劉長營環境科學鉆探取樣技術研究

趙洪波，李國民，劉寶林，王建強

(中國地質大學〈北京〉地質超深鉆探技術國家專業實驗室，北京 100083)

劉長營環境科學鉆探取樣技術研究

趙洪波，李國民，劉寶林，王建強

(中國地質大學〈北京〉地質超深鉆探技術國家專業實驗室，北京 100083)

針對環境取樣的高取心率要求，利用SDR－100型全液壓聲頻振動鉆機結合壓卡式鉆具，完成了劉長營環境科學鉆探取樣。主要介紹了鉆進工藝以及取樣過程中遇到的問題，并給出了解決方案，最后對環境取樣技術進行了展望。

環境科學鉆探;取樣;全液壓聲頻振動鉆機;壓卡式取樣鉆具

1 項目背景

劉長營取樣地位于山東省濟寧市嘉祥縣西北部的梁寶寺鎮劉長營村，其早前是東平湖的一部分，通過若干年的氣候與環境變化，如今已成為平地，并形成了村莊。鑒于東平湖與黃河的密切關系，利用東平湖湖泊沉積物對黃河決口、改道以及洪水泛濫及其動力機制等進行精細研究具有獨特的優越性。通過鉆孔取樣，利用古湖泊沉積粒度特征來進行分析黃河洪水泛濫與環境變遷的關系。目前而言，環境取樣技術是獲取這些沉積物的關鍵，它對于準確分析環境變化狀態、環境污染機理以及尋求有效的環境保護措施等具有非常重要的作用［1］。

劉長營環境科學取樣地層為第四系地層(淺海、湖泊、沼澤、濕地等)。該類地層具有沉積速率大、地層膠結性差或完全未膠結等特點，成為國內外環境科學研究獲取高分辨率樣品的首選。短尺度氣候變化研究內在的對沉積物樣品高分辨率的要求不允許樣品的缺失和紊亂。因此它對科學鉆探取樣(心)的基本要求是樣品無污染、無變形、無擾動;樣品連續、完整，取心率必須為100%(鑒于含砂層較厚的情況，則要求非砂層100%，砂層90%以上。準確找到分層位置，明確砂層厚度);取心位置選取準確。

2 取樣設備及鉆具

SDR－100型全液壓聲頻振動鉆機結合壓卡式鉆具是目前第四系地層取樣的最佳組合。采用回轉鉆進，可以使巖心順利地進入內管，同時避免了對樣品的沖蝕、沖散，降低對其的擾動。

2.1 鉆機

針對第四紀環境湖泊取樣，地質超深鉆探技術國家專業實驗室研制了SDR－100型全液壓聲頻振動鉆機，其基本參數如下:

(1)適用第四系覆蓋層回轉取樣鉆進;

(2)采用硬質合金回轉鉆進工藝;

(3)回轉軸輸出最大扭矩＞1000 N·m;

(4)回轉軸輸出最大轉速＜200 r/min;

(5)回轉鉆進深度100 m;

(6)鉆進給進力設計值為25 kN，起拔力為50 kN。

本次環境科學鉆探的工作全貌如圖1所示。

2.2 鉆具

圖1 劉長營環境科學鉆探現場全貌

主要鉆具有單動雙管取心鉆具、鉆頭、鉆桿和套管。鉆頭為Φ108 mm硬質合金鉆頭，其外出刃為Φ112 mm，采用Φ42 mm鉆桿，單根長2 m，外平接頭連接。套管規格為Φ127 mm。

取心是本次鉆探施工的重要內容，取心鉆具采用單動雙管鉆具，外管帶動鉆頭轉動鉆進，內管保持不動，防止對巖心產生擾動，保證巖心的完整性。一個回次鉆進完成后，向鉆具內投鋼球壓縮內管，使內管底部的爪簧收縮，抓住樣品。為了保證所取樣品更好的分樣，在內管處放入PC復合管，內壁光滑，易于樣心進入。取心鉆具結構如圖2所示［2］。

3 鉆進工藝

3.1 對鉆探施工的要求

圖2 壓卡式取樣鉆具結構示意圖

環境取樣不同于工程勘察和地質鉆探，其鉆遇地層多屬松、散、軟沉積物，膠結性差，整體強度小，怕振動、沖刷。因此，對鉆探施工提出了很高的技術要求［3］。

(1)如何獲取高取心率而又完整的樣品?

(2)如何防止堵心和及時解決堵心問題?出現堵心的地層一般較松軟，一旦發生堵心而未能及時發現，極易將樣品磨掉，取心率很低。堵心常發生在壓實的泥質(土)層。

(3)如何防止脫心和漏心?因地層松軟，一旦發生脫心，打撈極其困難。脫心常發生在壓實的含砂泥質(土)層。而漏心現象常出現在爪簧沒有閉合的情況下。

(4)如何防止砂層的沖蝕?因砂層幾乎沒有膠結物，鉆進時待取的樣品極易被沖洗液沖掉，有可能根本取不到樣品。

(5)如何保護孔壁和減少縮徑?尤其在一些含細砂的泥質(土)層中，極易縮徑，甚至出現塌孔現象，而套管一般適合較淺的鉆孔中。

(6)在砂層和泥層交界處，如何保證較高的取心率?

3.2 鉆進工藝

在一個回次鉆進過程中，通常包括下鉆、鉆進、投球、加壓、提鉆等工序，由于環境鉆探的特殊要求，鉆進工藝必須相應改變。有時在鉆進完成后，需要下套管、掃孔等。正常鉆進時的參數為:鉆壓8～10 MPa，轉速60 r/s，流量為45～50 L/min，泵壓1～2 MPa。在每一次下鉆前，要具體檢查單動接頭的單動性能以及爪簧的爪齒位置。每一回次提鉆時，及時向孔內回灌泥漿，這是因為泥漿可以為樣心提供支持力，很好地防止樣心脫落，同時還可以平衡提鉆時產生的抽吸力，防止孔壁坍塌。具體鉆孔孔身結構如圖3所示。

圖3 鉆孔孔身結構圖

在取樣過程中，主要地層包括粉質粘土、粉土、淤泥、細砂、中砂。

0～3 m，屬于雜填土，比較松散，膠結性差，難以取心。使用內管直接快速鉆進壓實，取心效果較好，取心率達到98%，此時開始下套管。

3～15 m，屬于粉質粘土局部含有淤泥，使用單動雙管鉆具，在套管保護孔壁的情況下，取心率達到100%。

15～20 m，中砂，使用泥漿護壁，小泵量快速鉆進，取心率有所下降。

20～35 m，屬于粉質粘土含有鈣結核，裸眼鉆進，出現鈣結核造成的爪簧斷齒現象，影響鉆進效率。

35～40 m，粗砂，局部含有粉質粘土。在泥漿護心護壁的情況下，提鉆及時往孔內回灌泥漿，防止提鉆引起的孔壁坍塌。保證了較好的取心率。

40～53.56 m(終孔)，粉質粘土，局部含有大顆粒狀鈣結合。

由于鉆具自身長度的限制，每一回次取心極限長度為1.5 m。在鉆進—下套管—掃孔—鉆進過程中，每一回次離孔底具有10 cm的間距時結束掃孔，各回次進尺≯140 cm，這樣做一方面防止在掃孔過程中將未鉆井底層沖刷，而導致丟失樣心;另一方面，有不小于10 cm的空間留給下鉆過程中刮蹭下來的孔壁泥樣，使取得的樣品保證100%的可信度。圖4為所取樣品圖片，整體完整，右側斷裂處為擰卸鉆頭時造成的折斷，右側頂端留有爪簧抓痕。全長128 cm，該回次進尺128 cm，取心率100%。

圖4 壓卡式鉆具所取的樣品圖片

4 取樣過程中出現的問題及解決方案

通過本次取樣，筆者發現一些需要在以后的環境取樣中需要注意的問題，主要表現在以下幾個方面。

(1)特殊地層對堵心的影響。黃河流域的沉積物和一些湖泊的沉積物不盡相似，湖泊沉積物主要包括很細的泥土和粉細砂，個別孔段可能出現粗砂。而在本次環境取樣中還出現在一些較硬的土樣中有較大的鈣質結核(又稱鈣結核，指黃土中的碳酸鈣形成的結核)。在取樣過程中出現鈣結核，可能導致鉆頭內部爪簧齒出現折斷，出現停止進尺現象，造成堵心。此種情況很難通過泵壓反應孔下情況，鉆機操作者應及時停止鉆進，而開始下一步投球加壓，提鉆。所取樣品中含有鈣結核如圖5所示。

(2)巖心順利進入問題。在試驗孔中，首先采用的是鐵質半合管，出現堵心現象，由于半合管內部摩擦力較大，樣心難以進入，進尺停止。在卸開鉆具后，由于樣心的擠壓，導致半合管變形，樣心難以從內管中取出。換成高透明PC管后，減小了摩擦。高透明PC管不僅能保護樣心，而且可以防止樣心堵塞和巖心脫落。

圖5 泥層中的鈣結核

(3)掉心問題及掉心后處理問題。正常情況下，爪簧收縮，可以很好的抓住樣心(如圖6所示)，順利地取出樣心。但有時在鉆進過程中單管轉動出現故障，在鉆進完成投球后，爪簧沒有收縮，導致樣心脫落。此時應及時下鉆打撈，實踐證明，只要泥層硬度適中，都能夠接近完整的取出。尤其在超過30 m的深孔中更應該積極采取打撈的措施。

(4)掃孔需要注意的問題。掃孔時，特別是在接近孔底時，要控制好掃孔速度，防止因掃孔過度導致破壞未鉆進地層。本次取樣，每回次掃孔都離孔底有10 cm以上間距，這樣可以防止因沖洗液沖蝕孔底而對未鉆進地層產生破壞。同時，當掃孔至設定掃孔線時，應該略微提鉆，再掃孔。這樣也可防止破壞未鉆進地層。

圖6 爪簧抓取效果圖

(5)砂層的取樣。砂層比泥(土)層更松散、遇水極易流失、膠結性更差，因此在鉆進中護壁護心至關重要，研究滿足環境鉆探中取砂要求的高效鉆井液是解決環境鉆探取樣難題的關鍵技術之一［4］。筆者根據現場砂層樣品，選用符合環境保護要求的處理劑進行鉆井液體系的配方試驗研究，研制成一種能滿足環境鉆探取砂要求的鉆井液。該鉆井液由聚丙烯酰胺(PAM)、腐殖酸鉀(CAS)、聚陰離子纖維素(PAC)等組成。

聚丙烯酰胺(PAM)為水溶性高分子聚合物，不溶于大多數有機溶劑，具有良好的絮凝性，可以降低液體之間的摩擦阻力。

腐殖酸鉀(CAS)具有降粘、降失水和防塌的作用，并且抗溫可以達到180℃。

聚陰離子纖維素(PAC)是一種白色、類白色或微黃色的粉末或顆粒，無毒、無味，易溶解于水，形成具有一定粘度的透明溶液，有良好的韌性、分散性和化學穩定性，吸水能力強，有非常優秀的增稠抗裂性能。

(6)其他原因引起的堵心問題。鉆具在孔內正常進尺時，不要提動鉆具，也不要隨意改變鉆進參數，否則易產生樣心堵塞。出現樣心堵塞后，若提動鉆具幾次無效，應及時提鉆，避免磨掉樣心。由于沒有堵心報警機構，給操作人員及時判斷堵心事故造成困難。在本次取樣中，主要通過2方面判斷是否堵心:一是在發現沒有達到預設定的進尺情況下停止進尺;另一方面鉆壓發生劇烈的變化。在壓實的泥質(土)層中鉆進時，由于泥心進入內鉆頭之后，橫向膨脹，造成嚴重堵心。主要原因有:①壓實的泥質(土)樣品進入鉆頭后，遇水膨脹;②壓實的泥質(土)樣品進入鉆頭后，應力釋放造成橫向膨脹;③樣品強度小，在PC管的阻力和樣品自重的作用下橫向膨脹;④由于從孔壁刮下來的土樣使內管空間變小，或是提前充滿內管，導致新鉆進泥層巖樣不能進入PC管。

5 結論與展望

(1)本次取樣進尺53.56 m，樣品長度52.17 m，取心率為97.4%。其中泥(土)層長度為41.25 m，所取樣品長度為41.01 m，取心率為99.4%;砂層長度為12.31 m，所取樣品長度為11.16 m，取心率為90.6%。基本滿足環境鉆探取樣的嚴格要求。

(2)壓卡式鉆具結合SDR－100型全液壓聲頻振動鉆機在松散地層中進行環境科學鉆探應用時，能將內巖心管快速壓入地層，樣心的采取率高、原始結構保持好、代表性強，所取樣品完整性好。

(3)環保型鉆井液能起到既護壁又護心的作用，可有效地保持孔壁的穩定，保護樣心的完整，同時對環境無污染。

(4)有待進一步研究改善在鉆進砂層時雙管鉆具單動性差的問題。

(5)進一步研究隨鉆系統及時監控孔內情況，保障樣心順利取出。

(6)有待進一步研究雙層保護措施防止爪簧未及時收縮導致的掉心現象。

［1］李國民，劉寶林，毛志新.冰凍取樣技術［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2005，32(2):44－46.

［2］宋濤，劉寶林，李國民.冬季呼倫湖環境科學鉆探冰上湖泊鉆探平臺及取樣技術［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35 (10):1－6，10.

［3］劉寶林，何躍文，司敬成.湖泊環境科學鉆探施工技術［J］.探礦工程，1999，(2):47－49.

［4］何遠信，夏柏如，趙爾信.環境科學鉆探取樣技術研究［J］.現代地質，2005，19(3):471－474.

Research on Sampling Technology for Environmental Scientific Drilling in Liuchangying

ZHAO Hong-bo，LI Guo-min，LIU Bao-lin，WANG Jian-qiang(National Lab on Scientific Drilling，China University of Geosciences，Beijing 100083，China)

According to the requirement of high coring rate in environmental sampling，SDR－100 full hydraulic sonic frequency resonance drill combined with press-fitting sampling drilling tool was used for sampling in Liuchangying.The drilling technology and the problems may encountered in sampling process are mainly introduced in the paper with solutions.The future development of environmental sampling drilling technology is prospected.

environmental scientific drilling;sampling;full hydraulic sonic frequency resonance drill;press-fitting sampling drilling tool

P634.5

A

1672－7428(2011)11－0014－04

2011－05－27;

2011－09－20

國家自然科學基金委資助項目“全新世以來東平湖變遷與黃河洪水關系及動力機制研究”(41072258)

趙洪波(1988－)，男(漢族)，安徽亳州人，中國地質大學(北京)碩士生，地質工程專業，從事科學鉆探技術與方法的研究工作，北京市海淀區學院路29號中國地質大學工程技術學院，zhaohb_2009@hotmail.com。