浅钻技术在若尔盖地区泥炭调查中的应用

冉灵杰，祝强，苏兴涛，宋殿兰

北京探矿工程研究所，北京，100083

内容提要: 泥炭是一种具有多种用途的宝贵自然资源，泥炭中的有机碳储量是研究全球碳库变化及碳循环过程的重要参数。由于泥炭多分布于沼泽中，且泥炭松软含水量大的特性，对于泥炭深度的调查、获取用于测试泥炭原状样品的质量不高，导致泥炭碳储量评价仍存在不确定性和偏差。笔者等在典型泥炭形成地若尔盖沼泽湿地地区，开展了浅钻泥炭调查取样工作，通过在泥炭斑块边缘及中心两种不同沼泽湿地地层开展的试验，验证了轻便钻机在难进入的沼泽湿地的适应性，配套的振动冲击工艺可高质量的获得无扰动的泥炭样品，同时查明了泥炭层的厚度。通过试验初步探索了采用轻便钻机配套振动冲击钻进工艺进行泥炭调查取样的有效性。浅层取样钻探作为泥炭调查取样的一种直接有效的技术手段，可以有效地提高泥炭调查效率和精度，为准确评价泥炭储量数据提供可靠的钻探技术服务支撑。

泥炭形成于第四纪，由沼泽植物的残体，在多水的嫌气条件下，不能完全分解堆积而成，含有大量水分和未被彻底分解的植物残体、腐殖质以及一部分矿物质(王利伟等，2019)。泥炭富含有机质，在农业、环境保护以及医药卫生等方面有着广阔的用途和开发前景，是一种具有多种用途的宝贵自然资源(饶娇萍，2020)。泥炭地碳循环是全球碳循环的重要组成部分，是大气 CO2的吸收汇，是研究全球碳库变化及碳循环过程的重要参数，在全球碳循环中扮演者重要的作用(周文昌等，2016；苏倩倩等, 2017)，对减缓全球气候变化具有重要作用。四川省是我国泥炭储量最大的省份(马学慧，2012)，开展全国湿地泥炭调查工作以来，受调查手段方法影响，无法有效的查清泥炭层厚度及精准的获取无扰动的泥炭样品，四川省泥炭沼泽资源情况仍然不是十分清楚。

由于泥炭多分布于沼泽中，且泥炭松软含水量大的特殊性，对于泥炭深度的调查、获取用于测试泥炭原状样品的质量不高，导致泥炭碳储量评价仍存在不确定性和偏差。为准确评价泥炭储量数据，精确的获得无扰动的泥炭样品和泥炭的深度信息，在典型的泥炭形成地若尔盖地区，开展了浅钻泥炭取样工作，高质量的查明泥炭层的厚度及地层结构，取得原状泥炭样品，探索了浅钻技术应用于泥炭调查取样的技术方法，有效支撑了沼泽碳库调查工作。

1 研究区概况

若尔盖高原泥炭湿地位于四川省境内青藏高原东北部，是全球气候变化最敏感的区域之一，在全球具有典型性和代表性(李富等，2021)，若尔盖高原湿地，西临巴颜喀拉山，东抵岷山，南至邛崃山，为一块完整的丘状高原，行政上主要包括四川省红原县和若尔盖县，海拔为3400～3700 m，植被以沼泽草甸和亚高山草甸为主，冷湿气候条件下有机残体不易分解，沼泽泥炭发育良好，泥炭贮量丰富，是中国最大的泥炭资源分布区，也是青藏高原泥炭沼泽发育最典型的地区(柴岫等，1963；孙广友等，1987；孙广友，1992)，研究调查区花湖湿地为裸露型泥炭地，是自全新世连续堆积的现代泥炭沼泽，其地貌特征如图1所示，地表有薄层积水，泥炭地层为棕色至棕褐色连续沉积的泥炭层，含大量未分解的植物残体。

图1 四川若尔盖泥炭沼泽地貌

2 泥炭取样要求

2.1 取样深度要求

泥炭层的厚度是计算泥炭储量的关键指标，泥炭层的厚度调查要求穿透泥炭层，取样深度为地表至泥炭层底部。若尔盖地区泥炭沼泽面积大、储量丰富，一般泥炭层厚度为2～3 m，最厚达10 m(马学慧，2012)。需要依据泥炭土层剖面颜色及有机碳含量的变化情况，判断泥炭层的厚度界限。

2.2 采样要求

采取的泥炭样品主要用于化验测试其容重、有机碳含量、黏土含量、pH值等参数，为满足泥炭化验测试要求，采取的泥炭样品直径要达到50 mm，取样率要达到90%以上，钻探取样过程中不能使用循环冲洗液对泥炭样品造成污染。

2.3 对取样设备的要求

根据泥炭调查规范，采样点布设应具有代表性、自然性和可操作性，一般布设在泥炭斑块长轴中心及长轴半径的1/3处，点位多位于泥炭沼泽深处，大型设备难以进入，同时要求钻探施工过程中尽可能减小对环境的影响，因此需要取样设备轻便、可搬运、占地面积小。

3 泥炭取样技术研究

3.1 取样工艺

由于泥炭地土质松软，夹杂植物残体且含水量大，因此在钻探取样过程中，泥炭样品进入钻具时易被压缩，导致取样率不足。常规的钻探取样一般是采用回转钻进方法，多使用冲洗液，会对土壤样品造成污染。钻具会对泥炭样品造成扰动，泥炭土的结构和原有的地层序列会被破坏，并且泥炭样品的采取率不足，会影响样品成分测试的准确性，影响泥炭储量的评价。根据泥炭取样要求，若尔盖地区采用振动冲击工艺方法进行钻探取样。

振动冲击钻进是采用一定频率的冲击器对钻具进行冲击，钻具在冲击力和自身重力的作用下，克服土壤的阻力，使取样钻具进入到指定的深度(张志民，2007)。钻具受到冲击作用时，钻具接触面的应力和应变升高，钻具内部介质的质点产生相对运动，由于质点具有惯性，相邻质点的应变滞后，钻具上的载荷以纵波的形式由上到下传播。当钻具顶端受到冲击后，能量波以压应力波的形式向钻头的方向传播，当压应力波到达钻头与地层的接触面时，根据接触面地层的特性，将出现反射波。当压应力波向下传递的过程中，钻头与地层已经发生接触，压应力波到达钻头与地层接触面时，仅有部分能量以拉应力波的形式向上反射回去，另一部分能量以压应力波的形式传递到钻头，钻头附近的应力和应变状态急速升高，带动钻具进入地层。根据波动力学理论和地层的力学性质，地层越松软，冲击钻进的效率越高，钻具进入地层更快；地层越密实，冲击钻进效率越低，钻具进入地层更慢(冉灵杰，2019)。根据泥炭地层松软的特性，在冲击作用下，冲击钻进具有效率高，同时对钻具周围地层的扰动小，可以减小钻具对泥炭层的扰动，实现泥炭样品的原状取样。

3.2 取样设备

泥炭调查的取样孔位分散，分布在沼泽湿地中，交通不便，调查点位之间距离较远，钻探取样设备需方便孔位之间的搬运迁移，人工可搬运，同时要求取样效率高，因此要求钻机具备轻便性和取样效率高的特点。

设计采用TGQ-30C轻便冲击取样钻机(图2)进行泥炭取样工作，其主要性能参数见表1。钻机为模块化、分体式钻机，分体后最大模块质量为80 kg，两人可搬运至调查点位，设备占地尺寸仅需要1 m×1 m。钻机为液压传动，由汽油机泵站带动振动冲击部件进行高频冲击作业；钻机配备液压绞车提升系统，可由液压绞车提升钻具，减轻操作者的劳动强度，方便在高原沼泽湿地区开展工作。

表1 TGQ-30C钻机的主要参数

图2 TGQ-30C轻便冲击钻机

3.3 取样钻具

3.3.1单管钻具

钻机的冲击部件通过高频的振动冲击将钻具压入泥炭地层中，单次进尺1 m，完成一个回次后，钻机上的提升绞车将钻具提出孔外，拧卸钻具接头及钻头后进行取芯工作。单管钻具结构简单，钻进效率高，采取的泥炭样品直径比同口径的双管钻具大，适用于不易坍塌，含水量小的泥炭地层。

单管钻具的结构图如图3所示，钻具单次取样长度为500 mm，钻头外径65 mm，取样直径为55 mm，钻头刃口角度为18°，钻具的面积比为39.7%。剔除钻具对样品外层的扰动，保证原状泥炭样品的直径为50 mm左右。钻具的上接头中心打有通气孔，使钻具内气压与外部大气压一致，有利于泥炭样品进入钻具中。钻具的取芯管体被切割成为两个半圆管，由钻头和接头通过丝扣连接，将半合管拼合成为一个完整的圆形管，在完成一个取样回次后，拧卸半合管两端的钻头及冲击接头，可将半合管分成两个半圆形管，泥炭样品结构不会发生明显扰动，并且便于对样品的采集和观测。

图3 单管钻具(1—钻头；2—半合管；3—冲击接头)

3.3.2双管钻具

双管钻具在钻进过程中，仅外管承受冲击力，土壤样品进入到内管中，保持土样的原状。内管采用透明的PVC管，一方面可减小土样与内管壁的摩擦力，减小对泥炭样品的扰动，另一方面便于对样品的观测和保存。取样时仅需提出内管，外管可在孔内保护孔壁。双管钻具适用于不稳定、易塌孔及含水量大的泥炭地层。

钻具单次取样长度1000 mm，取样直径50 mm，钻头外径75 mm，钻头刃口角度为15°，PVC管内径为50.5 mm，内间距比为1%。双管钻具的结构见图4，在取样过程中，钻机的冲击力传递到5冲击接头上，冲击双管钻具钻进，泥炭样品通过外管钻头内进入到PVC内管2中，完成一个回次取样后，卸下冲击接头5，将内钻杆与4内管接头连接，将内管提出孔外，完成一个回次的取样。

图4 冲击双管钻具(1—外管钻头；2—内管；3—外管；4—内管接头；5—冲击接头)

4 应用情况

在若尔盖花湖典型泥炭沼泽区对泥炭斑块边缘、中心两种不同地层的泥炭沼泽区，采用振动冲击钻进工艺，开展了单管、双管的钻探取样试验，按照泥炭沼泽碳库调查工作指南要求，在选定土壤采样点位置后，在采样点处布设6个钻孔进行取样。

4.1 单管钻具取样情况

在泥炭斑块边缘，地层含水量小，成孔条件好，孔壁稳定不易坍塌，采用单管钻具进行钻进取样，单管钻进取样每个回次钻进500 mm，完成一回次钻进后，将钻具提出孔外，拧卸钻头及冲击接头后，进行取样。在泥炭斑块边缘总计完成钻孔6个，其中最深孔为6 m，其取芯情况见表2，共完成12个回次的钻进，每回次钻进深度500 mm，钻孔的平均取芯率为95.92%，满足泥炭取样要求，取样效果见图5。

图5 单管钻具取得泥炭样品

表2 单管钻具取样记录

4.2 双管钻具取样情况

泥炭斑块的中心位置为沼泽湿地，含水量大，易发生缩孔，因此采用双管钻具取样(图6)。

图6 双管取样试验现场

双管钻进最深取样孔为8 m，穿透泥炭层，见到不含泥炭的灰褐色的黏土层后终孔。由于地表含大量的植被，首回次含大量的草根及植物残体，样品的压缩量较大，但钻孔的平均取芯率为92.5%，各回次的取芯率均满足取样要求(表3)。取出的泥炭样品完整，样品在透明PVC管中保存(图7)。

图7 双管钻具取得泥炭样品

表3 双管钻具取样记录

5 结论

(1)通过此次泥炭调查取样试验，针对泥炭地层的特性以及泥炭沼泽区的特殊施工环境，充分发挥了轻便钻机搬运方便、占地面积小、对施工环境影响小的优势，根据两种不同的泥炭地层特点，采用单管、双管钻具进行试验，采取的样品基本无扰动，满足泥炭调查规范要求，验证了冲击振动钻进工艺进行泥炭取样的适应性和有效性。

(2)浅层钻探取样技术作为沼泽碳库调查取样的一种直接有效的手段，不仅能提高取样效率，还能减少对植被的破坏，解决了常规泥炭厚度调查过程中施工难度大、对湿地破坏大、取样质量低、调查精度低等问题，采用此项技术可以直接穿透泥炭层查明泥炭层厚度，获取原状的泥炭样品，为沼泽碳库储量评价提供精准的泥炭样品，从而提高泥炭调查的精度，提高泥炭地有机碳储量计算的准确性。

致谢:感谢审稿专家提出的宝贵意见。