伸縮疊合型柔性(袋)管取心內(nèi)管的研究與應(yīng)用

汪發(fā)文，鄔學(xué)農(nóng)，徐 俊，方 波，葉 慧

(1．湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北 武漢430072;2．湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊(duì)，湖北襄陽(yáng)441002)

1 問(wèn)題的提出

目前國(guó)內(nèi)地質(zhì)找礦和工程勘察的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀表明，最終確定地下礦產(chǎn)資源的埋藏深度、儲(chǔ)量、品位及巖土物理力學(xué)性質(zhì)都必須依賴地質(zhì)鉆探原狀取樣加以驗(yàn)證。隨著地質(zhì)找礦向更深部及更復(fù)雜地層方向轉(zhuǎn)變，工程地質(zhì)原狀樣特種取心要求向更精細(xì)化方向發(fā)展，對(duì)地質(zhì)鉆探取樣技術(shù)提出了更高的要求［1］。

目前鉆探取心方法通常有單管、雙管、三重管等剛性取心管，是小口徑鉆探施工的成熟技術(shù)。但是剛性取心管存在一個(gè)最大的缺點(diǎn)，即地下取出的心樣從剛性管倒出后一般再進(jìn)行包裝試驗(yàn)，試驗(yàn)前無(wú)一例外地受到擾動(dòng)和水分揮發(fā)，不同程度地影響物理化學(xué)指標(biāo)化驗(yàn)的準(zhǔn)確度及完整度。譬如觸變性淤泥、凍土及天然氣水合物(又稱(chēng)可燃冰)等特殊心樣，鉆取這些樣品受到的影響更大。剛性取心管擾動(dòng)度為30% ～50%，水分保真度為70% ～90%，取心率一般為70% ～90%，有時(shí)甚至更低。其物理、化學(xué)、力學(xué)指標(biāo)的準(zhǔn)確度無(wú)法滿足業(yè)主及設(shè)計(jì)部門(mén)的要求，這也是鉆探工程界的一大難題［2］。為此，我們進(jìn)行了柔性三重管的研制。

2 常用三重管取心鉆具

三重管取心鉆探是保障心樣完整度與準(zhǔn)確度的重要手段［3］。常用的取心鉆具有如下幾種。

2．1 剛性與半剛性半合管內(nèi)管［4］

主要有PVC半合管、剛性半合管等?；窘Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 三套管取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

2．2 亞麻質(zhì)紡織布內(nèi)襯管

結(jié)構(gòu)同圖1，內(nèi)襯管材質(zhì)為亞麻質(zhì)紡織布，主要用于特殊巖(土)層，例如粉礦、應(yīng)力構(gòu)造帶(斷層泥)等。

2．3 超長(zhǎng)段取心內(nèi)襯管［5］

人為地加長(zhǎng)取心內(nèi)管，提高單次提鉆取心長(zhǎng)度，減少提鉆取心的時(shí)間間隔。

這3種鉆具的共同工藝缺陷是:低取心率、高擾動(dòng)度，難以保證室內(nèi)原狀樣試驗(yàn)的要求。

3 伸縮疊合型柔性(袋)管取心內(nèi)管的設(shè)計(jì)

3．1 技術(shù)方案

設(shè)計(jì)加工一種三重管的柔性內(nèi)管取心鉆具，有效解決上述常用鉆具存在的問(wèn)題。再配套使用相應(yīng)的取心鉆頭［6］及取心單向性罩爪簧鉆進(jìn)，使鉆探取心樣品擾動(dòng)度＜5%，水分保真度＞90%，取心率達(dá)到80% ～95%。

3．2 研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)

(1)腸衣的材質(zhì):初步確定材質(zhì)為復(fù)合塑料，以滿足剛?cè)嵯酀?jì)，硬而可疊、軟而不破的原則，同時(shí)又具有優(yōu)越的抗拉性、抗刺穿性、抗撕裂性，抗緩沖強(qiáng)度也很高。

(2)鉆具的設(shè)計(jì)與加工，配套的鉆頭及爪簧系統(tǒng)。

3．3 基本結(jié)構(gòu)及工作原理［7］

3．3．1 取心內(nèi)管結(jié)構(gòu)

袋管軸向折疊法如圖2所示，袋管徑向折疊法如圖3所示。

圖2 軸向折疊柔性袋管結(jié)構(gòu)圖

圖3 徑向折疊柔性袋管結(jié)構(gòu)圖

3．3．2 工作原理

如圖2所示，本體管與卡簧座絲扣連接后，將柔性(袋)管疊合套入本體管另一端。頭部用堵頭作雙層封閉，再將屏蔽管插入本體管，管內(nèi)組成安裝完畢。

最后將內(nèi)管總成植入外管中。當(dāng)巖心(樣)經(jīng)卡簧進(jìn)入取粉管中頂升堵頭，柔性袋管同步逐次向前伸出直至回次結(jié)束。

卸出外管后，心樣靠自重脫出，分段截取原狀樣保存。

3．4 具體實(shí)施方案(以徑向折疊法為例)

取心管由4部分組成:工具式本體筒、塑料質(zhì)袋管、導(dǎo)向堵頭、屏蔽式保護(hù)管。工具式本體筒與卡簧座絲扣連接，塑料質(zhì)袋管疊合套入本體筒，上部用堵頭封住，堵頭同時(shí)起導(dǎo)向、防沖和減壓作用。屏蔽保護(hù)筒設(shè)有對(duì)稱(chēng)的2個(gè)排氣孔。

如圖4所示，該裝置設(shè)在鉆桿中。具體結(jié)構(gòu)為:取樣鉆桿端部連接鉆頭，鉆頭上端連接卡簧座，卡簧座內(nèi)壁設(shè)有卡簧。

圖4 取心管實(shí)施方案圖

本裝置中的取心本體筒分為3段:第一段連接底座段;連接底座段與卡簧座連接，即連接底座段的端面設(shè)有錐臺(tái)槽與卡簧座上的錐臺(tái)配合連接;第二段為保護(hù)套管連接段，保護(hù)套管連接段上套設(shè)連接有保護(hù)套管，連接底座段與保護(hù)套管連接之間設(shè)保護(hù)套管連接段限位端面;第三段為柔性袋管支撐段，保護(hù)套管連接和柔性袋管支撐段之間設(shè)有柔性袋管限位斷面。柔性袋管支撐段與保護(hù)套管之間有間隙，折疊的柔性袋管設(shè)在間隙中，即套在柔性袋管支撐段上，本實(shí)施例中折疊的柔性袋管軸向折疊套在柔性袋管支撐段上。保護(hù)套管上開(kāi)設(shè)有排氣孔。

柔性袋管的端部連接取心蓋，取心蓋包括柔性袋管端部固定環(huán)，與柔性袋管端部固定環(huán)連接的心樣端部限位蓋，柔性袋管端部夾持在柔性袋管端部固定環(huán)和心樣端部限位蓋之間。本實(shí)施例中柔性袋管端部從內(nèi)向外穿過(guò)固定環(huán)，翻遍后通過(guò)柔性袋管端部固定環(huán)和心樣端部限位蓋之間的螺紋被夾持。

圖3是表示為柔性袋管徑向折疊套在柔性袋管支撐段上的示意。圖5為實(shí)物照片。

圖5 取心管核心元件組裝圖

3．5 其它配套工具和材料

3．5．1 腸衣材料

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，柔性管腸衣材料主要成分為聚乙烯(主材)+玻璃纖維絲(添加劑)+其他。成品如圖6所示。

圖6 腸衣成品

3．5．2 鉆頭

加工制造的高胎體底噴鉆頭如圖7所示。

圖7 高胎體底噴鉆頭

3．5．3 單向性罩爪簧

卡簧為單向性罩爪簧，巖心進(jìn)去后不能后退(參見(jiàn)圖8)。

圖8 單向性罩爪簧

4 生產(chǎn)應(yīng)用及效果

4．1 鄂州汀祖文斌礦業(yè)有限公司三礦區(qū)漏采區(qū)靶向補(bǔ)充探查

4．1．1 工程概況

鄂州汀祖文斌礦業(yè)有限公司三礦區(qū)由4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)民營(yíng)企業(yè)小礦整合而成，湖北省城市地質(zhì)工程院共承接了8個(gè)鉆孔，計(jì)2700多米。重點(diǎn)是探查漏采區(qū)及礦區(qū)接壤(或毗鄰)空白地段矽卡巖型磁鐵礦。礦區(qū)采空區(qū)較多，且經(jīng)多年開(kāi)采，局部塌陷變形不止，山體(或土體)局部存在深層滑移及蠕動(dòng)、索動(dòng)。

3年來(lái)，先后有3支個(gè)體巖心鉆探隊(duì)伍進(jìn)場(chǎng)施工，因?yàn)槎臃鄣V取心率＜30%無(wú)法滿足業(yè)主要求，一個(gè)鉆孔都沒(méi)有打成功而不得不中途黯然退場(chǎng)。

4．1．2 對(duì)策及措施

通過(guò)反復(fù)調(diào)研及現(xiàn)場(chǎng)踏勘，我們認(rèn)為施工失敗的主要原因是工藝方法選擇不當(dāng)。鑒于此，決定采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，試用新的取心工藝，即三重管之伸縮疊合型柔性袋管取心鉆進(jìn)。

設(shè)備選用XY－44型鉆機(jī)，BW－250型泥漿泵，繩索取心CNH型鉆具，63 mm鉆桿，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜地層及提高處理孔內(nèi)事故的能力。

4．1．3 地層情況

地層巖性詳見(jiàn)表1。

表1 礦區(qū)地層巖性

4．1．4 試驗(yàn)效果

圖9、圖10為取出的巖心，覆蓋層、人工堆積層松散物取心率達(dá)到了98%以上，粉礦取心率 ＞95%，完全滿足設(shè)計(jì)及業(yè)主的要求。

4．2 黃岡食品工業(yè)園G塊供水井工程勘察流砂層取樣試驗(yàn)

圖9 覆蓋層取心效果

圖10 粉礦取心效果

4．2．1 工程概況

黃岡食品工業(yè)園G塊擬設(shè)計(jì)備用供水井7口，集中修建供水管網(wǎng)，分散到每個(gè)小園區(qū)獨(dú)立供水。我們應(yīng)邀對(duì)流砂層——主要取水層段作詳細(xì)的勘察取樣及群井抽水試驗(yàn)咨詢。

4．2．2 地層情況

地層巖性詳見(jiàn)表2。

表2 礦區(qū)地層情況

4．2．3 配套設(shè)備

長(zhǎng)沙探礦廠生產(chǎn)的百米鉆機(jī)，BW－150型泥漿泵，三重管(柔性內(nèi)襯管)取心鉆進(jìn)，高胎體底噴金剛石鉆頭。

4．2．4 試驗(yàn)效果

南川河位于西寧市南側(cè)，由南向北流，是湟水河的主要支流，對(duì)西寧地下水的補(bǔ)給和流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的調(diào)整起著至關(guān)重要的作用。南川河主要有兩級(jí)河谷階地，其中二級(jí)階地廣布于河流兩側(cè)，多為鑲嵌式。一級(jí)階地分布于二級(jí)階地內(nèi)側(cè)。流經(jīng)市區(qū)的南川河段、五四橋到勝利公園已整修成階梯狀蓄水池和水泥排洪河道。勝利公園以南的天然河床，是深切于漫灘堆積層之下的紅色巖層之中的溝槽(切溝)，最深可達(dá) 2.5～3 m，河流向源侵蝕向上游延伸。

圖11、圖12分別為取心過(guò)程和取出的流砂層心樣。流砂層原狀樣取心率100%。

圖11 取心過(guò)程

圖12 流砂層心樣

4．3 地鐵施工淺層有害氣體勘察鉆探密閉取樣技術(shù)的應(yīng)用

4．3．1 項(xiàng)目背景簡(jiǎn)介［8］

武漢地鐵二號(hào)線漢口火車(chē)站—青年路站盾構(gòu)施工時(shí)，洞口發(fā)生不明氣體燃燒、施工人員輕度中毒的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了工程進(jìn)度。

據(jù)區(qū)域地球化探資料反映:該區(qū)域在全新世江漢湖群由興盛到衰退演變的環(huán)境條件下，經(jīng)歷了初、早、中期古河谷充填，晚期階地形成、萎縮和湖沼發(fā)育等過(guò)程。在這一過(guò)程中，大多的生物、有機(jī)質(zhì)源自近萬(wàn)年的地質(zhì)歷史過(guò)程沉淀、堆積，隨后被水和泥沙覆蓋起來(lái)并與空氣隔絕，在厭氧菌的作用下脫水發(fā)酵，伴隨一定的溫度與壓力，使這些生物的殘骸變成泥炭，同時(shí)產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物，逐漸形成有害氣體。其形成過(guò)程可用下式表示:

而原巖土工程地質(zhì)勘察工作沒(méi)有對(duì)有害氣體進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的勘探工作。為了有效地掌控有害氣體對(duì)地鐵盾構(gòu)施工的危害，必須進(jìn)行淺層有害氣體的專(zhuān)門(mén)勘探?？碧焦ぷ鞯囊豁?xiàng)重要內(nèi)容是采用鉆探密閉取樣技術(shù)取出原狀樣淤泥質(zhì)粘土。

通過(guò)對(duì)密閉原狀樣的室內(nèi)反演測(cè)試、理論換算，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)插管排放監(jiān)測(cè)對(duì)比分析，從而全面了解有害氣體的成分、含量、儲(chǔ)藏特征、空間分布規(guī)律特征等，最終制定相應(yīng)的控制措施。

4．3．2 伸縮疊合型取樣技術(shù)的應(yīng)用及效果

伸縮疊合型取樣技術(shù)用于含有氣體的淤泥質(zhì)粘土中取樣，配套使用超前底噴鉆頭，沒(méi)有使用單向性罩爪簧。取心率100%，樣品保真度98%以上，應(yīng)用效果良好。

4．4 農(nóng)業(yè)地質(zhì)湖積淤泥質(zhì)富硒土(泥)原狀樣取心技術(shù)的應(yīng)用

4．4．1 項(xiàng)目背景

湖北省地礦局10余年間的農(nóng)業(yè)地層調(diào)查結(jié)果顯示，湖北省富硒土壤資源十分豐富，江漢平原漢江流域經(jīng)濟(jì)區(qū)富硒土壤面積達(dá)10086 km2，可作為農(nóng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)基地的面積達(dá)7000 km2，總量大、分布廣，品質(zhì)優(yōu)。

硒被認(rèn)定為人體微量元素中的抗癌之王。在含有富硒元素土壤中生長(zhǎng)出來(lái)的蔬菜糧食等營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高，經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。如今市場(chǎng)上1 kg富硒大米售價(jià)上百元。在湖泥含有富硒元素的一小型湖泊中人工繁養(yǎng)的水產(chǎn)品，如富硒螃蟹，更是身價(jià)倍增。這些含硒豐富的地區(qū)已經(jīng)前所未有地被農(nóng)業(yè)部門(mén)的專(zhuān)家、領(lǐng)導(dǎo)及有識(shí)之士所重視。2013年，湖北省政府全面啟動(dòng)了“金土地工程”即1∶5萬(wàn)比例尺的農(nóng)業(yè)地質(zhì)地球化學(xué)調(diào)查工作，為大規(guī)模富硒農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園開(kāi)發(fā)建設(shè)作好充分的準(zhǔn)備［9］。

漢江流域天門(mén)市遍布30幾個(gè)中小湖泊，有的湖泊一直人工繁養(yǎng)螃蟹、蝦和黑魚(yú)等水產(chǎn)品。據(jù)調(diào)查，在富硒地帶的××養(yǎng)殖塘內(nèi)進(jìn)行富硒產(chǎn)品的養(yǎng)殖試驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)的鏈魚(yú)和生態(tài)鱉送到省漁業(yè)環(huán)境與產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心檢測(cè)，鏈魚(yú)的硒含量達(dá)到29 μg/100 g，生態(tài)鱉硒含量25 μg/100 g，明顯高于非富硒地帶養(yǎng)殖的鏈魚(yú)與和鱉［9］，被譽(yù)為水中“黃金”。為了大規(guī)模開(kāi)發(fā)富硒螃蟹、富硒蓮子等高端水產(chǎn)品，擬挑選有代表性的湖泊進(jìn)行化探普查，以摸清富硒湖泊、湖泥及水資源環(huán)境家底。

鑒于上述原因，在一些湖泊湖泥中，我們應(yīng)用了伸縮疊合型柔性化學(xué)密閉取樣技術(shù)，提取了一批大直徑的淤泥質(zhì)原狀樣。

4．4．2 伸縮疊合型柔性化學(xué)密閉取樣技術(shù)的應(yīng)用及效果

三重管的最大外徑130 mm，塑料袋管直徑100 mm，共取樣50多組。

一般單次超長(zhǎng)段提取原狀樣的長(zhǎng)度3～5 m，配套使用超前底噴鉆頭(沒(méi)有使用單向性罩爪簧)，鉆至硬塑狀粘性土層再提鉆，力求一氣呵成。

原狀樣取心率100%，樣品保真度98%以上，完全滿足農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查化探的規(guī)范及業(yè)主要求。

5 三重管(伸縮疊合型柔性袋管取心內(nèi)襯管)綜合使用效果分析

(1)柔性袋管內(nèi)襯管取心樣品擾動(dòng)度小，保真度高。在覆蓋層(土層、人工堆積層)及粉砂層應(yīng)用效果良好。

(2)柔性內(nèi)襯管與剛性管相比較，成本相應(yīng)地降低。

(3)柔性內(nèi)襯管的三重管取心適合于單次提鉆超長(zhǎng)段取心施工，能夠進(jìn)一步提高鉆進(jìn)效率。

(4)不僅可用于小口徑巖(礦)心鉆探及土層鉆進(jìn)取心，也可以推廣應(yīng)用到其他工程地質(zhì)勘查。例如地鐵施工深厚流砂層、含硫化氫等有害氣體的腐殖質(zhì)淤泥工程勘察、湖積淤泥層富硒土等特殊地層的勘查，還可以推廣應(yīng)用到煤礦、凍土及海泥、斷層泥、可燃冰等稀有礦的鉆探施工中。

6 結(jié)語(yǔ)

三重管之剛性取心管內(nèi)層內(nèi)襯柔性塑料袋管，再通過(guò)配套使用相應(yīng)的取心鉆頭及取心單向性罩爪簧，鉆探取心鉆進(jìn)可以保證達(dá)到:取心樣品擾動(dòng)度＜5%，水分保真度＞95%，取心率達(dá)80% ～95%。值得工程鉆探界同行推廣應(yīng)用。

［1］ 張金昌．地質(zhì)巖心鉆探技術(shù)及其在資源勘探中的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(11):1 －6．

［2］ 張偉．取心鉆進(jìn)工藝方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析——施工時(shí)間分析［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(8):1 －3．

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［4］ 石立明．復(fù)雜地層巖心鉆探綜合治理技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(2):12 －14．

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［9］ 彭祚全，黃開(kāi)勛，樸建華，等．富有機(jī)硒食品硒含量要求［S］．湖北武漢:湖北省衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì)，2014．