李霞穎， 劉學浩， 李琦*， 李小春， 肖威

(1. 中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與國家重點實驗室， 武漢 430071；2. 中國科學院大學， 北京 100049; 3. 中國地質(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)乎人類未來發(fā)展的重大議題，該領域的技術(shù)發(fā)展體現(xiàn)著國家核心競爭力與人民生活水平。然而，在向地下索取能源、資源、戰(zhàn)略空間的過程中，隨著地下資源需求量的不斷增加，對地下資源的不合理開發(fā)利用導致了地下水水位持續(xù)下降，同時伴隨著地下環(huán)境的改變，甚至污染與破壞[1]。

例如，地下水超采問題日益突出，地下水開采量與補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，對水資源的可持續(xù)循環(huán)及生態(tài)環(huán)境平衡造成了嚴重影響。目前，全球約2/3的地區(qū)面臨著水資源不足的問題，對人們的生產(chǎn)生活造成了嚴重的影響[2]。中國也是水資源匱乏的國家，據(jù)報道中國有164片地下水超采區(qū)，總面積達18.13萬km2，其中嚴重超采面積7.7萬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，進而影響地下水水質(zhì)，并且引發(fā)了一系列環(huán)境生態(tài)負效應，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，及時掌握地下水開發(fā)利用情況，同時兼顧水資源評價，系統(tǒng)全面評價中國地下水資源可利用狀況對于中國生態(tài)環(huán)境保護和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

與此同時，中國地下水普遍受到由城市化、工業(yè)化、農(nóng)業(yè)和礦業(yè)活動導致的污染威脅。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中國90%城市地下水遭受有機和無機有毒有害污染物的污染，已呈現(xiàn)由點向面、由淺到深、由城市到農(nóng)村不斷擴展和污染程度日益嚴重的趨勢[3-4]。地下水污染早期不易被覺察，具有隱蔽性和延時性[5]。人為污染物擴散至地下水中，因其遷移速度相對較慢且深埋地下，若不進行長期專項監(jiān)測，很難發(fā)現(xiàn)地下水污染，且發(fā)現(xiàn)時地下水已被污染或嚴重污染[3]。此外，地下水系統(tǒng)具有統(tǒng)一水力聯(lián)系和時空演替規(guī)律，處于不斷運移和循環(huán)中，經(jīng)歷著補給、徑流、排泄各個途徑。在地質(zhì)環(huán)境復雜的體系中，各個水力系統(tǒng)有密切的水力聯(lián)系，即當?shù)叵滤l(fā)生污染時，污染范圍難以圈定并難以還原[6]。隨著國內(nèi)外對地下水污染研究的深入，地下水污染已引起了中國政府的高度重視。2015年4月國務院印發(fā)《水污染防治行動計劃》，專項整治十大重點行業(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)測是預防地下水污染的重要措施，可作為判定工程或企業(yè)對環(huán)境污染程度及責任歸屬的直接證據(jù)[7]。

地下流體取樣，結(jié)合同位素追蹤、地層殘余氣分析、化學成分測試等手段可提供大量地層信息，是開展地下水資源評價和進行環(huán)境監(jiān)測的重要手段之一。地下流體取樣對于工程安全開展和環(huán)境風險評估具有指導意義，存在大量工程需求。由于國內(nèi)已有的地下流體取樣技術(shù)不能很好滿足地下水資源評價與環(huán)境監(jiān)測日益增長的需求，部分取樣技術(shù)距國際一流水平差距較大，亟待針對地下環(huán)境研發(fā)高技術(shù)含量和自主知識產(chǎn)權(quán)的流體取樣與監(jiān)測技術(shù)。中國科學院武漢巖土所研發(fā)的淺層地下流體U形管分層取樣裝置經(jīng)過多年的研發(fā)和優(yōu)化設計，大幅度提升了系統(tǒng)壽命和穩(wěn)定性，目前已成功應用于多個CO2地質(zhì)封存場地。現(xiàn)通過梳理國內(nèi)外的地下流體取樣技術(shù)，介紹中國科學院武漢巖土力學研究所研發(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，以及在延長油田二氧化碳驅(qū)油(CO2-EOR)示范工程中的最新應用，為進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、水資源評價和環(huán)境監(jiān)測等領域中的應用提供技術(shù)參考。

1 國內(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

針對實際工程情況和監(jiān)測目的，國內(nèi)外開發(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)動力和結(jié)構(gòu)設計的差異可分為3種類型(圖1)：下井式定深取樣器、泵式取樣器和氣體推動式地下流體取樣器[8]。3種取樣技術(shù)的取樣特點如表1所示。

表1 3類基于井孔的地下流體取樣技術(shù)性能對比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組成，通過引線使得取樣器下放至指定地層深度，待地下流體進入取樣器后，將取樣器提升至地表，提升過程中取樣器內(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)簡單、操作簡單方便、成本低廉，適用于對取樣頻次要求不高的取樣類型。其缺點在于無法實現(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程對地下流體運移場擾動較大，取樣精度易受取樣操作的影響。

泵式取樣器依靠人工或機械驅(qū)動，通過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)取樣泵的不同類型，可分為蠕動泵、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取樣頻次要求較高的取樣類型，單次取樣量可觀，受流體環(huán)境影響小，性能穩(wěn)定，應用范圍廣，是目前應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，設備運行成本高，野外場地適應性差(一般需提供220 V交流電，不適合無井房、無電源的野外)。此外，該方法取樣速度偏快，對地下流體場擾動大，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分析。

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

氣體推動式取樣器是基于U形管原理，其動力源為壓縮氣體，如可移動式氮氣瓶、壓縮氣罐等。當?shù)叵铝黧w在靜水壓力作用下滲入取樣器內(nèi)后，流體被存儲于進樣段內(nèi)，通過壓縮氣體的推動作用，可獲取相應地下層位的流體。氣體推動式取樣器適用于長期監(jiān)測，取樣容量大，能實現(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，相對于筒式和泵式取樣器，氣體推動式取樣器具有保壓和被動取樣的特點，在取樣過程中能盡可能減小對地下流體場的擾動，且能與其他井下監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)搭接，適合需要進行三維示蹤和精確流體化學分析的專用監(jiān)測項目。

隨著中國對地下環(huán)境監(jiān)測要求的逐年提高，一種具有高取樣精度、能實現(xiàn)分層取樣以及井下原位監(jiān)測的取樣技術(shù)是未來地下流體取樣監(jiān)測領域的發(fā)展趨勢。通過對比分析，基于氣體推動式的取樣技術(shù)在一定程度上具有實現(xiàn)上述目的，進而實現(xiàn)地下環(huán)境三維高精度連續(xù)監(jiān)測的可能性。

1.2 氣體推動式取樣器工程應用

氣體推動式取樣技術(shù)，也稱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)領域，用于觀測中深部地層流體的水力傳導路徑，進而分析其泄漏路徑及地球化學反應。根據(jù)已經(jīng)發(fā)表的數(shù)據(jù)，截至目前，全球累計應用U形管取樣器共開展了16個試驗和項目工程應用，如圖2所示。前7個工程均由美國勞倫斯伯克利國家實驗室主持或參與，其余均位于中國。

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

2004年，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的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年在美國得克薩斯Dayton的Frio咸水層示范工程首次進行了工程應用。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項目通過加入封隔器實現(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。

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

在應用領域方面，除了應用在二氧化碳地質(zhì)利用與封存領域監(jiān)測CO2羽的分布與運移機制，還應用于核廢料地質(zhì)儲存(如格陵蘭島的Kangerlussuaq工程[21])、地熱開采(如美國的Yucca Mountain工程)、硫封存(如加拿大的Nunuvut工程)等領域，主要用于研究儲層條件下THMC耦合機制和凍土區(qū)域下的微生物群落表征[13]。

在以上工程應用中，U形管取樣器均發(fā)生了不同程度的淤堵而導致取樣器失效的問題，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效應形成的水合物和冰狀物，在Otway項目中析出的天然蠟質(zhì)鏈烷烴(n-C27)，在Nunuvut及Kangerlussuaq項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。對于低溫環(huán)境引起的淤堵問題，可通過在取樣回路上增加熱電阻絲和保溫護甲消除一部分影響，但對于類似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)等相溶劑進行沖洗消除[13]。

國內(nèi)應用方面，中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)調(diào)查中心于2013年進行了“氣體置換式采樣器”的研制并在河南省臨潁縣開展了深500 m的場地測試，無封隔器[22-24]。采樣器下井時分別在270、370和500 m 3個層位上遞進單次循環(huán)取樣，單次取樣容積達23.3 L，取樣壓力小于1 MPa時不出水，提升至2 MPa時才開始出水。測試過程中發(fā)現(xiàn)采樣器的單向閥、管線接頭等部件在下井過程中磨損嚴重，影響后期應用效果。然而，后續(xù)發(fā)展與實際工程應用未見進一步報道。

中國科學院武漢巖土力學研究所最早于2009年在內(nèi)蒙古通遼市CO2地質(zhì)封存場地內(nèi)開展了約300 m深的U形管取樣測試，采用壓力脈沖法驅(qū)替得到了地下流體樣品，監(jiān)測到了CO2羽的運移分布情況，取得較好的應用效果。該項目由于缺乏工程經(jīng)驗，取樣系統(tǒng)未設置封隔器，導致各層位地下水連通匯集，給取樣結(jié)果帶來一定的局部偏差。

U形管取樣技術(shù)作為一種新技術(shù)，其工程應用目前主要集中在CCS/CCUS及相近領域中，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，地下設備維護困難，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)對淺部地下水的污染問題日益突出，適用于淺部地下流體的取樣技術(shù)更具市場前景及應用需求。為此，中國科學院武漢巖土力學研究所于2015年開始開發(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、吉林油田和延長油田等多個CCS項目中進行了場地測試及設備優(yōu)化，驗證了其技術(shù)可行、成本極具競爭力、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形管和氣體推動式原理，利用壓縮氮氣將受到靜水壓力作用進入到取樣器內(nèi)部的地下流體推動至地表取樣瓶內(nèi)，從而實現(xiàn)目標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計，一般由進樣段、連接段和地面取樣段三部分組成，可針對不同的井下地質(zhì)條件進行定制化設計，場地適應性強，且可實現(xiàn)水氣一體化采樣和一孔多層取樣的目的，滿足不同的工程需求。

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配重牽引裝置達到指定取樣層位，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取樣器進樣段側(cè)壁上的小孔滲入到進樣段內(nèi)部，直到達到滲流平衡。

第三階段：進樣段內(nèi)部流體經(jīng)過滲析組件后通過單向閥進入到U形管內(nèi)，由于單向閥的單向流通特性，地下流體被儲存在U形進樣內(nèi)管以及儲流容器內(nèi)。U形管的兩個內(nèi)管連接至地表，作為加壓管和取樣管，分別連接氮氣瓶和取樣瓶。

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

2.2 產(chǎn)品特點

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)、簡易封隔器系統(tǒng)、U形管地下液體進樣系統(tǒng)、地面取樣系統(tǒng)，如圖4所示。簡易封隔器系統(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)通過鉆孔埋入地層，內(nèi)部導管穿過簡易封隔器預留的小孔，與U形管地下液體進樣系統(tǒng)連接。導管穿過第一簡易封隔器預留的小孔與土壤氣取樣系統(tǒng)的氣相過濾器和氣相單向閥連接，該導管穿過第一簡易封隔器與地面的針閥、液體取樣容器連接。設置在地面進口處的氣體推動式地面液體取樣系統(tǒng)通過穿過第一簡易封隔器預留的小孔與U形管地下液體進樣系統(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題，在取樣段井筒壁設置一系列小孔，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行定制化設計。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)冰引起的堵塞問題，在井筒連接段側(cè)壁包裹多層防寒止水帷幕，并沿線纏繞發(fā)熱電絲保護，在冬季取樣前，對地表預留出的電極通電加熱進行解凍。

為了提高取樣代表性，防止層間串水，在取樣段周圍的井壁回填高滲透率的黃砂或石英砂，在連接段的井壁周圍回填不透水的原狀泥土或膨脹土，用來切斷各個含水層位的水力聯(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PVC堵頭的結(jié)構(gòu)和密封防水方式、對核心部件進行嚴格選型和保護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)過濾功能效果一般，泥沙淤堵問題仍是影響系統(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改進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點解決取樣器應用深度有限、層間封隔弱以及系統(tǒng)耐久性差等問題。

第二代取樣器采用自重力牽引設計、化學自膨脹式封隔裝置、柔性鏈接桿以及開放式取樣段設計的技術(shù)路線，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置有吊環(huán)。鋼絲繩通過吊環(huán)將位于各個層位的取樣裝置進行連接，最終實現(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個方面。

(1)增加了取樣器的應用深度，使應用深度從20 m提升至200 m。國內(nèi)U形管地下流體取樣器的應用深度普遍為地下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地區(qū)的應用。通過采用鋼絲繩作為柔性連接桿，解除套管對應用深度的安裝限制，操作靈活，從而較好地實現(xiàn)了取樣器應用深度的拓展，進而提高地下流體監(jiān)測范圍。

(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確性。此外，有別于常規(guī)液壓式和機械式封隔裝置等結(jié)構(gòu)復雜、成本昂貴、操作施工不便等問題，第二代取樣器采用化學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)設計簡單、環(huán)境影響小、易操作施工、成本低廉，可較好實現(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。通過設計和改進取樣器結(jié)構(gòu)設計，創(chuàng)造性地提出了嵌套式四口三通分流機構(gòu)、應用地下流體取樣過程的換向閥和自力式分段壓力控制閥等核心元件，同時優(yōu)化了各個構(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)揮地下流體的進樣取樣能力，保證所取樣品的真實性與代表性。

2.2.3 第三代U形管分層取樣裝置

第三代取樣器通過增加儲流容器、定制化過濾滲析組件等關(guān)鍵元件使得取樣器的基本取樣功能得到大幅度提升，同時取樣段實現(xiàn)了模塊化設計，取樣段尺寸可根據(jù)實際現(xiàn)場地質(zhì)情況改變其大小和長度，場地適應性進一步增強，如圖6所示。具體表現(xiàn)在以下4個方面。

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)過濾滲析組件，并安裝在單向閥進水前端，進一步過濾地下流體所含的泥沙。前期應用結(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致整個取樣層位的失敗。然而，單向閥并不能較好適應泥沙含量較多的地下流體環(huán)境，易發(fā)生淤堵。因此，通過研發(fā)過濾滲析組件，并將其直接安裝在單向閥前端，可進一步過濾泥沙含量，增加單向閥使用壽命，同時室內(nèi)測試結(jié)果表明地下流體進水速率提升3倍以上。

(2)取樣定量化。定制化儲流容器，使得各含水層的一次取水量根據(jù)測試需求以及取樣瓶的容量固定為200～1 000 mL?；跉怏w推動式原理的取樣器在各個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。通過在取樣管中部增加儲流容器，可大幅度提高一次取樣量，并通過定制儲流容器的大小進行取樣量的定量化控制。

(3)實現(xiàn)原位保壓取樣。通過在地面取樣管尾端增加背壓閥，同時定制密封取樣瓶，實現(xiàn)目標層位地層流體的原位保壓取樣。實際取樣壓力根據(jù)目標層位的地層水壓力設定。

(4)接頭標準化。對取樣器的整體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，遴選目前市場上已有的各類型號快插接頭和配件，改變各個構(gòu)件之間的連接方式，在降低成本的同時進一步提升系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

三代取樣器主要性能對比如表2所示。淺層流體分層取樣裝置經(jīng)過一系列結(jié)構(gòu)和技術(shù)改進，在應用深度、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基于氣體推動式原理實現(xiàn)地下流體取樣的基本功能。第二代取樣器通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計，克服了第一代取樣器在應用過程中出現(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，提高了取樣器的場地適應性和耐久性，同時拓展了取樣器的應用深度，增加了應用前景。第三代取樣器對關(guān)鍵核心部件進行定制化和標準化設計，同時增加了原位保壓取樣功能，在實現(xiàn)取樣器獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的基礎上進一步降低成本，擴大市場占有率。

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、吉林油田及延長油田的CO2-EOR示范場地內(nèi)進行了現(xiàn)場應用，用于監(jiān)測淺層地表CO2泄漏情況。

3 延長油田CCS-EOR示范工程中的應用

為順應中國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，延長油田開展了CO2驅(qū)油提高采收率(CO2-EOR)的示范項目，該項目是中國首個通過國際碳封存領導人論壇(carbon sequestration leaders forum，CSLF)認證的全流程CCS科技項目，有助于提升中國CCS項目在國際社會的影響力，具有里程碑式的意義。目前延長油田已實施了5萬t/a的CO2-EOR項目，正在建設36萬t/a捕集裝置，具有開展CCUS潛在示范工程的可行性?？紤]到隨著中國CCUS規(guī)模擴大和環(huán)境監(jiān)管要求的提高，需要對示范工程中的監(jiān)測系統(tǒng)進行精細設計和指標優(yōu)化。

圍繞延長油田CO2-EOR示范工程的需求和條件，結(jié)合場地內(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)測井并安裝了U形管取樣器，對應不同的監(jiān)控區(qū)，如圖7所示。監(jiān)測井C1位于場區(qū)內(nèi)，控制核心監(jiān)控區(qū)R1，井C2、井C3分別對應緩沖區(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)和設計方案，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)地下200 m處進行U形管取樣器安裝和地下流體取樣。

圖7 延長油田CO2-EOR示范項目監(jiān)測技術(shù)Fig.7 Monitoring technology in the CO2-EOR demonstration project in Yanchang oilfield

通過安裝U形管取樣器并獲取相應的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可建立一套延長油田CO2-EOR項目的長期監(jiān)測方案，通過歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)與U形管獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)化分析，提出延長油田CO2項目監(jiān)測的關(guān)鍵指標，為示范工程項目的順利實施提供技術(shù)支撐，也有助于提升中國CCUS監(jiān)測能力建設水平。U形管取樣器作為技術(shù)儲備，能快速推廣到已有和未來中國其他CCUS項目中去。

4 結(jié)論

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

中國科學院武漢巖土力學研究所研發(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)品改進和優(yōu)化，較好地解決了當前地下流體取樣技術(shù)存在的應用深度有限、層間封隔性弱、易淤堵、場地適應性弱等問題，同時實現(xiàn)了定量和保壓取水功能，使得取樣器更具標準化和規(guī)范化。

取樣器在延長油田CCUS示范項目得到了成功應用，取樣性能穩(wěn)定、取樣頻次高、單次單層取樣量可觀，有效驗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。

淺部U形管分層取樣裝置未來可望搭接大量成熟原位傳感器，如水位計、pH計、電導率、溫度和壓力等，進而實現(xiàn)地下環(huán)境的三維高精度實時監(jiān)測及預警，形成有競爭力的地下流體取樣產(chǎn)品，有望在地下水資源評價、污染場地監(jiān)測與修復等環(huán)境工程領域發(fā)揮重要作用。