摘要：面对我国部分平原及滨海区域广泛存在的地面沉降地质灾害，分层标监测是掌握其发育规律与机理的核心手段。然而，松散层因其结构性差、胶结弱、遇水易扰动的特性，传统取心技术难以获取高质量原状岩心，严重制约了沉降监测数据的精准性与可靠性。本研究以典型冲洪积、海陆交互相沉积平原区为背景，系统剖析了松散层取心的技术瓶颈，提出了以“低扰动、高保真”为核心的优化技术体系。研究通过装备选型与改造、工艺参数精细化调控、专用冲洗液研发及标准化操作流程构建，形成了一套完整的松散层取心解决方案。现场应用表明，该技术体系能显著提高岩心采取率与完整性，为地面沉降精准监测、地质勘查及工程安全评估提供了坚实的数据基础。

　　关键词：分层标；松散层；取心技术；钻探设备；工艺优化；低扰动钻进

　　松散层通常由粉土、粉细砂、淤泥质黏土等构成，其结构松散、强度低、自稳性差，在常规回转钻进过程中极易发生机械扰动、水力冲刷导致的岩心破碎、磨损乃至流失，导致采取率低、代表性差，成为长期困扰工程地质与水文地质钻探的技术难题。传统的单管钻探工艺采用高转速、大泵量、长回次的作业模式，虽在硬岩或胶结性地层中效率尚可，但对松散层而言，其破坏性远大于建设性。因此，研发一套适用于松散层的低扰动、高保真取心技术，不仅是提升分层标建设质量的关键，也对广义的工程地质勘察、矿产资源评价（尤其涉及松散覆盖层下的隐伏矿体）等领域具有重要价值。本研究旨在针对松散层的特殊物理力学性质，从机械设备优化、工艺参数创新、配套浆液研发及作业流程标准化等多维度进行系统性技术攻关，以形成一套可复制、可推广的高质量取心技术体系。

　　1地质概述

　　1.1地层情况

　　研究区全部为第四纪地层覆盖，主要发育一套洪冲积、冲积、冲积—海积、海积形成的砂性土和黏性土的不规则互层组合，且在纵向上具有明显的颜色、砂黏比、结核分布等特征变化，自下而上分别为早更新世—杨柳青组（Qp1y）、中更新世—佟楼组（Qp2to）、晚更新世—塘沽组（Qp3ta）、全新世—天津组（Qht）。

　　杨柳青组（Qp1y）。岩性以棕、棕黄、灰绿色黏土与砂、粉砂不规则“互层”，以黏土为主，亚黏土、亚砂土少量。局部见棕红色黏土。铁锰及钙质结核普遍，局部有钙结层。为曲流河相和河间泛滥盆地沉积。本组动物化石少见，均为陆相软体、介形虫类，孢粉丰富。上段为冲积—湖沼相沉积，岩性以棕灰、灰绿色黏性土与粉细砂、粉砂不规则互层。下段以湖相沉积为主，岩性以褐灰色中厚层黏性土夹细砂层为主。

　　佟楼组（Qp2to）。岩性为该组主要为曲流河相和河间泛滥盆地沉积，局部有海相或海陆过渡相沉积。以灰、浅灰色细砂、粉砂及黄、灰、棕、灰绿色亚砂土、亚黏土，夹深灰、黑灰色黏土组成。砂层较多。上段为冲积—泻湖相沉积，岩性为灰色、褐灰色厚层黏性土夹薄层粉细砂。下段以湖相—三角洲相沉积为主，岩性为黄灰—褐灰色薄层黏土与中厚层细砂不规则互层，黏性土富含有机质。

　　塘沽组（Qp3ta）。岩性为曲流河相和海相、海陆过渡相沉积，局部有湖沼相沉积。由黄灰、深灰、黑灰色亚黏土、亚砂土与细砂、粉砂组成不规则互层。区内普遍发育有两层海浸层，含有丰富的有孔虫、海相介形虫、海相软体化石。上段以冲积—三角洲及海相沉积为主，岩性为灰—深灰色粉细砂与黏性土互层。中段以冲积—湖积夹泻湖相沉积为主，岩性为褐灰—灰绿色黏性土与粉细砂互层。下段以冲积为主，岩性为灰—灰绿色黏性土与粉细砂互层。

　　天津组（Qht）。岩性为曲流河相和海相、海陆过渡相沉积，局部有湖沼相沉积。由褐黄、深灰、黑灰色黏土、亚黏土、亚砂土组成不规则互层。区内普遍发育有一层海浸层，含有丰富的有孔虫、海相介形虫、海相软体化石。上段以冲积—三角洲沉积为主，岩性为黄灰—褐灰色黏性土，东部海边为淤泥质土。中部以浅海相沉积为主（第一海相层），局部为深灰色淤泥质黏性土。下段以冲积—沼泽相沉积为主，岩性为黄色粉土、粉细砂夹深灰色黏性土。

　　1.2地质构造条件

　　研究区地处Ⅰ级构造单元华北准地台东北部，以宝坻—蓟运河断裂为界分为北区和南区。北区属于Ⅱ级构造单元燕山台褶带的Ⅲ级构造单元马兰峪复式背斜；南区属华北断坳，华北断坳自西向东又可分为3个Ⅲ级构造单元，即冀中坳陷、沧县隆起和黄骅坳陷。研究区主要位于沧县隆起，只有东南部小部分位于黄骅坳陷。研究区全部被第四系覆盖，没有基岩出露。

　　（1）构造单元及特征。现今构造形态主要是中—新生代以来，燕山和喜马拉雅两期构造运动的结果。古近纪、新近纪以来区域构造环境发生重大转变，沧县隆起在边界断裂的控制下，隆起加剧，在北东东向挤压和北西西向拉张应力的作用下，在前新生阶基底背景之上形成系列堑、垒式构造样式，同沉积构造控制着沧县隆起、黄骅坳陷内部次级构造单元的发展。

　　（2）断裂构造。研究区分布断裂构造大多为物探工作所推断，主干断裂为北东向和北西—北西西向。它们是多期构造运动形成。北东向断裂最为发育，它们大体平行于区域主构造线方向，多为正断层。

　　1.3水文地质条件

　　研究区自第四纪以来，一直处于沉积环境，境内河网密布，湖泊分布广泛，古河道亦有所分布，又由于受海进和海退的影响，造成第四系地层极为复杂。现根据地层形成的时代、成因、岩性和含水层的埋藏条件、水质以及地下水动态特征等各方面因素，对该区含水岩组的划分意见。第一含水层组地下水为潜水或微承压水，埋藏较浅，循环较快，称为浅层地下水。第二及其以下含水层组地下水为承压水，称为深层地下水。

　　（1）浅层水水质。本区浅层水由于受浅海相沉积的影响，使浅层水水质差，矿化度高，多种组分无论对工业、农业和生活饮用来讲均超标，矿化度多在3g/l～10g/l，因此不宜用于工业、农业和生活饮用。

　　（2）深层淡水（第二含水组下部至第五承压含水组）在横向上，各含水组并没有明显的规律；在纵向上，除第二含水组矿化度一般略超过1000mg/l，从第三含水组往下，矿化度略有增高的趋势。

　　（3）生活饮用水水质情况。研究区深层地下水只有第二含水组以及东部和南部第三和第四含水组的水经过降氟处理后是符合饮用水水质标准的。

　　2技术难题与优化机理

　　2.1传统取心工艺的主要弊端

　　在松散地层中，常规单管取心钻探的弊端集中体现在以下三个方面。

　　（1）机械扰动剧烈。钻头与岩心管的高速回转对岩心柱产生持续的摩擦、挤压与扭剪作用，破坏其原生结构。

　　（2）水力冲刷严重。大流量冲洗液（通常为清水或普通泥浆）直接冲刷岩心表面及根部，导致细颗粒流失、岩心柱状体被冲散。

　　（3）工艺参数激进。为提高效率而采用的长回次、大钻压，使得岩心在孔底受扰动时间延长，并可能因过度挤压而产生塑性变形或压实破坏。

　　2.2低扰动取心优化机理

　　优化的核心理念在于从“强力切削获取”转变为“温和仿生采取”。

　　（1）模拟静压切入。通过精细控制钻压与转速，使钻头以近乎“研磨”或“静压”的方式缓慢切入地层，最小化动态切削力。

　　（2）创造局部稳定保护环境。利用特制冲洗液在取心管内部和岩心周围形成一层具有高黏切力的润滑保护膜，该膜能有效隔离机械摩擦、缓冲水力冲刷，并对松散颗粒产生暂时的胶结固定作用。

　　（3）缩短单点扰动时间。通过严格控制回次进尺长度，大幅减少岩心在孔底暴露于扰动环境下的持续时间。

　　3核心优化技术体系构建

　　3.1钻探设备与专用钻具的选型与优化研究

　　设备与工具的优化是实现低扰动取心的物质基础。本研究对钻机、泵、钻具组合进行了系统性研究与选配。

　　（1）钻机选型与性能要求。①推荐机型。选用XY-6B型全液压动力头式岩心钻机。该机型具备无级调速、给进压力与速度精确可调、运行平稳、震动小等优点，完全符合“参数精细化”调控的需求。②关键性能分析。其液压系统能实现恒压或恒速钻进，在松散层中可采用“恒压吊打”模式，避免压力波动。动力头低转速扭矩大，适合低速回转切削。整机结构紧凑，适合在空间有限的标准场地施工。

　　（2）泥浆泵的匹配与改造。①配套泵型。选用TBW850/5A型卧式三缸单作用活塞泵。该泵排量调节范围宽（15l/min～150l/min），压力稳定，能够满足从小泵量护心到大泵量扫孔的不同工况需求。②优化建议。在泵的排出管路上加装精密流量计与稳压罐，实现对泵量的实时监测与脉冲缓冲，确保冲洗液流态平稳，减少对岩心的脉冲冲刷。

　　（3）钻头结构的创新性优化。①水口改造。针对标准单管钻头，将其通水水口数量减少约50%，并将单个水口宽度研磨扩大至8mm～10mm。此举显著降低了冲洗液流速与水马力（水功率），将“冲刷”作用转变为“润滑与携带”。②内锥角设计。针对不同地层设计钻头内锥角。在极软塑的淤泥层，采用稍大的内锥角（如12°~15°),利于岩心自然收缩进入并卡断；在稍密的粉土、黏性土层，采用标准或较小内锥角（7°~10°),以减少岩心与内壁的间隙。③唇面形式。推广使用阶梯状或锯齿状唇面的硬质合金钻头，此类钻头在低钻压下切入效率更高，且能产生较少的切削热和振动。

　　（4）钻具组合的级配与优选。①标准组合。Φ110mm外肋骨钻头+Φ108mm×4.5m内壁镀铬或抛光岩心管+Φ89mm钻铤（提供稳定加压）+Φ60mm（或Φ73mm）高精度螺纹密封钻杆+主动钻杆。②岩心管要求。必须选用新管或内壁经过打磨处理的岩心管，确保内壁光滑、平直，摩擦系数最小化。可探索使用内衬塑料薄管的双壁岩心管，进一步隔离摩擦。③钻杆密封。采用具有双道密封圈的螺纹接头钻杆，最大限度减少冲洗液在孔内的漏失，维持孔内压力与流场的稳定。

　　3.2钻进工艺参数的精细化与智能化控制研究

　　参数控制是技术的灵魂。本研究通过大量现场试验与数据分析，建立了针对不同松散地层的参数谱。

　　3.3高性能护心冲洗液体系的研发

　　冲洗液不仅是携带岩屑的介质，更是保护岩心的“液体套筒”。

　　（1）配方研发。本研究成功配制了“低密度高黏切护心型”聚合物泥浆。基础配方为，优质钠基膨润土（6%～8%）+低黏聚阴离子纤维素（LV-CMC，0.2%～0.5%）+部分水解聚丙烯酰胺（HPAM，0.05%～0.1%）。

　　（2）作用机理与性能指标。①护壁。形成薄（<1mm）而切韧的泥皮，封堵松散孔壁。②护心。高黏切特性使其在岩心表面形成吸附保护膜，润滑并缓冲冲刷。其胶联结构能暂时固定松散砂粒。③关键性能。密度1.04g/cm3～1.06g/cm3，马氏漏斗黏度30s～38s，API滤失量<10ml，动塑比控制在0.3Pa/mPa·s～0.5Pa/mPa·s，以实现良好的携屑与悬浮能力。

　　3.4标准化、精细化的操作流程研究

　　将优良的装备与参数转化为高质量的岩心，依赖于规范的操作。

　　（1）“慢—稳—轻”提下钻规范。提钻速度严格控制在0.3m/s～0.5m/s，下钻速度不超过1m/s，避免压力激动。

　　（2）“压力—泵量”联动启停。开钻时，遵循“先供液，后慢转，再轻压”；回次结束时，遵循“先减压，再停转，后停泵”。

　　（3）岩心卡取与管内保护技术。推广使用“液压或机械式岩心提断器”，取代传统的猛墩钻具法。在提钻前，通过钻杆向取心管内泵入少量高黏度“护心塞”浆液，在岩心顶部形成凝胶塞，防止抽吸脱落。

　　（4）无损退心与即时封装工艺。严禁敲击退心。研制并使用螺杆推进式或液压顶出式岩心推出器，实现岩心的平稳、匀速、完整退出。退出的岩心立即装入透明PVC半合管，并整体放入特制防水岩心袋中，抽气密封，贴上包含深度、方位等信息的二维码标签，实现从现场到实验室的“全程原状保护”。

　　4应用效果与数据化分析

　　将上述优化技术体系应用于研究区多个分层标准孔的建设中，取得显著成效。

　　（1）岩心质量量化提升。全孔平均岩心采取率由传统工艺的70%～80%提升至92%以上。其中，最难获取的淤泥质土层采取率稳定在90%～95%，粉细砂层采取率可达85%～90%。岩心实物表现为，黏性土呈连续长柱状，原生结构清晰；粉砂层多呈短柱—团块状，颗粒级配保持良好。

　　（2）钻探效率与成本效益。虽然单回次进尺缩短导致纯钻进时间略有增加（约15%～25%），但得益于超高的一次成孔率（100%）和零孔内事故率，避免了因取样失败导致的补勘、纠斜等高昂代价与时间延误。从项目全周期看，综合成本降低约10%～20%，技术经济效益显著。

　　（3）数据可靠性飞跃。高质量的原状岩心为后续的土工试验、微观结构分析、压缩机理研究提供了前所未有的可靠样本，极大提升了地面沉降模型的计算精度与预测能力。

　　5松散层取心钻探施工关键技术

　　通过对研究区内的地质环境条件、钻进参数充分认识的基础上，优化取心工具设计和施工工艺，实现高采取率、高质量、低扰动的岩心获取，进一步总结论述其取心关键技术。

　　（1）钻探设备与钻具组合优化。钻机选型上，选用转速范围广、给进平稳的液压回转钻机（如XY-6B型），确保参数可精细调控；钻杆选取上，采用平接头、高密封性钻杆，减少冲洗液泄漏对孔壁和岩心的扰动；钻头优化上，针对研究区松散层中可能含有的砂砾，采用复合片（PDC）或硬质合金齿钻头，兼具耐磨性和切削效率；钻具级配上，确保取心管与钻头内径、钻孔直径合理级配，形成顺畅的岩心进入通道。

　　（2）钻进工艺参数精细化控制，采用低转速、轻钻压、小泵量、短回次进尺方法组合。①低转速。针对松散层，严格控制转速在较低范围（通常40r/min～120r/min），减少离心力对岩心的破坏和钻具振动。②轻钻压。采用“吊打”方式，施加最小限度的钻压，刚好能克服地层阻力即可，防止压碎岩心或造成过度挤压。③小泵量。大幅降低冲洗液泵量（通常为常规钻探的1/3～1/2），依据地层变化情况，配合采用“间歇泵送”方式，降低对岩心和孔壁的冲刷力。在关键层位（如淤泥层）甚至可采用“干钻”（无冲洗液）或“空气钻进”。④短回次进尺。严格控制单个回次的钻进长度，黏性土一般不超过1m，砂土层不超过0.5m，淤泥层不超过0.3m。及时提钻，减少岩心在孔底受冲刷和扰动的时间。

　　（3）专用取心与护心技术应用。采用“静压”与“干钻”结合的护心方法，在接近回次终了时，采用“干钻”或“半干钻”法，即大幅减少或停止送水，依靠钻头唇面对岩心的轻微挤压和摩擦热，使岩心顶部形成一层“泥皮”或“压实帽”，封堵底部，防止提钻时岩心从底部脱落。取心后，将装有岩心的半合管整体取出并封装，避免了传统的“敲打退心”造成的二次扰动和破坏。

　　（4）施工操作标准化与精细化。操作流程遵循“稳、慢、轻”，贯穿于开孔、钻进、提钻、退心全过程，平稳开孔，轻压慢转钻进，匀速平稳提钻，严禁猛提猛刹，避免惯性力导致岩心脱落。及时清孔与维护，每次提钻后检查并清理取心管和钻头水口，确保畅通。岩心现场描述与封装，取出岩心后立即进行初步鉴别、记录、拍照，并用保鲜膜、蜡封或专用样品盒及时封装，防止水分蒸发和物理损伤。

　　6结论

　　本研究针对松散层取心难题，开展了一系列从理论、装备到工艺的集成创新，主要结论如下。

　　（1）形成了一套完整的技术体系。构建了以“低扰动”为核心，涵盖“特种装备优化选配、工艺参数精细谱系、高性能护心液研发、标准化作业流程”四位一体的松散层高保真取心关键技术体系。该体系具有强针对性与高可操作性。

　　（2）实现了岩心质量的突破性提升。通过实践验证，使松散层，特别是极软弱的淤泥与饱和砂层的岩心采取率与原状性达到了行业领先水平，为高精度地质工程活动奠定了坚实基础。

　　（3）明确了关键设备与工艺的控制标准。详细给出了适用于松散层的钻机、钻头、泥浆泵的选型与改造建议以及不同地层的量化工艺参数窗口，推动了钻探作业的标准化与科学化。

　　（4）本研究成果不仅直接服务于地面沉降监测领域，其技术原理与方法同样适用于矿产资源勘探（特别是覆盖区勘查）、环境地质调查等所有涉及松散层取心的场合，推广应用前景广阔。