三層管壓卡取樣鉆具在岱海取樣工程中的應(yīng)用

肖麗輝，李國萍，郭再峰，劉寶林，李國民

(1.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉地質(zhì)超深鉆探國家專業(yè)實驗室，北京 100083;2.廊坊師范學(xué)院，河北 廊坊 065000;3.河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊，河北邯鄲 056000)

三層管壓卡取樣鉆具在岱海取樣工程中的應(yīng)用

肖麗輝1，李國萍2，郭再峰3，劉寶林1，李國民1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉地質(zhì)超深鉆探國家專業(yè)實驗室，北京 100083;2.廊坊師范學(xué)院，河北 廊坊 065000;3.河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊，河北邯鄲 056000)

當前環(huán)境問題受到人們越來越多的重視，而必不可缺的取樣工程則成為環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域中的關(guān)鍵。要想獲得理想的環(huán)境取樣效果，必須克服松散地層存在的堵心、丟心、樣品被沖刷、孔壁坍塌等現(xiàn)象的發(fā)生。隔水式三層管壓卡取樣鉆具主要是針對松散軟地層取樣而設(shè)計的。經(jīng)岱海湖泊取樣實踐證明，取樣器性能可靠，達到了預(yù)期目的，能夠滿足環(huán)境科學(xué)鉆探100%取心率的要求。

三層管壓卡取樣鉆具;環(huán)境科學(xué)鉆探;湖泊取樣;岱海湖泊

0 引言

岱海湖泊鉆探取樣工程是為國家自然科學(xué)基金重點項目“季風(fēng) －干旱過渡區(qū)湖泊對北大西洋Heinrich事件響應(yīng)”而進行的取樣工程之一。取樣工程的目的主要是通過對湖泊沉積物的研究來重現(xiàn)地球過去的氣候、環(huán)境和生態(tài)歷史，以了解地球系統(tǒng)的過去狀況、變化規(guī)律，及其控制因素，為區(qū)域環(huán)境演化與環(huán)境預(yù)測提供寶貴的資料。項目負責單位為中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)超深鉆探國家專業(yè)實驗室作為該項目的合作單位主要負責取樣工作。設(shè)計水下鉆孔深19.88 m，口徑為108 mm，取心率100%，樣品無污染、受擾動性小，保持地層原始層狀。

岱海位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏盟涼城縣境內(nèi)，地處我國半干旱與半濕潤的過渡帶，屬于中溫帶半干旱季風(fēng)氣候，湖齡約300萬年，是我國北方的一個典型內(nèi)陸封閉湖泊，湖泊中的沉積物如同大自然抒寫的一部書，記載著環(huán)境變遷與演化的歷史，是研究環(huán)境變化十分理想的信息庫，是進行區(qū)域環(huán)境演化與環(huán)境預(yù)測的首選“教材”。作為“教材”就不能斷章缺頁，這就要求所取的樣品必須是連續(xù)的，也就是說要達到100%的采樣率。岱海平均水深12 m(2010年夏季測)，湖底淺部為淤泥質(zhì)沉積物，之下是很細的泥砂層，個別孔段出現(xiàn)粗砂，均屬于松軟沉積物，其特點是膠結(jié)性差、整體強度小、怕振動、怕沖刷，鉆進過程中易發(fā)生堵心，提鉆過程中巖心易脫落。常規(guī)的取樣鉆具很難取到100%的巖心樣品。為此，設(shè)計了三層管壓卡取樣鉆具，強化了隔水防沖刷、提鉆防脫落、退心防擾動的功能，并在實際應(yīng)用中達到了預(yù)期效果，為環(huán)境取樣工程提供了有力的技術(shù)保證。

1 三層管壓卡式取樣鉆具的設(shè)計要求

為了圓滿完成岱海環(huán)境科學(xué)鉆探取樣的目的，鉆具設(shè)計中對三層管壓卡取樣鉆具提出了如下要求:

(1)在鉆進過程中，巖心必須能夠順利進入巖心筒，防止樣品被沖刷，防止出現(xiàn)因堵心、卡心造成樣品磨毀的現(xiàn)象;

(2)必須有可靠的割心方式，完全有效地割斷巖心并封住內(nèi)巖心筒;

(3)在起鉆中可有效地保護巖心，防止巖心脫落;

(4)鉆進、提鉆操作中對樣品的擾動程度小，退心時不使巖心散落，保持地層原始層狀;

(5)便于樣品分裝;

(6)結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠，拆卸組裝方便。

2 三層管壓卡取樣鉆具的結(jié)構(gòu)及其特點

根據(jù)岱海湖相沉積的特點和上述提出的具體要求，設(shè)計了三層管壓卡取樣鉆具，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三層管壓卡取樣鉆具結(jié)構(gòu)圖

鉆具結(jié)構(gòu)突出的特點如下。

2.1 雙層滑動機構(gòu)

由于湖泊沉積物均屬松軟沉積物，膠結(jié)性差，整體強度小，怕振動，易受到機械磨損，必須保證鉆具的單動性能。傳統(tǒng)的鉆具主要是單動雙管結(jié)構(gòu)，使鉆具內(nèi)管不回轉(zhuǎn)，從而減少鉆具對巖心的機械磨損。這種鉆具的單動性能用在硬地層時比較可靠，但在軟地層鉆進時往往容易因淤泥質(zhì)的塞入，失去單動效果。為此，在原單動機構(gòu)的基礎(chǔ)上，除利用懸掛滾球與懸掛環(huán)槽外，又增加了一層單動層，與原來的單動機構(gòu)構(gòu)成了雙層滑動機構(gòu)，強化了鉆具的單動性能。

2.2 隔水防沖刷結(jié)構(gòu)

為了保證內(nèi)管不回轉(zhuǎn)，卡簧座與鉆頭之間必須留有間隙，但由于間隙的存在，沖洗液會沖刷巖心。為此，一方面采用階梯鉆頭和側(cè)噴水眼結(jié)構(gòu);另一方面在卡簧座外側(cè)，增加了4～5道環(huán)形槽。階梯鉆頭內(nèi)環(huán)相當于超前鉆頭，從而罩住松散的巖樣，使側(cè)噴水眼不能沖刷巖心根部，同時不容易被封堵，保持沖洗液循環(huán)暢通。卡簧座上的幾道環(huán)形槽，經(jīng)過幾道減壓后，進入內(nèi)管的沖洗液的壓力很小，只起到潤滑防卡的作用。

2.3 壓卡式爪簧護心結(jié)構(gòu)

在松散軟地層中常用干鉆法取心，而卡簧取心和卡料取心法都失去作用，但干鉆法取心最大的問題是破壞了鉆頭部位樣品的原生結(jié)構(gòu)，對樣品地磁測量影響很大。此外，干鉆法容易發(fā)生巖心脫落，導(dǎo)致樣品不連續(xù)。為此，設(shè)計了壓卡式爪簧護心結(jié)構(gòu)(圖2)。爪簧在壓力作用下橫向切入巖樣，對樣品破壞少。同時，收攏的爪簧可護住樣品，使樣品在提鉆時不會脫落，確保樣品不丟失。圖3為爪簧取樣效果圖。

圖2 爪簧實物照片

圖3 爪簧取樣實際效果圖

2.4 內(nèi)襯透明PC管

為防止土樣和內(nèi)管粘接，鉆具內(nèi)襯第三層PC管，鉆進過程中，PC管內(nèi)壁光滑，樣品容易進入，減少堵心事故。退心時既便于將樣品從內(nèi)管中取出，又可防止退心時由于樣品的散落而引起的層序顛倒，保持樣品的原生結(jié)構(gòu)不受破壞。

3 三層管壓卡取樣鉆具的工作原理

壓卡式取樣鉆具的工作過程是在鉆進過程中當巖心管裝滿巖心或者確定要取心時，投入鋼球，當鋼球落到閥座6時堵塞沖洗液通道，之后靠泵壓壓縮內(nèi)管總成下行，使得爪簧15內(nèi)收切斷巖心，并護住巖心防止其脫落。

當鉆具提出后，取出第三層PC襯管，現(xiàn)場用鋸切工具刨開襯管，查看取樣效果，編錄巖樣，之后進行分樣。圖4為其中一個回次的樣品圖片。

圖4 刨開PC管后的樣品照片

4 三層管壓卡取樣鉆具的使用效果

經(jīng)岱海湖泊取樣應(yīng)用證明，三層管壓卡取樣鉆具能夠滿足環(huán)境科學(xué)鉆探高質(zhì)量取心的要求，取心率達到100%，樣品無污染、受擾動性小，保持地層原始層狀。而且，同其他沉積物取樣工具相比，三層管壓卡取樣鉆具具有以下特點:

(1)單動性能靈活，對樣品損耗小;

(2)爪簧割心，消除干鉆取心對樣品的擠壓破壞，取樣質(zhì)量好;

(3)巖心爪可有效保護巖心，防止脫落丟心，保證樣品的連續(xù)性;

(4)操作簡單，拆卸安裝方便;

(5)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，取樣效果可靠。

5 結(jié)論

理論及實際應(yīng)用證明三層管壓卡取樣鉆具能夠滿足松散軟地層的取樣工作，是湖泊、水庫等水域取樣和古湖泊、沼澤等濕地取樣的理想取樣鉆具。

［1］王蘇民，余源盛，吳瑞金，等.岱海:湖泊環(huán)境與氣候變化［M］.安徽合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1990.

［2］姚彤寶，等.一種振動活塞取樣鉆具的研究［J］.地質(zhì)裝備，2007，(4).

［3］宋濤，等.冬季呼倫湖環(huán)境科學(xué)鉆探冰上湖泊鉆探平臺及取樣技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(10).

［4］劉寶林，等.湖泊環(huán)境科學(xué)鉆探施工技術(shù)［J］.探礦工程，1999，(2).

［5］周德全，等.湖泊沉積記錄與過去全球變化［J］.礦物巖石地球化學(xué)通報，2006，(3).

［6］何遠信，等.環(huán)境科學(xué)鉆探取樣技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2005，(9).

［7］姚彤寶，等.湖泊環(huán)境科學(xué)鉆探取樣技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(4).

Application of Press-fitting Sampling Drilling Tool of Three Layer Pipes in Daihai Lake

XIAO Li-hui1，LI Guoping2，GUO Zai-feng3，LIU Bao-lin1，LI Guo-min1(1.National Lab on Scientific Drilling，China University of Geosciences，Beijing 10083，China;2.Langfang Teachers College，Langfang Hebei 065000，China，3.Hydrographical Geological Team of Hebei Coalfield Geologic Bureau，Handan Hebei 056000，China)

The current environmental issue is gained more and more attention by people;indispensable sampling project becomes a key of study on environmental science.To get a good environmental sampling result，the phenomenon of the core blocking，core lost，samples being washed，the hole wall collapsing，and so on must be overcome.Press-fitting sampling drilling tool of three layer pipes of water insulation style is mainly designed for loose and soft formation sampling.It has been proved by practice in Daihai Lake that press-fitting sampling drilling tool of three layer pipes has a very reliable performance and can meet the requirements of coring rate of 100%in environmental science core drilling.

press-fitting sampling drilling tool of three layer pipes;environmental scientific drilling;lake sampling;Daihai Lake

P634.4+3

A

1672－7428(2011)10－0040－03

2011－04－14;

2011－08－10

國家自然科學(xué)基金重點項目“季風(fēng)－干旱過渡區(qū)湖泊對北大西洋Heinrich事件響應(yīng)”(40531001)

肖麗輝(1985－)，女(漢族)，內(nèi)蒙古赤峰人，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)在讀研究生，地質(zhì)工程專業(yè)，從事鉆探設(shè)備與器具方面的研究工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號，xiaolihui2006_@126.com。