地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆進(jìn)效率統(tǒng)計與分析研究

張建杰，李海明，劉春生，段石敦

（北京市礦產(chǎn)地質(zhì)研究所，北京 101500）

0 引言

20 世紀(jì)30 年代，美國墾務(wù)局在哈佛大壩泄水隧道采用表面應(yīng)力解除法進(jìn)行了世界首次地應(yīng)力測量。20 世紀(jì)50 年代，瑞典人Hast 在斯堪的納維亞半島進(jìn)行了大規(guī)模的地應(yīng)力測量試驗(yàn)，首次測得淺部地層水平應(yīng)力高于垂直應(yīng)力［1-2］。20 世紀(jì)60 年代以后，地應(yīng)力測量得到了迅速的發(fā)展，受到了世界各國的廣泛關(guān)注，地應(yīng)力測量理論和方法呈現(xiàn)多樣化發(fā)展趨勢。

我國地應(yīng)力測量試驗(yàn)和研究開始于20 世紀(jì)50年代后期，李四光和陳宗基為主創(chuàng)始人［1-2］。20 世紀(jì)60 年代，李四光教授開始引進(jìn)壓磁電感法地應(yīng)力測量監(jiān)測方法，在河北省隆堯縣堯山建立了第一個地應(yīng)力監(jiān)測臺站，開始連續(xù)監(jiān)測地應(yīng)力相對變化和地震的關(guān)系，并在理論上取得了重大進(jìn)展［3-4］。在其后的幾十年間，我國的地應(yīng)力測量技術(shù)及應(yīng)用研究得到了迅速的發(fā)展，并將地應(yīng)力測量技術(shù)和方法應(yīng)用于地震預(yù)測預(yù)報和國家重大工程建設(shè)等領(lǐng)域，取得了大量研究成果［5-7］。

但與世界發(fā)達(dá)國家相比，我國在地應(yīng)力測量與監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、測量與監(jiān)測的深度還不夠等［5］。近十余年來，我所實(shí)施了大量地應(yīng)力測量與監(jiān)測鉆探工程項(xiàng)目，施工地點(diǎn)分布在全國多個省份，為構(gòu)建和完善地應(yīng)力測量與實(shí)時監(jiān)測臺網(wǎng)，揭示關(guān)鍵構(gòu)造部位現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)隨深度變化規(guī)律，不斷提高地應(yīng)力測量與監(jiān)測技術(shù)水平提供了有力的技術(shù)支撐。

1 地應(yīng)力監(jiān)測孔簡介

地應(yīng)力測量方法包括壓磁應(yīng)力解除法、空芯包體應(yīng)力解除法、水壓致裂法、鉆孔崩落法、巖石聲發(fā)射法等。其中，水壓致裂法是在巖體中鉆一個垂直的孔，將其封住后向孔中注入高壓液體，直至這個孔產(chǎn)生裂縫。巖體中主應(yīng)力大小和方向可以根據(jù)巖石的力學(xué)性質(zhì)、裂縫方位及出現(xiàn)裂縫的壓力來確定［8-9］?？梢?，要完成地應(yīng)力測量與監(jiān)測工作，最為基礎(chǔ)又很重要的一個工作就是施工地應(yīng)力監(jiān)測孔，以提供地應(yīng)力測量與監(jiān)測的基礎(chǔ)場所。

地應(yīng)力監(jiān)測孔一般布置在以完整花崗巖為主的地層，巖石可鉆性級別為8～10 級。首先要按地應(yīng)力測量和實(shí)時監(jiān)測要求完成一定深度的鉆探工程，然后開展地應(yīng)力實(shí)時監(jiān)測適宜深度的擴(kuò)孔工作，以及隨深度系統(tǒng)的地應(yīng)力測量和實(shí)時監(jiān)測工作。地應(yīng)力監(jiān)測孔對鉆孔垂直度、基巖地層綜合取心率、鉆孔同心度、鉆孔孔徑誤差、擴(kuò)孔尺寸誤差等技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)要求較高，以保證地應(yīng)力測量及儀器安裝的效果，還需按相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存放巖心并做詳細(xì)編錄。

地應(yīng)力監(jiān)測孔一般采用三開結(jié)構(gòu)，開孔段用? 150 mm 鉆頭開孔，隨后用?130 mm 鉆頭鉆進(jìn)至一定深度，最終運(yùn)用?76 mm 鉆頭鉆至設(shè)計深度。鉆進(jìn)至設(shè)計孔深后，開展水壓致裂地應(yīng)力測量試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定監(jiān)測儀器安裝深度，然后完成地應(yīng)力監(jiān)測儀器的安裝工作。最后，在監(jiān)測孔所在位置建設(shè)監(jiān)測站，監(jiān)測屋的尺寸要滿足一定要求，監(jiān)測站周圍安裝好防護(hù)設(shè)施，后期有專人對監(jiān)測站進(jìn)行維護(hù)，以保證監(jiān)測站的正常運(yùn)行。地應(yīng)力監(jiān)測孔結(jié)構(gòu)及監(jiān)測站示意見圖1。

圖1 地應(yīng)力監(jiān)測孔結(jié)構(gòu)及監(jiān)測站示意Fig.1 Structure of geostress monitoring hole and monitoring station

2 地應(yīng)力監(jiān)測孔施工鉆探設(shè)備及工藝

2.1 鉆探設(shè)備

地應(yīng)力監(jiān)測孔一般孔深都在1000 m 以淺，根據(jù)監(jiān)測孔深度和口徑及施工條件，地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆探施工一般選用設(shè)備見表1，具體選用的設(shè)備根據(jù)孔深適當(dāng)做出調(diào)整。

表1 主要鉆探設(shè)備Table 1 Main drilling equipment

2.2 鉆進(jìn)工藝

2.2.1 取心方法

為保證監(jiān)測孔的巖心采取率、鉆孔垂直度、同心度和孔徑等技術(shù)參數(shù)，滿足地應(yīng)力測量與監(jiān)測要求，采用上部提鉆取心，下部繩索取心鉆進(jìn)形式［10］。在鉆進(jìn)施工過程中，開孔采用?150 mm 金剛石普通單管鉆具鉆進(jìn)至完整基巖，下入?146 mm 套管后，采用?130 mm 單動雙管鉆具鉆進(jìn)至一定深度，換? 130/95 mm 金剛石外導(dǎo)向鉆具鉆進(jìn)至適當(dāng)深度后下入?89 mm 技術(shù)套管，再采用S76 mm 金剛石繩索取心鉆具鉆進(jìn)至設(shè)計深度。完成鉆進(jìn)取心任務(wù)后，再進(jìn)行試驗(yàn)配合、擴(kuò)孔和監(jiān)測儀器安裝等工作。

2.2.2 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

鉆進(jìn)過程中，不同區(qū)域鉆遇地層情況會有所差別，具體的鉆進(jìn)參數(shù)可參照《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》（DZ/T 0227—2010）及相關(guān)區(qū)域經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)實(shí)際的地層情況和鉆進(jìn)方法、監(jiān)測孔口徑選擇合理的鉆進(jìn)參數(shù)。

2.2.3 沖洗液

開孔用?150 mm 金剛石普通單管鉆具鉆進(jìn)至較完整地層之前，為保證鉆孔穩(wěn)定，防止孔壁坍塌，使用優(yōu)質(zhì)粘土泥漿。見基巖后?130 mm 和?76mm 孔段鉆進(jìn)中，由于地層較為完整，故使用清水鉆進(jìn)，在微漏地層使用PHP 無固相沖洗液。

3 鉆進(jìn)效率統(tǒng)計分析

3.1 鉆進(jìn)時間及效率統(tǒng)計

近十余年來，我單位在國內(nèi)多個省份施工地應(yīng)力監(jiān)測孔累計數(shù)十眼，取得了豐富的生產(chǎn)數(shù)據(jù)資料，部分具有代表性的孔深為600 m 的地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆進(jìn)孔深及鉆進(jìn)時間和效率見表2［11-14］。

表2 600 m 深地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆進(jìn)時間及效率統(tǒng)計Table 2 Statistics of drilling time and efficiency of 600m deep geostress monitoring hole

經(jīng)統(tǒng)計，600 m 深地應(yīng)力監(jiān)測孔全部鉆探工作完成平均總臺時1666 h，其中平均純鉆時間285 h，占總時間的17.11%；平均輔助時間251 h，占總時間的15.07%；平均停待及事故時間201 h，占總時間的12.06%；平均其他工作時間929 h，占總時間的55.76%（圖2）。鉆進(jìn)過程中，平均機(jī)械鉆速為2.11m/h，平均臺月效率為588.73 m，平均鉆月效率為259.96 m。

圖2 600 m 深地應(yīng)力監(jiān)測孔不同鉆探時間占比Fig.2 The proportion of different drilling time of 600m deep geostress monitoring hole

3.2 鉆進(jìn)效率分析

通過對不同地區(qū)地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆探數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，可以看出其他工作時間和停待及事故時間波動較大，而純鉆和輔助時間變化較為平穩(wěn)（圖3）。

圖3 不同地區(qū)地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆探時間變化Fig.3 Change of drilling time of geostress monitoring holes in different regions

（1）其他工作時間占比較大，平均達(dá)到了55.76%，且在不同地區(qū)波動較大。原因是由于配合孔內(nèi)水壓致裂地應(yīng)力測量試驗(yàn)時間較長，該項(xiàng)工作進(jìn)度主要受地應(yīng)力測量進(jìn)度的影響，地應(yīng)力測量試驗(yàn)時間延長會導(dǎo)致完工時間推遲。另外，與地應(yīng)力測量工作完成后擴(kuò)孔及儀器安裝是否順利也有關(guān)系。

（2）平均停待及事故時間占比為12.06%，在不同地區(qū)差異較大。主要原因是不同地區(qū)地層條件有所不同，如鉆遇巖心較為破碎，鉆進(jìn)過程中發(fā)生和處理孔內(nèi)事故幾率增加，會相對增加鉆進(jìn)時間，從而使臺月效率和鉆月效率也相應(yīng)降低。

（3）平均輔助時間占比為15.07%。地應(yīng)力監(jiān)測孔對鉆孔孔徑、孔深測量和鉆孔垂直度要求高，鉆進(jìn)過程中檢查更換鉆頭、孔深校正和鉆孔測斜次數(shù)增多使得輔助時間相應(yīng)增加。

（4）平均機(jī)械鉆速、臺月效率都比較高，分別為2.11 m/h、588.73 m。原因是鉆進(jìn)地層整體相對比較完整，選用鉆頭與地層硬度比較匹配，鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)比較合理。但是，平均鉆月效率比較低，只有259.96 m，主要是因?yàn)榕浜显囼?yàn)、擴(kuò)孔和安裝儀器等其他工作時間較長，占用了整個工程時間的50%以上，降低了鉆月效率。

3.3 提高鉆進(jìn)效率的建議

根據(jù)以上分析及我所多年的施工經(jīng)驗(yàn)，要進(jìn)一步提高地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆進(jìn)效率，建議做好以下幾方面的工作。

（1）做好監(jiān)測孔選址工作。為了更好地滿足地應(yīng)力測量的需求，便于后期地應(yīng)力長期監(jiān)測，地應(yīng)力監(jiān)測孔位置一般應(yīng)選在地層較為完整的花崗巖地區(qū)。在監(jiān)測孔選址前，要充分收集監(jiān)測區(qū)域的基礎(chǔ)地質(zhì)資料，并進(jìn)行對比分析和研究，在此基礎(chǔ)上做好場地實(shí)地踏勘工作，盡量選擇利于監(jiān)測孔施工的位置。適合的位置既便于后期鉆探施工，也便于后期監(jiān)測站的建設(shè)與維護(hù)，隨之也提高了鉆進(jìn)效率。

（2）規(guī)范鉆進(jìn)操作過程。明確機(jī)臺各崗位的職責(zé)，機(jī)長為現(xiàn)場施工負(fù)責(zé)人，直接負(fù)責(zé)現(xiàn)場的施工組織，班長、鉆工、炊事員等人員要聽從機(jī)長的指揮。開工前認(rèn)真做好安全和技術(shù)方面交底，交底內(nèi)容應(yīng)包括鉆探工藝和安全規(guī)程，尤其生產(chǎn)人員要熟悉鉆進(jìn)過程中采用的鉆進(jìn)方法及參數(shù)，操作設(shè)備時要嚴(yán)格遵守操作規(guī)程［15-17］。做好交接班工作，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，鉆具、鉆桿、孔深、孔內(nèi)情況及原始記錄等要交接清楚，避免因交接不清造成孔內(nèi)事故的發(fā)生。加強(qiáng)各班組及組內(nèi)成員之間的協(xié)調(diào)配合，以提高時間利用率。

（3）強(qiáng)化安全管理工作。生產(chǎn)安全事故對監(jiān)測孔鉆探效率的影響無疑將是無法預(yù)期和估量的，安全工作應(yīng)作為地應(yīng)力監(jiān)測孔施工的重中之重。施工過程中進(jìn)行崗前安全專門培訓(xùn)，新工人必須在班長或熟練工人指導(dǎo)下進(jìn)行操作，每天及時檢查并解決存在的問題。機(jī)臺人員工作時必須穿戴工作服和安全帽，在塔上工作時必須系安全帶。鉆探操作嚴(yán)格執(zhí)行鉆探操作規(guī)程及有關(guān)安全管理制度，防止人身、機(jī)械、孔內(nèi)、鉆探質(zhì)量等方面的事故發(fā)生。另外，地應(yīng)力監(jiān)測孔位于沿海地區(qū)的，要做好大風(fēng)及臺風(fēng)防范措施，時刻關(guān)注天氣變化和預(yù)報。

（4）加強(qiáng)鉆探技術(shù)管理。地應(yīng)力監(jiān)測孔對鉆孔垂直度、巖心采取率、鉆孔孔徑等技術(shù)質(zhì)量要求較高，在鉆進(jìn)過程中要有針對性的技術(shù)管理措施。做好開孔前的準(zhǔn)備工作，鉆機(jī)安裝要水平、周整，底座固定牢固，開孔要反復(fù)校正立軸垂直度，確保立軸頂角誤差不得超過0°20'［18］。鉆進(jìn)過程中，每50 m 測斜一次，特殊情況下及時測斜，發(fā)現(xiàn)超斜要及時糾斜。根據(jù)監(jiān)測孔孔徑和地層特性選擇參數(shù)適合的金剛石鉆頭，每次提鉆仔細(xì)檢查金剛石鉆頭的磨損情況，鉆頭和擴(kuò)孔器磨損要及時更換［19］。通過加強(qiáng)對以上幾個關(guān)鍵步驟的技術(shù)管理，能夠有效保證監(jiān)測孔鉆探質(zhì)量，避免因技術(shù)管理問題導(dǎo)致鉆進(jìn)效率降低。

（5）優(yōu)化鉆進(jìn)工藝流程。我所經(jīng)過多年的地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆探實(shí)踐，摸索出了一些有效提高地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆進(jìn)效率和質(zhì)量的工藝方法。地應(yīng)力監(jiān)測孔由?130 mm 孔徑變徑為?76 mm 孔徑時，下入?89 mm 技術(shù)套管再進(jìn)行S76 mm 金剛石繩索取心鉆進(jìn)，有效地保護(hù)了孔壁，提高了鉆進(jìn)效率和質(zhì)量。擴(kuò)孔段采用?76/95 mm 和?95/130 mm 兩級金剛石擴(kuò)孔鉆進(jìn)技術(shù)，擴(kuò)孔鉆進(jìn)阻力減小，鉆探設(shè)備負(fù)荷降低，提高了擴(kuò)孔鉆進(jìn)效率，同時保證了監(jiān)測孔的同心度和垂直度［19-20］。

（6）提升試驗(yàn)配合水平。做好地應(yīng)力測量試驗(yàn)相關(guān)技術(shù)和設(shè)備方面的準(zhǔn)備，準(zhǔn)備好單根長度大于4 m、能夠承受高壓且密封性好的?42 mm 鉆桿，用于水壓致裂地應(yīng)力測量，提供現(xiàn)場試驗(yàn)工作用水和用電。供電要求380 V 動力電，功率不小于30 kW?，F(xiàn)場試驗(yàn)配合過程中，每臺班不少于5 人，主要操作人員必須熟練和平穩(wěn)地操作鉆機(jī)，通過鉆桿升降井下測量設(shè)備，安全、準(zhǔn)確地把測量和監(jiān)測儀器安裝到要求的深度（圖4、圖5）［11-14］。試驗(yàn)準(zhǔn)備工作做的充分，配合試驗(yàn)的操作人員技能熟練，能夠保障試驗(yàn)及儀器安裝工作的順利完成，提高試驗(yàn)的效率。

圖4 水壓致裂印膜試驗(yàn)Fig.4 Hydraulic fracturing printing film test

圖5 地應(yīng)力監(jiān)測儀器安裝Fig.5 Installation of geostress monitoring instrument

4 結(jié)語

地應(yīng)力測量與監(jiān)測技術(shù)在地震預(yù)報、地殼穩(wěn)定性研究、工程建設(shè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆探工作任務(wù)也隨之增加，現(xiàn)有的鉆探設(shè)備和工藝基本能夠滿足地應(yīng)力測量與監(jiān)測的技術(shù)需求，鉆探技術(shù)服務(wù)地應(yīng)力研究取得了一定的成績。

今后的鉆探工作中，應(yīng)堅持貫徹綠色低碳發(fā)展理念，在降低鉆探成本，提高鉆進(jìn)效率的同時，研究綠色鉆探新工藝和新技術(shù)，不斷提升地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆探技術(shù)水平，更好地支撐地應(yīng)力測量與監(jiān)測技術(shù)研究。