浅层地下流体保真取样技术及工程应用

李霞颖， 刘学浩， 李琦*， 李小春， 肖威

(1. 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与国家重点实验室， 武汉 430071；2. 中国科学院大学， 北京 100049; 3. 中国地质调查局武汉地质调查中心(中南地质科技创新中心)， 武汉 430205)

能源、资源与环境的可持续发展是关乎人类未来发展的重大议题，该领域的技术发展体现着国家核心竞争力与人民生活水平。然而，在向地下索取能源、资源、战略空间的过程中，随着地下资源需求量的不断增加，对地下资源的不合理开发利用导致了地下水水位持续下降，同时伴随着地下环境的改变，甚至污染与破坏[1]。

例如，地下水超采问题日益突出，地下水开采量与补给量极度不平衡使得地下水水位持续下降，形成了大面积的超采区和地下水降落漏斗，对水资源的可持续循环及生态环境平衡造成了严重影响。目前，全球约2/3的地区面临着水资源不足的问题，对人们的生产生活造成了严重的影响[2]。中国也是水资源匮乏的国家，据报道中国有164片地下水超采区，总面积达18.13万km2，其中严重超采面积7.7万km2[2]。地下水超采不仅造成局部地下水水位下降，改变了地下水系统的天然流场，进而影响地下水水质，并且引发了一系列环境生态负效应，如地面沉降、塌陷、裂缝、海水入侵、生态环境持续恶化等。因此，及时掌握地下水开发利用情况，同时兼顾水资源评价，系统全面评价中国地下水资源可利用状况对于中国生态环境保护和经济可持续发展具有重要的现实意义。

与此同时，中国地下水普遍受到由城市化、工业化、农业和矿业活动导致的污染威胁。调查发现，中国90%城市地下水遭受有机和无机有毒有害污染物的污染，已呈现由点向面、由浅到深、由城市到农村不断扩展和污染程度日益严重的趋势[3-4]。地下水污染早期不易被觉察，具有隐蔽性和延时性[5]。人为污染物扩散至地下水中，因其迁移速度相对较慢且深埋地下，若不进行长期专项监测，很难发现地下水污染，且发现时地下水已被污染或严重污染[3]。此外，地下水系统具有统一水力联系和时空演替规律，处于不断运移和循环中，经历着补给、径流、排泄各个途径。在地质环境复杂的体系中，各个水力系统有密切的水力联系，即当地下水发生污染时，污染范围难以圈定并难以还原[6]。随着国内外对地下水污染研究的深入，地下水污染已引起了中国政府的高度重视。2015年4月国务院印发《水污染防治行动计划》，专项整治十大重点行业、工业集聚区水污染、城镇生活污染、农业面源污染等。地下环境的三维高精度连续监测是预防地下水污染的重要措施，可作为判定工程或企业对环境污染程度及责任归属的直接证据[7]。

地下流体取样，结合同位素追踪、地层残余气分析、化学成分测试等手段可提供大量地层信息，是开展地下水资源评价和进行环境监测的重要手段之一。地下流体取样对于工程安全开展和环境风险评估具有指导意义，存在大量工程需求。由于国内已有的地下流体取样技术不能很好满足地下水资源评价与环境监测日益增长的需求，部分取样技术距国际一流水平差距较大，亟待针对地下环境研发高技术含量和自主知识产权的流体取样与监测技术。中国科学院武汉岩土所研发的浅层地下流体U形管分层取样装置经过多年的研发和优化设计，大幅度提升了系统寿命和稳定性，目前已成功应用于多个CO2地质封存场地。现通过梳理国内外的地下流体取样技术，介绍中国科学院武汉岩土力学研究所研发的浅层地下流体U形管分层取样装置的工作原理和发展历程，以及在延长油田二氧化碳驱油(CO2-EOR)示范工程中的最新应用，为进一步推广浅层地下流体U形管分层取样装置在地下流体取样、水资源评价和环境监测等领域中的应用提供技术参考。

1 国内外地下流体取样技术

1.1 地下流体取样技术研究现状

针对实际工程情况和监测目的，国内外开发了各式各样的地下流体取样器。基于井筒的地下流体取样技术，根据取样原理、取样驱动力和结构设计的差异可分为3种类型(图1)：下井式定深取样器、泵式取样器和气体推动式地下流体取样器[8]。3种取样技术的取样特点如表1所示。

表1 3类基于井孔的地下流体取样技术性能对比Table 1 Performance comparison of three well-based sampling technologies for underground fluids

下井式定深取样器一般由取样筒和引线组成，通过引线使得取样器下放至指定地层深度，待地下流体进入取样器后，将取样器提升至地表，提升过程中取样器内部保持密封状态，不再与地下环境发生流体交换，从而较真实地获取某一指定层位的地下流体，如图1(a)所示。代表性取样器有Positive displacement取样器[9]、Vacuum取样器、Flow-through取样器、Bailer采样器[10]以及国内FFS-A型地下水定深取样器[11]。下井式定深取样器结构简单、操作简单方便、成本低廉，适用于对取样频次要求不高的取样类型。其缺点在于无法实现连续多次取样、取样的快慢难以把控、取样器提升至地面过程对地下流体运移场扰动较大，取样精度易受取样操作的影响。

泵式取样器依靠人工或机械驱动，通过取样泵将地下流体抽至地表，以获取指定地下层位的流体样品。根据取样泵的不同类型，可分为蠕动泵、潜水泵、气囊泵和真空泵等，如图1(b)所示。泵式取样器适用于对取样频次要求较高的取样类型，单次取样量可观，受流体环境影响小，性能稳定，应用范围广，是目前应用最多的地下流体取样技术[12]。但该取样方式资金投入大，设备运行成本高，野外场地适应性差(一般需提供220 V交流电，不适合无井房、无电源的野外)。此外，该方法取样速度偏快，对地下流体场扰动大，不适合浅部地层的小剂量连续取样和地下流体样品的化学分析。

图1 3类基于井孔的地下流体取样技术Fig.1 Three well-based sampling technologies for underground fluids

气体推动式取样器是基于U形管原理，其动力源为压缩气体，如可移动式氮气瓶、压缩气罐等。当地下流体在静水压力作用下渗入取样器内后，流体被存储于进样段内，通过压缩气体的推动作用，可获取相应地下层位的流体。气体推动式取样器适用于长期监测，取样容量大，能实现连续快速取样，受水中污染颗粒物影响很小，性能稳定[8]。此外，相对于筒式和泵式取样器，气体推动式取样器具有保压和被动取样的特点，在取样过程中能尽可能减小对地下流体场的扰动，且能与其他井下监测技术实现搭接，适合需要进行三维示踪和精确流体化学分析的专用监测项目。

随着中国对地下环境监测要求的逐年提高，一种具有高取样精度、能实现分层取样以及井下原位监测的取样技术是未来地下流体取样监测领域的发展趋势。通过对比分析，基于气体推动式的取样技术在一定程度上具有实现上述目的，进而实现地下环境三维高精度连续监测的可能性。

1.2 气体推动式取样器工程应用

气体推动式取样技术，也称U形管取样技术，起源于二氧化碳地质封存(carbon capture and storage，CCS)领域，用于观测中深部地层流体的水力传导路径，进而分析其泄漏路径及地球化学反应。根据已经发表的数据，截至目前，全球累计应用U形管取样器共开展了16个试验和项目工程应用，如图2所示。前7个工程均由美国劳伦斯伯克利国家实验室主持或参与，其余均位于中国。

图2 基于气体推动式取样器工程应用情况Fig.2 Engineering applications of the gas-operated sampler

2004年，美国劳伦斯伯克利国家实验室的Barry Freifeld率先研发了U形管地下流体分层取样装置[13-16]，并于2006年在美国得克萨斯Dayton的Frio咸水层示范工程首次进行了工程应用。取样器为单层取样，取样深度为1 513.9 m[13]。

在分层取样方面，位于澳大利亚Victoria的Otway枯竭油气田CCS项目通过加入封隔器实现了三层分层取样功能[17]。第一层安装在盖层上方用于超临界CH4的获取，第二、三层位于气水界面以下1.5 m和6 m，用于获取液体。

在应用深度方面，位于美国密西西比州的Granfield CO2-EOR示范工程的取样深度为3 200 m，迄今为止最深[18-20]。

在应用领域方面，除了应用在二氧化碳地质利用与封存领域监测CO2羽的分布与运移机制，还应用于核废料地质储存(如格陵兰岛的Kangerlussuaq工程[21])、地热开采(如美国的Yucca Mountain工程)、硫封存(如加拿大的Nunuvut工程)等领域，主要用于研究储层条件下THMC耦合机制和冻土区域下的微生物群落表征[13]。

在以上工程应用中，U形管取样器均发生了不同程度的淤堵而导致取样器失效的问题，淤堵情况一般发生在管路或接头处。例如在Frio工程中由于Joule-Thompson效应形成的水合物和冰状物，在Otway项目中析出的天然蜡质链烷烃(n-C27)，在Nunuvut及Kangerlussuaq项目中分别由于高矿化度区和冻土层低温环境发生的结冰现象。对于低温环境引起的淤堵问题，可通过在取样回路上增加热电阻丝和保温护甲消除一部分影响，但对于类似Otway中形成的天然蜡质链烷烃，需采用Solvesso-100(由二烷基苯和三甲基苯溶液组成)等相溶剂进行冲洗消除[13]。

国内应用方面，中国地质调查局水文地质调查中心于2013年进行了“气体置换式采样器”的研制并在河南省临颍县开展了深500 m的场地测试，无封隔器[22-24]。采样器下井时分别在270、370和500 m 3个层位上递进单次循环取样，单次取样容积达23.3 L，取样压力小于1 MPa时不出水，提升至2 MPa时才开始出水。测试过程中发现采样器的单向阀、管线接头等部件在下井过程中磨损严重，影响后期应用效果。然而，后续发展与实际工程应用未见进一步报道。

中国科学院武汉岩土力学研究所最早于2009年在内蒙古通辽市CO2地质封存场地内开展了约300 m深的U形管取样测试，采用压力脉冲法驱替得到了地下流体样品，监测到了CO2羽的运移分布情况，取得较好的应用效果。该项目由于缺乏工程经验，取样系统未设置封隔器，导致各层位地下水连通汇集，给取样结果带来一定的局部偏差。

U形管取样技术作为一种新技术，其工程应用目前主要集中在CCS/CCUS及相近领域中，取样层位较深(300～3 000 m)，成本较高。此外，该技术尚存在若干技术瓶颈，如系统易发生堵塞失效，地下设备维护困难，回填料和钻井液易影响取样精度等，尚未形成商业化产品。

2 浅层U形管分层取样装置

随着农业、工业及矿业等行业对浅部地下水的污染问题日益突出，适用于浅部地下流体的取样技术更具市场前景及应用需求。为此，中国科学院武汉岩土力学研究所于2015年开始开发了适用于浅部地层全塑料材质的地下流体U形管分层取样系统，并在胜利油田、神华鄂尔多斯盆地、吉林油田和延长油田等多个CCS项目中进行了场地测试及设备优化，验证了其技术可行、成本极具竞争力、适用范围广泛[25-27]。

2.1 工作原理

浅层U形管分层取样装置基于U形管和气体推动式原理，利用压缩氮气将受到静水压力作用进入到取样器内部的地下流体推动至地表取样瓶内，从而实现目标层位地下流体取样的目的。

U形管分层取样装置采用模块化设计，一般由进样段、连接段和地面取样段三部分组成，可针对不同的井下地质条件进行定制化设计，场地适应性强，且可实现水气一体化采样和一孔多层取样的目的，满足不同的工程需求。

U形管分层取样装置基本工作原理如图3所示，取样步骤可分为4个阶段。

图3 浅层地下流体U形管分层取样装置工作原理Fig.3 Schematic diagram of U-tube layered monitoring sampler for shallow underground fluid

第一阶段：取样器在重力作用下通过配重牵引装置达到指定取样层位，借助钢丝绳外力支撑作用将取样器固定在指定层位。

第二阶段：含水层的地下流体在静水压力作用下穿过取样器进样段侧壁上的小孔渗入到进样段内部，直到达到渗流平衡。

第三阶段：进样段内部流体经过渗析组件后通过单向阀进入到U形管内，由于单向阀的单向流通特性，地下流体被储存在U形进样内管以及储流容器内。U形管的两个内管连接至地表，作为加压管和取样管，分别连接氮气瓶和取样瓶。

第四阶段：采用氮气洗井，清除进样管内受到钻井液等扰动的地下流体后，对U形管加压端进行外部加压，由于单向阀的流向限制，储存在U形管内管以及储流容器内的流体在压力的作用下通过取样管排至位于地面的取样瓶内，进而完成指定层位的地下流体取样。土壤气通过井下导管与地面直接连通，采用活塞式气体取样容器在洗井后直接进行抽取。

2.2 产品特点

截至目前，适用于浅层地下流体的U形管取样装置已历经三代，各代产品特点如下。

2.2.1 第一代U形管分层取样装置

第一代浅层流体分层取样装置主要包括井筒系统、简易封隔器系统、U形管地下液体进样系统、地面取样系统，如图4所示。简易封隔器系统的端口插入井筒系统的管内镶嵌，通过螺钉铆接牢固，形成整体筒状结构。整体筒状结构通过钻孔埋入地层，内部导管穿过简易封隔器预留的小孔，与U形管地下液体进样系统连接。导管穿过第一简易封隔器预留的小孔与土壤气取样系统的气相过滤器和气相单向阀连接，该导管穿过第一简易封隔器与地面的针阀、液体取样容器连接。设置在地面进口处的气体推动式地面液体取样系统通过穿过第一简易封隔器预留的小孔与U形管地下液体进样系统连接[28-30]。

图4 第一代浅层流体U形管分层取样装置Fig.4 first generation of the U-tube layered sampler for shallow underground fluid

为了解决泥沙引起的淤堵问题，在取样段井筒壁设置一系列小孔，并缠绕滤网固定后再埋入地层。滤网目数规格参照颗粒粒径分布进行定制化设计。滤网目数越高，渗入至井筒内的水样含沙量越少，且滤网目数对渗流速率影响很小。此外，为了克服冬季冻土地区由于低温结冰引起的堵塞问题，在井筒连接段侧壁包裹多层防寒止水帷幕，并沿线缠绕发热电丝保护，在冬季取样前，对地表预留出的电极通电加热进行解冻。

为了提高取样代表性，防止层间串水，在取样段周围的井壁回填高渗透率的黄砂或石英砂，在连接段的井壁周围回填不透水的原状泥土或膨胀土，用来切断各个含水层位的水力联系。

为了提高系统的耐久性，在取样器材质选择上，采用可耐化学腐蚀、耐久性好的PVC材质，如PVC-U 排水管、塑料单向阀、二通和三通接头、PVC 材质不透水堵头、尼龙材质滤网等。此外，减少U形管内软管的接头，改进PVC堵头的结构和密封防水方式、对核心部件进行严格选型和保护等一系列措施提高取样器整体的寿命。

第一代取样器取样段体积较大，因此取样过程中存在着下井困难，随取样深度增加操作难度增大，取样深度有限，为0～20 m。此外，层间封隔采用高渗透率石英砂和不透水原状泥土的方式，导致上下相邻含水层之间易串层，因此层间封隔能力弱。另外缠绕在取样段上的滤网过滤功能效果一般，泥沙淤堵问题仍是影响系统寿命的重要因素。

2.2.2 第二代U形管分层取样装置

基于第一代取样器的工作原理，第二代浅层流体分层取样装置通过改进系统结构，重点解决取样器应用深度有限、层间封隔弱以及系统耐久性差等问题。

第二代取样器采用自重力牵引设计、化学自膨胀式封隔装置、柔性链接杆以及开放式取样段设计的技术路线，主要包括若干取样装置。取样装置包括取样井筒，以及安装在取样井筒上下端部的封隔器。上下端部封隔器均设置有吊环。钢丝绳通过吊环将位于各个层位的取样装置进行连接，最终实现不同层位分层取样的功能[31]，如图5所示。

图5 第二代浅层流体分层取样装置Fig.5 The second generation of the U-tube layered sampler for shallow underground fluid

相对于第一代取样器，第二代取样器的技术突破主要表现在以下3个方面。

(1)增加了取样器的应用深度，使应用深度从20 m提升至200 m。国内U形管地下流体取样器的应用深度普遍为地下20 m左右，而在一些干旱缺水地区，由于其特殊的地理特征和气候条件，地下水深度往往在50 m以下，极端地区甚至在200 m左右，在一定程度上限制了在此类地区的应用。通过采用钢丝绳作为柔性连接杆，解除套管对应用深度的安装限制，操作灵活，从而较好地实现了取样器应用深度的拓展，进而提高地下流体监测范围。

(2)克服了上下含水层层间封隔技术薄弱的难题。在取样井筒的上下端部安装了上部封隔器和下部封隔器，可有效防止不同层位间的流体串流，有效提高了目的层位的流体取样精度和准确性。此外，有别于常规液压式和机械式封隔装置等结构复杂、成本昂贵、操作施工不便等问题，第二代取样器采用化学材料的自膨胀作用切断上下含水层位间的水力联系，该结构设计简单、环境影响小、易操作施工、成本低廉，可较好实现地下200 m层位间的地下流体封隔。

(3)提高了取样器的耐久性。通过设计和改进取样器结构设计，创造性地提出了嵌套式四口三通分流机构、应用地下流体取样过程的换向阀和自力式分段压力控制阀等核心元件，同时优化了各个构件连接方式，提高了整体稳定性，使得取样器能快速适应地下200 m内的流体压力环境，且高效发挥地下流体的进样取样能力，保证所取样品的真实性与代表性。

2.2.3 第三代U形管分层取样装置

第三代取样器通过增加储流容器、定制化过滤渗析组件等关键元件使得取样器的基本取样功能得到大幅度提升，同时取样段实现了模块化设计，取样段尺寸可根据实际现场地质情况改变其大小和长度，场地适应性进一步增强，如图6所示。具体表现在以下4个方面。

图6 第三代浅层流体分层取样装置Fig.6 The third generation of the U-tube layered sampler for shallow underground fluid

(1)核心部件定制化。研发过滤渗析组件，并安装在单向阀进水前端，进一步过滤地下流体所含的泥沙。前期应用结果表明，液相单向阀是其所在层位取样性能的关键，一旦单向阀失效将导致整个取样层位的失败。然而，单向阀并不能较好适应泥沙含量较多的地下流体环境，易发生淤堵。因此，通过研发过滤渗析组件，并将其直接安装在单向阀前端，可进一步过滤泥沙含量，增加单向阀使用寿命，同时室内测试结果表明地下流体进水速率提升3倍以上。

(2)取样定量化。定制化储流容器，使得各含水层的一次取水量根据测试需求以及取样瓶的容量固定为200～1 000 mL。基于气体推动式原理的取样器在各个含水层的一次取水量取决于所在层位的地层水压力以及取样管的直径大小。通过在取样管中部增加储流容器，可大幅度提高一次取样量，并通过定制储流容器的大小进行取样量的定量化控制。

(3)实现原位保压取样。通过在地面取样管尾端增加背压阀，同时定制密封取样瓶，实现目标层位地层流体的原位保压取样。实际取样压力根据目标层位的地层水压力设定。

(4)接头标准化。对取样器的整体结构进行优化，遴选目前市场上已有的各类型号快插接头和配件，改变各个构件之间的连接方式，在降低成本的同时进一步提升系统整体稳定性。

三代取样器主要性能对比如表2所示。浅层流体分层取样装置经过一系列结构和技术改进，在应用深度、分层取样、原位保压和取样量等基本功能上均得到了优化提升。

表2 三代取样器主要性能对比Table 2 Performance comparison of three generations of the U-tube layered samplers

第一代浅层流体分层取样器研制的主要目的是为了证实基于气体推动式原理实现地下流体取样的基本功能。第二代取样器通过优化结构设计，克服了第一代取样器在应用过程中出现的堵塞失效、系统脆弱和耐久性差等一系列技术瓶颈，提高了取样器的场地适应性和耐久性，同时拓展了取样器的应用深度，增加了应用前景。第三代取样器对关键核心部件进行定制化和标准化设计，同时增加了原位保压取样功能，在实现取样器独立自主知识产权的基础上进一步降低成本，扩大市场占有率。

目前取样器在胜利油田CO2-EOR工程、鄂尔多斯神华CCS示范工程、吉林油田及延长油田的CO2-EOR示范场地内进行了现场应用，用于监测浅层地表CO2泄漏情况。

3 延长油田CCS-EOR示范工程中的应用

为顺应中国CO2捕集、利用与封存(carbon capture，utilization and storage，CCUS)技术的发展水平和需要，延长油田开展了CO2驱油提高采收率(CO2-EOR)的示范项目，该项目是中国首个通过国际碳封存领导人论坛(carbon sequestration leaders forum，CSLF)认证的全流程CCS科技项目，有助于提升中国CCS项目在国际社会的影响力，具有里程碑式的意义。目前延长油田已实施了5万t/a的CO2-EOR项目，正在建设36万t/a捕集装置，具有开展CCUS潜在示范工程的可行性。考虑到随着中国CCUS规模扩大和环境监管要求的提高，需要对示范工程中的监测系统进行精细设计和指标优化。

围绕延长油田CO2-EOR示范工程的需求和条件，结合场地内水文地质条件和井群分布，示范区内共布置了3口监测井并安装了U形管取样器，对应不同的监控区，如图7所示。监测井C1位于场区内，控制核心监控区R1，井C2、井C3分别对应缓冲区监控区R2和外围监控区R3。根据浅井结构和设计方案，在监测区域内地下200 m处进行U形管取样器安装和地下流体取样。

图7 延长油田CO2-EOR示范项目监测技术Fig.7 Monitoring technology in the CO2-EOR demonstration project in Yanchang oilfield

通过安装U形管取样器并获取相应的监测数据，可建立一套延长油田CO2-EOR项目的长期监测方案，通过历史监测数据与U形管获取数据的优化分析，提出延长油田CO2项目监测的关键指标，为示范工程项目的顺利实施提供技术支撑，也有助于提升中国CCUS监测能力建设水平。U形管取样器作为技术储备，能快速推广到已有和未来中国其他CCUS项目中去。

4 结论

地下流体取样器作为地下水环境监测的最基本应用工具之一，不仅是地下水环境评价的重要数据来源，更为提高地下水环境抗污染性以及监测地下水水环境组分变化提供了科学依据。相对于筒式取样器以及泵式取样器，气体推动式取样器具有取样精度高、对地层扰动小、能实现水气一体化及分层连续取样的优势，具有实现地下环境的三维高精度连续监测的可能性。目前该技术工程应用实例较少，且仍局限在二氧化碳地质利用与封存场地内，尚未形成商业化产品。

中国科学院武汉岩土力学研究所研发适用于浅部地层的U形管分层取样装置历经三代产品改进和优化，较好地解决了当前地下流体取样技术存在的应用深度有限、层间封隔性弱、易淤堵、场地适应性弱等问题，同时实现了定量和保压取水功能，使得取样器更具标准化和规范化。

取样器在延长油田CCUS示范项目得到了成功应用，取样性能稳定、取样频次高、单次单层取样量可观，有效验证了取样器取样精度高、系统体积小、综合成本低等技术优势。

浅部U形管分层取样装置未来可望搭接大量成熟原位传感器，如水位计、pH计、电导率、温度和压力等，进而实现地下环境的三维高精度实时监测及预警，形成有竞争力的地下流体取样产品，有望在地下水资源评价、污染场地监测与修复等环境工程领域发挥重要作用。