地應(yīng)力鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)探討

秦俊生，譚成軒，劉春生

（1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；3.北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院，北京 101500）

地應(yīng)力鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)探討

秦俊生1，譚成軒2，劉春生3

（1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；3.北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院，北京 101500）

汶川地震后，地應(yīng)力研究受到重視，應(yīng)力孔施工也日漸增多。本文依據(jù)多個項目實踐經(jīng)驗，總結(jié)了地應(yīng)力鉆孔施工中的一些主要技術(shù)問題，介紹了鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計按照終孔直徑選擇、監(jiān)測儀器安裝以及地層條件來綜合考慮的方法。特別是從保證技術(shù)套管的使用和起拔安全，保障儀器安裝精度的擴孔技術(shù)，沖洗液的選擇與控制，應(yīng)力測量與應(yīng)力監(jiān)測儀器安裝的技術(shù)保障措施等應(yīng)力孔施工關(guān)鍵技術(shù)方法方面探討和總結(jié)了該類型鉆孔施工技術(shù)特點和技術(shù)經(jīng)驗，系統(tǒng)總結(jié)了孔內(nèi)應(yīng)力測量和監(jiān)測儀器安裝技術(shù)方法，對同類項目的開展具有一定的借鑒和現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

鉆探技術(shù)；地應(yīng)力；鉆孔；監(jiān)測孔；施工技術(shù)

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)進步和人們減災(zāi)防災(zāi)意識的不斷提高，深層地應(yīng)力研究日益得到重視。特別在汶川地震以后，越來越多的地應(yīng)力測量和監(jiān)測鉆探項目得以實施。地應(yīng)力測量與監(jiān)測鉆孔（以下簡稱應(yīng)力孔）有別于地質(zhì)勘探、水文水井、工程鉆探、石油鉆井工程等鉆孔施工，有其獨特的技術(shù)特點，但從成孔工藝角度又應(yīng)用了相關(guān)技術(shù)，尤其是深孔地應(yīng)力測量與監(jiān)測往往和綜合科學(xué)鉆探研究相結(jié)合，可以說應(yīng)力孔施工是鉆探工程在科研領(lǐng)域新的拓展和應(yīng)用。隨著人民生活水平的提高和防災(zāi)減災(zāi)意識的不斷深入以及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報技術(shù)的進步與發(fā)展，這一工作將會更加受到重視。

1 地應(yīng)力發(fā)展簡況

20世紀30年代，美國為修建胡佛大壩開展了世界最早的地應(yīng)力測量，地應(yīng)力研究和測量工作之后得到快速發(fā)展。隨著地應(yīng)力資料積累，研究人員逐漸發(fā)現(xiàn)地應(yīng)力的變化與地質(zhì)構(gòu)造活動存在一定的關(guān)系，地應(yīng)力逐漸被應(yīng)用到對地質(zhì)構(gòu)造活動和地殼演化及地震成因的研究上來。西歐、美國和日本科學(xué)家相繼應(yīng)用地應(yīng)力測量技術(shù)研究本國的構(gòu)造應(yīng)力場，并逐步把地應(yīng)力測量工作納入了地震預(yù)報研究計劃。隨著研究的逐步深入，地應(yīng)力測量方法和觀測技術(shù)也不斷發(fā)展，地應(yīng)力觀測的深度也由最初的幾十米到上千米，后來通過利用大陸科學(xué)深鉆測量和研究地應(yīng)力的變化，深度達到數(shù)千米。

我國地應(yīng)力測量工作在李四光教授的倡導(dǎo)下于20世紀60年代開展起來，其后相繼研制和引進發(fā)展了多種類型的地應(yīng)力測試系統(tǒng)，逐漸豐富和完善了我國地應(yīng)力測量理論和系統(tǒng)，并在地震地質(zhì)、礦山工程、水利水電和地下建筑工程等方面得到廣泛應(yīng)用。李四光生前和1976年唐山地震后，全國共建110個地應(yīng)力監(jiān)測臺站，北京先后建立了8個，河北省先后建立了13個（豐成君等，2011）。汶川地震以后，我國逐步開展了深部地應(yīng)力的研究工作，特別是科學(xué)鉆探的開展，將地應(yīng)力的研究深度不斷提高，逐步與世界接軌。

諸多地應(yīng)力測量方法中，最直接的是通過施工鉆孔來達到目的，代表性的主要為水壓致裂法（張重遠等，2012），該方法是目前惟一可直接進行深部地應(yīng)力測定的方法，也是目前常用的地應(yīng)力測量方法。應(yīng)力孔施工技術(shù)隨著地應(yīng)力測試的需求、測試技術(shù)的發(fā)展和鉆探工藝技術(shù)的進步而逐步發(fā)展，是鉆探設(shè)備、鉆具材料和工藝技術(shù)的綜合發(fā)展和進步，前者以可鉆進深度作為直接的能力反映，而工藝技術(shù)則是以成孔質(zhì)量和效率作為具體的體現(xiàn)。近20年來，鉆探裝備和鉆探工藝技術(shù)不斷得到發(fā)展和進步，鉆孔施工效率得到大幅提高。一方面通過吸收國外經(jīng)驗，逐步研制了大功率深孔鉆探設(shè)備，如廊坊勘探工藝研究所研制的YDX-5型全液壓動力頭深孔鉆機，實際鉆孔深度2212.8m；四川廣漢竣工的我國第一臺萬米大陸科學(xué)鉆探鉆機，也是亞洲鉆進能力最深的大陸科學(xué)鉆探裝備主體平臺具有數(shù)字化控制、自動化操作、變流變頻無級調(diào)速、大功率絞車、高速大扭矩液壓頂驅(qū)、五級固控系統(tǒng)等突出特點，處于國際先進水平，并在關(guān)鍵技術(shù)方面，完成了鉆桿自動處理裝置的設(shè)計加工調(diào)試和液壓頂驅(qū)的多輪設(shè)計，成為深部探測裝備研發(fā)引領(lǐng)性的亮點工程，受到國內(nèi)外關(guān)注（董樹文等，2012）。另一方面，在工藝技術(shù)應(yīng)用方面，從普通單雙管取心，發(fā)展到三重管取心，以及膨脹地層的半合管取心以及不同系列繩索取心工藝等多種工藝方法。特別是隨著材料科學(xué)和冶金技術(shù)的不斷進步，提高了鉆具的品質(zhì)，減少了深孔施工的孔內(nèi)事故，并且使得研制PQ、SQ系列的大口徑繩索取心鉆具成為可能，應(yīng)用于深孔鉆進取心，大大提高鉆進效率。

2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

地應(yīng)力鉆孔目的是為了滿足地應(yīng)力研究的要求，最終是為了得到連續(xù)的巖心和清晰、定向的鉆孔圖像以便在孔內(nèi)實現(xiàn)應(yīng)力測量和監(jiān)測儀器的安裝。相對于普通地質(zhì)鉆孔為了滿足礦產(chǎn)勘探的要求有所不同，因此鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計有所差異，表現(xiàn)在以下三方面。

一是終孔直徑的確定。地質(zhì)鉆孔是針對不同類型的礦產(chǎn)勘探對其巖礦心采取規(guī)格的規(guī)范要求以及終孔選擇的鉆進工藝來確定終孔鉆孔直徑。應(yīng)力孔需要依據(jù)應(yīng)力測量方法、測量儀器外徑要求和終孔鉆進工藝確定終孔鉆孔直徑。目前應(yīng)力測量方法常用的有水壓致裂應(yīng)力測量法和套芯應(yīng)力解除法。測量儀器制造沒有統(tǒng)一標準，大多也參考各類鉆探規(guī)范常用的鉆孔口徑，為減少成本的因素，并選擇盡可能小的尺寸。因儀器結(jié)構(gòu)和制造成本所限，目前在地下結(jié)構(gòu)工程的勘查中，通常鉆孔直徑為?76～?96mm，這取決于不同的工程和巖石類型；對于深部石油工程、地?zé)岷涂茖W(xué)鉆探中可能會變大為180mm（中國地震局地殼應(yīng)力研究所，2009）。

二是考慮監(jiān)測儀器安裝。有些地應(yīng)力鉆孔為了長期觀測地應(yīng)力變化情況，需要安裝監(jiān)測儀器，一般在應(yīng)力測量位置的上部，根據(jù)測井和巖心編錄情況具體確定。因此在實際施工時先不予考慮，待完成到整個鉆孔的設(shè)計深度后依據(jù)巖心編錄狀況選擇好位置，再用擴孔方法解決。一般常用儀器安裝尺寸為?130mm，因此在前期施工時要提前考慮擴孔因素，為保證儀器安裝質(zhì)量，一般需要?95/?76mm和?130/?5mm兩級擴孔。

三是依據(jù)地層條件綜合確定鉆孔層級。考慮了終孔直徑和擴孔因素，再綜合考慮鉆孔深度和推測鉆遇地層情況，參考地質(zhì)鉆孔設(shè)計要求，才能最終確定鉆孔結(jié)構(gòu)。圖1為首都圈地區(qū)關(guān)鍵構(gòu)造部位深孔地應(yīng)力測量監(jiān)測與地質(zhì)安全評價項目（河北遷安）施工鉆孔結(jié)構(gòu)，即依照上述方法，確定了4級鉆孔結(jié)構(gòu)層級。第一層為地表松散層，開孔鉆至基巖地層，下入表層套管防護；?130/?95mm為監(jiān)測儀器安裝尺寸；?76mm為應(yīng)力測量尺寸；?95mm同時為繩索取心需要的技術(shù)套管需求尺寸（北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院，2013）。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Drilling structure diagram

3 工藝技術(shù)方法

應(yīng)力孔施工一般盡可能采用地質(zhì)勘探技術(shù)工藝，為提高效率有條件時盡可能采用繩索取心鉆進工藝技術(shù)。由于地應(yīng)力鉆孔控制目的地層大多為穩(wěn)定致密的地層，不同于地質(zhì)鉆孔需要控制成礦帶，同時因為擴孔的因素，因此在成孔方法、沖洗液要求、配合實驗等方面有一些不同的要求。

3.1 技術(shù)套管應(yīng)用

應(yīng)力孔成孔盡可能采用規(guī)范成熟的鉆探工藝技術(shù)，由于應(yīng)力測量儀器和應(yīng)力監(jiān)測儀器口徑的差異，鉆孔開孔口徑往往在?150mm或以上，監(jiān)測儀器安裝口徑一般為?130mm。為了提高鉆探效率下部孔段一般采用?76mm繩索取心鉆進工藝。為保證合理的鉆桿與孔璧環(huán)隙空間，減少孔內(nèi)事故，施工時常使用?89mm技術(shù)套管，在完成設(shè)計鉆孔深度后，并在擴孔前起拔。在下入?89mm技術(shù)套管時，要考慮到能夠起拔，在套管靴設(shè)置、管口密封和管外潤滑以及下管位置控制、套管連接等方面要有較為完善的技術(shù)措施，下入較長的技術(shù)套管有時需要考慮套管間的同心定位。

3.2 擴孔技術(shù)

應(yīng)力監(jiān)測儀器安裝精度要求高，因此擴孔技術(shù)非常重要，要在擴孔防斜，變徑同心度控制方面加強技術(shù)措施。要求擴孔時帶內(nèi)扶正器，換孔徑時帶外扶正器，粗徑鉆具用綜合式異徑接頭連接，其中心線必須一致（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)總公司，2013）。換孔徑時，導(dǎo)正管要長于4m，第一回次的小徑巖心管要短于1m，擴孔導(dǎo)向接頭見圖2、圖3。

3.3 沖洗液控制

應(yīng)力孔鉆進一般選擇環(huán)保無污染的水基鉆井液。開孔使用清水或鈉土泥漿，金剛石鉆進一般選擇低固相或無固相水基沖洗液，低固相選擇Na土+PHP或CMC體系，無固相選擇清水加適量潤滑劑或高分子選則性絮凝劑。復(fù)雜地層鉆進需要根據(jù)地層的漏失、破碎坍塌、膨脹性及應(yīng)力變化等特征有針對性的添加處理劑或配置專項方案。

圖2 ?76/?95mm擴孔導(dǎo)向接頭Fig.2 ?76/?95mm reaming guide connector

圖3 ?95/?130mm擴孔導(dǎo)向接頭Fig.3 ?95/?130mm reaming guide connector

深孔復(fù)雜地層為保證孔內(nèi)安全、提高鉆進效率，一般需要配制專用沖洗液，如破碎地層防坍塌、水敏性地層抑制膨脹、漏失地層配置堵漏沖洗液、抗高溫沖洗液等（孫丙倫等，2008）。有時需要根據(jù)地層壓力調(diào)整沖洗也比重，配制欠平衡鉆井液或者大比重鉆井液等。深孔復(fù)雜地層鉆進一般要求沖洗液具有以下性能特征：具有一定的空隙封堵特性，以減少泥漿對地層的滲透；具有較低的失水特性，以減少強水敏性地層的水化膨脹；具有合適的密度，以平衡地層壓力，減少液柱與地層的壓差；具有較強的抑制性，抑制強水敏性造漿地層顆粒的水化分散，保證沖洗液性能穩(wěn)定；具有優(yōu)良的流變性與潤滑性，保證沖洗液的攜帶巖粉能力和潤滑鉆具性能，提高鉆進效率（張統(tǒng)得等，2012）。深孔鉆進特別強調(diào)使用泥漿需要有較好的分散性能，還需要采用固控技術(shù)嚴格控制沖洗液性能，確保沖洗液質(zhì)量與孔內(nèi)安全。

3.4 應(yīng)力測量

與鉆孔施工有關(guān)的地應(yīng)力測量方法常用的有水壓致裂應(yīng)力測量和套芯應(yīng)力解除法應(yīng)力測量兩種方法。

（1）水壓致裂法印模定向?qū)嶒?。一是按相關(guān)技術(shù)標準存放巖芯并做相應(yīng)的記錄（如巖性鑒定、RQD詳細統(tǒng)計等），通過孔深校正及巖心分析合理選擇應(yīng)力測量位置，為地應(yīng)力測量和監(jiān)測選擇深度提供可靠資料。二是清理并保證測量孔段符合要求，做好相關(guān)技術(shù)和設(shè)備方面的準備，以便及時解決現(xiàn)場施工和配合過程中出現(xiàn)的問題。包括：鉆機及配套設(shè)備，?42mm單根長度大于4m、跨接式封隔器及能夠承受高壓且密封性好的膠管和鉆桿以及保障現(xiàn)場試驗工作用水和用電等。三是做好測量儀器檢測和試驗，保證使用的可靠性，包括壓力器、壓力傳感器及流量表，壓力生成器和記錄設(shè)備，裂縫方位探測儀（含印模器、定向儀）等。四是做好應(yīng)力測試工作，包括①將跨接式封隔器至于選定深度位置，并加以2～4MPa的壓力以對測試段封隔；②對測試段加壓進行初始定性滲透性檢測（脈沖實驗）；③將流量維持在預(yù)先設(shè)定的恒定狀態(tài)下，給試驗段增壓；④壓力達到破裂壓力值時，停泵但不排出壓裂液；⑤裂隙重張；⑥測試結(jié)束后，釋放測試段及封隔器中的壓力，使封隔器收縮，移動到下一個測試段。

（2）套芯應(yīng)力解除法應(yīng)力測量。一是做好準備工作，包括確定質(zhì)量操作程序、設(shè)備儀器功能檢查與校準、粘合劑測試、清洗下孔工具等；二是掌控好測量過程。包括：①76mm直徑鉆孔鉆至測試位置，利用刨削工具對孔底進行研磨；②鉆36mm直徑前導(dǎo)孔，取出巖心以便檢查，沖洗鉆孔清除鉆屑；③準備測量用的應(yīng)變計并將應(yīng)變計粘接，將應(yīng)變計放入安裝設(shè)備并放入孔中；④將頂端具有應(yīng)變片的應(yīng)變計放入前導(dǎo)孔中，通過插銷將應(yīng)變計自安裝設(shè)備中釋放，插銷中固定有羅盤，可確定應(yīng)變計的方位。通過頭椎體施壓將應(yīng)變片粘貼于前導(dǎo)孔璧；⑤外提安裝設(shè)備則應(yīng)變計被固定；⑥留一個夜晚時間使膠變硬。套芯解除應(yīng)變計并通過內(nèi)置的數(shù)據(jù)記錄儀記錄數(shù)據(jù)；⑦套芯應(yīng)力測試完后斷開巖心并將套管中的巖心提出。

3.5 監(jiān)測儀器安裝

水壓致裂地應(yīng)力測量完成后，再用?76/Φ95mm和?95/?130mm金剛石內(nèi)導(dǎo)向鉆具分兩級擴孔鉆進至預(yù)定深度（擴孔深度根據(jù)S76金剛石繩索取心鉆進取出的巖心完整度確定），用?114mm或?130mm錐形金剛石磨孔鉆頭磨孔0.15m，換?130/?91mm或?130/?110mm金剛石外導(dǎo)向鉆具擴孔0.50m（具體擴孔鉆探深度在工程施工過程中根據(jù)設(shè)計技術(shù)要求可能有所調(diào)整），用于地應(yīng)力監(jiān)測儀器安裝。

4 結(jié)語

（1）地應(yīng)力鉆孔在設(shè)計上要著重考慮項目特點，尤其在鉆孔結(jié)構(gòu)層級、擴孔需求、成孔細節(jié)（擴孔同心度、測試位置孔徑尺寸等）要求、配合應(yīng)力測試等方面要細化到位。尤其是大多數(shù)地應(yīng)力鉆孔需要在孔內(nèi)安裝監(jiān)測儀器，進行長期的地應(yīng)力監(jiān)測工作，需要保證鉆孔壁的穩(wěn)定性。

（2）地應(yīng)力鉆孔施工為提高效率和保證孔內(nèi)安全需要使用技術(shù)套管，技術(shù)套管長度和附著地層條件不一，合理的技術(shù)措施能夠保證技術(shù)套管安裝穩(wěn)定并能安全使用，最終能夠順利起拔，避免孔內(nèi)事故和影響儀器安裝。

（3）深層地應(yīng)力鉆孔鉆遇地層也較為復(fù)雜，鉆孔層級多，開孔口徑大，一般綜合應(yīng)用多種鉆探技術(shù)，需要提前設(shè)計好鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆進工藝及取心技術(shù)以及鉆井液配置方案，并在施工中密切監(jiān)測地層變化、嚴格控制鉆井液質(zhì)量，并及時調(diào)整工藝，才能保障順利實施。

（4）擴孔技術(shù)是監(jiān)測儀器安裝質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，必須嚴格技術(shù)措施。應(yīng)力測量和監(jiān)測儀器安裝是應(yīng)力孔施工的最終目標，熟悉技術(shù)要求、做好準備工作和技術(shù)措施檢查到位是質(zhì)量保證的關(guān)鍵。

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Key Technology Analysis on Stress Borehole Operating

QIN Junsheng1, TAN Chengxuan2, LIU Chunsheng3
(1. Beijing Geology Prospecting and Developing Bureau, Beijing 100195; 2. Institute of geomechanics of CAS, 100081; 3. Beijing Geological Engineering Design Institute, Beijing 101500)

After the Wenchuan Great Earthquake, the stress research has been paid attention more and more, and the stress boreholes are being increased in practice. According to multiple projects’ practice, this paper summarizes some key problems in stress borehole operating, and introduces some notices, for example, the stress borehole should be designed according to the end hole’s diameter, monitoring equipments should be installed according to the stratigraphic conditions. From the aspects of ensuring safety for technique casing pipe and pulling out pipe, the enlarging hole technique ensured to equipments installation, selection and control of flushing fluid, stress monitoring, this paper discusses and summarizes the operating technique characteristics and experiences, which can provide some guide for same projects.

Drilling technology; Stress; Borehole; Monitoring hole; Operating technology

TU452

A

1007-1903（2016）04-0054-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.010

王維逸（1987- ），男，主要從事地?zé)岬刭|(zhì)、水文地質(zhì)研究。E-mail：13581792897@163.com