李霞穎， 劉學(xué)浩， 李琦*， 李小春， 肖威

(1. 中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430071；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049; 3. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心(中南地質(zhì)科技創(chuàng)新中心)， 武漢 430205)

能源、資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展是關(guān)乎人類(lèi)未來(lái)發(fā)展的重大議題，該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展體現(xiàn)著國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力與人民生活水平。然而，在向地下索取能源、資源、戰(zhàn)略空間的過(guò)程中，隨著地下資源需求量的不斷增加，對(duì)地下資源的不合理開(kāi)發(fā)利用導(dǎo)致了地下水水位持續(xù)下降，同時(shí)伴隨著地下環(huán)境的改變，甚至污染與破壞[1]。

例如，地下水超采問(wèn)題日益突出，地下水開(kāi)采量與補(bǔ)給量極度不平衡使得地下水水位持續(xù)下降，形成了大面積的超采區(qū)和地下水降落漏斗，對(duì)水資源的可持續(xù)循環(huán)及生態(tài)環(huán)境平衡造成了嚴(yán)重影響。目前，全球約2/3的地區(qū)面臨著水資源不足的問(wèn)題，對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重的影響[2]。中國(guó)也是水資源匱乏的國(guó)家，據(jù)報(bào)道中國(guó)有164片地下水超采區(qū)，總面積達(dá)18.13萬(wàn)km2，其中嚴(yán)重超采面積7.7萬(wàn)km2[2]。地下水超采不僅造成局部地下水水位下降，改變了地下水系統(tǒng)的天然流場(chǎng)，進(jìn)而影響地下水水質(zhì)，并且引發(fā)了一系列環(huán)境生態(tài)負(fù)效應(yīng)，如地面沉降、塌陷、裂縫、海水入侵、生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化等。因此，及時(shí)掌握地下水開(kāi)發(fā)利用情況，同時(shí)兼顧水資源評(píng)價(jià)，系統(tǒng)全面評(píng)價(jià)中國(guó)地下水資源可利用狀況對(duì)于中國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

與此同時(shí)，中國(guó)地下水普遍受到由城市化、工業(yè)化、農(nóng)業(yè)和礦業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致的污染威脅。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中國(guó)90%城市地下水遭受有機(jī)和無(wú)機(jī)有毒有害污染物的污染，已呈現(xiàn)由點(diǎn)向面、由淺到深、由城市到農(nóng)村不斷擴(kuò)展和污染程度日益嚴(yán)重的趨勢(shì)[3-4]。地下水污染早期不易被覺(jué)察，具有隱蔽性和延時(shí)性[5]。人為污染物擴(kuò)散至地下水中，因其遷移速度相對(duì)較慢且深埋地下，若不進(jìn)行長(zhǎng)期專(zhuān)項(xiàng)監(jiān)測(cè)，很難發(fā)現(xiàn)地下水污染，且發(fā)現(xiàn)時(shí)地下水已被污染或嚴(yán)重污染[3]。此外，地下水系統(tǒng)具有統(tǒng)一水力聯(lián)系和時(shí)空演替規(guī)律，處于不斷運(yùn)移和循環(huán)中，經(jīng)歷著補(bǔ)給、徑流、排泄各個(gè)途徑。在地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的體系中，各個(gè)水力系統(tǒng)有密切的水力聯(lián)系，即當(dāng)?shù)叵滤l(fā)生污染時(shí)，污染范圍難以圈定并難以還原[6]。隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)地下水污染研究的深入，地下水污染已引起了中國(guó)政府的高度重視。2015年4月國(guó)務(wù)院印發(fā)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，專(zhuān)項(xiàng)整治十大重點(diǎn)行業(yè)、工業(yè)集聚區(qū)水污染、城鎮(zhèn)生活污染、農(nóng)業(yè)面源污染等。地下環(huán)境的三維高精度連續(xù)監(jiān)測(cè)是預(yù)防地下水污染的重要措施，可作為判定工程或企業(yè)對(duì)環(huán)境污染程度及責(zé)任歸屬的直接證據(jù)[7]。

地下流體取樣，結(jié)合同位素追蹤、地層殘余氣分析、化學(xué)成分測(cè)試等手段可提供大量地層信息，是開(kāi)展地下水資源評(píng)價(jià)和進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要手段之一。地下流體取樣對(duì)于工程安全開(kāi)展和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有指導(dǎo)意義，存在大量工程需求。由于國(guó)內(nèi)已有的地下流體取樣技術(shù)不能很好滿(mǎn)足地下水資源評(píng)價(jià)與環(huán)境監(jiān)測(cè)日益增長(zhǎng)的需求，部分取樣技術(shù)距國(guó)際一流水平差距較大，亟待針對(duì)地下環(huán)境研發(fā)高技術(shù)含量和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的流體取樣與監(jiān)測(cè)技術(shù)。中國(guó)科學(xué)院武漢巖土所研發(fā)的淺層地下流體U形管分層取樣裝置經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，大幅度提升了系統(tǒng)壽命和穩(wěn)定性，目前已成功應(yīng)用于多個(gè)CO2地質(zhì)封存場(chǎng)地?，F(xiàn)通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外的地下流體取樣技術(shù)，介紹中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研發(fā)的淺層地下流體U形管分層取樣裝置的工作原理和發(fā)展歷程，以及在延長(zhǎng)油田二氧化碳驅(qū)油(CO2-EOR)示范工程中的最新應(yīng)用，為進(jìn)一步推廣淺層地下流體U形管分層取樣裝置在地下流體取樣、水資源評(píng)價(jià)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 國(guó)內(nèi)外地下流體取樣技術(shù)

1.1 地下流體取樣技術(shù)研究現(xiàn)狀

針對(duì)實(shí)際工程情況和監(jiān)測(cè)目的，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了各式各樣的地下流體取樣器。基于井筒的地下流體取樣技術(shù)，根據(jù)取樣原理、取樣驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異可分為3種類(lèi)型(圖1)：下井式定深取樣器、泵式取樣器和氣體推動(dòng)式地下流體取樣器[8]。3種取樣技術(shù)的取樣特點(diǎn)如表1所示。

表1 3類(lèi)基于井孔的地下流體取樣技術(shù)性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of three well-based sampling technologies for underground fluids

下井式定深取樣器一般由取樣筒和引線(xiàn)組成，通過(guò)引線(xiàn)使得取樣器下放至指定地層深度，待地下流體進(jìn)入取樣器后，將取樣器提升至地表，提升過(guò)程中取樣器內(nèi)部保持密封狀態(tài)，不再與地下環(huán)境發(fā)生流體交換，從而較真實(shí)地獲取某一指定層位的地下流體，如圖1(a)所示。代表性取樣器有Positive displacement取樣器[9]、Vacuum取樣器、Flow-through取樣器、Bailer采樣器[10]以及國(guó)內(nèi)FFS-A型地下水定深取樣器[11]。下井式定深取樣器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單方便、成本低廉，適用于對(duì)取樣頻次要求不高的取樣類(lèi)型。其缺點(diǎn)在于無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)多次取樣、取樣的快慢難以把控、取樣器提升至地面過(guò)程對(duì)地下流體運(yùn)移場(chǎng)擾動(dòng)較大，取樣精度易受取樣操作的影響。

泵式取樣器依靠人工或機(jī)械驅(qū)動(dòng)，通過(guò)取樣泵將地下流體抽至地表，以獲取指定地下層位的流體樣品。根據(jù)取樣泵的不同類(lèi)型，可分為蠕動(dòng)泵、潛水泵、氣囊泵和真空泵等，如圖1(b)所示。泵式取樣器適用于對(duì)取樣頻次要求較高的取樣類(lèi)型，單次取樣量可觀(guān)，受流體環(huán)境影響小，性能穩(wěn)定，應(yīng)用范圍廣，是目前應(yīng)用最多的地下流體取樣技術(shù)[12]。但該取樣方式資金投入大，設(shè)備運(yùn)行成本高，野外場(chǎng)地適應(yīng)性差(一般需提供220 V交流電，不適合無(wú)井房、無(wú)電源的野外)。此外，該方法取樣速度偏快，對(duì)地下流體場(chǎng)擾動(dòng)大，不適合淺部地層的小劑量連續(xù)取樣和地下流體樣品的化學(xué)分析。

圖1 3類(lèi)基于井孔的地下流體取樣技術(shù)Fig.1 Three well-based sampling technologies for underground fluids

氣體推動(dòng)式取樣器是基于U形管原理，其動(dòng)力源為壓縮氣體，如可移動(dòng)式氮?dú)馄俊嚎s氣罐等。當(dāng)?shù)叵铝黧w在靜水壓力作用下滲入取樣器內(nèi)后，流體被存儲(chǔ)于進(jìn)樣段內(nèi)，通過(guò)壓縮氣體的推動(dòng)作用，可獲取相應(yīng)地下層位的流體。氣體推動(dòng)式取樣器適用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，取樣容量大，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速取樣，受水中污染顆粒物影響很小，性能穩(wěn)定[8]。此外，相對(duì)于筒式和泵式取樣器，氣體推動(dòng)式取樣器具有保壓和被動(dòng)取樣的特點(diǎn)，在取樣過(guò)程中能盡可能減小對(duì)地下流體場(chǎng)的擾動(dòng)，且能與其他井下監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)搭接，適合需要進(jìn)行三維示蹤和精確流體化學(xué)分析的專(zhuān)用監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

隨著中國(guó)對(duì)地下環(huán)境監(jiān)測(cè)要求的逐年提高，一種具有高取樣精度、能實(shí)現(xiàn)分層取樣以及井下原位監(jiān)測(cè)的取樣技術(shù)是未來(lái)地下流體取樣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)比分析，基于氣體推動(dòng)式的取樣技術(shù)在一定程度上具有實(shí)現(xiàn)上述目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地下環(huán)境三維高精度連續(xù)監(jiān)測(cè)的可能性。

1.2 氣體推動(dòng)式取樣器工程應(yīng)用

氣體推動(dòng)式取樣技術(shù)，也稱(chēng)U形管取樣技術(shù)，起源于二氧化碳地質(zhì)封存(carbon capture and storage，CCS)領(lǐng)域，用于觀(guān)測(cè)中深部地層流體的水力傳導(dǎo)路徑，進(jìn)而分析其泄漏路徑及地球化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)已經(jīng)發(fā)表的數(shù)據(jù)，截至目前，全球累計(jì)應(yīng)用U形管取樣器共開(kāi)展了16個(gè)試驗(yàn)和項(xiàng)目工程應(yīng)用，如圖2所示。前7個(gè)工程均由美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主持或參與，其余均位于中國(guó)。

圖2 基于氣體推動(dòng)式取樣器工程應(yīng)用情況Fig.2 Engineering applications of the gas-operated sampler

2004年，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Barry Freifeld率先研發(fā)了U形管地下流體分層取樣裝置[13-16]，并于2006年在美國(guó)得克薩斯Dayton的Frio咸水層示范工程首次進(jìn)行了工程應(yīng)用。取樣器為單層取樣，取樣深度為1 513.9 m[13]。

在分層取樣方面，位于澳大利亞Victoria的Otway枯竭油氣田CCS項(xiàng)目通過(guò)加入封隔器實(shí)現(xiàn)了三層分層取樣功能[17]。第一層安裝在蓋層上方用于超臨界CH4的獲取，第二、三層位于氣水界面以下1.5 m和6 m，用于獲取液體。

在應(yīng)用深度方面，位于美國(guó)密西西比州的Granfield CO2-EOR示范工程的取樣深度為3 200 m，迄今為止最深[18-20]。

在應(yīng)用領(lǐng)域方面，除了應(yīng)用在二氧化碳地質(zhì)利用與封存領(lǐng)域監(jiān)測(cè)CO2羽的分布與運(yùn)移機(jī)制，還應(yīng)用于核廢料地質(zhì)儲(chǔ)存(如格陵蘭島的Kangerlussuaq工程[21])、地?zé)衢_(kāi)采(如美國(guó)的Yucca Mountain工程)、硫封存(如加拿大的Nunuvut工程)等領(lǐng)域，主要用于研究?jī)?chǔ)層條件下THMC耦合機(jī)制和凍土區(qū)域下的微生物群落表征[13]。

在以上工程應(yīng)用中，U形管取樣器均發(fā)生了不同程度的淤堵而導(dǎo)致取樣器失效的問(wèn)題，淤堵情況一般發(fā)生在管路或接頭處。例如在Frio工程中由于Joule-Thompson效應(yīng)形成的水合物和冰狀物，在Otway項(xiàng)目中析出的天然蠟質(zhì)鏈烷烴(n-C27)，在Nunuvut及Kangerlussuaq項(xiàng)目中分別由于高礦化度區(qū)和凍土層低溫環(huán)境發(fā)生的結(jié)冰現(xiàn)象。對(duì)于低溫環(huán)境引起的淤堵問(wèn)題，可通過(guò)在取樣回路上增加熱電阻絲和保溫護(hù)甲消除一部分影響，但對(duì)于類(lèi)似Otway中形成的天然蠟質(zhì)鏈烷烴，需采用Solvesso-100(由二烷基苯和三甲基苯溶液組成)等相溶劑進(jìn)行沖洗消除[13]。

國(guó)內(nèi)應(yīng)用方面，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)調(diào)查中心于2013年進(jìn)行了“氣體置換式采樣器”的研制并在河南省臨潁縣開(kāi)展了深500 m的場(chǎng)地測(cè)試，無(wú)封隔器[22-24]。采樣器下井時(shí)分別在270、370和500 m 3個(gè)層位上遞進(jìn)單次循環(huán)取樣，單次取樣容積達(dá)23.3 L，取樣壓力小于1 MPa時(shí)不出水，提升至2 MPa時(shí)才開(kāi)始出水。測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)采樣器的單向閥、管線(xiàn)接頭等部件在下井過(guò)程中磨損嚴(yán)重，影響后期應(yīng)用效果。然而，后續(xù)發(fā)展與實(shí)際工程應(yīng)用未見(jiàn)進(jìn)一步報(bào)道。

中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所最早于2009年在內(nèi)蒙古通遼市CO2地質(zhì)封存場(chǎng)地內(nèi)開(kāi)展了約300 m深的U形管取樣測(cè)試，采用壓力脈沖法驅(qū)替得到了地下流體樣品，監(jiān)測(cè)到了CO2羽的運(yùn)移分布情況，取得較好的應(yīng)用效果。該項(xiàng)目由于缺乏工程經(jīng)驗(yàn)，取樣系統(tǒng)未設(shè)置封隔器，導(dǎo)致各層位地下水連通匯集，給取樣結(jié)果帶來(lái)一定的局部偏差。

U形管取樣技術(shù)作為一種新技術(shù)，其工程應(yīng)用目前主要集中在CCS/CCUS及相近領(lǐng)域中，取樣層位較深(300～3 000 m)，成本較高。此外，該技術(shù)尚存在若干技術(shù)瓶頸，如系統(tǒng)易發(fā)生堵塞失效，地下設(shè)備維護(hù)困難，回填料和鉆井液易影響取樣精度等，尚未形成商業(yè)化產(chǎn)品。

2 淺層U形管分層取樣裝置

隨著農(nóng)業(yè)、工業(yè)及礦業(yè)等行業(yè)對(duì)淺部地下水的污染問(wèn)題日益突出，適用于淺部地下流體的取樣技術(shù)更具市場(chǎng)前景及應(yīng)用需求。為此，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所于2015年開(kāi)始開(kāi)發(fā)了適用于淺部地層全塑料材質(zhì)的地下流體U形管分層取樣系統(tǒng)，并在勝利油田、神華鄂爾多斯盆地、吉林油田和延長(zhǎng)油田等多個(gè)CCS項(xiàng)目中進(jìn)行了場(chǎng)地測(cè)試及設(shè)備優(yōu)化，驗(yàn)證了其技術(shù)可行、成本極具競(jìng)爭(zhēng)力、適用范圍廣泛[25-27]。

2.1 工作原理

淺層U形管分層取樣裝置基于U形管和氣體推動(dòng)式原理，利用壓縮氮?dú)鈱⑹艿届o水壓力作用進(jìn)入到取樣器內(nèi)部的地下流體推動(dòng)至地表取樣瓶?jī)?nèi)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)層位地下流體取樣的目的。

U形管分層取樣裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，一般由進(jìn)樣段、連接段和地面取樣段三部分組成，可針對(duì)不同的井下地質(zhì)條件進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)，且可實(shí)現(xiàn)水氣一體化采樣和一孔多層取樣的目的，滿(mǎn)足不同的工程需求。

U形管分層取樣裝置基本工作原理如圖3所示，取樣步驟可分為4個(gè)階段。

圖3 淺層地下流體U形管分層取樣裝置工作原理Fig.3 Schematic diagram of U-tube layered monitoring sampler for shallow underground fluid

第一階段：取樣器在重力作用下通過(guò)配重牽引裝置達(dá)到指定取樣層位，借助鋼絲繩外力支撐作用將取樣器固定在指定層位。

第二階段：含水層的地下流體在靜水壓力作用下穿過(guò)取樣器進(jìn)樣段側(cè)壁上的小孔滲入到進(jìn)樣段內(nèi)部，直到達(dá)到滲流平衡。

第三階段：進(jìn)樣段內(nèi)部流體經(jīng)過(guò)滲析組件后通過(guò)單向閥進(jìn)入到U形管內(nèi)，由于單向閥的單向流通特性，地下流體被儲(chǔ)存在U形進(jìn)樣內(nèi)管以及儲(chǔ)流容器內(nèi)。U形管的兩個(gè)內(nèi)管連接至地表，作為加壓管和取樣管，分別連接氮?dú)馄亢腿悠俊?/p>

第四階段：采用氮?dú)庀淳?，清除進(jìn)樣管內(nèi)受到鉆井液等擾動(dòng)的地下流體后，對(duì)U形管加壓端進(jìn)行外部加壓，由于單向閥的流向限制，儲(chǔ)存在U形管內(nèi)管以及儲(chǔ)流容器內(nèi)的流體在壓力的作用下通過(guò)取樣管排至位于地面的取樣瓶?jī)?nèi)，進(jìn)而完成指定層位的地下流體取樣。土壤氣通過(guò)井下導(dǎo)管與地面直接連通，采用活塞式氣體取樣容器在洗井后直接進(jìn)行抽取。

2.2 產(chǎn)品特點(diǎn)

截至目前，適用于淺層地下流體的U形管取樣裝置已歷經(jīng)三代，各代產(chǎn)品特點(diǎn)如下。

2.2.1 第一代U形管分層取樣裝置

第一代淺層流體分層取樣裝置主要包括井筒系統(tǒng)、簡(jiǎn)易封隔器系統(tǒng)、U形管地下液體進(jìn)樣系統(tǒng)、地面取樣系統(tǒng)，如圖4所示。簡(jiǎn)易封隔器系統(tǒng)的端口插入井筒系統(tǒng)的管內(nèi)鑲嵌，通過(guò)螺釘鉚接牢固，形成整體筒狀結(jié)構(gòu)。整體筒狀結(jié)構(gòu)通過(guò)鉆孔埋入地層，內(nèi)部導(dǎo)管穿過(guò)簡(jiǎn)易封隔器預(yù)留的小孔，與U形管地下液體進(jìn)樣系統(tǒng)連接。導(dǎo)管穿過(guò)第一簡(jiǎn)易封隔器預(yù)留的小孔與土壤氣取樣系統(tǒng)的氣相過(guò)濾器和氣相單向閥連接，該導(dǎo)管穿過(guò)第一簡(jiǎn)易封隔器與地面的針閥、液體取樣容器連接。設(shè)置在地面進(jìn)口處的氣體推動(dòng)式地面液體取樣系統(tǒng)通過(guò)穿過(guò)第一簡(jiǎn)易封隔器預(yù)留的小孔與U形管地下液體進(jìn)樣系統(tǒng)連接[28-30]。

圖4 第一代淺層流體U形管分層取樣裝置Fig.4 first generation of the U-tube layered sampler for shallow underground fluid

為了解決泥沙引起的淤堵問(wèn)題，在取樣段井筒壁設(shè)置一系列小孔，并纏繞濾網(wǎng)固定后再埋入地層。濾網(wǎng)目數(shù)規(guī)格參照顆粒粒徑分布進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。濾網(wǎng)目數(shù)越高，滲入至井筒內(nèi)的水樣含沙量越少，且濾網(wǎng)目數(shù)對(duì)滲流速率影響很小。此外，為了克服冬季凍土地區(qū)由于低溫結(jié)冰引起的堵塞問(wèn)題，在井筒連接段側(cè)壁包裹多層防寒止水帷幕，并沿線(xiàn)纏繞發(fā)熱電絲保護(hù)，在冬季取樣前，對(duì)地表預(yù)留出的電極通電加熱進(jìn)行解凍。

為了提高取樣代表性，防止層間串水，在取樣段周?chē)木诨靥罡邼B透率的黃砂或石英砂，在連接段的井壁周?chē)靥畈煌杆脑瓲钅嗤粱蚺蛎浲?，用?lái)切斷各個(gè)含水層位的水力聯(lián)系。

為了提高系統(tǒng)的耐久性，在取樣器材質(zhì)選擇上，采用可耐化學(xué)腐蝕、耐久性好的PVC材質(zhì)，如PVC-U 排水管、塑料單向閥、二通和三通接頭、PVC 材質(zhì)不透水堵頭、尼龍材質(zhì)濾網(wǎng)等。此外，減少U形管內(nèi)軟管的接頭，改進(jìn)PVC堵頭的結(jié)構(gòu)和密封防水方式、對(duì)核心部件進(jìn)行嚴(yán)格選型和保護(hù)等一系列措施提高取樣器整體的壽命。

第一代取樣器取樣段體積較大，因此取樣過(guò)程中存在著下井困難，隨取樣深度增加操作難度增大，取樣深度有限，為0～20 m。此外，層間封隔采用高滲透率石英砂和不透水原狀泥土的方式，導(dǎo)致上下相鄰含水層之間易串層，因此層間封隔能力弱。另外纏繞在取樣段上的濾網(wǎng)過(guò)濾功能效果一般，泥沙淤堵問(wèn)題仍是影響系統(tǒng)壽命的重要因素。

2.2.2 第二代U形管分層取樣裝置

基于第一代取樣器的工作原理，第二代淺層流體分層取樣裝置通過(guò)改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)解決取樣器應(yīng)用深度有限、層間封隔弱以及系統(tǒng)耐久性差等問(wèn)題。

第二代取樣器采用自重力牽引設(shè)計(jì)、化學(xué)自膨脹式封隔裝置、柔性鏈接桿以及開(kāi)放式取樣段設(shè)計(jì)的技術(shù)路線(xiàn)，主要包括若干取樣裝置。取樣裝置包括取樣井筒，以及安裝在取樣井筒上下端部的封隔器。上下端部封隔器均設(shè)置有吊環(huán)。鋼絲繩通過(guò)吊環(huán)將位于各個(gè)層位的取樣裝置進(jìn)行連接，最終實(shí)現(xiàn)不同層位分層取樣的功能[31]，如圖5所示。

圖5 第二代淺層流體分層取樣裝置Fig.5 The second generation of the U-tube layered sampler for shallow underground fluid

相對(duì)于第一代取樣器，第二代取樣器的技術(shù)突破主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

(1)增加了取樣器的應(yīng)用深度，使應(yīng)用深度從20 m提升至200 m。國(guó)內(nèi)U形管地下流體取樣器的應(yīng)用深度普遍為地下20 m左右，而在一些干旱缺水地區(qū)，由于其特殊的地理特征和氣候條件，地下水深度往往在50 m以下，極端地區(qū)甚至在200 m左右，在一定程度上限制了在此類(lèi)地區(qū)的應(yīng)用。通過(guò)采用鋼絲繩作為柔性連接桿，解除套管對(duì)應(yīng)用深度的安裝限制，操作靈活，從而較好地實(shí)現(xiàn)了取樣器應(yīng)用深度的拓展，進(jìn)而提高地下流體監(jiān)測(cè)范圍。

(2)克服了上下含水層層間封隔技術(shù)薄弱的難題。在取樣井筒的上下端部安裝了上部封隔器和下部封隔器，可有效防止不同層位間的流體串流，有效提高了目的層位的流體取樣精度和準(zhǔn)確性。此外，有別于常規(guī)液壓式和機(jī)械式封隔裝置等結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴、操作施工不便等問(wèn)題，第二代取樣器采用化學(xué)材料的自膨脹作用切斷上下含水層位間的水力聯(lián)系，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、環(huán)境影響小、易操作施工、成本低廉，可較好實(shí)現(xiàn)地下200 m層位間的地下流體封隔。

(3)提高了取樣器的耐久性。通過(guò)設(shè)計(jì)和改進(jìn)取樣器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，創(chuàng)造性地提出了嵌套式四口三通分流機(jī)構(gòu)、應(yīng)用地下流體取樣過(guò)程的換向閥和自力式分段壓力控制閥等核心元件，同時(shí)優(yōu)化了各個(gè)構(gòu)件連接方式，提高了整體穩(wěn)定性，使得取樣器能快速適應(yīng)地下200 m內(nèi)的流體壓力環(huán)境，且高效發(fā)揮地下流體的進(jìn)樣取樣能力，保證所取樣品的真實(shí)性與代表性。

2.2.3 第三代U形管分層取樣裝置

第三代取樣器通過(guò)增加儲(chǔ)流容器、定制化過(guò)濾滲析組件等關(guān)鍵元件使得取樣器的基本取樣功能得到大幅度提升，同時(shí)取樣段實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，取樣段尺寸可根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況改變其大小和長(zhǎng)度，場(chǎng)地適應(yīng)性進(jìn)一步增強(qiáng)，如圖6所示。具體表現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

圖6 第三代淺層流體分層取樣裝置Fig.6 The third generation of the U-tube layered sampler for shallow underground fluid

(1)核心部件定制化。研發(fā)過(guò)濾滲析組件，并安裝在單向閥進(jìn)水前端，進(jìn)一步過(guò)濾地下流體所含的泥沙。前期應(yīng)用結(jié)果表明，液相單向閥是其所在層位取樣性能的關(guān)鍵，一旦單向閥失效將導(dǎo)致整個(gè)取樣層位的失敗。然而，單向閥并不能較好適應(yīng)泥沙含量較多的地下流體環(huán)境，易發(fā)生淤堵。因此，通過(guò)研發(fā)過(guò)濾滲析組件，并將其直接安裝在單向閥前端，可進(jìn)一步過(guò)濾泥沙含量，增加單向閥使用壽命，同時(shí)室內(nèi)測(cè)試結(jié)果表明地下流體進(jìn)水速率提升3倍以上。

(2)取樣定量化。定制化儲(chǔ)流容器，使得各含水層的一次取水量根據(jù)測(cè)試需求以及取樣瓶的容量固定為200～1 000 mL。基于氣體推動(dòng)式原理的取樣器在各個(gè)含水層的一次取水量取決于所在層位的地層水壓力以及取樣管的直徑大小。通過(guò)在取樣管中部增加儲(chǔ)流容器，可大幅度提高一次取樣量，并通過(guò)定制儲(chǔ)流容器的大小進(jìn)行取樣量的定量化控制。

(3)實(shí)現(xiàn)原位保壓取樣。通過(guò)在地面取樣管尾端增加背壓閥，同時(shí)定制密封取樣瓶，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)層位地層流體的原位保壓取樣。實(shí)際取樣壓力根據(jù)目標(biāo)層位的地層水壓力設(shè)定。

(4)接頭標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)取樣器的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，遴選目前市場(chǎng)上已有的各類(lèi)型號(hào)快插接頭和配件，改變各個(gè)構(gòu)件之間的連接方式，在降低成本的同時(shí)進(jìn)一步提升系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

三代取樣器主要性能對(duì)比如表2所示。淺層流體分層取樣裝置經(jīng)過(guò)一系列結(jié)構(gòu)和技術(shù)改進(jìn)，在應(yīng)用深度、分層取樣、原位保壓和取樣量等基本功能上均得到了優(yōu)化提升。

表2 三代取樣器主要性能對(duì)比Table 2 Performance comparison of three generations of the U-tube layered samplers

第一代淺層流體分層取樣器研制的主要目的是為了證實(shí)基于氣體推動(dòng)式原理實(shí)現(xiàn)地下流體取樣的基本功能。第二代取樣器通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，克服了第一代取樣器在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的堵塞失效、系統(tǒng)脆弱和耐久性差等一系列技術(shù)瓶頸，提高了取樣器的場(chǎng)地適應(yīng)性和耐久性，同時(shí)拓展了取樣器的應(yīng)用深度，增加了應(yīng)用前景。第三代取樣器對(duì)關(guān)鍵核心部件進(jìn)行定制化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)增加了原位保壓取樣功能，在實(shí)現(xiàn)取樣器獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低成本，擴(kuò)大市場(chǎng)占有率。

目前取樣器在勝利油田CO2-EOR工程、鄂爾多斯神華CCS示范工程、吉林油田及延長(zhǎng)油田的CO2-EOR示范場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，用于監(jiān)測(cè)淺層地表CO2泄漏情況。

3 延長(zhǎng)油田CCS-EOR示范工程中的應(yīng)用

為順應(yīng)中國(guó)CO2捕集、利用與封存(carbon capture，utilization and storage，CCUS)技術(shù)的發(fā)展水平和需要，延長(zhǎng)油田開(kāi)展了CO2驅(qū)油提高采收率(CO2-EOR)的示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目是中國(guó)首個(gè)通過(guò)國(guó)際碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇(carbon sequestration leaders forum，CSLF)認(rèn)證的全流程CCS科技項(xiàng)目，有助于提升中國(guó)CCS項(xiàng)目在國(guó)際社會(huì)的影響力，具有里程碑式的意義。目前延長(zhǎng)油田已實(shí)施了5萬(wàn)t/a的CO2-EOR項(xiàng)目，正在建設(shè)36萬(wàn)t/a捕集裝置，具有開(kāi)展CCUS潛在示范工程的可行性。考慮到隨著中國(guó)CCUS規(guī)模擴(kuò)大和環(huán)境監(jiān)管要求的提高，需要對(duì)示范工程中的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)和指標(biāo)優(yōu)化。

圍繞延長(zhǎng)油田CO2-EOR示范工程的需求和條件，結(jié)合場(chǎng)地內(nèi)水文地質(zhì)條件和井群分布，示范區(qū)內(nèi)共布置了3口監(jiān)測(cè)井并安裝了U形管取樣器，對(duì)應(yīng)不同的監(jiān)控區(qū)，如圖7所示。監(jiān)測(cè)井C1位于場(chǎng)區(qū)內(nèi)，控制核心監(jiān)控區(qū)R1，井C2、井C3分別對(duì)應(yīng)緩沖區(qū)監(jiān)控區(qū)R2和外圍監(jiān)控區(qū)R3。根據(jù)淺井結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)地下200 m處進(jìn)行U形管取樣器安裝和地下流體取樣。

圖7 延長(zhǎng)油田CO2-EOR示范項(xiàng)目監(jiān)測(cè)技術(shù)Fig.7 Monitoring technology in the CO2-EOR demonstration project in Yanchang oilfield

通過(guò)安裝U形管取樣器并獲取相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可建立一套延長(zhǎng)油田CO2-EOR項(xiàng)目的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方案，通過(guò)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與U形管獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)化分析，提出延長(zhǎng)油田CO2項(xiàng)目監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)，為示范工程項(xiàng)目的順利實(shí)施提供技術(shù)支撐，也有助于提升中國(guó)CCUS監(jiān)測(cè)能力建設(shè)水平。U形管取樣器作為技術(shù)儲(chǔ)備，能快速推廣到已有和未來(lái)中國(guó)其他CCUS項(xiàng)目中去。

4 結(jié)論

地下流體取樣器作為地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)的最基本應(yīng)用工具之一，不僅是地下水環(huán)境評(píng)價(jià)的重要數(shù)據(jù)來(lái)源，更為提高地下水環(huán)境抗污染性以及監(jiān)測(cè)地下水水環(huán)境組分變化提供了科學(xué)依據(jù)。相對(duì)于筒式取樣器以及泵式取樣器，氣體推動(dòng)式取樣器具有取樣精度高、對(duì)地層擾動(dòng)小、能實(shí)現(xiàn)水氣一體化及分層連續(xù)取樣的優(yōu)勢(shì)，具有實(shí)現(xiàn)地下環(huán)境的三維高精度連續(xù)監(jiān)測(cè)的可能性。目前該技術(shù)工程應(yīng)用實(shí)例較少，且仍局限在二氧化碳地質(zhì)利用與封存場(chǎng)地內(nèi)，尚未形成商業(yè)化產(chǎn)品。

中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研發(fā)適用于淺部地層的U形管分層取樣裝置歷經(jīng)三代產(chǎn)品改進(jìn)和優(yōu)化，較好地解決了當(dāng)前地下流體取樣技術(shù)存在的應(yīng)用深度有限、層間封隔性弱、易淤堵、場(chǎng)地適應(yīng)性弱等問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了定量和保壓取水功能，使得取樣器更具標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。

取樣器在延長(zhǎng)油田CCUS示范項(xiàng)目得到了成功應(yīng)用，取樣性能穩(wěn)定、取樣頻次高、單次單層取樣量可觀(guān)，有效驗(yàn)證了取樣器取樣精度高、系統(tǒng)體積小、綜合成本低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

淺部U形管分層取樣裝置未來(lái)可望搭接大量成熟原位傳感器，如水位計(jì)、pH計(jì)、電導(dǎo)率、溫度和壓力等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地下環(huán)境的三維高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警，形成有競(jìng)爭(zhēng)力的地下流體取樣產(chǎn)品，有望在地下水資源評(píng)價(jià)、污染場(chǎng)地監(jiān)測(cè)與修復(fù)等環(huán)境工程領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。