謝實(shí)宇，謝柳楊

（長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司，湖北武漢430074）

云南滇中引水工程超深水平孔鉆探實(shí)踐與技術(shù)探討

謝實(shí)宇*，謝柳楊

（長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司，湖北武漢430074）

水平鉆孔成孔是工程地質(zhì)勘察常遇技術(shù)難題之一，尤其是在金沙江上游泥盆系的灰?guī)r、白云巖和板巖，地層巖石層理破碎，層厚一般達(dá)數(shù)十米，加之物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)特殊，鉆進(jìn)過程中孔壁易垮塌卡鉆或埋鉆，而導(dǎo)致鉆探難度大、周期長(zhǎng)、成本高、取芯質(zhì)量差，如何合理選擇鉆探工藝往往就成為解決問題的關(guān)鍵。結(jié)合滇中引水工程超深水平孔鉆探實(shí)踐，探討了超深水平孔鉆探工藝與取芯等問題，嘗試采用獨(dú)特施工工藝與自主研發(fā)專用糾斜器，較成功地解決了破碎地層鉆進(jìn)困難與取芯之鉆探技術(shù)難題，不僅為本工程勘察設(shè)計(jì)提供了重要技術(shù)支撐，同時(shí)也為類似條件下其它工程鉆探積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

超深水平孔；鉆探與取樣；施工工藝；專用糾斜器

1 概述

云南滇中引水工程水源地壩址位于云南省迪慶州德慶縣奔子欄鎮(zhèn)和四川省甘孜州得榮縣交界處境內(nèi)，地處金沙江上游段，河床地面黃海高程1800m，本次勘探因受地形、地質(zhì)條件的限制，用水平孔鉆孔替代勘探平硐，其目的是盡快查明壩址岸坡巖性組成、河床基巖面形態(tài)等，為預(yù)可研階段水源比選及壩址比選工作提供完整可靠的基礎(chǔ)地質(zhì)資料；查明各建筑物建基巖體、邊坡、地下硐室圍巖穩(wěn)定條件，為設(shè)計(jì)的樞紐布置提供可靠詳實(shí)的地質(zhì)依據(jù)。

本工程地質(zhì)勘察是在水源地阿拉貢壩址右岸和左岸布置水平鉆孔2個(gè)，設(shè)計(jì)孔深：qzk1#孔250m和bzk15#孔300m，本工程之前我院承擔(dān)的水平孔較少，先前在金沙江烏東德水電站、怒江巖桑樹水電站所完成的水平孔均在孔深200m內(nèi)，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)較少，對(duì)水平孔的施工工藝及操作環(huán)節(jié)研究不多；因此，本次qzk1#孔（孔深250m）和bzk15#孔（設(shè)計(jì)孔深300m）是對(duì)我院的勘探技術(shù)挑戰(zhàn)，鉆探工作實(shí)施過程中將遇破碎層，不僅鉆進(jìn)成孔十分困難，而且鉆頭、巖芯管等消耗極大，鉆孔的孔斜度的控制都是施工中的難點(diǎn)。在實(shí)施過程中上述問題一度陷入困境；地層巖性軟弱、易破碎，難以取得符合地質(zhì)與試驗(yàn)要求的芯樣。為此，我院結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，專門組織了鉆探技術(shù)攻關(guān)，成功完成bzk15#孔，超目標(biāo)完成設(shè)計(jì)孔深，終孔孔深：310.60m，并取得了良好效果。

2 水平孔成孔工藝及技術(shù)特點(diǎn)

水平鉆孔成孔是水平孔鉆進(jìn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它是利用鉆桿的自然彎曲度和自制專用偏斜器使鉆孔按照設(shè)計(jì)的孔斜度定向鉆進(jìn)到預(yù)定目標(biāo)層位和孔深。

2.1 水平孔的施工工藝

2.1.1 鉆機(jī)

鉆機(jī)是保證鉆孔質(zhì)量、進(jìn)度的重要因素，鉆機(jī)的選擇要考慮到施工環(huán)境、搬遷難易程度、施工場(chǎng)地以及設(shè)計(jì)的孔深、孔徑大小、原位測(cè)試和聲波彩電、地應(yīng)力測(cè)試和鉆機(jī)性能及可操作性等，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，我院采用重探xy-2鉆機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)：可拆性好便于搬遷、穩(wěn)定性強(qiáng)便于起下鉆具；缺點(diǎn)：孔徑不能滿足?91mm鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)孔深，起拔力較弱。

2.1.2 鉆機(jī)安裝、開孔和鉆進(jìn)

鉆機(jī)的安裝直接影響鉆孔操作、成孔、孔斜率和巖心的獲取，為此，安裝鉆機(jī)按以下程序進(jìn)行。

場(chǎng)地的平整：采用測(cè)量?jī)x器對(duì)孔位進(jìn)行放樣，根據(jù)設(shè)計(jì)鉆孔軸線和鉆機(jī)動(dòng)力軸線中心線確定地平高度，澆筑基礎(chǔ)并根據(jù)鉆機(jī)機(jī)腳固定螺桿。

當(dāng)水泥凝固后進(jìn)行安裝，按設(shè)計(jì)鉆孔軸線和鉆孔中心高固定鉆機(jī)機(jī)體，按鉆機(jī)安裝步驟進(jìn)行固定。

調(diào)整鉆機(jī)方位角和傾角：水平鉆孔鉆進(jìn)時(shí)因鉆具自身影響鉆具前部下墜，會(huì)造成鉆孔偏斜，開孔角度應(yīng)在安裝時(shí)根據(jù)情況確定合理孔斜度，在施工時(shí)根據(jù)測(cè)斜度結(jié)果適時(shí)調(diào)整和糾斜。

開孔：開孔時(shí)先將自制的鉆具扶持器固定在孔口，用測(cè)量?jī)x校對(duì)鉆具、回轉(zhuǎn)器、主動(dòng)鉆桿軸線在一條線上，采取輕壓慢轉(zhuǎn)，當(dāng)鉆頭全部進(jìn)入巖石之后轉(zhuǎn)速、壓力變?yōu)檎Ｖ怠?/p>

鉆進(jìn)：隨著孔深的不斷增加，鉆進(jìn)時(shí)孔壁與鉆具、鉆桿摩擦力隨之變大，鉆桿扭矩也越來越大，鉆桿扭斷、絲扣、接頭損壞時(shí)有發(fā)生，提下鉆變得費(fèi)力、緩慢，孔內(nèi)事故率增大，因此，必須加強(qiáng)防范，杜絕事故發(fā)生。

2.1.3 測(cè)斜及糾斜

測(cè)斜：隨著水平孔成孔鉆進(jìn)中鉆具受自身重力影響，鉆具容易下沉，導(dǎo)致下傾角增大，因此，必須不間斷進(jìn)行測(cè)斜、糾斜，已保證鉆孔的水平，本鉆孔采用CX-8C型水平測(cè)斜儀。

糾斜：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)斜值確定糾斜，針對(duì)鉆孔偏斜的方向與偏斜量而言，方法較多，一般選用以下方法：

（1）孔口平面位移法。即通過孔口鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)器調(diào)整，使立軸偏心，促使孔底鉆頭作用力點(diǎn)轉(zhuǎn)移而達(dá)到導(dǎo)偏的效果，這主要靠鉆桿的鋼度來達(dá)到目的，這一方法在淺孔時(shí)效果較好，孔深了就效果大大減弱。

（2）減短鉆具糾斜法。即將鉆具減至1～1.5m，采用鉆進(jìn)平面位移或鉆機(jī)基座加減墊板法和軸向壓力使孔底鉆具上部靠孔壁，底部鉆具偏向另一方向達(dá)到糾偏目的，這一方法不易掌握，需有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員親自操作。

（3）導(dǎo)管找直法。即用小一級(jí)的套管（通管）下至孔底在孔口找正，穩(wěn)固，用小徑鉆具導(dǎo)孔，導(dǎo)正后擴(kuò)孔，繼續(xù)推進(jìn)。

加工自制導(dǎo)偏器，即加工一偏斜的偏斜器，角度在1°左右，下入孔底后確定方位，用特殊材料卡牢后導(dǎo)偏，這一方法效果明顯。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

根據(jù)鉆孔任務(wù)書要求，鉆孔深度及巖石的物理機(jī)械性質(zhì)和鉆進(jìn)方法合理確定鉆孔結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同巖性確定相應(yīng)參數(shù)，具體參數(shù)見表1。

表1 鉆孔結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

2.3 水平孔成孔技術(shù)特點(diǎn)

（1）起下鉆困難：當(dāng)鉆進(jìn)一回次進(jìn)尺時(shí)，在提鉆時(shí)需克服鉆具、鉆桿和鉆機(jī)本身重力外，還要克服與孔壁摩擦力，需要大馬力的動(dòng)力，為此，在操作過程中應(yīng)降低一擋來滿足提升；在下鉆過程中需要安裝導(dǎo)向滑車改變拉力方向，在推動(dòng)鉆桿進(jìn)入鉆孔過程中，也要克服與孔壁摩擦力，容易造成鉆桿彎曲、折斷，更加劇動(dòng)力負(fù)擔(dān)。

（2）施工安全隱患大：水平孔成孔鉆桿承受壓力大，特別是裸露在孔外的鉆桿，最容易彎曲、扭斷，極易傷及工作人員。

（3）對(duì)鉆桿質(zhì)量要求高：水平孔成孔過程中，鉆桿除帶動(dòng)鉆具克取巖石外，還要擔(dān)負(fù)鉆頭軸向壓力及孔壁間的摩擦力、調(diào)整方向、沖洗液的傳輸及頂進(jìn)力，承受破碎巖石的震動(dòng)和沖擊載荷。

3 鉆遇難題

3.1 破碎層鉆進(jìn)過程

在順利完成左岸qzk1#水平孔鉆探作業(yè)后，基于qzk1#孔揭露破碎帶厚度、塌孔孔段之情況，初步估計(jì)右岸水平鉆孔bzk15##鉆進(jìn)難度較大、穿過該破碎帶層困難，特別是通過塌孔段較難，而采取左岸水平孔孔類似鉆探工藝，存在明顯差別，主要體現(xiàn)在破碎帶層厚度大（達(dá)26m），破碎帶孔段在孔深50～76m，護(hù)壁難度大。正是由于對(duì)右岸水平孔鉆探地質(zhì)條件、作業(yè)難度的估計(jì)不足，導(dǎo)致了鉆探進(jìn)度緩慢、鉆桿、鉆具消耗大。鉆進(jìn)過程中先后使用了水泥封孔、跟管鉆進(jìn)護(hù)壁、單動(dòng)雙管鉆具作業(yè)，其基本情況如下：

（1）水泥封孔。采用普通單管鉆進(jìn)到一定深度后，采用鉆桿導(dǎo)管法灌注水泥漿，水灰比1∶1,但水平孔灌漿孔段不好分段密閉，灌漿壓力有限，導(dǎo)致水泥漿充滿全孔，封孔段鉆孔水泥充塞一半，沒有起到效果，由此可見，水泥封孔只能用于垂直鉆孔。

（2）跟管鉆進(jìn)。水泥封孔沒達(dá)到目的，改用?91mm單動(dòng)雙管鉆具鉆進(jìn)（使用雙管鉆具目的是為了取好破碎帶巖芯），?130mm普通單管鉆具擴(kuò)孔，這一工藝效果比較好，作業(yè)過程中，破碎帶巖芯全部取出，可滿足地質(zhì)要求，跟管擴(kuò)孔也將塌孔段隔住，鉆進(jìn)可以持續(xù)繼續(xù)進(jìn)行。

3.2 完整孔段鉆進(jìn)

在通過破碎帶孔段后，改用?91mm單動(dòng)雙管鉆具鉆進(jìn)，其目的是盡可能獲取擾動(dòng)輕微或未擾動(dòng)、符合地質(zhì)與試驗(yàn)要求的巖土樣本是工程地質(zhì)勘察對(duì)鉆探工作的基本要求，故在該段鉆探工作主要是快速通過，而對(duì)鉆孔而言則要確保取芯質(zhì)量，本次成功完成bzk15#孔，終孔孔深310.60m。

4 影響水平孔孔斜率的因素和應(yīng)對(duì)措施

4.1 地層巖性因素

巖石是鉆孔直接作業(yè)對(duì)象，巖石的強(qiáng)度、風(fēng)化程度、巖體的完整性、裂隙破碎程度和其他結(jié)構(gòu)面的空間組合，巖石的均勻性都是直接影響鉆孔的平直和偏斜程度。Bzk15#鉆孔地層巖性主要為灰?guī)r、白云巖、板巖等，影響孔斜的主要是灰?guī)r破碎層。

4.2 機(jī)械設(shè)備影響因素

在充分考慮水源區(qū)壩址的地理環(huán)境和巖石特性、地質(zhì)任務(wù)書及技術(shù)要求，選擇鉆機(jī)須綜合考慮其穩(wěn)定性、導(dǎo)向性、可拆性以及各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足300m以上鉆孔要求，為此我們綜合考慮選配重探xy-2鉆機(jī)，它可滿足本孔技術(shù)要求。

4.3 操作影響因素

一切先進(jìn)的設(shè)備和施工工藝需要靠人來操作完善，操作者直接影響鉆孔成功與否，嚴(yán)格的操作規(guī)范和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)是取得鉆孔成敗的主要因素，因此操作因素的影響是重要和復(fù)雜的。

4.4 防斜措施的影響因素

地質(zhì)因素是客觀存在的，不可避免的，工藝技術(shù)因素是可以人為控制的，只要通過加強(qiáng)管理，針對(duì)性的設(shè)計(jì)鉆具組合，合理配置鉆孔級(jí)配來降低孔斜率，采用專業(yè)的測(cè)斜設(shè)備校核孔斜，并用自制糾斜工具進(jìn)行糾斜，消除或限制工藝技術(shù)因素對(duì)孔斜的影響，從而達(dá)到防斜目的。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）云南滇中引水水源區(qū)壩址工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，巖石物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鉆進(jìn)困難、成本較高，破碎地層取芯難，塌孔護(hù)壁較難均是一度困惑鉆探人員的技術(shù)難題。

（2）我院鉆探技術(shù)人員針對(duì)上述情況、結(jié)合既往經(jīng)驗(yàn)、認(rèn)真分析研究、深入探索實(shí)踐，采用跟管鉆進(jìn)和單動(dòng)雙管鉆具鉆進(jìn)相結(jié)合、優(yōu)化配套鉆探工藝，保證了破碎層鉆進(jìn)過程中孔壁穩(wěn)定，避免了卡埋鉆孔內(nèi)事故，減少了鉆頭和鉆具的磨損消耗，有效降低了勘探成本，大幅提高了鉆探效率；同時(shí)，利用既有材料、結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，自主研制了糾斜工具，大大地提高了鉆孔水平值，采用單動(dòng)雙管鉆具鉆進(jìn)，提高了取芯質(zhì)量，為地質(zhì)分析與巖土試驗(yàn)提供了保障。

（3）水平孔鉆進(jìn)和垂直孔鉆進(jìn)相比，對(duì)設(shè)備、施工技術(shù)和操作人員技能要求高，成孔難度大，隨著孔深不斷增加，輔助時(shí)間更長(zhǎng)，孔內(nèi)事故發(fā)生幾率大。因此，對(duì)水平孔鉆進(jìn)技術(shù)，施工工藝進(jìn)行歸納、總結(jié)，具有重要意義。本工程水平孔成功解決取芯不易等鉆探技術(shù)難題，不僅為本工程勘察設(shè)計(jì)及后續(xù)施工建設(shè)奠定了重要基礎(chǔ)，而且也為類似地層巖性條件下其它工程地質(zhì)鉆探作業(yè)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1]王光明，熊德全，金沙江其宗水電站水平孔鉆進(jìn)技術(shù)[J].探礦技術(shù)，2011，38（4）.

[2]周云，王家祥.譚朝爽滇中引水工程可行性研究勘測(cè)工作大綱[R].長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司（武漢），2012.

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1004-5716(2015)06-0069-03

2014-11-21

2014-11-24

謝實(shí)宇（1970-），男（漢族），湖北天門人，高級(jí)工程師，研究方向：鉆探工藝。