川藏鐵路千米級(jí)水平孔繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)與應(yīng)用

羅顯粱，徐正宣，吳金生，黃曉林，石紹云，蔣 炳，劉建國(guó)

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都 611734；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

0 前言

隨著我國(guó)川藏鐵路、滇藏鐵路、新藏鐵路等一系列重大工程的逐步實(shí)施，長(zhǎng)大深埋隧道不斷增多，隧道地質(zhì)勘探需求不斷加大，然而這些工程往往位于高原高山峽谷地區(qū)，勘探難度巨大(徐正宣等，2021)。川藏鐵路位于青藏高原東緣，全線共有隧道198條，其中特長(zhǎng)隧道46條，鐵路沿線山高谷深，地形高差大，隧道長(zhǎng)、埋深大，構(gòu)造極其發(fā)育，巖性復(fù)雜，利用傳統(tǒng)垂直鉆孔進(jìn)行勘探面臨高山上設(shè)備難以搬遷、取樣資料有限等難題(馬映輝等，2021；肖華等，2021)。在隧道傍山段或溝谷內(nèi)布置水平鉆孔，沿著隧道洞身段進(jìn)行水平孔取心鉆進(jìn)，能夠直觀獲取深部巖體樣本，并可在深孔內(nèi)開(kāi)展相關(guān)原位測(cè)試工作，獲取最準(zhǔn)確最直觀的地質(zhì)參數(shù)信息(張恒春等，2020；吳紀(jì)修等，2021)。目前，在需要全孔取心的水平孔中，較為常見(jiàn)的取心方式為繩索取心，相較于其他普通取心方式，繩索取心具有純鉆時(shí)間利用率高、巖心保存完好、孔內(nèi)事故少以及工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)勢(shì)(李柏軍等，2019；王圣勇，2019)。因此，開(kāi)展千米級(jí)水平孔繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)研究，對(duì)于解決長(zhǎng)距離隧道勘探的難題，避免隧道開(kāi)挖時(shí)巖爆、涌水突泥、高溫?zé)岷Α⒂泻怏w等多種地下災(zāi)害的發(fā)生具有十分重要的意義。

1 鉆進(jìn)設(shè)備與工具

1.1 鉆機(jī)及泥漿泵的優(yōu)選

在千米級(jí)水平定向孔中，由于自身重力的因素，鉆桿和鉆具整體貼在鉆孔的底部，再加上鉆孔較深，鉆進(jìn)時(shí)鉆桿與孔壁之間的摩擦力較大(常江華等，2012)。在鉆進(jìn)斷層、軟弱夾層、破碎帶、節(jié)理發(fā)育層時(shí)，如果鉆機(jī)動(dòng)力不足，將無(wú)法處理可能出現(xiàn)的卡鉆、垮塌等孔內(nèi)復(fù)雜情況(陽(yáng)廷軍，2017)。因此，針對(duì)千米級(jí)水平定向孔高效施工要求，鉆機(jī)必須具備足夠的動(dòng)力，動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速、扭矩等能夠滿足施工需要。目前國(guó)內(nèi)使用的部分大功率定向鉆機(jī)包括以下幾種，其型號(hào)及性能參數(shù)見(jiàn)表1，施工時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選用。

表1 部分鉆機(jī)性能參數(shù)表

在水平孔取心鉆進(jìn)中，泥漿泵除了常規(guī)鉆進(jìn)中泵送泥漿的作用外，最重要的作用還在于輸送鉆具和打撈器到孔底，如果鉆孔較深，則要求泵必須有足夠的壓力和流量。目前地質(zhì)鉆探上常用的大功率泥漿泵主要包括BW250/6、BW300/16以及BW320/12型，其性能參數(shù)見(jiàn)表2。針對(duì)千米級(jí)繩索取心鉆進(jìn)，推薦選用BW300/16型泥漿泵，該泵具有壓力高、泵量可調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，適用于不同深度、不同口徑的繩索取心鉆進(jìn)。同時(shí)，由于其泵壓高的特點(diǎn)，在涌水孔段，對(duì)于快速推送內(nèi)管、泵送水泥漿或堵漏材料固井、壓井，具有較好優(yōu)勢(shì)。

表2 泥漿泵性能參數(shù)表

1.2 鉆進(jìn)工具的優(yōu)選

1.2.1 鉆頭與鉆桿

在長(zhǎng)距離水平孔取心鉆進(jìn)過(guò)程中，提大鉆換鉆頭會(huì)耽誤大量工時(shí)，且極大增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。為提高取心鉆頭機(jī)械鉆速和使用壽命，選擇合適的鉆頭極為重要(劉海聲等，2019)。孕鑲金剛石鉆頭在軟-中硬地層中鉆進(jìn)時(shí)，具有鉆速快、進(jìn)尺多、壽命長(zhǎng)、抗壓能力大、抗磨能力強(qiáng)、抗沖擊能力較好等特點(diǎn)，在中硬-堅(jiān)硬地層鉆進(jìn)時(shí)，其性能也優(yōu)于大多數(shù)普通鉆頭(徐華和易世友，2012；王昶皓等，2019)?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，根據(jù)施工區(qū)巖石研磨性與可鉆性強(qiáng)弱，可對(duì)鉆頭的水口、切削齒形狀以及胎體硬度等進(jìn)行優(yōu)選，以巖石硬度5～6級(jí)、層理發(fā)育及巖石研磨性較強(qiáng)的地層為例，推薦其主要鉆頭選型見(jiàn)表3。

表3 金剛石鉆頭選擇表

在需要繩索取心的水平孔鉆進(jìn)時(shí)，為了方便取心鉆具順利在鉆桿內(nèi)壁進(jìn)出，鉆桿內(nèi)壁必須光滑，所以采用無(wú)接頭的內(nèi)平鉆桿，鉆桿采用雙頂錐螺紋連接(魏歡歡等，2019)。同時(shí)，由于在水平孔中，鉆桿與孔壁之間的摩擦力較大，鉆進(jìn)時(shí)很容易對(duì)鉆桿造成磨損，所以要求制造鉆桿的材料具有較高的強(qiáng)度和耐磨性(魏歡歡和殷新勝，2011)。鉆桿采用整體熱處理，鉆桿疲勞強(qiáng)度高，密封性能好，高強(qiáng)度繩索取心鉆桿樣品如圖1所示。

圖1 高強(qiáng)度繩索取心鉆桿Fig.1 Coring drill pipe with high-strength wireline

1.2.2 繩索取心內(nèi)管總成及打撈器

針對(duì)川藏鐵路千米級(jí)水平孔繩索取心鉆進(jìn)需要，研究水平孔用繩索取心鉆具，水平繩索內(nèi)管總成如圖2所示，打撈器結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于鉆具和打撈器靠水力輸送到孔底，在鉆具內(nèi)管總成和打撈器上要安裝密封壓力環(huán)，讓鉆具內(nèi)管總成和打撈器在水力的作用下能夠順利到達(dá)孔底，密封環(huán)見(jiàn)鉆具總成中的10、打撈器中的8。密封環(huán)的外徑小于鉆桿內(nèi)徑0.5～1 mm，同時(shí)，打撈器的重量要輕，還要保證在輸送過(guò)程中保持水平位置，不能由于前后偏重造成無(wú)法輸送(和鵬鵬，2011；李占鋒，2016)。

圖2 繩索取心鉆具總成Fig.2 Assembly of rope core drilling tool1-撈矛頭；2-定位銷(xiāo)；3-矛頭座；4-彈性銷(xiāo)；5-連接板；6-彈卡板；7-彈卡板；8-球閥；9-彈卡架；10-密封活塞；11-懸掛環(huán)；12-調(diào) 節(jié)螺母；13-主軸；14-軸承；15-主軸彈簧；16-內(nèi)管接頭；17-閥壓蓋；18-卡簧1-fishing spear head;2-positioning pin;3-spear head seat;4-elastic pin;5-connecting plate;6-elastic plate;7-elastic plate;8-ball valve;9-clamping frame;10-sealed piston;11-suspension ring;12-adjusting nut;13-spindle;14-bearing;15-spindle spring;16-inner pipe joint; 17-valve gland;18-circlip

圖3 繩索內(nèi)管打撈器Fig.3 Rope inner tube salvage device1-小軸；2-軸承；3-平墊圈；4-繩接頭；5-鎖緊螺母；6-轉(zhuǎn)換接頭；7-活塞拉桿；8-密封活塞;9-彈性銷(xiāo)；10-鋼球；11-撈鉤架；12-撈 鉤彈簧；13-打撈鉤；14-圓形銷(xiāo)；15-導(dǎo)向套；16-彈性銷(xiāo)；17-固定鉤1-small shaft;2-bearing;3-flat washer;4-rope joint;5-lock nut;6-conversion joint;7-piston rod;8-sealed piston;9-elastic pin;10-steel ball;11-fishing hook holder;12-fishing hook spring;13-fishing hook;14-round pin;15-guide sleeve;16-elastic pin;17-fixed hook

2 鉆孔施工工藝設(shè)計(jì)

2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)與鉆具組合設(shè)計(jì)

鉆孔結(jié)構(gòu)是影響鉆孔施工和完井測(cè)試安全的重要因素，特別是在長(zhǎng)距離水平孔中，鉆孔結(jié)構(gòu)的合理性、安全性是鉆孔成敗的關(guān)鍵。根據(jù)鉆探區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、鉆探工藝技術(shù)狀況以及鉆探目的等，依據(jù)有利于安全、優(yōu)質(zhì)、高效鉆進(jìn)和取準(zhǔn)、取全地質(zhì)資料的原則進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

針對(duì)需要全孔取心的千米級(jí)水平孔，推薦采用三開(kāi)孔身結(jié)構(gòu)，預(yù)留四開(kāi)結(jié)構(gòu)，所有開(kāi)次盡量向深鉆進(jìn)，不得以才更換口徑和開(kāi)次。水平孔鉆進(jìn)時(shí)極易產(chǎn)生井斜，采用大直徑鉆桿防斜，鉆桿直徑越大，剛性越好，防斜效果越好。一開(kāi)采用Φ145 mm提鉆取心鉆進(jìn)，鉆穿覆蓋層后，下入Φ139.7 mm套管，采用內(nèi)插法進(jìn)行固井，并安裝孔口裝置(張金昌等，2012；奎中和黃晟輝，2018；李正前等，2018)。二開(kāi)采用Φ122 mm繩索取心鉆進(jìn)，Φ114 mm繩索取心鉆桿，取心鉆進(jìn)至500～600 m，封隔前部涌水段或破碎帶等，本開(kāi)次施工結(jié)束后將Φ114 mm鉆桿留在孔內(nèi)作為套管。三開(kāi)采用Φ96 mm繩索取心鉆進(jìn)，Φ91 mm繩索取心鉆桿，盡可能取心鉆進(jìn)至終孔。在遇到孔內(nèi)復(fù)雜情況下，Φ96 mm口徑繩索取心鉆進(jìn)難以至終孔時(shí)，可以采用Φ76 mm口徑繼續(xù)四開(kāi)鉆進(jìn)，取心鉆進(jìn)至終孔。設(shè)計(jì)孔身結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)孔身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of hole body structure

繩索取心鉆進(jìn)鉆具的選擇和組合是提高鉆孔質(zhì)量、確保巖心采取率和提高鉆探效益的極為重要的一環(huán)(易亞?wèn)|，2020)。根據(jù)水平孔施工特點(diǎn)，推薦選用S122、S96系列繩索鉆具，其組合為：動(dòng)力頭+專(zhuān)用接頭+繩索母接手+繩索鉆桿+繩索公接手+彈卡擋頭+彈卡室+繩索外管+擴(kuò)孔器+金剛石鉆頭(王政敏和陳方，2008)。內(nèi)管組合：巖心管+內(nèi)管總成。在鉆遇特別堅(jiān)硬的地層時(shí)，如遇鉆頭破巖能力不足、進(jìn)尺較慢等情況，可以配套液動(dòng)沖擊器使用，將繩索取心和液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的優(yōu)勢(shì)相互結(jié)合，防止巖心堵塞，增加回次進(jìn)尺，降低孔斜，尤其是在堅(jiān)硬致密的打滑地層中鉆進(jìn)，可成倍提高鉆進(jìn)效率(石生明和朱永寧，2009；鄭思光和劉繼東，2013)。

2.2 鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)

正常情況下，在一定范圍內(nèi)機(jī)械鉆速隨鉆壓的增大而增加，但因孔底碎巖機(jī)理的不同，可能也會(huì)產(chǎn)生相反的效果(程成等，2020)。繩索取心鉆頭唇面較大，需要適當(dāng)較大的鉆壓，但鉆壓太大會(huì)加快鉆頭上金剛石的消耗速度，反而造成機(jī)械鉆速降低(馬智躍等，2019)。垂直孔的施工過(guò)程中，由于鉆桿本身的重力較大，超過(guò)了正常鉆進(jìn)所需鉆壓，通常需要采用減壓的方式鉆進(jìn)，因此鉆桿柱主要受拉力，鉆桿不易彎曲，鉆孔不易偏斜。水平孔鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿平躺在孔內(nèi)，不僅無(wú)法提供鉆壓，還會(huì)與孔壁產(chǎn)生較大的摩擦力，需要通過(guò)鉆機(jī)加壓來(lái)實(shí)現(xiàn)正常的鉆進(jìn)，在這個(gè)過(guò)程中鉆桿主要受壓力，鉆桿易彎曲從而造成孔斜，特別是鉆遇節(jié)理密集帶、斷層等特殊地層時(shí)更需要注意(常江華，2014)。因此，為提高機(jī)械鉆速，同時(shí)預(yù)防鉆孔偏斜，在千米級(jí)水平孔鉆進(jìn)過(guò)程中，可以適當(dāng)減小繩索取心鉆頭唇面面積，在保證正常鉆進(jìn)的條件下，采用較低的鉆機(jī)給進(jìn)力，一般在10到12 kN之間，隨著鉆進(jìn)深度的增加，需要克服的摩擦阻力增大，給進(jìn)力可以適當(dāng)提高至12～15 kN。

想要提高機(jī)械鉆速，除了保持適當(dāng)?shù)你@壓之外，取心鉆頭還需要有足夠高的轉(zhuǎn)速。但隨著鉆孔深度的逐漸增加，特別是超過(guò)1000 m之后，鉆桿柱的重力太大，高轉(zhuǎn)數(shù)不僅要求鉆機(jī)具有高功率，同時(shí)也會(huì)對(duì)鉆桿造成較大的損傷，因此轉(zhuǎn)速也需要按照實(shí)際情況選擇一個(gè)合適的值(鄭宇軒等，2018)。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，表鑲金剛石鉆頭的線速度在1.0～2.0 m/s之間為宜，孕鑲金剛石鉆頭的線速度在1.5～3.0 m/s之間為宜。

根據(jù)川藏鐵路千米級(jí)水平孔工況，泥漿除了常規(guī)的攜帶巖屑、冷卻潤(rùn)滑鉆頭鉆具、穩(wěn)定井壁以及傳遞水壓力等作用之外，還會(huì)對(duì)鉆孔的軌跡產(chǎn)生影響，合適的泥漿量有利于鉆孔軌跡的控制。若泥漿量太少，無(wú)法攜帶出孔內(nèi)全部的巖屑，堆積的巖屑床會(huì)使得鉆孔向上偏斜；若泥漿量太大，孔內(nèi)比較干凈，在鉆桿柱重力的影響下，鉆孔可能會(huì)向下偏斜。由于需要進(jìn)行取心作業(yè)，為提高輸送效率，在輸送和打撈巖心管時(shí)，可以適當(dāng)增大泥漿泵的泵量。川藏鐵路千米級(jí)繩索取心水平孔推薦鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)表

2.3 繩索取心工藝

繩索鉆具鉆速高、取心速率快、時(shí)間利用率高、機(jī)組工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，極大程度地保證了鉆孔質(zhì)量和工期(董超等，2014；許啟云等，2014)。水平繩索取心作業(yè)流程為下鉆—水力投送內(nèi)管—取心鉆進(jìn)—投送內(nèi)管打撈器—打撈內(nèi)管—取心作業(yè)。投送內(nèi)管時(shí)，內(nèi)管在鉆桿內(nèi)下行運(yùn)動(dòng)，因鉆孔彎曲或鉆桿內(nèi)不規(guī)則等情況，容易造成內(nèi)管總成運(yùn)行阻卡，通過(guò)鉆桿回轉(zhuǎn)或上下活動(dòng)，便于內(nèi)管到位。當(dāng)內(nèi)管投送到位時(shí)，泵壓會(huì)升高，柴油機(jī)負(fù)荷變大，聲音變大，但鉆孔較深時(shí)，現(xiàn)象可能會(huì)不明顯，建議此時(shí)繼續(xù)泵送一段時(shí)間，以確保內(nèi)管到位(宋繼偉等，2020)。打撈內(nèi)管時(shí)，投下內(nèi)管打撈工具，連接送繩器，絞車(chē)為自由狀態(tài)，依靠泵壓推動(dòng)打撈器下行，注意觀察絞車(chē)運(yùn)行狀態(tài)，避免鋼絲繩不同步而被拉斷。當(dāng)打撈器停止下行時(shí)，開(kāi)動(dòng)絞車(chē)，緩慢啟動(dòng)，看是否撈住內(nèi)管總成，再正常打撈內(nèi)管。

繩索取心鉆具鉆桿與孔壁之間的環(huán)狀間隙小，所以在鉆進(jìn)時(shí)鉆壓應(yīng)相應(yīng)提高，以克服鉆具與孔壁的摩擦阻力(彭奮飛等，2020)。在鉆進(jìn)中如泵壓忽然升高，說(shuō)明發(fā)生了巖心堵塞現(xiàn)象，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)進(jìn)行巖心打撈。采用繩索取心鉆進(jìn)工藝，巖心的采取率普遍較高，對(duì)破碎地層應(yīng)采取“少打多撈”原則，防止巖心堵塞鉆頭而將巖心磨損掉，影響采取率(劉波等，2013)。

3 泥漿護(hù)壁技術(shù)措施

3.1 泥漿技術(shù)要求

水平孔鉆進(jìn)時(shí)會(huì)鉆遇各種不同的巖性，本文以板巖及斷層角礫巖為例。板巖通常具有明顯的層理結(jié)構(gòu)，伴隨區(qū)域斷裂發(fā)育，在鉆進(jìn)中受鉆柱的回轉(zhuǎn)敲擊、起下鉆抽吸等作用，易發(fā)生沿層理面剝落坍塌，而斷層角礫巖則會(huì)在泥漿的長(zhǎng)時(shí)間浸泡下發(fā)生水化分散垮塌，造成孔內(nèi)復(fù)雜情況，因此要求泥漿具有一定的防塌護(hù)壁功能(朱旭明等，2021)。

對(duì)于超長(zhǎng)水平定向孔，隨著鉆進(jìn)深度的增加，鉆柱和孔壁之間會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦阻力，而受此摩擦力的影響，會(huì)對(duì)正常鉆進(jìn)造成三個(gè)不良影響：一是鉆壓無(wú)法及時(shí)傳遞到鉆頭上，造成鉆進(jìn)效率大大降低；二是鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)阻力大大增加，加重了鉆機(jī)負(fù)荷；三是加劇了鉆具的磨損，造成鉆具壽命大大降低(鄭文龍等，2019)。因此，在超長(zhǎng)水平鉆孔施工中，要求泥漿必須具有較強(qiáng)的潤(rùn)滑性能，降低摩擦阻力，提高鉆進(jìn)效率。

鉆進(jìn)工藝主要采用繩索取心鉆進(jìn)，受鉆具結(jié)構(gòu)及環(huán)狀間隙影響，需要泥漿保持較低的含砂量和較低的粘切，以降低對(duì)鉆具的損耗及循環(huán)壓耗。同時(shí)，超長(zhǎng)水平孔鉆進(jìn)區(qū)域多處于高山森林等生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，要求鉆井施工盡可能降低對(duì)環(huán)境的污染，泥漿各項(xiàng)處理劑需具有一定的環(huán)保性，堅(jiān)決杜絕處理劑使用有毒有害物質(zhì)，同時(shí)對(duì)廢棄泥漿處理也要滿足環(huán)保要求。

3.2 泥漿體系設(shè)計(jì)

3.2.1 覆蓋層泥漿

覆蓋層地層較破碎，巖性以塊石土、碎石土為主，取出巖心如圖5所示，應(yīng)適當(dāng)提高泥漿粘切，加強(qiáng)體系的膠結(jié)防塌性能，建議泥漿漏斗粘度維持在20～40 s，pH值維持在9～11。鉆探過(guò)程中對(duì)泥漿處理劑的消耗量較大，要按時(shí)測(cè)量泥漿性能，及時(shí)對(duì)泥漿材料進(jìn)行補(bǔ)充。推薦泥漿配方為：2%～3%膨潤(rùn)土+5%純堿(土重)+0.01%～0.03% PHP+0.2%～0.5%植物膠+0.01%～ 0.02% NaOH，使用過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

圖5 覆蓋層巖心Fig.5 Overburden core

3.2.2 完整地層無(wú)固相泥漿

在完整地層，取出的巖心以長(zhǎng)柱狀為主，如圖6所示。為了提高鉆進(jìn)效率，加快施工進(jìn)度，以及減少泥漿成本，采用無(wú)固相泥漿體系。該泥漿體系具有低粘度、低切力以及攜巖排粉能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，并且配制方法簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。泥漿漏斗粘度不大于25 s，pH值維持在8～10，推薦泥漿配方為：水+0.05%-0.1% PHP + 0.1%-0.5%特效潤(rùn)滑劑。

圖6 完整地層巖心Fig.6 Complete formation core

3.2.3 破碎地層泥漿

鉆進(jìn)破碎帶地層時(shí)，巖心形狀如圖7所示。需要時(shí)刻監(jiān)控泥漿的失水造壁性以及封堵防塌性，避免垮塌掉塊等孔內(nèi)事故的發(fā)生。推薦泥漿配方為：3%膨潤(rùn)土+5%純堿(土重)+0.3%～0.5% LV-CMC+1%～2% SPNH+0.5%～2%聚合醇JLX+1%～3% KCl+1%～2%特效潤(rùn)滑劑，泥漿性能參數(shù)見(jiàn)表5。該體系主要特點(diǎn)是具有較低的失水量，同時(shí)具有較強(qiáng)的封堵防塌效果。在使用中主要采用LV-CMC及SPNH進(jìn)行失水量控制，一旦地層破碎情況比較嚴(yán)重，應(yīng)提高其加量，降低失水量，以形成優(yōu)質(zhì)泥餅。同時(shí)，提高聚合醇和KCl的加量，在巖石表面形成致密封堵層，有效封堵不同滲透性及微裂縫板巖、斷層角礫巖等地層，大大提高對(duì)地層的物理防塌效果。

圖7 破碎帶巖心Fig.7 Core of fracture zone

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 基本情況

選用GXD-5S型鉆機(jī)及BW300/16型泥漿泵，將千米級(jí)水平孔繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在川藏鐵路卡子拉山一號(hào)水平孔進(jìn)行應(yīng)用。鉆探場(chǎng)地位于中-高山峽谷地帶，該水平孔穿過(guò)端泥隆斷裂和讓闊斷裂。鉆孔整體位于三疊系上統(tǒng)雅江組二段地層，巖性出露變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖及斷層角礫巖等。調(diào)查附近鉆孔巖心情況，該套巖心易出現(xiàn)餅化現(xiàn)象，鉆孔周?chē)鷰r石因應(yīng)力釋放出現(xiàn)縮徑，導(dǎo)致鉆進(jìn)中套管不能下到位、內(nèi)管沖擊水不能正常排出，送打撈設(shè)備困難，耽擱鉆進(jìn)時(shí)間，延長(zhǎng)輔助時(shí)間等。

表5 泥漿性能參數(shù)

4.2 施工情況

本孔于2020年7月26日13∶00一開(kāi)開(kāi)鉆，8月26日鉆穿覆蓋層結(jié)束一開(kāi)鉆進(jìn)，一開(kāi)Φ145 mm井眼，施工孔段0～48.00 m。8月29日12∶00二開(kāi)開(kāi)鉆,9月30日14∶10二開(kāi)完鉆，二開(kāi)Φ122 mm井眼，施工孔段48.00～588.00 m。二開(kāi)施工中，鉆遇地層涌水嚴(yán)重，通過(guò)孔口涌水分離導(dǎo)流裝置等措施保證了正常施工。10月2日11∶30三開(kāi)開(kāi)鉆,10月10日下鉆至610 m處垮孔堵塞循環(huán)通道，憋泵，進(jìn)行掃孔通孔，地質(zhì)判斷鉆遇斷裂層，11月8日17∶30三開(kāi)完鉆。三開(kāi)Φ95.5 mm井眼，施工孔段588.00～974.15 m，通過(guò)優(yōu)化鉆具組合、上一級(jí)鉆桿留在孔內(nèi)作為套管以及聚丙烯酰胺等處理劑的使用等綜合手段克服了地層破碎水敏水化。11月12日14∶00四開(kāi)開(kāi)鉆，鉆頭外徑75.5 mm，擴(kuò)孔器直徑75.8 mm，兩者差距較小，導(dǎo)致過(guò)水通道較小，造成施工過(guò)程中泵壓較高，泵送打撈矛時(shí)泵壓約為3.5 MPa，泵送巖心管時(shí)泵壓約為4.5 MPa，鉆進(jìn)過(guò)程中泵壓最大值達(dá)到7 MPa，12月2日7∶30四開(kāi)完鉆，四開(kāi)Φ75.5 mm井眼，施工孔段974.15.00～1212.00 m。完鉆孔身結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 完鉆孔身結(jié)構(gòu)Fig.8 Finished drilling body structure

4.3 應(yīng)用效果

本孔鉆進(jìn)周期2492 h(折合103.83天，3.46臺(tái)月)，其中純鉆時(shí)間392.63 h，占總臺(tái)時(shí)15.76%；取巖心時(shí)間1112.07 h，占總臺(tái)時(shí)44.63%；起大鉆時(shí)間278.5 h，占總臺(tái)時(shí)11.18%；測(cè)斜及特種作業(yè)時(shí)間80.5 h，占總臺(tái)時(shí)3.23%；輔助時(shí)間520.3 h，占總臺(tái)時(shí)20.88%；故障時(shí)間108 h，占總臺(tái)時(shí)4.33%。全孔進(jìn)尺1212.00 m，平均機(jī)械鉆速3.09 m/h，實(shí)際臺(tái)月效率350.29 m/臺(tái)月。全孔時(shí)效分析如圖9所示。

圖9 全孔時(shí)效分析圖Fig.9 Full-hole aging analysis diagram

鉆進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)加長(zhǎng)粗徑鉆具以剛保直、減小環(huán)空間隙以滿保直以及換徑導(dǎo)向鉆具的使用等措施有效預(yù)防了陡傾巖層井斜，每鉆進(jìn)50 m測(cè)量孔斜一次。完鉆測(cè)試井底頂角80.93°，頂角變化9.07°，每100 m頂角變化約為0.76°，全孔施工過(guò)程中方位角在設(shè)計(jì)方位角左右1°范圍內(nèi)波動(dòng)，基本無(wú)變化，完全滿足施工設(shè)計(jì)要求，孔身質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)優(yōu)秀。

針對(duì)巖心采取率，在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，除了覆蓋層平均巖心采取率只有93.29%，即使是鉆遇大型斷裂破碎層，巖心采取率也高達(dá)98.00%，全孔平均巖心采取率為97.76%，完全滿足施工設(shè)計(jì)中完整基巖巖心采取率不小于85%的要求，巖心采取率極高。

利用千米級(jí)水平孔繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)，優(yōu)質(zhì)高效完成了1212 m水平繩索取心定向鉆孔施工任務(wù)，孔身質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)優(yōu)秀。鉆孔水平穿越三千萬(wàn)方巨型滑坡，查明陡傾巖層3條斷層和19處節(jié)理破碎帶，克服了嚴(yán)重涌水(60 m3/h)、地層破碎水敏水化、陡傾巖層井斜等難題，提供全孔原狀巖心，為地質(zhì)查明洞身結(jié)構(gòu)和測(cè)井通道提供支撐。鉆孔施工剖面如圖10所示。

圖10 DZ-卡子拉一號(hào)-定向試驗(yàn)-01剖面圖Fig.10 Profile 01 of DZ-Kazila No.1 orientation test1-巖堆；2-砂質(zhì)板巖；3-變質(zhì)砂巖；4-斷裂帶；5-節(jié)理密集帶；6-孔位1-rock pile;2-sandy slate;3-metamorphic sandstone;4-fracture zone;5-concentrated joint zone;6-hole location

5 結(jié)論

(1)針對(duì)川藏鐵路隧道勘察難題，通過(guò)優(yōu)選鉆進(jìn)設(shè)備與工具，鉆進(jìn)工藝設(shè)計(jì)與泥漿技術(shù)措施制定，提供了一套千米級(jí)水平孔繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)。

(2)將千米級(jí)水平孔繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在川藏鐵路卡子拉山一號(hào)水平孔進(jìn)行應(yīng)用，成功完成了1212 m水平繩索取心定向鉆孔施工任務(wù)，查明陡傾巖層3條斷層和19處節(jié)理破碎帶，全孔平均巖心采取率高達(dá)97.76%，鉆孔各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良。

(3)千米級(jí)水平孔繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)能夠滿足深埋大隧道的勘探需求，直觀查明隧道洞身段地層巖性、陡傾巖層構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等情況，為高原高寒高山峽谷地區(qū)鐵路勘查設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。