松科2井岩芯保护技术方法与效应分析

崔立伟，张晨光，张苏江，姜爱玲，刘桂云

(国土资源实物地质资料中心，河北 三河 065201)

科学钻探井是人类了解地球结构构造，丰富对生命、资源、气候等认识的重要途径，而进行深部科学钻探研究最为直接的证据便是有限数量的实物岩芯，但在实际工作过程中，由于环境、人为等因素往往对这些岩芯造成不同程度的损坏或碎裂。

常规固体矿产类岩芯或油气类岩芯从井底取出后，常直接自然条件下存放，无岩芯包装、整理、拼接、浇注等任何保护措施，放在一个敞开的、暴露于空气中的塑料盒里。一般情况下，常规固体矿产类岩芯抗风化作用强，多数可保存很长一段时间，有些甚至可以存放几十年[1]。像油气类岩芯中的砂砾岩稳定性较好，可自然状态下正常保存，而对于抗风化能力差的煤、泥页岩岩芯，由于长期暴露于温度、湿度变化的空气中，易导致岩芯发生风化而碎裂解体呈块状或粉末状，破环了岩芯原有的地质特征，这种破坏不利于地质科学研究。当前，对于油气类岩芯中主要层段或易风化层段常采取如蜡封保存、冷库保存等的保护措施。蜡封方法是用不透明蜡纸包裹岩芯，然后整体浸蜡，有防水隔绝空气作用，但是给观察或测试分析岩芯带来诸多不便，每次岩芯利用都必须打开蜡封包装，岩芯利用后再次重新蜡封包裹，费时费力。冷库保存需有某一长期固定的场所，虽然长期保护效果较好，但容易受到场地空间限制，也需大量的财力、物力，针对我国大量的油气类岩芯，只能选取重要意义的岩芯进行保存，因此该方法应用条件也有限。

松科2井(SK-2)即是大陆科学钻探、也是深部钻探，其岩芯保护科学价值重大。目前，我国针对深部钻探或大陆科学钻探产生岩芯的保护还没有形成一套完整的技术方法或标准，常规固体矿产类岩芯或油气类岩芯的保护措施对大量的松科2井岩芯(约4 000 m)来说，技术方法、设备实施条件等也很有限，为更加有效地保护和利用这些珍贵的岩芯，确保深部地层能够以原位的、完整的、精准的、清晰的实体岩芯展现其蕴含的地质信息，便于进行地质科学研究，开展相关的岩芯保护技术研究工作十分必要。

因此，本文依据松科2井岩芯保管过程中形成的保护技术方法及采取的保护措施，结合长期保护的应用效果，介绍松科2井岩芯保护技术方法与在实际利用中产生的社会效应。希望这些岩芯保护方法对推进全国实物岩芯的保护起到一定的借鉴作用。

1 松科2井基本概况

松辽盆地白垩纪大陆科学钻探-松科2井东井设计井深6 400 m(设计取芯井段2 863.23～6 400 m)，位于黑龙江省安达市南来乡六撮房村东南，构造位置位于松辽盆地中央坳陷区(图1)。从2006年底开始，由王成善牵头，国家开始进行松科2井在ICDP的立项等工作，该项目于2009年9月申报成功，2011年开始进行筹备、井位论证、踏勘等工作，2014年采用吉林大学研制的“地壳一号”万米科学钻机开始钻探[2]。松科2井钻探项目由王成善担任首席科学家，中国地质科学院勘探技术研究所负责组织实施[3]，其他相关单位负责钻井、录井、测井、地质研究等多方面工作，其中国土资源实物地质资料中心(以下简称“实物中心”)主要负责实物地质资料的管理与服务。

图1 松科2井井位示意图(资料来源：据文献[2]修改)

2 松科2井岩芯接收与保护意义

实物中心是国内唯一一家权威性的国家级实物地质资料馆藏机构，承担两个方面责任：一是协助项目管理部门管理实物地质资料，规范勘查实物地质资料保护、汇交、接收等；二是承担管理实物资料责任，向社会提供公益性服务。

松科2井是全球第一口钻穿白垩纪的全球最大陆相地层的大陆科学钻探井，也是国际大陆科学钻探计划在中国的第三口科学钻探井。它将与已完成的松科1井一并实现“两井四孔、万米连续取芯”，填补完整的、连续的白垩纪陆相沉积记录世界空白，建立起为全球对照的高分辨率陆相白垩纪地质剖面，可成为建设“百年大庆”和基础地质服务的“金柱子”，也为松辽盆地及其相关类似盆地的地球物理勘探提供科学“标尺”[2-7]。

因此，实物中心接收管理松科2井岩芯，对其进行有效保护，具有重要的馆藏价值和服务研究价值。同时，管理与研究过程中形成的技术方法可以在国家和省级深部钻探岩芯管理中得到推广应用，有效地促进深部钻探岩芯的管理与保护[8-12]。

3 松科2井岩芯保护技术方法

依据王璞珺等[2]的岩芯精细描述结果，松科2井易碎岩芯包括泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、煤和凝灰岩等，为方便起见简称为易碎岩。固结较好的岩性包括砾岩、砂岩、粉砂岩、火山岩和变质岩等，简称为硬岩。硬岩岩芯由于固结相对较好，可以长时间在自然条件下存在而岩芯不发生变化。易碎岩岩芯则不同，这类岩芯由于长时间裸露在外面，容易受到温度、湿度、压力等变化的影响，导致岩芯状态发生变化而发生碎裂。

3.1 岩芯包装方法

野外钻探现场至实物中心距离约为1 200 km，岩芯从野外需要专车进行长距离的运输，若不进行一定的保护，运输过程中岩芯发生的振动、碰撞及不可预见的车辆事故等都容易对岩芯造成不必要的损坏或损毁，因此为保证松科2井岩芯在运输过程中完好无损，运输前需对岩芯进行必要的整理与包装。主要包括以下三个步骤。

1) 需用2块保温棉(长×宽×厚：1 m×0.3 m×0.05 m，宽度可依据岩芯的直径而定)沿岩芯盒两侧包装，封住岩芯，后用封箱胶带在岩芯盒两侧及中间(图2中的1、2、3三个点)位置进行绕圈封箱，防止岩芯在运输过程中对岩芯盒两侧的挤压或造成不必要的碰撞破坏。

图2 三层包装保护

2) 在第一层保温棉上加上2个方木条，后用封箱带胶在岩芯盒两侧及中间位置在进行绕圈封箱，固定方木条，起到固定岩芯的作用，减缓岩芯盒内岩芯的振动。

3) 在第二层方木条上加1块保温棉，在用封箱胶带在进行绕圈封箱，形成第三层保护防震措施，可以减缓罗列的上层岩芯重量对其造成的压力。

利用此方法包装的岩芯，可以有效防止岩芯在运输过程中可能发生的不可预见的破坏，同时即使岩芯盒从运输车辆上掉落下来，也可保证岩芯扔完好无损的保持在岩芯盒内，在运输过程中对岩芯起到保护的作用。当然，在应用此方法时，需要技术人员严格按照此工作步骤进行包装，此外，包装材料也需要有一定的质量保证，如保温棉若太薄或太短，均可能在运输过程中造成岩芯的外漏或造成防压效果减弱。

3.2 岩芯浇注方法

松科2井岩芯从地下钻取出后，由于地下的地层压力、温度、湿度等与地表存在差别，加之后期长期暴露于温度、湿度等变化的自然条件下，很容易造成岩芯，特别是易碎岩芯，发生碎裂解体，碎裂解体后岩芯呈块状或粉末状，形状大小不一，参差不齐，造成原有岩芯的岩性、结构、构造等地质信息发生变化，对后期岩芯的观察、照相、测试分析等利用造成影响，这种破坏也非常不利于地质科学研究。

为了更加有效防止岩芯发生碎裂解体，促进松科2井岩芯的地质科学研究利用，本文采用树脂胶、固化剂和促进剂(体积比1 000∶(2～3)∶1)调配后的混合液对岩芯进行浇注，以起到对松科2井钻探岩芯进行保护和长久保存的作用。具体的浇注方法有易碎岩岩芯360°浇注和凹型浇注。

3.2.1 易碎岩岩芯360°浇注

此方法更适用于野外钻探现场。当钻探岩芯取到地面上，在完成地质录井工作后5 h内，将岩芯面清洁干净的易碎岩岩芯放置到相应平整的岩芯盒中，利用塑料烧瓶将调配后的混合液，在岩芯盒内从岩芯的浅部至深部顺次均匀倒在岩芯面上，倒入胶体过程中需保持岩芯各个部分均有胶体粘入即可，进而实现对松科2井易碎岩岩芯的360°浇注保护(图3)。在室温条件下，这种混合液2～3 h自然风干后，在岩芯表面形成一薄层保护膜，可长时间有效防止岩芯由于环境变化发生碎裂现象，起到保护岩芯的作用。利用该方法进行倒胶体时，注意倒入胶体的量，若过多，很容易造成岩芯底部胶体过厚，而不利于岩芯的后期取、放工作。

图3 易碎岩岩芯360度浇注

目前，通过对2015年就已利用此浇注方法进行保存的松科2井岩芯保存效果观察，360°浇注易碎岩岩芯仍保持着非常好的完整性，不存在岩芯破碎或出现裂缝现象。

3.2.2 凹型浇注

该方法主要应用于经常进行观察、照相、测试分析等利用，且需要室内长期保管的岩芯。具体浇注步骤如下所述。

1) 为保证岩芯的抛光横切面与水晶U型岩芯盒外缘处于同一平面，在放置岩芯前，需用云石胶在水晶槽与岩芯之间凝固，以凝固的云石胶为支撑托起岩芯，使得岩芯切面与水晶槽外缘齐平(图4(a))。操作如下：①将岩芯抛光面面朝下水平放置，在岩芯外表面弧底两侧，选择8～10个点放置云石胶胶团；②将水晶槽倒扣在岩芯上，让岩芯表面云石胶与水晶槽面充分接触，放置2～4 h，使云石胶凝固充分；③将凝固充分的岩芯与水晶槽面面朝上水平放置，用吸风机除去岩芯表面的杂质。

2) 利用调配后的混合液对岩芯进行水晶U型盒内浇注(图4(b))，操作如下：①沿露出水晶槽盒底一侧，注入胶体，确保胶体沿水晶盒底部流动，使胶体自下而上逐步充填岩芯，直至岩芯抛光面为止，在室温条件下，胶体约12 h后会自然凝固；②由于树脂胶凝固后会收缩，因此每次凝固后需要及时进行补胶，具体次数视凝固效果而定，一般补胶4次，最终保证凝固后树脂面与岩芯抛光面齐平即可。

图4 岩芯浇注

采用岩芯凹型浇注技术，虽可以有效减缓岩芯发生潮湿、风化的速度，可以防止岩芯发生碎裂，但在保存过程也需注意岩芯面的保护，采取一定的防晒、防潮等措施。此外，在倒胶时注意防止胶水溅落在岩芯表面，以免对岩芯面造成化学污染。

3.3 岩芯拼接方法

由于地质钻探、自然环境、人为等因素的影响，岩芯经常发生断裂或出现破碎现象。为了尽可能的恢复岩芯地层地质面貌，最大程度地实现岩芯原始地层岩芯的归位，减小岩芯可能发生的错位、破碎、丢失等现象，便于开展后续的岩芯切割、浇注、观察、高分辨率照相、实验测试等利用工作，对已经发生断裂的岩芯，利用标志层、岩性或标志线等识别标志，进行岩芯归位拼接，还原原始地层实体形态[12]。

1) 破碎程度小的岩芯。对于破碎程度小的大块岩芯，标志层、岩性或标志线等相对容易识别，在保证岩芯顶底不发生颠倒的情况下，按照破碎纹理拼接成原始的圆柱形即可(图5)，具体操作如下所述。①石条加固。为固定岩芯的相对位置，需借助2根截面为1 cm×2 cm的人造石条和石云胶进行加固，石条加固时,石条位置要避开红黑线、半米签、标签等标识位置。②岩芯粘接。岩芯粘连时主要采用固化剂、石云胶2种材料，在石云胶中加入一定比例的固化剂，搅匀即可。取出已经整理完成的一块岩芯，在岩芯的圆周内侧位置涂上混合胶，粘贴石云胶时尽量避免胶体对岩芯的涂抹，也需避免胶体涂在标识上，然后依次粘接各块岩芯，形成完整圆柱体。

图5 拼接前后完整性对比

2) 破碎程度大的岩芯。由于岩芯破碎程度较大(多成小块状)，拼接操作较难，也很难保证其相对位置不发生变化。对于这种岩芯可直接在相应岩芯位置进行固定，保持其现有状态，使其不再发生破碎和相对位置的变化即可。

进行岩芯拼接时，技术人员务必注意岩芯拼接摆放顺序，切勿发生颠倒或错位现象。

4 松科2井实物地质资料保护社会效应

4.1 保护技术应用

从2015年开始，实物中心便开展对松科2井岩芯接收管理及保护等相关工作，野外钻探现场所有的易碎岩岩芯全部都进行360°浇注，在将松科2井岩芯运回国家馆前，对全部岩芯进行了整理、三层包装，截至2017年底，已接收松科2井岩芯3 876.03 m，全部保存完整。

国家馆内部工作中，完成易碎岩岩芯的拼接，共计约1 571.00 m(按1 m/盒计算)，浇注岩芯2 267.00 m(按1 m/盒计算)，这些对松科2井钻探岩芯的长久保存均起到很好的保护作用。

4.2 社会效应

通过加强对松科2井岩芯的保护与保管，相当于把野外地质考察工作搬运到室内，减少野外环境对实物及科研人员的影响，保留了重要的深部钻探实物成果档案。

通过对岩芯进行有效保护，除可以防止人为或环境对其造成的损毁、流失外，还可以减少对环境及资源的破坏，并且对于重要的深部钻探实物资料可以进行重复科学利用，提取完整的地质信息，避免资源的浪费，这些都是非常珍贵的地质信息资源。

这些技术方法首先是应用于松科2井岩芯野外岩芯的管理与馆内岩芯长久保存等方面，此外大庆油田部分录井公司在野外现场岩芯整理后，为防止在野外风化破碎，也逐渐利用易碎岩岩芯360°浇注方法进行岩芯浇注。雄安新区产生的实物地质资料(地热钻孔、水文调查钻孔等)已开始利用上述岩芯保护技术方法开展岩芯的保护工作。

经过近2年对该方法的不断实践与应用，由于其对岩芯保护效果非常好，认为这些技术方法在岩芯保护与管理上具有很强的实用性，有很大的应用利用价值，因此宜将其岩芯保护过程及经验在国家和省级实物岩芯保护中进行推广应用，进而为有效地促进全国实物地质资料的保护提供借鉴。

5 结 论

1) 野外钻探现场针对易碎岩岩芯开展360°浇注，可有效防止由于环境影响而使岩芯发生碎裂解体现象，对岩芯起到长期保护的作用；岩芯凹型浇注能够防止岩芯发生碎裂，也可以减缓岩芯发生潮湿、风化的速度，有利于对松科2井钻探岩芯的利用与长久保存。

2) 岩芯包装保护方法可防止岩芯在运输过程中可能发生的破坏，保证岩芯在运输过程中完整性；易碎岩岩芯拼接，可以还原原始地层实体形态，便于后续的岩芯切割、观察、高分辨率照相、实验测试等工作。

3) 松科2井具有多项重要的地学科研价值，保管及保护好其岩芯具有重要的馆藏价值和研究价值。本文中的保护技术方法具有很强的实用性和示范性，可以在国家和省级实物岩芯管理中得到推广应用，还可以有效地促进全国实物地质资料的管理与保护。