三层管压卡取样钻具在岱海取样工程中的应用

肖丽辉，李国萍，郭再峰，刘宝林，李国民

(1.中国地质大学〈北京〉地质超深钻探国家专业实验室，北京 100083;2.廊坊师范学院，河北 廊坊 065000;3.河北省煤田地质局水文地质队，河北邯郸 056000)

三层管压卡取样钻具在岱海取样工程中的应用

肖丽辉1，李国萍2，郭再峰3，刘宝林1，李国民1

(1.中国地质大学〈北京〉地质超深钻探国家专业实验室，北京 100083;2.廊坊师范学院，河北 廊坊 065000;3.河北省煤田地质局水文地质队，河北邯郸 056000)

当前环境问题受到人们越来越多的重视，而必不可缺的取样工程则成为环境科学研究领域中的关键。要想获得理想的环境取样效果，必须克服松散地层存在的堵心、丢心、样品被冲刷、孔壁坍塌等现象的发生。隔水式三层管压卡取样钻具主要是针对松散软地层取样而设计的。经岱海湖泊取样实践证明，取样器性能可靠，达到了预期目的，能够满足环境科学钻探100%取心率的要求。

三层管压卡取样钻具;环境科学钻探;湖泊取样;岱海湖泊

0 引言

岱海湖泊钻探取样工程是为国家自然科学基金重点项目“季风 －干旱过渡区湖泊对北大西洋Heinrich事件响应”而进行的取样工程之一。取样工程的目的主要是通过对湖泊沉积物的研究来重现地球过去的气候、环境和生态历史，以了解地球系统的过去状况、变化规律，及其控制因素，为区域环境演化与环境预测提供宝贵的资料。项目负责单位为中国科学院地质与地球物理研究所，中国地质大学(北京)地质超深钻探国家专业实验室作为该项目的合作单位主要负责取样工作。设计水下钻孔深19.88 m，口径为108 mm，取心率100%，样品无污染、受扰动性小，保持地层原始层状。

岱海位于内蒙古自治区乌盟凉城县境内，地处我国半干旱与半湿润的过渡带，属于中温带半干旱季风气候，湖龄约300万年，是我国北方的一个典型内陆封闭湖泊，湖泊中的沉积物如同大自然抒写的一部书，记载着环境变迁与演化的历史，是研究环境变化十分理想的信息库，是进行区域环境演化与环境预测的首选“教材”。作为“教材”就不能断章缺页，这就要求所取的样品必须是连续的，也就是说要达到100%的采样率。岱海平均水深12 m(2010年夏季测)，湖底浅部为淤泥质沉积物，之下是很细的泥砂层，个别孔段出现粗砂，均属于松软沉积物，其特点是胶结性差、整体强度小、怕振动、怕冲刷，钻进过程中易发生堵心，提钻过程中岩心易脱落。常规的取样钻具很难取到100%的岩心样品。为此，设计了三层管压卡取样钻具，强化了隔水防冲刷、提钻防脱落、退心防扰动的功能，并在实际应用中达到了预期效果，为环境取样工程提供了有力的技术保证。

1 三层管压卡式取样钻具的设计要求

为了圆满完成岱海环境科学钻探取样的目的，钻具设计中对三层管压卡取样钻具提出了如下要求:

(1)在钻进过程中，岩心必须能够顺利进入岩心筒，防止样品被冲刷，防止出现因堵心、卡心造成样品磨毁的现象;

(2)必须有可靠的割心方式，完全有效地割断岩心并封住内岩心筒;

(3)在起钻中可有效地保护岩心，防止岩心脱落;

(4)钻进、提钻操作中对样品的扰动程度小，退心时不使岩心散落，保持地层原始层状;

(5)便于样品分装;

(6)结构简单，动作可靠，拆卸组装方便。

2 三层管压卡取样钻具的结构及其特点

根据岱海湖相沉积的特点和上述提出的具体要求，设计了三层管压卡取样钻具，其结构如图1所示。

图1 三层管压卡取样钻具结构图

钻具结构突出的特点如下。

2.1 双层滑动机构

由于湖泊沉积物均属松软沉积物，胶结性差，整体强度小，怕振动，易受到机械磨损，必须保证钻具的单动性能。传统的钻具主要是单动双管结构，使钻具内管不回转，从而减少钻具对岩心的机械磨损。这种钻具的单动性能用在硬地层时比较可靠，但在软地层钻进时往往容易因淤泥质的塞入，失去单动效果。为此，在原单动机构的基础上，除利用悬挂滚球与悬挂环槽外，又增加了一层单动层，与原来的单动机构构成了双层滑动机构，强化了钻具的单动性能。

2.2 隔水防冲刷结构

为了保证内管不回转，卡簧座与钻头之间必须留有间隙，但由于间隙的存在，冲洗液会冲刷岩心。为此，一方面采用阶梯钻头和侧喷水眼结构;另一方面在卡簧座外侧，增加了4～5道环形槽。阶梯钻头内环相当于超前钻头，从而罩住松散的岩样，使侧喷水眼不能冲刷岩心根部，同时不容易被封堵，保持冲洗液循环畅通。卡簧座上的几道环形槽，经过几道减压后，进入内管的冲洗液的压力很小，只起到润滑防卡的作用。

2.3 压卡式爪簧护心结构

在松散软地层中常用干钻法取心，而卡簧取心和卡料取心法都失去作用，但干钻法取心最大的问题是破坏了钻头部位样品的原生结构，对样品地磁测量影响很大。此外，干钻法容易发生岩心脱落，导致样品不连续。为此，设计了压卡式爪簧护心结构(图2)。爪簧在压力作用下横向切入岩样，对样品破坏少。同时，收拢的爪簧可护住样品，使样品在提钻时不会脱落，确保样品不丢失。图3为爪簧取样效果图。

图2 爪簧实物照片

图3 爪簧取样实际效果图

2.4 内衬透明PC管

为防止土样和内管粘接，钻具内衬第三层PC管，钻进过程中，PC管内壁光滑，样品容易进入，减少堵心事故。退心时既便于将样品从内管中取出，又可防止退心时由于样品的散落而引起的层序颠倒，保持样品的原生结构不受破坏。

3 三层管压卡取样钻具的工作原理

压卡式取样钻具的工作过程是在钻进过程中当岩心管装满岩心或者确定要取心时，投入钢球，当钢球落到阀座6时堵塞冲洗液通道，之后靠泵压压缩内管总成下行，使得爪簧15内收切断岩心，并护住岩心防止其脱落。

当钻具提出后，取出第三层PC衬管，现场用锯切工具刨开衬管，查看取样效果，编录岩样，之后进行分样。图4为其中一个回次的样品图片。

图4 刨开PC管后的样品照片

4 三层管压卡取样钻具的使用效果

经岱海湖泊取样应用证明，三层管压卡取样钻具能够满足环境科学钻探高质量取心的要求，取心率达到100%，样品无污染、受扰动性小，保持地层原始层状。而且，同其他沉积物取样工具相比，三层管压卡取样钻具具有以下特点:

(1)单动性能灵活，对样品损耗小;

(2)爪簧割心，消除干钻取心对样品的挤压破坏，取样质量好;

(3)岩心爪可有效保护岩心，防止脱落丢心，保证样品的连续性;

(4)操作简单，拆卸安装方便;

(5)结构设计合理，取样效果可靠。

5 结论

理论及实际应用证明三层管压卡取样钻具能够满足松散软地层的取样工作，是湖泊、水库等水域取样和古湖泊、沼泽等湿地取样的理想取样钻具。

［1］王苏民，余源盛，吴瑞金，等.岱海:湖泊环境与气候变化［M］.安徽合肥:中国科学技术大学出版社，1990.

［2］姚彤宝，等.一种振动活塞取样钻具的研究［J］.地质装备，2007，(4).

［3］宋涛，等.冬季呼伦湖环境科学钻探冰上湖泊钻探平台及取样技术［J］.探矿工程(岩土钻掘工程)，2008，35(10).

［4］刘宝林，等.湖泊环境科学钻探施工技术［J］.探矿工程，1999，(2).

［5］周德全，等.湖泊沉积记录与过去全球变化［J］.矿物岩石地球化学通报，2006，(3).

［6］何远信，等.环境科学钻探取样技术研究［J］.现代地质，2005，(9).

［7］姚彤宝，等.湖泊环境科学钻探取样技术［J］.探矿工程(岩土钻掘工程)，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

国家自然科学基金重点项目“季风－干旱过渡区湖泊对北大西洋Heinrich事件响应”(40531001)

肖丽辉(1985－)，女(汉族)，内蒙古赤峰人，中国地质大学(北京)在读研究生，地质工程专业，从事钻探设备与器具方面的研究工作，北京市海淀区学院路29号，xiaolihui2006_@126.com。