面都取得了成功，这就为学者从不同角度研究海洋中赋存的NGH提供了技术支持，并可以进一步对水合物的产出、成分组成和分布状况等问题作出进一步研究。
（4）其他国家天然气水合物勘探状况
俄罗斯很早以前就发现了NGH，是最早发现并开展调查研究和评价的国家之一，在贝加尔淡水湖泊的沉积物中发现有NGH的存在，还有在深海（里海海域）内深度在1950 m范围内勘探出冰状水合物结晶体。由加拿大地质调查局(GSC)、帝国石油公司和壳牌加拿大分公司在1992年时，在北极地区钻凿了一口科学探索井，采集到第1块永久冻土中的NGH [9]。
印度作为发展中国家，它对天然气水合物调查和研究也是十分重视，在1996~2000年期间，每年对于NGH的研究投入了大量的科研资金。印度对NGH 的开发计划分为两个阶段，第1阶段的主要目标有：确定有利的远景区，进行详细的地震勘探；对计划的目标可行性进行研究；组织建立有效的组织机构；研究和开发计划的完成、实施；在工程实施方面，对现有的地质和地球物理信息进行处理，编制印度地区水合物位置图；进行资源量的评价；建立地球物理数据采集和处理参数等；第2 阶段的主要目标有：确定3—5 个可钻探远景区；地震数据采集和处理；研究和实施上述各项工作[10]。
韩国也十分重视对NGH的开发和研究工作，在1996年韩国第一个有关水合物的项目是由地球科学院、资源矿产研究院共同组织并实施的。主要是进行样品的初步实验分析和收集基本信息。在1997～1999年，由地质矿产与资源研究所在其郁龙盆地的局部地区完成了对NGH的地球物理调查，由此也确定了气水合物矿床存在的可能性[11]。在郁龙盆地南部采用14366 km的电缆分析，在37 个位置上共实施了38 个活塞取心工作，对2369 个沉积样品的结晶粒度、水饱和度和气体组成等进行了分析，估计气体水合物稳定区（GHSZ）的厚度为155~595m，其平均厚度约为187m[12]。2005 年7月19日，韩国成立了国家NGH 研究机构（GHDO），其主要作用是推动国家NGH计划，包括R/D项目管理、制定策略、国际合作和行动计划。韩国政府在2005~2014 年总计投入2257 亿韩元，用来研究开发深海勘探和商业生产技术。
自1994年以来，日本地质调查所与多家国内公司（东京天然气公司、大阪天然气公司、日本石油勘探公司）开展合作，共同对NGH的进行研究。
1997-1999年通产省的新能源产业技术综合开发机构(NEDO) 还设立了以NGH资源化技术先导研究为主题的项目。日本对西南海海槽与东南海海槽的NGH勘探钻探的研究相对成熟。到目前为止，对这2 个地区积累了相当丰富的地球物理、钻探、深潜器、地质与地球化学资料。经过多年的研究，Krason与Matsumoto 分别估算了日本南海海槽NGH的体积为（0 .42 —4.20 ）×1012m3和（0.8 —8 . 0）×1012 m3。Saton等估算了四国岸外南海海槽地区的天然气水合物与有关的游离气资源量，分别为2.71 ×1012 m3 与l.6×1012m3[13]。
2013年3月，日本一个研究机构从冻结的海底沉积物中首次提取出了甲烷气体，这意味着日本距离开发一种潜在新能源又近了一步，日本可燃冰开发计划于2016～2018年度将对实现商业化开采存在的问题进行梳理，进入最终的综合评估阶段[14]。
1.2.2 国内天然气水合物的研究现状
然而到目前为止，尽管中国已将NGH开发技术列入《中长期科技发展规划》，到目前为止，我国没有一个国家性的有关NGH的研究平台，有关NGH的总体规划还不明确。正是上述因素的制约，才导致我国对水合物没有做深入系统的研究，以至于目前的研究工作仍然处于基础研究阶段。
我国NGH地质研究与勘探调查起步较晚，在20 世纪80 年代末才引起个别学者的关注。1990年1月中国科学院兰州冰川冻土研究所实现了在实验室合成气水合物，1992年中国科学院兰州文献情报中心出版了《国外天然气水合物
研究进展》[15]。1995—1997年期间，先是在中国太平洋协会的支持下，后来在原地矿部的支持下，开始立项，开展对中国海域内的NGH探测以及开发前景方面进行调研，我国正式将水合物探测技术列为国家级高科技技术研究发展计划是在1998年，同年4月，中国正式以1/6成员国加入到国际大洋钻探计划中。
1999年10月，在我国南海海域，广州海洋地质调查局开始了一系列有关NGH地质、地球物理和化学调查，在神狐等有关海域发现了重要的地球物理标志——BSR以及其他异常标志，我国寻找NGH显示出良好的前景。2000年，中国地质科学院勘探技术研究所在国土资源部的资助下，作为国内第一家开始NGH保压取心钻具研发的机构。到2001 年才开始在南海北部陆坡区开展实质性的调查工作。
2006年3月14日十届人大四次会议批准的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》列明：“开展煤层气、油页岩、油砂、天然气水合物等非常规油气资源调查勘探[16]”。2006年12月12日经中国地质调查局的授权，广州海洋地质调查局与辉固国际（香港）有限公司在广州签定了NGH钻探合同，双方确定了辉固公司Bavenit工程钻探船于2007年3—6月期间在中国的南海海域实施NGH勘探作业，此次勘探的意义在于，运用我国研制的NGH 保真取样器，力争探获可燃冰的实物样品。
在已经开展的地球物理勘探表明我国青藏高原多年冻土面积140×104m3，有可能成为21世纪我国又一个具有战略意义的油气资源区，特别是在羌塘地区，有190余处发现油气藏，和厚达数厘米的板状沥青，充分证明羌塘盆地有形成NGH的充足的天然气来源，我国将羌塘地区作为NGH开发的重点[17]。根据理论估算，青藏高原地区的NGH甲烷资源量最高可达到 2.4×1014m3，接近全国天然气储量的10倍，其中，仅羌塘地区天然气水合物的资源量就为 6.9×1013m3。
然而到目前为止，尽管中国已将NGH的开发技术列入到了《中长期科技发展规划》，可是，还没有一个国家性的NGH研究平台，也没有制定一套完整的国家水合物计划及总体规划框架。也正是因为这些不足，导致目前我国对NGH 的工作研究不够深入、系统，以至于目前的研究工作仍然处于基础阶段。
1.3 本文的研究内容
为即将开展的高原冻土天然气水合物钻探工程，研制出泥浆冲洗液。通过室内试验，测试出浆液性能，选出最优配方，应用在实际工程中。该泥浆最关键的一点就是如何在低温条件下正常工作，这些都通过室内试验加以解决。
第2章高原冻土天然气水合物概述
2.1 高原冻土概述
2.1.1 我国冻土分布
我国永冻区面积为世界第三，土地总面积约2.1×106km2，约占世界永久冻土面积10%[18]，其主要分布在我国的青藏高原、西部高原和东北大小兴安岭，青藏高原拥有的永冻土面积占世界永冻土面积的7%，约占我国永久冻土面积的60% ~ 70%。我国高纬度多年冻土分布在东北地区；高海拔多年冻土分布在西部高山高原及东部一些较高山地。图2.1为我国冻土类型分布图。
图2.1 我国冻土类型分布图
（1）位于欧亚大陆冻土区南部地带的东北冻土区，由北至南分布面积逐渐减少，具有明显的纬度地带性规律[19]。这一地区有宽阔的岛状冻土区，热状态不稳定，对外界环境因素改变的敏感度极高极。
（2）多年冻土出现在西部高山高原和东部一些山地的位置，并且在一定的海拔高度以上，冻土分布具有垂直分带规律。青藏高原冻土区是世界中、低纬度地带海拔最高、面积最大的冻土区，其平均海拔在4km以上，面积超过10×105km2，北起昆仑山，南至喜马拉雅山，西抵国界，东缘至横断山脉西部、巴颜
喀拉山和阿尼马卿山东南部，在这一范围内有大片连续的多年冻土和岛状多年冻土。青藏高原永久冻土层的厚度因海拔、纬度、地势、年均温和降水分布的不同而有所不同，高原中部永久冻土层最厚，北侧和南侧分别因海拔和纬度的降低而减薄。
2.1.2高原冻土的成因
（1）冻土的形成过程
当土体中含有水分，并且温度降到结冰的温度及以下时，土中水结冰将土颗粒胶结成一个整体，这部分土称为“冻土”。冻土中水的结冰过程可分为以下几个阶段，如图2.2所示。
图2.2 冻土中水结冰过程曲线
根据曲线大致分为五个阶段：①冷却段:含水土体逐渐降温至水的结冰温度，即冰点；②过冷段:含水土体继续降温至水的冰点以下,此时的自由水没有结冰,呈现出过冷的现象；③突变段:土体中部分水结冰并释放出结冰潜热,使土体内温度升高至接近冰点；④冻结段:湿土温度上升到接近冰点后保持温度稳定,土中水逐渐释放出结冰潜热而结冰,逐渐形成了冻土；⑤冻土降温段:冻土温度继续降低,此时，冻土强度逐渐增大,是冻土中水结冰边缘向外扩展,或者是土体全部冻结后继续降温的过程[20]。在冻土形成过程中, 在特定条件下会发生水的过冷现象,即在水达到结冰温度的时候，但是全部水未结冰之前并无结冰晶点生成，不受振动的影响。
（2）水分迁移和冻胀
①水分迁移
在土体冻结的过程中，在已冻和未冻土体之间会发生水的移动现象。通常情况下在细粒土冻结时水分则向已经冻区方向迁移；粗粒土冻结时水分向未冻结土区的方向移动。
冻土内部的原因是由土中毛细水和薄膜水在温度梯度的诱导下引起的，水分迁移的原动力是一系列分子作用力的总和，被普遍地称为吸着力。学者曾用很多理论来确定原动力的数值，包括水头压力理论、渗透压力理论、结晶力理论、毛细管理论、薄膜迁移理论、抽吸力理论、化学势理论等理论。近期有学者认为水分迁移是力学、物理和化学因素的综合作用引起的。上述的各种理论有其自身的局限性，都只能描述在某种特定条件下水分迁移的原动力。总的来说，目前对水分迁移过程的研究还不够待深入，应综合考虑土中水、热传输，建立数学模型仍处于探索阶段。
②冻胀
根据实验测定，水在结冰之后体积会发生约9%的膨胀，前面提到在冻结过程中水分的迁移使细粒土中含水量增加，从而加剧了湿土的冻胀，这种由冻胀所引发的灾害常称为“冻害”，通常采用冻胀率、冻胀量和冻胀力来评价冻胀的影响，冻胀量与冻结地层厚度之比称为冻胀率；冻胀量是冻土表面产生冻胀位移的绝对值；当土体冻结膨胀受到约束时土体对约束体作用的力称为冻胀力。这三者与影响因素间的关系为[21]：
（式2.1）
（式2.2）
（式2.3）
式中：—冻胀率，无量纲；
—冻胀量，m；
—冻胀力，Pa；
—土的物理化学特性；
W —含水量，无量纲；
—土体的密度，kg/m3；
t —温度，℃；
p —冻土的外压力，Pa；
—受力P作用的时间，s；
—约束体的材料特性。
通过实验研究，学者发现土体中粉粒粘粒的含量对冻胀率的影响显著。即使在充分饱水条件下, 土中粉粘粒的含量小于12%时,冻胀率也不大于2%；而粉粘粒的含量大于12%时,发现冻胀率明显升高。对冻胀力方面的研究但都受地区、土性和特定试验条件的限制，处在以试验及实测研究为主的阶段,尚未达到按理论模型求解的程度。
(2)高原冻土形成原因
高原的构造抬升是我国青藏高原冻土层形成的重要因素，同时也对地域的分异规律和历史的演变过程有着重要影响，多年冻土已经融入到了该区生态系统中。冻土的形成过程主要表现如下方面：在距今15～2.8百万年前青藏高原的抬升过程比较缓慢，到上新世末，青藏高原主体的内部山地高原不超过2000 m，盆地地区不超过1000～1500 m。之后高原抬升的速度及抬升幅度逐渐增加，自更新世以来，有几次连续大幅度抬升，距今约1.1～2.5万年前的晚更新世末期，高原海拔达到4000～4500m，具有-3.0 —-7.0℃的年均气温。由于晚更新世末期的温度变化受全球气候波动的控制，气温普遍下降，形成了现今存在的高原多年冻土的主体。
2.2 天然气水合物概述
2.2.1 天然气水合物的结构特征
天然气水合物（Natural Gas Hydrates，简称NGH）是由水分子和天然气分子在一定温度、压力下所形成的似冰雪状的结晶化合物，它是一种笼形结晶化合物，水分子会形成空穴，在空穴中会有小分子的烃类气体吸附其中，就形成了NGH。在一定温度和压力条件下，由乙烷、甲烷、异丁烷、丙烷、正丁烷、H2S、C02、N2等分子，与游离水结合形成的结晶状笼形固体，气水合物是极易分解的，因为水分子与烃类分子之间并没有化合键或者离子键相互连接。在标况下,一单位体积的NGH可存储164单位体积的甲烷气体。
在20世纪40年代中期，人们通过x射线衍射研究，开始对水合物晶体的立体结构有了一定了解。通过Claussen、V on Stackelberg、、Muller、Claussen Pauling 和March等人坚持不懈的努力下，两种最为常见的结构在50年代初被确定出，即结构I和结构Ⅱ。Ripmeester等在1987年通过核磁共振和粉末衍射实验，发现了一种新的水合物晶体结构——H结构。Ⅰ型结构：笼架以体心堆积，而且只容纳小分子的烃，如乙烷、甲烷及H2S、CO2等；Ⅱ型结构：笼架以菱形堆积，
能容纳小分子烃的同时也可容纳C4、iC4等大分子；H型结构：可直接包容直径超过iC4的大分子。
图2.3 水合物立方体笼型结构（a为Ⅰ型，b为Ⅱ型）
每种类型的基础都是以12个水分子构成是十二面体，五角十二面体与六面体结合在一起，在Ⅰ型NGH中，形成12个五面体的晶面和2个六边形的晶面；在Ⅱ型NGH中，与六面体一起，形成了12个五边形的晶面和4个六边形的晶面，如图2.3所示。
2.2.2 天然气水合物的性质
（1）形成条件
天然气水合物的形成一般需要满足三个条件，即低温（<10℃）高压（>10MPa）条件下结合形成；需要连续补给充足的烃类气体以及水的供应；足够的生长空间。因此，自然界中发现的天然气水合物主要分布于大陆边缘与冻土带[22]，在全球约有27%的陆地面积和90%的大洋水域成为天然气水合物潜在存在区域。在陆地，NGH产于永冻层地区约200～2000 m 深处；在海底，分布在陆坡、陆隆或海台地区的沉积层中，在深度为0～1000m的位置[23]。
（2）性质
存在于地壳内部的NGH其物理特征差异很大，通过研究和分析太平洋勘查取心收获的NGH样品，天然气水合物在地层内有以下物理特性：占据大的岩石粒间孔隙；以球粒状散步于细粒岩石中；以固体形式填充于裂缝中；以大块固态水合物伴随少量沉积物[24]。天然气水合物的硬度和剪切模量比冰小，与冰的密度大致相同，热传导率和电阻率却远小于冰。表2.1 是天然气水合物与冰的性质
比较表[25]。
天然气水合物与冰，含天然气水合物层与冰层之间有明显的相似性：
两者之间有相同点，都是从流体变成固体的过程，而且体积有所增加，两个转变过程都是放热的过程，会产生热效应；两者只有在淡水中才可以合成冰或者水合物；气水合物的密度小于水，冰的密度小于水等。
2.3 天然气水合物的勘探方法
（1）地震勘探方法
地震方法是行之有效的NGH勘探方法，其实质就是发现BSR（似海底反射层，Bottom Simulating Reflectors），海底模拟反射层大致与海底平行或与海底沉积层小角度斜交的特征，这是20世纪60年代后期人们在研究海相地震反射剖面时，发现在NGH稳定带基底相对应的深处，地震波声速反射异常，呈现出高振幅、负极性、横向连续的特性。BSR受沉积作用、构造作用、沉积物中含碳量的多少以及NGH含量浓度等因素影响，而岩石的物理性质、地震资料处理因素等对地震属性的分析也有一定影响，值得注意的是，NGH与BSR并不存在一一对应的关系[26]，所以在NGH赋存区也未必一定会有BSR 存在。
NGH气层的最大深度受其稳定区边界的特定压力温度面的限制，深海沉积物的温度受海底地温梯度的限定变化很大，因此，由于海底的不规则存在，就有可能造成指示NGH稳定区基底的不规则近似等热面。但是，BSR只适用于在海洋中而不适合用于永久冻土区的NGH的探测，因为在永冻区，冻土层是被冰胶结起来，所以地震波波速与存在NGH的地层波速相当。
（2）地质方法
在天然气水合物矿藏发育的部位，可能伴有的NGH地表标志有泥火山、形状类似环形山的洼地、特殊形状的植物枯死斑块等[27]。到目前为止，在黑海、墨西哥湾、里海、挪威海、地中海、尼日利亚海岸、巴巴多斯岛海岸等地的大洋浅表层沉积物中发现具有一定规模的NGH [28]。研究表明, 天然气水合物存在于大洋底部浅表层的沉积物中主要与泥火山作用、底辟构造、断裂构造发育的埋藏背斜区有关，当海底有流体喷出的现象时也可能表明有水合物的存在。
由微生物分解出的甲烷气体沿断层节理或底辟构造向上移动就形成了出现
在海底或浅表层沉积物中的NGH，甲烷气体的形成, 造成了海水底层烃类气体含量出现异常, 从而可以导致浅表层沉积物和孔隙水出现一系列地质和地球化学特征异常。
（3）测井技术
天然气水合物对沉积物有一定的胶结作用，这就使得沉积物致密, 孔隙度减小, 渗透能力降低和扩散强度降低, 这些特征不仅在地震剖面上有明显显示,在测井曲线上也有显示。地球物理测井技术作为一种有效的勘探NGH的手段，其测井技术主要用来确定NGH或者含NGH的沉积物在深度上的分布情况；可以估算孔隙度和甲烷气体饱和度；利用井孔获得的信息可以校正地震和其他地球物理资料[29]。根据测井获得的资料可以用来研究井点附近NGH赋存地层的沉积环境以及演化过程。由此而知，在NGH探测与储量评价领域方面测井具有重要意义。
通常情况下，存在NGH的地层段的常规测井数据有以下特性[30]：电阻率测井（R）：NGH层位由于岩石粒间裂缝和孔隙被固体水合物占据，导致地层结构致密、渗透性差表现出较高的电阻率；自然电位测井(SP)：由于NGH的存在堵塞了地层的孔隙，降低气体的扩散和渗透，与含有游离气的层位相比较，NGH 层位负偏移幅度相对较低；井径测井(SV)：在钻进的过程中，由于NGH分解导致岩石稳定性破坏造成井壁塌陷，致使井径扩大；中子孔隙度测井: 含NGH的层位中子孔隙度有轻微增加, 这与含游离气层位中子孔隙度明显降低相反；密度测井：利用岩石的吸收射线这一性质进行测定，与饱和水的层位相比, 密度略微降低。放射性测井（GR）:形成NGH的水是纯水,水合物层段的API 值与相邻层段比有明显增高。
（4）地质钻探技术
通过钻探进行地质取样是发现NGH最直接的手段，运用此法也可以用来验证通过其它方法所得到的调查成果。目前为止在世界上有许多地方通过取样获得NGH的岩芯，如布莱克海岭、中美洲海沟、秘鲁大陆边缘、里海等地[31]。地质钻探取样技术可以通过重力取样、抓斗取样、大型重力活塞密封取样等海底浅地层取样技术和钻探取心技术。由于NGH物理化学性质特殊，在钻探取芯过程中，
当钻孔岩芯向上提升到海面时，会趋于常温常压，样品中所含有的NGH会大部分或全部分解，要获得高保真岩心样品，应尽可能地保持原位压力和温度, 这就需要研究和采用高保真的取心器和室内实验分析装置。1995 年在ODP 第164 航次中首次进行了保压取芯取样的尝试并取得了部分成功[32]。
在钻探取芯以后，将岩芯仍保留在保压岩芯筒内，在1℃的温度下进行压力测试，降岩芯筒内的气体抽出，筒内压力下降，但是，当把抽气系统关闭后，筒内压力过段时间后又升至理论的气水合物平衡时的压力，这种情况就表明岩芯内含有水合物气。1997 年开始的欧盟海洋科学和技术计划研制了新一代的天然气水合物保压取芯系统(（HY ACE）, 其功能得到不断的完善和加强[33]。
(5)地球化学勘探技术
地球化学勘探技术是识别海底NGH是否赋存的有效方法之一，为解决NGH “在哪里”和“有多少”等问题都起到了重要作用，因为NGH极易因压力和温度的变化而分解，这就造成海底浅部沉积物中发生化学异常，我们可以利用碳同位素和烃类组分比值( 如C1/C2 )等。
可以用来研究海底赋存的甲烷浓度以及氯离子的浓度是否发生异常可以用流体地球化学的方法。正是因为NGH的笼型结构不允许外来离子的进入，所以使周围海水的盐度增高；如果水合物发生分解，那么结构体系就会发生破坏，周围空隙水氯离子浓度会降低，这样海水盐度会降低；正是因为这样浓度值的变化可以用来判断是否存在NGH。
运用稳定同位素化学也可以研究是否存在NGH，我们可以运用NGH中甲烷气体的13C、D值以及硫化氢中的34 S值来判定成矿原因。随着研究的不断深入，有新的方式方法不断可以发现关于NGH新的地球化学标志，例如水中氘的富集，天然气中He 的增高等。
（6）新的探测方法
利用新一代卫星遥感数据 (MODIS 和MOPITT) 能提供固态NGH的特殊标志信息, 如固态NGH渗漏可在遥感图像上反应出来[34]。在探测NGH的过程中往往受到工作条件的限制，因为水合物大都分布在大陆边缘的近海大陆斜坡或者内地永冻层中，不利于用常规勘测方法作业，所以在了解一些特殊标志，例如化学成分异常或者特殊的构造环境等情况下，利用卫星遥感的手段可以更加方便的探测NGH的位置。
2.4 天然气水合物开发的潜在风险
天然气水合物在给人类带来新的能源前景的同时，对人类生存环境也提出了
第35卷第3期物 探 与 化 探Vo.l35,N o.3 2011年6月GEOPHY SI CA L&GEOCHE M ICAL EX PLORAT I ON Jun.,2011 天然气水合物地球化学勘查方法 杨志斌,孙忠军 (中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北廊坊 065000) 摘要:天然气水合物是一种潜在的新能源,广泛分布在大陆架边缘的深海沉积物和陆域多年冻土区。地球化学勘查技术作为天然气水合物勘探的重要手段之一,愈来愈受到极大的关注。笔者综合国内外研究现状,分别介绍海域和永久冻土带天然气水合物勘查中应用的主要地球化学方法,并详述各种方法的机理和研究进展。 关键词:天然气水合物;地球化学勘查;海底;永久冻土带 中图分类号:P632 文献标识码:A 文章编号:1000-8918(2011)03-0285-05 天然气水合物是由水和小客体气体分子(主要是甲烷)在低温、高压条件下形成的一种固态结晶物质,俗称 可燃冰 ,广泛分布于大陆架边缘的海底沉积物和陆上永久冻土带中。1967年,前苏联在西伯利亚麦索亚哈油气田区首次发现天然产出的天然气水合物,之后美国、加拿大也相继在阿拉斯加、马更些三角洲等陆上冻土区发现了天然气水合物,获得了大量极宝贵的数据和资料[1-3]。 20世纪70年代末,美国借助深海钻探计划(DSDP)在中美洲海槽9个海底钻孔中发现水合物,自此海洋水合物在科技界引起了日益增长的兴趣,一直保持着一种方兴未艾的势头[4]。 从80年代开始,随着深海钻探计划和大洋钻探计划(ODP)的进一步实施,海洋水合物研究进入了新的发展阶段,地球化学方法也开始运用于水合物的形成标志、赋存特征及成矿气体来源等研究方面。水合物进入了多学科、多方法的综合研究阶段。1995年11~12月,ODP在大西洋西部的布莱克海台专门组织了164航次水合物调查,在994、996、997钻孔均采集到水合物样品,地球化学家对布莱克海台水合物进行了广泛深入的研究[5-6]。 2007年5月我国首次在南海北部钻获水合物实物样品,2008年又在青海木里永久冻土带钻获天然气水合物,使得我国天然气水合物研究进入新的发展阶段。 地球化学作为一种勘查手段,在水合物勘探和开发中发挥着越来越重要的作用。笔者通过广泛调研,总结了目前地球化学在勘查海底和陆域冻土带天然气水合物,应用比较广泛的几种方法,并分别对其机理及研究进展进行了简单的介绍。 1 海底天然气水合物地球化学勘查 海底天然气水合物地球化学的研究范围,涉及水合物组成、沉积物气体及孔隙水的化学成分和同位素组成、气体成因、物质来源、成矿机制、资源量计算、环境变化等方面。 研究表明,海底已发现的天然气水合物中,气体分子以甲烷为主(约占总量的99%),还有少量的乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、氮、二氧化碳和硫化氢等。因此存在天然气水合物的地区,底层海水、海底沉积物及孔隙水中的甲烷等烃类气体和H 2 S、CO 2 等非烃类气体的含量必然会出现异常[7-8]。根据水合物形成的异常特征,将海底天然气水合物地球化学识别技术分为底层海水烃类异常,海底沉积物气体、孔隙水异常,自生碳酸盐矿物异常,同位素组成异常等[9-10]。 1.1 底层海水的烃类异常 底层海水中甲烷的高异常可能是天然气水合物分解或深水常规油气渗漏所致。水合物的形成、赋存与下伏游离气体处于一种动态平衡状态。当有断裂切穿水合物稳定带,将下伏游离气体带与海底连通时,甲烷气体便会排至海底水体中形成气体羽[11],从而引起底层海水的甲烷浓度异常。例如在H ydrate R idge洋底喷溢的甲烷气体羽中,甲烷含量高达74000 10-9,然而正常底层海水的甲烷含量都小于20 10-9。同时,在底层海水柱状剖面中, 收稿日期:2010-03-30 基金项目:国土资源部公益性行业科研专项经费项目(201111019)和中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(AS2009J04)联合资助
各地冻土 xx 【冻土带范围】： 我国冻土带主要分布在北纬 30 度以北的广大地区，此线以南几乎不见冻土。西部川陕地区由于山脉地形屏障，北纬 33 度以南未出现过冻土现象。 【主要测站最大冻土xx】 xx5 厘米； xx至 xx 一线 8-10 厘米； 合肥 11 厘米； xx—xx45 厘米； xx85 厘米； xx—银川 103 厘米； xx、xx120 厘米以上； xx200 厘米； xx150 厘米； xx、大连 90 厘米。 【冻土 xx 的影响】 冻土气象观测资料对建筑、工程施工、交通运输和农田水利建设都具有重 要意义。在季节性冻土地区埋设输油管道和自来水管等地下管道时，需在冬季 采取加热或绝热措施，或者深埋至最大冻土层以下，以免有冻裂的危险，但过 深则会造成人力、物力的浪费；房屋地基也要在最大冻土深度以下，以保证坚 固安全；春季冻土融化使道路返浆，不便行走和运输、并对农业生产和人民生 活造成重大影响。冻土最深的地方是在大兴安岭北部、新疆和青藏高原，例 如，内蒙古的二连浩特和新疆的乌恰都在300 厘米以上，位于新疆天山腹地的和静县巴音布鲁克气象站，曾记录到 439 厘米的深度，是我国冻土记录中的冠军。
在高山或高原上的冻土，有些年份常延至盛夏才能融化，还有至9 月份未 化完的，新的一年的冻土过程又开始了，实际上这些地区已逐渐向永久冻土层 过渡。 大约在年平均气温低于—5 度，便会有永冻土存在，青藏公路昆仑山北坡、西藏北部安多地区永久冻土层厚达 80—100 米； 山西省海拔 2896 米的五台山气象站 1976 年修建上山公路，在顶段一米深 也有经夏不化的永冻土存在。 我国 xx 面积约有 214."8 万平方公里，主要集中在青藏高原和大小兴安岭地区。
冻土是一种特殊的、低温易变的自然体，会给各类工程造成冻胀和融沉的问题。在寒季，冻土像冰一样冻结，并且随着温度的降低体积发生膨胀，建在上面的路基和钢轨就会被膨胀的冻土顶得凸起；到了夏季，冻土融化体积缩小，路基和钢轨又会随之凹下去。冻土的冻结和融化反复交替地出现，路基就会翻浆、冒泥，钢轨出现波浪形高低起伏，对铁路运营安全造成威胁，其特殊性和复杂性在世界上独一无二。世界上几个冻土大国俄罗斯、美国、加拿大等都为解决冻土技术难题付出了艰辛的努力。中国在冻土研究方面起步较晚，在20世纪八十年代中期以前，中国的冻土研究基本上继承了前苏联在多年冻土方面研究的经验和理论。 青藏铁路创了两个世界之最：世界上海拔最高的铁路，全线经过海拔4000米以上地段有965公里；同时它也是世界铁路工程史上穿越多年冻土最长的铁路，达到了550公里。在冻土区修建铁路是一个世界性技术难题，对施工技术和施工能力是严峻的挑战 青藏铁路建设中的冻土难题 (2007-09-17 10:46:33) 转载 标签： 教育杂谈 多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱是青藏铁路建设中无法回避的三大难题，其中多年冻土尤为关键，是最难啃的一块骨头。如今，青藏铁路即将全线通车试运营，这无疑表明，中国已解决了铁路穿越多年冻土地带的工程技术难题。 据了解，冻土在寒季就像冰一样冻结，随着温度的降低体积会发生膨胀，建在上面的路基和钢轨就会被“发胖”的冻土顶得凸起；到了夏季，融化的冻土体积缩小，路基和钢轨又会随之凹下去。冻土的冻结和融化反复交替地出现，路基就会翻浆、冒泥，钢轨会出现波浪形高低起伏，对铁路运营安全造成威胁。 据有关专家介绍，冻土虽然在加拿大、俄罗斯等国家也存在，但他们是属高纬度冻土，比较稳定。而青藏铁路纬度低，海拔高，日照强烈，加上青藏高原构造运动频繁，且这里的多年冻土具有地温高、厚度薄等特点，其复杂性和独特性举世无双。 针对这种情况，青藏铁路有111公里线路铺设了一种特殊的路基，即在土路堤底部填筑一定厚度片石，上面再铺筑土层的路基。这种多孔隙的片石层通风路基为国内首创。它是效果较佳的保护冻土措施，好似散热排风扇，冬季从路堤及地基中排除热量，夏季较少吸收热量，起到冷却作用，能降低地基土温度0.5 摄氏度以上。 全长11.7公里的青藏铁路清水河特大桥横架在可可西里冻土区，它是一种以桥代路的保护冻土措施，铁轨飞架而过可以不惊扰冻土。青藏铁路中这种以桥代路桥梁达156.7公里，占多年冻土地段的四分之一。据称，如此大规模采取以桥代路措施，在世界上也是首次。
高原冻土区路基施工技术措施 一、高原多年冻土区路基施工的主要特点： 多年冻土区现存的自然环境和生态环境是地质历史时期的产物，是由古代和近代地质地貌过程和气候条件所决定的。 特点一：在不破坏多年冻土区现存的自然环境和生态环境的前题下，多年冻土是稳定的，但如果多年冻土被破坏，地基多年冻土将产生衰退，甚至融化，路基地基将受到严重影响。 特点二：多年冻土区路基受施工季节影响较大，应尽量减少季节对多年冻土的热干扰。 特点三：水对路基地基影响较普通地区大。水携带的热量较空气要大得多，水在路基工程附近的聚集，对路基地基多年冻土的热干扰很大，甚至引起多年冻土大量融化。 特点四：多年冻土工程地质条件十分复杂，在不大的范围内，各种工程类型的多年冻土可能均有分布。 特点五：本工程地处青藏高原，冻结期较长，最长达七个月。特点六：多年冻土区路基工程受不均匀冻胀和热融下沉影响较大。 二、高原多年冻土区路基施工技术措施： 根据高原多年冻土区路基的特点，总结相关工程施工的经验和教训，对多年冻土路基必须采取相应技术措施。 技术措施一：路基施工中，为减小路基热融下沉，应注意减少填料蓄热对地基多年冻土的影响；路堤较高时，宜分两次填筑；高温多
年冻土地段路堤宜在暖季时期填筑。路堑开挖后，基底换填层下的卵碎石土工作垫层对减少路基冻胀和融沉有重要作用，所以在施工中应认真作好工作垫层。基于多年冻土区路基工程的特殊性，多年冻土区路基工程必须满足在抗冻胀、抗融沉方面的特殊要求。 技术措施二：多年冻土区路基施工应充分重视多年冻土环境保护和环境保护工程的施工，严格按环保要求组织施工。为满足环境和路基稳定要求，防止因周围环境的冻土被破坏，致使热融发生扩散而危及铁路路基稳定，要求青藏铁路取土场应离开路基500m以上，且必须由环保部门指定。施工时尽量采用移挖作填的办法解决填料，充分利用弃碴和路堑挖方。 技术措施三：针对路基不同的施工部位，宜选择合适的施工季节。高含冰量多年冻土分布地区，路堑开挖将高含冰量多年冻土直接暴露在大气中和阳光下，多年冻土的热状态受到严重干扰，高含冰量冻土的融化，甚至可使施工无法进行，所以高含冰量多年冻土路堑的开挖选择在寒冷季节，暴露的多年冻土不会融化，相反，多年冻土的温度还会下降，有利于多年冻土的稳定。 基底和边坡的换填应在暖季初期完成，这时填料的畜热较少，对边坡和基底多年冻土的热干扰较小。 高温高含冰量多年冻土地段路堤的填筑宜在暖季早期进行，这时多年冻土上的活动层尚未完全融化，而填料的蓄热又较少，地基高温高含冰量多年冻土可得到有效的保护，对路堤的稳定是十分有利的。
青藏铁路高原冻土施工技术及环境保护 --- 辛卫（主讲） 为贯彻铁道部党组提出的“高起点、高标准、高质量”修好青藏铁路，保护好每个青藏铁路参建员工的身体健康，预防和减少高原病发生，真正体现“以人为本、科技先导、环境保护、机械化快速施工” 的施工组织原则,作为我们每个参建员工来说，都必须对青藏铁路施工技术及青环境保护进行学习，并运用于施工生产过程中去。 下面就对青藏铁路高原冻土施工技术及环境保护作概括讲述：一、青藏铁路高原冻土施工技术 1、青藏铁路格拉段概况 青藏铁路由青海省省会西宁至西藏自治区首府拉萨，全长1963 公里，其中西宁至格尔木段（长845 公里）已于1984 年交付临管运营。 格尔木?拉萨简称格拉段，为新建单线I级铁路，全长1118公 里（青海省境内564 公里，西藏自治区境内554 公里），该段处在世界上海拔最高、气候条件恶劣的青藏高原腹地，线路北起青海省西部重镇格尔木市，基本沿青藏公路南行，途径纳赤台、五道梁、沱沱河沿、雁石坪，翻越唐古拉山进入西藏自治区境内，经安多县、那曲地区、当雄县到拉萨市。沿线地质构造复杂，经过连续多年冻土地区553.758 公里（多年冻土北界位于西大滩断陷盆地，南界位于安多谷地），主要存在高原冻土、高地震烈度及活动断层等工程地质问题，在建设过程中将面临三大技术难题：高原缺氧、多年冻 土、环境保护。
2、冻土学基础理论 （ 1 ）基本概念 冻土是指处于o °c以下，并含有冰的岩石和土体。包括多年冻土（指冻结状态维持在二年或二年以上的冻土）和季节冻土（指冬季冻结，来年夏季融化，冻结状态维持在二年以下的土体）。 季节融化层是指每年暖季融化、寒季冻结的多年冻土上部覆盖层。 季节冻结层是指每年寒季冻结、暖季融化的土层。 多年冻土上限是指多年冻土顶面的埋藏深度。 多年冻土下限是指多年冻土底面的埋藏深度。 多年冻土人为上限是指工程建筑物修建和运营后，多年冻土新形成的上限。 （2）不良冻土地质现象： A、冰椎：多年冻土区地下水或河流封冻后地下（河水）流出地表形成的椎状或盾状冰体。 B、冻胀丘；多年冻土区地下水在冻结土层下聚集冻结，形成透镜状厚层冰体，将地表隆起形成丘状的土丘。 C、热融湖塘：由人为作用或自然作用引起高含冰量多年冻土融化下沉所形成的积蓄水的洼地。 D 、热融滑坍：高含冰量冻土分布在平缓山坡，由于人为破坏坡 脚，高含冰量冻土暴露融化，上覆土层失去支撑而坍塌，与融化泥水混合顺坡向下滑动的坡面坍滑现象。 E、沼泽湿地：多年冻土区某些植被覆盖良好的山前平缓低地或洼地，由
青海省高原冻土区路基施工技术简析 发表时间：2017-09-20T15:52:29.673Z 来源：《防护工程》2017年第11期作者：飞常生 [导读] 首先选择洁净、耐冻、无级配、无风化、无水锈和裂纹的石料，片块石粒径应在20～40cm范围内为宜。 青海地方铁路建设投资有限公司青海西宁 810000 摘要:近几年，国家不断加大对青海省的交通基础设施建设力度与投资，在交通状况与日俱进的发展同时，施工管理与施工技术的难题也在不断的更新，新工艺、新设备、新材料、新技术也同样需要不断的更迭。青海部分地区属高海拔常年冻土区，路基病害因当地的地质、气候、水文等条件的影响频繁出现，比如季节性的不均匀冻融沉陷。为了更好的减少常年冻土区路基后期维修投资，以下简述两种在青海省共和至玉树高速公路建设中在高海拔（平均海拔4300米以上）应用到的防止冻土区路基沉陷的特殊路基施工工艺、参数及材料等方面的问题。 关键词：高原；冻土区；路基施工；技术简析 1片石通风路基的施工及应用（适用于饱冰、富冰冻土区路段） 1.1材料准备 首先选择洁净、耐冻、无级配、无风化、无水锈和裂纹的石料，片块石粒径应在20～40cm范围内为宜，片块石最小边长宜大于20cm，石料强度不小于30MP，空隙率不宜小于25％，且空隙内不得充填碎石或其它杂物；压碎值不大于25％。其中，片石应该在料场加工至合格粒径后运至施工现场。 1.2基底处理 在不通过水草沼泽时填筑30cm的砂砾或石渣，通过水草沼泽时填筑50 cm的砂砾或石渣，冲击碾压入地面，冲击碾压后上部填筑30cm 厚的砂砾。 1.3填筑片块石 填筑1.2米厚片块石层并用重型振动压路机压实，填筑片块石时按水平分层、先低后高、先两侧后中央后卸式投片块石，石料用机械（推土机或挖掘机）整平，对于个别不平整处，人工用小石块找平。填料要一次性倒够，尽量一次性填筑到设计层高。 1.4碾压 片块石路基的压实应采用重型振动压路机或冲击式压路机，碾压遍数一般不应少于6～8次；碾压的纵向行与行之间应宜重叠0.5m左右，前后相邻区段应重叠2.0m以上；压路机的线压力应与片块石的抗压强度极限相匹配，避免使片块石破碎和挤压破坏骨架结构。 1.5填筑碎砾石过渡层 在填筑片块石全宽范围内填筑碎砾石过渡层，严格控制碎砾石最小粒径，以防止漏入倾填片块石路基中，影响通风降温效果。填筑后碾压按石质路堤控制压实度和平整度。其上铺设透水土工布并填筑10 cm厚的砂砾，然后铺设抗拉强度大于80KN/M，延伸率小于等于3%的土工格栅，采用双向塑钢土工格栅，且宽度不小于4米，连接处绑扎后采用U型钢钉固定，钢钉按纵横向2米布设。 1.6应用原理 冻土区片块石路基的主要工作原理在于其冷季时的自然对流降温效应，减少下部冻土通过沥青路面吸热量的增加。暖季时有效缓冲地表辐射的热量从而保证冻土的稳定性。 2热棒技术在冻土路基中的施工及应用 热棒技术在青海省共和至玉树高速公路项目中已经多处被应用，共和至玉树公路建设周期已经长达6年，一期工程中热棒技术在巴颜碦拉山冻土区已经工作了3年多，截止2016年使用热棒技术的冻土路段并无任何明显的冻融沉降现象，而未使用前此路段为路基路面病害重发区。 2.1热棒的工作原理 热棒制冷技术实际上是一种液汽相的转换对流循环来实现热量传输的系统，其传热能力强，传热温差小，均温性能好，单向传热等特点，它由一根密封的钢管组成，管的上部装有散热叶片，称为冷凝段，管部竖直于大气中，管底蒸发段埋入冻土中。当外部空气温度低于地基多年冻土温度时，热棒即开始工作，蒸发段的液体工质吸热蒸发成气体在压差的作用下上升至冷凝段，与管壁接触冷凝成液体返回蒸发段，如此循环将地下热量传至大气中，从而保持冻土的常温。当外界温度高于地下温度时，热棒因管内工质的物理性能无法进行液汽转换而自动停止工作。 热棒的间距主要是根据其制冷的有效半径确定的。其有效半径在2m左右，依据对地基处治的要求不同，热棒的间距一般为有效半径的 1.0至 2.5倍。 2.2热棒的施工工艺 2.2.1施工准备 工程施工前，应对主要材料和机具及劳动力等进行充分准备，并作出合理安排。 2.2.2钻孔 根据热棒施工工序要求，垂直和斜置热棒待路基整治改建结束以后，在路基两侧边坡上稍作平整处理，利用工程钻机，施工钻孔，为热棒吊装作好准备。 2.2.3热棒埋置点定位 依据设计要求采用经纬仪放样定位，平整场地，立起钻架，准备开钻； 2.2.4钻机固定 一般采用较简单的地锚固定法，在地层较复杂，特别难钻，钻机震撼较大的情况下，必须采用钢绳固定或支架支撑； 2.2.5热棒埋置角度控制
天然气水合物勘探开发技术研究 摘要：天然气水合物广泛分布于陆域的永久冻土与深海沉积物内，是人类十分理想的替代能源。本文重点探讨了我国天然水合物资源在勘探开发技术方面的进展，并以此为基础，对我国天然气水合物的开发技术提出几点建议。 关键词：天然水合物;开发技术;勘探技术;进展 天然气水合物又被称作可燃冰，具体指低温高压环境下，水与天然气所形成的笼形、冰态化合物，其实质是天然气在自然界中特殊的存在形式，广泛分布于水深300米以下的海洋与陆地中的永久冻土中，其显著特点为储量大、分布广。本文将对我国天然水合物资源的勘探开发技术展开探讨。 1 天然水合物资源的勘探开发技术进展 1.1 成藏机理的研究 我国于2008年9月，正式开始研究南海天然气水合物资源的开采基础和富集规律，将此项研究命名为“973”项目，分别从地质条件、热力学条件以及气源条件等不同的角度，对我国天然气水合物的成藏机理进行了分析与探讨，以便对其成藏规律展开更详尽的
研究。最后通过汇集研究成果，形成了一本详明的专集，并获得国内外一致好评与认可。 1.2 勘探技术的研究 我国于1999年在南海的北部陆坡区域对天然气水合物进行了深度调查与研究，其工作量相当庞大，主要包括对4470千米的近海区域进行高分辨率多道地震的采集与处理，在海底浅表层设置138个站位进行地质取样，设置59个站位进行海底摄影，其中，浅层剖面的厚度达到2100千米。此项调查与研究取得了一定的成果，终于发现天然气水合物资源所存在的一些地球化学、物理以及地质方面的异常标志，并初步证实：在我国海域中有天然气水合物资源的存在。 我国于2002年正式启动了被命名为“118专项”的天然气水合物的调查与研究项目，专门对其关键技术展开深入研究。2006年，我国启动“”计划，再次对如何勘探与开发天然气水合物资源的一些关键技术展开研究，此计划被定义为重大专项，并设置了7个相关课题，主要包括如何勘探、取心、成藏以及开采天然气水合物等方面的内容。此项研究最大的收获就是分别从陆上与海上获得了天然气水合物的真实样品，为我国勘探技术的进展奠定了扎实的基础。 国土资源部于2007年5月在南海神狐进行钻探取
高原冻土施工技术措施 二、高原多年冻土区路基施工的主要特点： 多年冻土区现存的自然环境和生态环境是地质历史时期的产物，是由古代和近代地质地貌过程和气候条件所决定的。 特点一：在不破坏多年冻土区现存的自然环境和生态环境的前题下，多年冻土是稳定的，但如果多年冻土被破坏，地基多年冻土将产生衰退，甚至融化，路基地基将受到严重影响。 特点二：多年冻土区路基受施工季节影响较大，应尽量减少季节对多年冻土的热干扰。 特点三：水对路基地基影响较普通地区大。水携带的热量较空气要大得多，水在路基工程附近的聚集，对路基地基多年冻土的热干扰很大，甚至引起多年冻土大量融化。 特点四：多年冻土工程地质条件十分复杂，在不大的范围内，各种工程类型的多年冻土可能均有分布。
特点五：本工程地处青藏高原，冻结期较长，最长达七个月。 特点六：多年冻土区路基工程受不均匀冻胀和热融下沉影响较大。 四、高原多年冻土区路基施工技术措施： 根据高原多年冻土区路基的特点，总结相关工程施工的经验和教训，对多年冻土路基必须采取相应技术措施。 技术措施一：路基施工中，为减小路基热融下沉，应注意减少填料蓄热对地基多年冻土的影响；路堤较高时，宜分两次填筑；高温多年冻土地段路堤宜在暖季时期填筑。路堑开挖后，基底换填层下的卵碎石土工作垫层对减少路基冻胀和融沉有重要作用，所以在施工中应认真作好工作垫层。基于多年冻土区路基工程的特殊性，多年冻土区路基工程必须满足在抗冻胀、抗融沉方面的特殊要求。 技术措施二：多年冻土区路基施工应充分重视多年冻土环境保护和环境保护工程的施工，严格按环保要求组织施工。为满足环境和路基稳定要求，防止因周围环境的冻土被破坏，致使热融发生扩散而危及铁路路基稳定，要求青藏铁路取土场应离开路基500m以上，且必须由环保部门指定。施工时尽量采用移挖作填的办法解决填料，充分利用弃碴和路堑挖方。 技术措施三：针对路基不同的施工部位，宜选择合适的施工季节。高含冰量多年冻土分布地区，路堑开挖将高含冰量多年冻土直接暴露在大气中和阳光下，多年冻土的热状态受到严重干扰，高含冰量冻土的融化，甚至可使施工无法进行，所以高含冰量多年冻土路堑的开挖选择在寒冷季节，暴露的多年冻土不会融化，相反，多年冻土的温度还会下降，有利于多年冻土的稳定。 基底和边坡的换填应在暖季初期完成，这时填料的畜热较少，对边坡和基底多年冻土的热干扰较小。 高温高含冰量多年冻土地段路堤的填筑宜在暖季早期进行，这时多年冻土上的活动层尚未完全融化，而填料的蓄热又较少，地基高温高含冰量多年冻土可得到有效的保护，对路堤的稳定是十分有利的。 技术措施四：由于水对路基地基多年冻土的热干扰很大，甚至引起多年冻土大量融化。防止地表水、地下水与地基多年冻土接触是维护地基多年冻土稳定的关键。路基施工前必须预先做好临时排水系统，并将临时排水和永久性排水系统统筹考虑，以减少对施工地段地表的破坏，保护好多年冻土环境。 技术措施五：针对多年冻土区工程地质条件的复杂性，在路基工程开工前，应做好冻土工程地质资料的核对工作。高含冰量多年冻土分布以及不良冻土现象分布地段，采取利用通风路基技术，加设保温盲沟，加设防水保温护道，铺设土工格栅等措施来保障路基稳定。 通风路基是采取在路堤基底用重型压路机压实后，直接在基底面上埋设钢筋混凝土通风管或码砌1m厚无风化片石，最后在钢筋混凝土通风管或码砌片石顶上封一层过
高原冻土施工的重点、难点和解决方案 1.1多年冻土地区基础设计的原则 由于冻土所具有的特殊工程地质特性，因而基础类型的选择除考虑铁塔安全等级、类型外，还应考虑冻土类型、冻土环境、交通条件及人工作用便捷性等。本工程设计在多年冻土地区基础采用了保持冻土地基冻结状态和按地基融化状态的设计原则。 对于地质情况较好，基础负荷不大，环保要求高的塔位采用掏挖式基础。掏挖式基础在以往的工程中也施工过，施工工艺成熟。施工过程主要控制好坑壁坍塌、保持冻土稳定等措施。 季节性冻土地区按地基土融化状态设计为大开挖基础，主要设计基础型式有适合于冬季施工的装配式基础、锥柱基础，以及跨河及冻土地质条件极差、基础负荷大的灌注桩基础。 （1）桩基础。主要为钻孔灌注桩基础，在基础作用力较大且地质条件较差的河网地区的塔位使用钻孔灌注桩基础。相对于其它软弱地基基础而言，具有施工方便，可以保证铁塔运行安全的特点。因此在本工程的跨河地段和地质条件较差地段采用这种常规的钻孔灌注桩基础较为安全可靠和经济适用。 （2）预制装配式基础。该基础适合于非多年冻土、多年冻土地区的基岩及融区、低含冰量的冻土区、地下冰分布均匀的富冰冻土粗粒土地段及不冻胀和弱冻胀性的地基上。 （3）锥柱基础。由于锥柱基础可以通过自身的结构型式改变消除切向冻胀力，因此在季节性冻土和多年冻土地区广泛地应用，特别在多年冻土地区最大冻结深度在2～4米之间基础易于开挖成型不易垮塌的地区。 1.2多年冻土地区基础施工的关键工作 1.2.1基坑开挖：
⑴按地基土冻结状态设计的基础关键是保持土壤冻结状态，减少人为扰动； ⑵按地基土融化状态设计的基础关键是做好遮阳防雨措施以保持坑壁的稳定，并采取必要的抽水排水工作； ⑶管桩基础桩孔的成型和孔壁稳定。 1.3.2基础工程: ⑴现浇基础混凝土配合比设计、浇制、养护； ⑵预制管桩基础的安装、回填； ⑶基础辅助措施如热棒的施工技术及工艺。 1.3多年冻土地区基坑开挖基本原则 ⑴按保持冻结原则设计的基础，摸清规律掌握好开挖的时机与时间，在人工开挖的条件下，对厚层地下冰、地表沼泽化或径流量大的地段基坑开挖尽量在天气较为寒冷的季节施工；若在暖季施工时采取遮阳、防晒措施，选择在气温较低的时段内快速施工。在饱冰冻土、含土冰层地段施工时，可在暖寒季交替期施工，视天气情况采取遮阳和防晒措施，能够保持冻土的稳定。 ⑵按容许融化原则设计的基础，设计要求进行基底换填的按设计进行换填，设计未要求的，铺设厚不小于30cm的碎石垫层。对于在暖季施工融化地下水比较多的基坑，需要采取抽水排水措施，为防止坑壁坍塌应采取挡土板、钢筒或混凝土护壁措施。 ⑶基坑一般采用爆破方式进行开挖（可可西里保护区视时间而定，要避开动物迁徙的季节），爆破作业采用松动爆破或预裂爆破（药量按冻土爆破设计原则控制）。基坑从开挖到下桩（浇制）要连续，必须突出“快”字。 ⑷桩基础开挖视地质情况采取人工掏挖和机械旋挖相结合的方式。 2多年冻土地区基坑开挖技术措施 2.1各类基础基坑开挖主要施工方法见表2－1
高原冻土施工的重点、难点和解决方案 一、高原冻土施工措施 1、冻土学基础理论 （1）基本概念 冻土是指处于0℃以下，并含有冰的岩石和土体。包括多年冻土（指冻结状态维持在二年或二年以上的冻土）和季节冻土（指冬季冻结，来年夏季融化，冻结状态维持在二年以下的土体）。季节融化层是指每年暖季融化、寒季冻结的多年冻土上部覆盖层。季节冻结层是指每年寒季冻结、暖季融化的土层。多年冻土上限是指多年冻土顶面的埋藏深度。多年冻土下限是指多年冻土底面的埋藏深度。多年冻土人为上限是指工程建筑物修建和运营后，多年冻土新形成的上限。 （2）不良冻土地质现象： A、冰椎：多年冻土区地下水或河流封冻后地下（河水）流出地表形成的椎状或盾状冰体。 B、冻胀丘；多年冻土区地下水在冻结土层下聚集冻结，形成透镜状厚层冰体，将地表隆起形成丘状的土丘。 C、热融湖塘：由人为作用或自然作用引起高含冰量多年冻土融 化下沉所形成的积蓄水的洼地。 D、热融滑坍：高含冰量冻土分布在平缓山坡，由于人为破坏坡 脚，高含冰量冻土暴露融化，上覆土层失去支撑而坍塌，与融化泥水混合顺坡向下滑动的坡面坍滑现象。 E、沼泽湿地：多年冻土区某些植被覆盖良好的山前平缓低地或洼地，由于地下水的出露和多年冻土层的隔水作用，使之积水而成的潮湿地段。
F、厚层地下冰：指分布于多年冻土上限附近的一种含土冰层。冰中的土块似悬浮于冰中。 2、沿线冻土分布 该项目位于位于青海省海南州共和县恰卜恰镇同德路以南，环城东路至次汗素桥以西，次汗素村西山以东，平均海拔在 2800 米以上的。本项目建设地点每年有部分时间为冰冻期 3、高原多年冻土区工程施工特点 本工程施工具有施工工期短、劳动效率低下、施工条件艰苦、生态环境十分脆弱和环保意识强等特点。 4、高原多年冻土区工程施工技术要求 （1）施工前做好多年冻土工程地质核查工作，如果与设计不符，及时通知业主申请变更。 （2）施工时重视多年冻土环境保护工作，严格按照设计进行土石方施工。 （3）路基工程施工采用“机械化为主，人工为辅”的施工方式。 （4）为减少施工对多年冻土的水状况影响，必须贯彻“先排水、后主体”的施工原则。排水包括永久性排水和临时排水。 （5）路基防护工程根据路基成型情况及时安排施工，尽量缩短裸露时间，防止雨水冲刷边坡造成水土流失。 （6）高原多年冻土区桥涵基础施工技术关键：明挖基础施工采用“基坑爆破一次成型，机械化快速开挖”工艺，严禁拉槽式开挖，基坑开挖后及时进行施工和回填，缩短暴露时间，减少多余热量进入多年冻土从而影响其热稳定性；孔桩基坑主要采用旋挖钻机施工工艺，尽量减少施工热扰动；基础混凝土一般采用低温早强耐久性混凝土，
高原冻土施工技术措施 冻土的描述定名和融沉性等级分类 多年冻土区现存的自然环境和生态环境是地质历史时期的产物，是由古代和近代地质地貌过程和气候条件所决定的。 特点一：在不破坏多年冻土区现存的自然环境和生态环境的前题下，多年冻土是稳定的，但如果多年冻土被破坏，地基多年冻土将产生衰退，甚至融化，路基地基将受到
严重影响。 特点二：多年冻土区路基受施工季节影响较大，应尽量减少季节对多年冻土的热干扰。 特点三：水对路基地基影响较普通地区大。水携带的热量较空气要大得多，水在路基工程附近的聚集，对路基地基多年冻土的热干扰很大，甚至引起多年冻土大量融化。 特点四：多年冻土工程地质条件十分复杂，在不大的范围内，各种工程类型的多年冻土可能均有分布。 特点五：本工程地处青藏高原，冻结期较长，最长达七个月。 特点六：多年冻土区路基工程受不均匀冻胀和热融下沉影响较大。 四、高原多年冻土区路基施工技术措施： 根据高原多年冻土区路基的特点，总结相关工程施工的经验和教训，对多年冻土路基必须采取相应技术措施。 技术措施一：路基施工中，为减小路基热融下沉，应注意减少填料蓄热对地基多年冻土的影响；路堤较高时，宜分两次填筑；高温多年冻土地段路堤宜在暖季时期填筑。路堑开挖后，基底换填层下的卵碎石土工作垫层对减少路基冻胀和融沉有重要作用，所以在施工中应认真作好工作垫层。基于多年冻土区路基工程的特殊性，多年冻土区路基工程必须满足在抗冻胀、抗融沉方面的特殊要求。 技术措施二：多年冻土区路基施工应充分重视多年冻土环境保护和环境保护工程的施工，严格按环保要求组织施工。为满足环境和路基稳定要求，防止因周围环境的冻土被破坏，致使热融发生扩散而危及铁路路基稳定，要求青藏铁路取土场应离开路基500m 以上，且必须由环保部门指定。施工时尽量采用移挖作填的办法解决填料，充分利用弃碴和路堑挖方。 技术措施三：针对路基不同的施工部位，宜选择合适的施工季节。高含冰量多年冻土分布地区，路堑开挖将高含冰量多年冻土直接暴露在大气中和阳光下，多年冻土的热状态受到严重干扰，高含冰量冻土的融化，甚至可使施工无法进行，所以高含冰量多年冻土路堑的开挖选择在寒冷季节，暴露的多年冻土不会融化，相反，多年冻土的温度还会下降，有利于多年冻土的稳定。 基底和边坡的换填应在暖季初期完成，这时填料的畜热较少，对边坡和基底多年冻土的热干扰较小。 高温高含冰量多年冻土地段路堤的填筑宜在暖季早期进行，这时多年冻土上的活动层尚未完全融化，而填料的蓄热又较少，地基高温高含冰量多年冻土可得到有效的保护，对路堤的稳定是十分有利的。 技术措施四：由于水对路基地基多年冻土的热干扰很大，甚至引起多年冻土大量融化。防止地表水、地下水与地基多年冻土接触是维护地基多年冻土稳定的关键。路基施
收稿日期:2009204201 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)“天然气水合物钻探取心关键技术”课题(2006AA09A207) 作者简介:王智锋(19752),男,河南沈丘人,工程师,博士研究生,现从事井下工具研究及科研技术管理工作,E 2mail :wan 2 gzf @https://www.doczj.com/doc/4617635316.html, 。 文章编号:100123482(2009)0920012204 深海天然气水合物钻探取心技术 王智锋1,2,许俊良2,薄万顺2 (1.中国石油大学石油工程学院,山东东营257061;2.胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营257017) 摘要:天然气水合物作为一种高效、清洁的新能源,已经引起世界广泛关注,由于其不稳定性,采用 的钻探取心装置必须具备保真功能。简要介绍了国内外4种天然气水合物取心装置及国内取心工具研究进展,叙述了胜利石油管理局钻井工艺研究院承担国家“863计划”重大专项“天然气水合物钻探取心关键技术”采取的取心工具方案。关键词:天然气水合物;取心;保压;钻探中图分类号:TE952 文献标识码:A G as H ydrate Drilling Coring T echnology WAN G Zhi 2feng 1,2,XU J un 2liang 2,BO Wan 2shun 2 (1.College of Pet roleum Engineeing ,China Universit y of Pet roleum ,Dongy ing 257061,China; 2.D rilling Technolog y Research I nstitute ,S hengli Pet roleum A dminist ration B ureau ,Dong ying 257017,China ) Abstract :As a new kind of high efficiency and clean energy resource ,nat ural gas hydrate has ex 2tensively attracted attentions all aro und t he world.The device used for sampling t he nat ural gas hydrate core must po ssess t he p roperties of warm preservation and p ressure preservation due to it s instability.The developing sit uations at home and abroad for sampling of t he nat ural gas hy 2drate ,a new preliminary concept for sampling of t he nat ural gas hydrate were int roduced.The coring tool research project included in t he “Key coring technology for nat ural hydrate ”was de 2scribed ,a major p roject of national “863”plan. K ey w ords :gas hydrate ;coring ;pressure preservation ;drilling 天然气水合物(gas hydrate )是一种白色固体结晶物质,外形像冰,有极强的燃烧力,可作为上等能源,俗称为“可燃冰”。据理论计算,1m 3的天然气水合物可释放出164m 3的甲烷气和0.8m 3的水[122]。这种固体水合物只能存在于一定的温度和压力条件下,一般要求温度低于0～10℃,压力高于10M Pa ,一旦温度升高或压力降低,甲烷气则会逸出,固体水合物便趋于崩解。由于这一特殊性,若要获得其样品具有一定的难度,从海底到地面压力和温度都要发生很大的变化,要实现岩心样品保持接 近原始状态,必须利用特殊的取心设备。 1 国外钻探取心技术现状 [127] 目前,国外钻井船使用的保压取心器主要有国 际深海钻探计划(DSDP )使用的保压取心筒PCB ;国际大洋钻探计划(ODP )使用的保压取心器PCS 、活塞取心器A PC ;日本研制的P TCS ;欧盟研发的H YACE 等。1.1 保压取心器PCS PCS 是一种自由下落式展开、液压驱动、钢缆 2009年第38卷 石油矿场机械 第9期第12页 OI L FIE LD EQUIPMENT 2009,38(9):12～15
附件1： 863计划海洋技术领域 “天然气水合物勘探开发关键技术”重大项目 2006年度课题申请指南 一、指南说明 “天然气水合物勘探开发关键技术”是“十一五”863计划海洋技术领域重大项目之一。项目总体目标是：重点开发天然气水合物成矿区带的高精度地球物理和地球化学勘探技术，自主研发水合物钻探取样技术与装备，开展水合物钻探、开发及环境影响评价等关键技术研究，集成海域天然气水合物目标快速探测系统平台，初步形成天然气水合物资源勘探技术系列和装备，有效评价1～2个天然气水合物有利矿区，为天然气水合物开发作技术储备。 重点任务是： ●开发海域天然气水合物矿体目标的三维地震与海底高频地震（HF-OBS）联合探测技术、水合物成矿区带的流体地球化学探测技术，以及水合物成矿区带的高精度海洋人工源电磁探测技术及海底热流原位探测技术，实现水合物成矿区带的高效综合勘探技术系列，为我国海域天然气水合物成矿区带勘探提供高技术支撑。 ●研制水合物的保真取样（芯）器，开发样品处理分析技术，集成天然气水合物保真取样及样品后处理系统，为实现水合物样品采集提供支撑。 ●研制天然气水合物保压保温钻探取芯装备，形成天然气水合物钻探取样系统；开展水合物开发前的实验合成条件模拟、水合物形成的相平衡实验模拟、三维水合物藏生成模拟与开采实验研究平台，以及水合物开发的环境影响评价技术，为水合物开发提供技术储备。 ●通过上述技术的研发，预期获得专利及软件著作版权登记20～30项，培养一支天然气水合物科技研发队伍。
根据上述任务,项目分解为以下10个课题： 1.天然气水合物矿体的三维与海底高频地震联合探测技术 2.天然气水合物的海底电磁探测技术 3.天然气水合物的热流原位探测技术 4.天然气水合物流体地球化学现场快速探测技术 5.天然气水合物原位地球化学探测系统 6.天然气水合物重力活塞式保真取样器研制及样品后处理技术 7.天然气水合物钻探取芯关键技术 8.天然气水合物成藏条件实验模拟技术 9.天然气水合物开采技术平台与开采技术预研究 10.天然气水合物探测技术系统集成 本项目2006年启动除“天然气水合物探测技术系统集成”课题外的9个课题，均为公开发布课题申请指南，采用择优委托方式确定承担单位。 本指南面向全国发布，自由申报、专家评审、公平竞争、滚动发展；申请单位应围绕指南设置的研究目标、研究内容和技术指标等要求，提出课题申请。鼓励产学研单位联合共同申请课题。 依据“阶段目标、滚动支持”的原则，本次指南发布的课题的研究周期不超过四年。 二、指南内容 课题1. 天然气水合物矿体的三维与海底高频地震联合探测技术 （1）研究目标： 开发海域天然气水合物成矿区带三维地震与海底高频地震（HF-OBS）联合探测关键技术；研究天然气水合物矿
国家计划委员会地质局 高原多年冻土地区区域水文地质普查规程 （试行） ·只限国内发行· 地质出版社
本规程是委托青海省地质局负责起草的，经过一九七四年九月在河南新乡召开的全国水文地质普查规范会议上讨论修订后，从一九七五年起在全国各省、市、自治区地质局及国家计委地质局直属队范围内试行。本规程对一般高山岛状冻土区和高纬度带的常年冻土区亦可作为参考。目前还缺乏高原冻土区的工作经验，请各单位在试行过程中，通过生产实践，不断总结经验，提出修改和补充意见，使之日趋完善。 国家地质总局 国家地质总局 高原多年冻土地区区域水文地质普查规程 （试行） （只限国内发行） * 地质总局书刊编辑室编辑 地质出版社出版 地质印刷厂印刷 新华书店北京发行所发行·各地新华书店经售 * 1975年10月北京第一版·1975年10月北京第一次印刷 印数1—18，000册·定价0.07元 统一书号：15038·新136
一、一般工作要求 1、多年冻土地区水文地质及工程地质普查工作的主要任务为： (1) 研究多年冻土的分布规律、特征及其成因； (2) 初步查明多年冻土地区各含水层的岩性、厚度、水位、水质、水量、埋藏条件和分布范围及各含水层之间的水力联系等； (3) 初步查明地下水在多年冻土发育条件下的补给、径流、排泄条件及其动态变化规律； (4) 研究河、湖融区及构造融区的形成和分布及融区内的水文地质条件； (5) 调查矿泉和热矿泉的成因及分布，并初步确定其使用价值和开发利用前景及矿泉和热矿泉对多年冻土的影响； (6) 对测区内水文地质条件简单、供水有利的地段，应为工业供水、牧业供水等做出初步评价； (7) 调查多年冻土区的区域工程地质条件； (8) 结合测区内重点工程建设进行工程地质测绘，搜集必要的资料。 2、地貌测绘，要求对地貌形态和不同成因类型的微地貌进行详细描述，尤其对冰川地貌，冰缘地貌应进行重点调查。 (1) 对冰蚀地貌，如：粒雪盆、冰斗、角峰、鰭脊、槽谷、悬谷、盘谷、冰坎等要描述其分布特征、海拔高度、形态规模、发育程度，并鉴别其相对新老；对冰磧地形，如：终磕垄、鼓丘、蛇形丘、冰砾阜、冰水扇等，要描述其分布地区．形态特征、组成物质和相互关系； (2) 对于现代冰川，应调查其分布地区、冰川类型及其发育程度等l、 (3) 对多年冻土地区特有的冰缘地貌，如：寒冻石流、融冻滑坍、热融沉陷、疙瘩状地形、冻胀丘、冻胀裂缝、沼化湿地、冻土沼泽、湖塘、冰锥、冰丘、爆炸性充水鼓丘等，要详细描述其分布的地质地貌条件，形成原因、特征及其活动规律等。 3、第四纪地质调查，应弄清各类沉积物分布、成因类型、相对新老及岩性岩相变化规律。在地层出露比较好的地区，要实测第四纪地质剖面。对于粗颗粒岩石地层应描述：颜色，颗粒组份、矿物成份、分选性、粘粉土含量、磨圆度、胶结程度、砾石的排列方向、风化程度、表面特征及夹层的分布情况等；对细颗粒地层，要详细描述其颜色、岩性、矿物成份、层理结构、层面特征、夹层透镜体的分布情况、成岩程度等，并要注意采集化石，若无化石则应系统地采集孢粉样品。 4、沉积岩地区应查明含水层的岩石性质、分布范围、厚度、产状、裂隙发育程度及其富水性等。注意研究红层中盐类矿物的含量、分布和在汇水面积中所占比例以便评价其对水质的影响。 5．在火成岩分布地区，应调查火成岩的产状与分布范围、岩石的构造和矿物成份，火成岩侵入和喷发的时代以及各岩体间的相互关系。 在变质岩地区须鉴别岩石种类，确定变质因素，研究劈理、片理、带状构造及小型褶皱与断裂现象。 应调查各类岩石的风化程度、风化厚度、风化带的分布规律及风化产物的渗透性。 6．查明构造破碎带的性质、产状、分布及充水条件以及稻皱形态、类型、破碎程皮。组成褶皱的地层岩性、裂隙发育程度，并对节理、裂隙比较发育的地层，进行一定数量的裂隙统计。调查新构造运动的性质、类型、强度与冰川冻土的关系。 7．在多年冻土区的勘探地质编录工作中，除了详细描述岩性外，还要详细描述土壤中的含冰量和冻土构造(参阅附录2中的表1、表2)，进行冻土构造的划分和进行含冰量的划分(参阅附录5中的表2)。