劉長營環(huán)境科學(xué)鉆探取樣技術(shù)研究

趙洪波，李國民，劉寶林，王建強(qiáng)

(中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉地質(zhì)超深鉆探技術(shù)國家專業(yè)實驗室，北京 100083)

劉長營環(huán)境科學(xué)鉆探取樣技術(shù)研究

趙洪波，李國民，劉寶林，王建強(qiáng)

(中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉地質(zhì)超深鉆探技術(shù)國家專業(yè)實驗室，北京 100083)

針對環(huán)境取樣的高取心率要求，利用SDR－100型全液壓聲頻振動鉆機(jī)結(jié)合壓卡式鉆具，完成了劉長營環(huán)境科學(xué)鉆探取樣。主要介紹了鉆進(jìn)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(huán)境取樣技術(shù)進(jìn)行了展望。

環(huán)境科學(xué)鉆探;取樣;全液壓聲頻振動鉆機(jī);壓卡式取樣鉆具

1 項目背景

劉長營取樣地位于山東省濟(jì)寧市嘉祥縣西北部的梁寶寺鎮(zhèn)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(huán)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(guān)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(jī)制等進(jìn)行精細(xì)研究具有獨(dú)特的優(yōu)越性。通過鉆孔取樣，利用古湖泊沉積粒度特征來進(jìn)行分析黃河洪水泛濫與環(huán)境變遷的關(guān)系。目前而言，環(huán)境取樣技術(shù)是獲取這些沉積物的關(guān)鍵，它對于準(zhǔn)確分析環(huán)境變化狀態(tài)、環(huán)境污染機(jī)理以及尋求有效的環(huán)境保護(hù)措施等具有非常重要的作用［1］。

劉長營環(huán)境科學(xué)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(jié)性差或完全未膠結(jié)等特點，成為國內(nèi)外環(huán)境科學(xué)研究獲取高分辨率樣品的首選。短尺度氣候變化研究內(nèi)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(xué)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(xù)、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(zhǔn)確找到分層位置，明確砂層厚度);取心位置選取準(zhǔn)確。

2 取樣設(shè)備及鉆具

SDR－100型全液壓聲頻振動鉆機(jī)結(jié)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(zhuǎn)鉆進(jìn)，可以使巖心順利地進(jìn)入內(nèi)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(jī)

針對第四紀(jì)環(huán)境湖泊取樣，地質(zhì)超深鉆探技術(shù)國家專業(yè)實驗室研制了SDR－100型全液壓聲頻振動鉆機(jī)，其基本參數(shù)如下:

(1)適用第四系覆蓋層回轉(zhuǎn)取樣鉆進(jìn);

(2)采用硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝;

(3)回轉(zhuǎn)軸輸出最大扭矩＞1000 N·m;

(4)回轉(zhuǎn)軸輸出最大轉(zhuǎn)速＜200 r/min;

(5)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)深度100 m;

(6)鉆進(jìn)給進(jìn)力設(shè)計值為25 kN，起拔力為50 kN。

本次環(huán)境科學(xué)鉆探的工作全貌如圖1所示。

2.2 鉆具

圖1 劉長營環(huán)境科學(xué)鉆探現(xiàn)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(zhì)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(guī)格為Φ127 mm。

取心是本次鉆探施工的重要內(nèi)容，取心鉆具采用單動雙管鉆具，外管帶動鉆頭轉(zhuǎn)動鉆進(jìn)，內(nèi)管保持不動，防止對巖心產(chǎn)生擾動，保證巖心的完整性。一個回次鉆進(jìn)完成后，向鉆具內(nèi)投鋼球壓縮內(nèi)管，使內(nèi)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(nèi)管處放入PC復(fù)合管，內(nèi)壁光滑，易于樣心進(jìn)入。取心鉆具結(jié)構(gòu)如圖2所示［2］。

3 鉆進(jìn)工藝

3.1 對鉆探施工的要求

圖2 壓卡式取樣鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

環(huán)境取樣不同于工程勘察和地質(zhì)鉆探，其鉆遇地層多屬松、散、軟沉積物，膠結(jié)性差，整體強(qiáng)度小，怕振動、沖刷。因此，對鉆探施工提出了很高的技術(shù)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(xiàn)堵心的地層一般較松軟，一旦發(fā)生堵心而未能及時發(fā)現(xiàn)，極易將樣品磨掉，取心率很低。堵心常發(fā)生在壓實的泥質(zhì)(土)層。

(3)如何防止脫心和漏心?因地層松軟，一旦發(fā)生脫心，打撈極其困難。脫心常發(fā)生在壓實的含砂泥質(zhì)(土)層。而漏心現(xiàn)象常出現(xiàn)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(jié)物，鉆進(jìn)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(hù)孔壁和減少縮徑?尤其在一些含細(xì)砂的泥質(zhì)(土)層中，極易縮徑，甚至出現(xiàn)塌孔現(xiàn)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(jìn)工藝

在一個回次鉆進(jìn)過程中，通常包括下鉆、鉆進(jìn)、投球、加壓、提鉆等工序，由于環(huán)境鉆探的特殊要求，鉆進(jìn)工藝必須相應(yīng)改變。有時在鉆進(jìn)完成后，需要下套管、掃孔等。正常鉆進(jìn)時的參數(shù)為:鉆壓8～10 MPa，轉(zhuǎn)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(nèi)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(chǎn)生的抽吸力，防止孔壁坍塌。具體鉆孔孔身結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鉆孔孔身結(jié)構(gòu)圖

在取樣過程中，主要地層包括粉質(zhì)粘土、粉土、淤泥、細(xì)砂、中砂。

0～3 m，屬于雜填土，比較松散，膠結(jié)性差，難以取心。使用內(nèi)管直接快速鉆進(jìn)壓實，取心效果較好，取心率達(dá)到98%，此時開始下套管。

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

15～20 m，中砂，使用泥漿護(hù)壁，小泵量快速鉆進(jìn)，取心率有所下降。

20～35 m，屬于粉質(zhì)粘土含有鈣結(jié)核，裸眼鉆進(jìn)，出現(xiàn)鈣結(jié)核造成的爪簧斷齒現(xiàn)象，影響鉆進(jìn)效率。

35～40 m，粗砂，局部含有粉質(zhì)粘土。在泥漿護(hù)心護(hù)壁的情況下，提鉆及時往孔內(nèi)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(zhì)粘土，局部含有大顆粒狀鈣結(jié)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(jìn)—下套管—掃孔—鉆進(jìn)過程中，每一回次離孔底具有10 cm的間距時結(jié)束掃孔，各回次進(jìn)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(dǎo)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(cè)斷裂處為擰卸鉆頭時造成的折斷，右側(cè)頂端留有爪簧抓痕。全長128 cm，該回次進(jìn)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(xiàn)的問題及解決方案

通過本次取樣，筆者發(fā)現(xiàn)一些需要在以后的環(huán)境取樣中需要注意的問題，主要表現(xiàn)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(xì)的泥土和粉細(xì)砂，個別孔段可能出現(xiàn)粗砂。而在本次環(huán)境取樣中還出現(xiàn)在一些較硬的土樣中有較大的鈣質(zhì)結(jié)核(又稱鈣結(jié)核，指黃土中的碳酸鈣形成的結(jié)核)。在取樣過程中出現(xiàn)鈣結(jié)核，可能導(dǎo)致鉆頭內(nèi)部爪簧齒出現(xiàn)折斷，出現(xiàn)停止進(jìn)尺現(xiàn)象，造成堵心。此種情況很難通過泵壓反應(yīng)孔下情況，鉆機(jī)操作者應(yīng)及時停止鉆進(jìn)，而開始下一步投球加壓，提鉆。所取樣品中含有鈣結(jié)核如圖5所示。

(2)巖心順利進(jìn)入問題。在試驗孔中，首先采用的是鐵質(zhì)半合管，出現(xiàn)堵心現(xiàn)象，由于半合管內(nèi)部摩擦力較大，樣心難以進(jìn)入，進(jìn)尺停止。在卸開鉆具后，由于樣心的擠壓，導(dǎo)致半合管變形，樣心難以從內(nèi)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(hù)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(jié)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(jìn)過程中單管轉(zhuǎn)動出現(xiàn)故障，在鉆進(jìn)完成投球后，爪簧沒有收縮，導(dǎo)致樣心脫落。此時應(yīng)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(yīng)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(dǎo)致破壞未鉆進(jìn)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(jìn)地層產(chǎn)生破壞。同時，當(dāng)掃孔至設(shè)定掃孔線時，應(yīng)該略微提鉆，再掃孔。這樣也可防止破壞未鉆進(jìn)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(jié)性更差，因此在鉆進(jìn)中護(hù)壁護(hù)心至關(guān)重要，研究滿足環(huán)境鉆探中取砂要求的高效鉆井液是解決環(huán)境鉆探取樣難題的關(guān)鍵技術(shù)之一［4］。筆者根據(jù)現(xiàn)場砂層樣品，選用符合環(huán)境保護(hù)要求的處理劑進(jìn)行鉆井液體系的配方試驗研究，研制成一種能滿足環(huán)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(shù)有機(jī)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(dá)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(xué)穩(wěn)定性，吸水能力強(qiáng)，有非常優(yōu)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(nèi)正常進(jìn)尺時，不要提動鉆具，也不要隨意改變鉆進(jìn)參數(shù)，否則易產(chǎn)生樣心堵塞。出現(xiàn)樣心堵塞后，若提動鉆具幾次無效，應(yīng)及時提鉆，避免磨掉樣心。由于沒有堵心報警機(jī)構(gòu)，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(fā)現(xiàn)沒有達(dá)到預(yù)設(shè)定的進(jìn)尺情況下停止進(jìn)尺;另一方面鉆壓發(fā)生劇烈的變化。在壓實的泥質(zhì)(土)層中鉆進(jìn)時，由于泥心進(jìn)入內(nèi)鉆頭之后，橫向膨脹，造成嚴(yán)重堵心。主要原因有:①壓實的泥質(zhì)(土)樣品進(jìn)入鉆頭后，遇水膨脹;②壓實的泥質(zhì)(土)樣品進(jìn)入鉆頭后，應(yīng)力釋放造成橫向膨脹;③樣品強(qiáng)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(nèi)管空間變小，或是提前充滿內(nèi)管，導(dǎo)致新鉆進(jìn)泥層巖樣不能進(jìn)入PC管。

5 結(jié)論與展望

(1)本次取樣進(jìn)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%?；緷M足環(huán)境鉆探取樣的嚴(yán)格要求。

(2)壓卡式鉆具結(jié)合SDR－100型全液壓聲頻振動鉆機(jī)在松散地層中進(jìn)行環(huán)境科學(xué)鉆探應(yīng)用時，能將內(nèi)巖心管快速壓入地層，樣心的采取率高、原始結(jié)構(gòu)保持好、代表性強(qiáng)，所取樣品完整性好。

(3)環(huán)保型鉆井液能起到既護(hù)壁又護(hù)心的作用，可有效地保持孔壁的穩(wěn)定，保護(hù)樣心的完整，同時對環(huán)境無污染。

(4)有待進(jìn)一步研究改善在鉆進(jìn)砂層時雙管鉆具單動性差的問題。

(5)進(jìn)一步研究隨鉆系統(tǒng)及時監(jiān)控孔內(nèi)情況，保障樣心順利取出。

(6)有待進(jìn)一步研究雙層保護(hù)措施防止爪簧未及時收縮導(dǎo)致的掉心現(xiàn)象。

［1］李國民，劉寶林，毛志新.冰凍取樣技術(shù)［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(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):1－6，10.

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

［4］何遠(yuǎn)信，夏柏如，趙爾信.環(huán)境科學(xué)鉆探取樣技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，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(xué)基金委資助項目“全新世以來東平湖變遷與黃河洪水關(guān)系及動力機(jī)制研究”(41072258)

趙洪波(1988－)，男(漢族)，安徽亳州人，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)碩士生，地質(zhì)工程專業(yè)，從事科學(xué)鉆探技術(shù)與方法的研究工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號中國地質(zhì)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，zhaohb_2009@hotmail.com。