肖華，劉建國，徐正宣，馬映輝

（1.四川省地質礦產勘查開發(fā)局四〇二地質隊金鉆公司，四川成都611743；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都610031）

0 引言

川藏鐵路號稱“世紀工程”，是人類歷史上極具挑戰(zhàn)性的鐵路建設工程，作為我國中東部地區(qū)進入西藏自治區(qū)的大通道，其戰(zhàn)略意義重大。工程所處川西高原平均海拔高、生態(tài)脆弱、人煙稀少、交通不便，特別是橫斷山脈原始森林茂盛、地形切割大、地質構造復雜。特有的地質、地理條件給川藏鐵路勘察帶來了很大的難度和挑戰(zhàn)［1］。依據工程勘察和為保護生態(tài)環(huán)境、踐行綠色勘察［2］需要，超長水平取心鉆探在新建川藏鐵路勘察中應運而生。

新建川藏鐵路橋隧占比高達80%以上［3］，超長水平取心鉆孔主要服務于鐵路隧道勘察，目的是先行了解隧道巖層完整性、地質構造及水文地質情況，對有毒有害氣體進行探測，為鐵路建設工程設計提供原始數(shù)據和實物資料。

2019年10月19日—2020年1月4日，我單 位 在新建川藏鐵路某隧道勘察項目完成了孔深903.28 m的超長水平取心鉆孔，刷新了國內工勘同類水平鉆孔孔深紀錄。本文就該孔鉆探設備的選型與改進、鉆進工藝、水平鉆孔繩索取心等方面的探索進行總結，以期為同類型工程項目提供參考。

1 工程概況

1.1 地理環(huán)境

工區(qū)位于四川省甘孜州境內，海拔3250 m，距雅江縣城約60 km，距國道G318線約12 km。區(qū)內植被茂盛，地形切割強烈，設備進出場需修筑1.6 km簡易小道和搭建4座便橋。設備物資運輸和生產后勤保障比較困難。

1.2 地質情況

工區(qū)鉆孔位于布西斷層附近。斷層破碎帶寬約20～30 m，從東到西可分為劈理化帶（寬約12 m），碳化帶（寬約10 m），碎裂巖化帶（寬約8 m）。斷層錯斷雅江組一段地層，為右行平移斷層，斷層兩盤出露巖性以灰色中層-塊狀（夾薄層）變質細-中粒巖屑石英砂巖、變質長石巖屑砂巖、變質泥質粉砂巖為主夾深灰、黑色粉砂質絹云板巖。

施工中，鉆孔鉆遇巖石主要有板巖、砂巖、變質砂巖和砂質板巖。砂巖和板巖互層呈現(xiàn)。大部分地層巖石較完整，硬度中等，研磨性中等。部分孔段巖石破碎、鉆進困難。

1.3 鉆孔目的及要求

鉆孔設計孔深600 m，設計傾角0°，目的是查明鉆孔揭露地段地層巖性、地質構造、巖體完整性、水文地質情況、地溫地應力情況，對有毒有害氣體進行探測等。主要有以下要求：

（1）施鉆過程中每鉆進50 m測量孔斜一次，鉆孔頂角偏差≯3°/100 m。

（2）地表塊石土堆積層巖心采取率≮80%，斷層破碎帶≮75%，完整基巖巖心采取率≮85%。

（3）為保證試驗及采樣的要求，終孔孔徑≮75 mm。

（4）及時編錄、采取巖樣水樣等。

（5）及時觀測鉆孔水位、水溫、涌水量和水頭高度等。

（6）鉆探機組須配合完成物探測井和其他測試。

2 超長水平鉆探工藝技術研究與應用

應用于工程勘察中的水平鉆孔孔深大多在500 m以內。例如滇中引水工程水平鉆孔深310.60 m［4］、建德抽水蓄能電站水平鉆孔深350 m［5］、大崮山石灰石礦水平鉆孔深420 m左右［6］。我們已完成的水平、近水平鉆孔深度一般在400～600 m。

根據鉆孔設計深度和施工要求，結合區(qū)內地層復雜、交通不便等因素，就鉆機選型與改進、鉆孔結構、取心工藝、鉆進參數(shù)等方面［7-11］進行分析研究和總結如下。

2.1 鉆探設備

2.1.1 設備選型

根據鉆孔設計、不同類型巖心鉆機結構特點和施工經驗，本次鉆探選擇珠海市英格爾特種鉆探設備有限公司生產的EP600Plus型便攜式全液壓鉆機，見圖1，其性能參數(shù)見表1。該型鉆機采用模塊化設計，結構緊湊，鉆進能力強、質量輕、易搬遷、拆裝便捷，適合高海拔交通不便的工區(qū)。另外，該鉆機可通過快速更換動力頭馬達來調節(jié)鉆機轉速和扭矩范圍，有利于整機能力的額外提升。

2.1.2 鉆機改進

2.1.2.1 定制動力頭馬達

圖1 原裝EP600Plus型便攜式全液壓鉆機Fig.1 EP600Plus portable fully hydraulic drilling rig

表1 EP600Plus型鉆機主要參數(shù)Table 1 Main parameters of EP600Plus drilling rig

根據該超長鉆孔鉆進回轉扭矩需要，考慮到EP600Plus型鉆機原配動力頭馬達扭矩略小。在對鉆機性能參數(shù)、液壓系統(tǒng)的工作原理的分析研判基礎上，認為該鉆機扭矩在原配動力頭馬達的基礎上仍有較大提升空間。而后在廠家的幫助下，定制了3個不同轉速的大扭矩動力頭馬達（性能參數(shù)見表2），鉆進能力超過了原鉆機的最大理論設計值，實際應用效果非常好。

表2 馬達性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of the motor

2.1.2.2 加裝支撐架

EP600Plus型鉆機原設計施工傾角為45°～90°。鉆機桅桿與地面的夾角受制于下方泥漿泵、打撈絞車的存在而不能繼續(xù)減小，因而無法施工更小傾角的鉆孔（見圖2）。充分研究其結構和工作原理后，我們在原鉆機機架部位前后分別加裝了高度0.5 m的支撐架（見圖3），將鉆機桅桿和鉆機動力頭導軌整體抬高，從而使鉆機桅桿和動力頭導軌處于水平狀態(tài)時不會影響泥漿泵和絞車的正常工作。同時，由于機體的整體抬升而更加方便孔口員工的操作。調節(jié)后部支撐架高度可使鉆進傾角在0°～45°內變化，從而使鉆機具備0°～90°任意傾角的施工能力。

圖2 原鉆機示意Fig.2 The existing drilling rig

圖3 加裝支撐架后的鉆機示意Fig.3 The drilling rig with the support frame

2.1.3 鉆機固定

EP600Plus型鉆機原配機臺底座由8根4000 mm×150 mm×150 mm規(guī)格的機臺木組成。利用打地錨（一般在底座前部，鉆孔旁邊）固定底座后用鐵鏈將鉆機與底座連接的方式固定鉆機。該方式一般適用于45°～90°鉆孔。水平鉆孔在鉆進、提拔和下鉆過程中，鉆機受到沿鉆孔方位的作用力后，易前后移動。故需要加強前后方向對底座和鉆機的約束才能保證其安裝牢固。通過采用工字鋼底座與鉆機機架螺栓連接，且底座前后向下打地錨，地錨與工字鋼相聯(lián)的方式有效解決了鉆機的固定問題，同時也有利于支撐架的安裝（見圖4）。

圖4 鉆機固定示意Fig.4 Fixation of the drilling rig

2.2 鉆孔結構與套管程序

根據地質情況和施工經驗，鉆孔結構設計為P、H、N、B規(guī)格四徑，其中BTW（?60 mm）口徑為技術儲備口徑。

鉆孔實際結構及套管程序如下：

（1）開孔口徑PQ（?122 mm），PQ金剛石繩索取心鉆進至25 m時見完整基巖，在孔深30 m處停鉆下PQ鉆桿作為井口管。

（2）換徑采用HTW（?95 mm）薄壁金剛石繩索取心鉆進至孔深50 m時孔內出現(xiàn)涌水，鉆進至孔深336 m停鉆，下HTW鉆桿作套管隔離孔內涌水。

（3）自孔深336 m換徑，采用NTW（?75 mm）薄壁金剛石繩索取心鉆具和NQ規(guī)格單管取心鉆具鉆進至終孔。

實際鉆孔結構見圖5。

2.3 鉆進參數(shù)及注意事項

2.3.1 鉆進參數(shù)

水平鉆孔施工過程中，鉆壓沿水平方向的鉆桿傳遞到孔底。隨著鉆孔加深，鉆桿剛性減弱、柔性增加，發(fā)生彈性變形。鉆桿與孔壁間的摩擦力、鉆桿承受的扭矩、鉆機發(fā)動機負荷均會隨著孔深的增加而加大。為保證持續(xù)正常鉆進，實際操作過程中鉆桿轉速、鉆壓、泵量等鉆進參數(shù)的合理匹配很重要［12］。

圖5 實際鉆孔結構示意Fig.5 The actual borehole structure

不同口徑優(yōu)選不同的鉆進參數(shù)（見表3）。開孔時應低壓慢速回轉，待孔口導向作用完成后方可加快轉速和加大壓力。鉆進過程中，及時優(yōu)化鉆進參數(shù)，以便與不同地層達到最佳匹配關系。參數(shù)確定后不能隨意更改，嚴禁鉆進過程中鉆壓忽大忽小。

表3 鉆進參數(shù)Table 3 Drilling parameters

2.3.2 水平孔鉆進注意事項

（1）金剛石鉆進堅持鉆頭、擴孔器排隊使用。

（2）新鉆頭到達孔底后必須進行“初磨”后，方可采用正常參數(shù)鉆進。

（3）換徑處、探頭石段應控制鉆進速度防止孔斜。

（4）地層由硬變軟時應減壓并控制鉆進速度。

（5）在涌水鉆孔中鉆進應注意泵壓、泵量情況，避免埋鉆、燒鉆事故發(fā)生。

（6）涌水鉆孔泵送打撈器或內管時應注意觀察，及時泄壓，防止儀表損壞。

（7）投送打撈器時鋼絲繩釋放速度應等于或稍快于鋼絲繩進入速度，防止纏繞。

（8）打撈器提升時，人員應盡量遠離鋼絲繩，并注意觀察，防止其斷裂傷人。

（9）破碎易堵心地層應及時取心，堵心后不宜繼續(xù)鉆進。

（10）做好沖洗液性能維護，給金剛石鉆進創(chuàng)造良好條件。

2.4 水平鉆孔取心技術

2.4.1 薄壁金剛石繩索取心鉆探工藝

水平孔鉆進時，鉆桿柱與孔壁的摩擦遠大于同等深度的垂直孔［13］，尤其是鉆遇復雜地層或深孔段，對鉆桿的強度要求更高。根據鉆孔設計和技術要求，經研究比選，決定采用薄壁金剛石繩索取心鉆探工藝，器具規(guī)格參數(shù)如表4所示。

表4 薄壁鉆具鉆桿規(guī)格Table 4 Specification of thin-walled drill tools and drill pipes mm

薄壁金剛石繩索取心鉆探工藝優(yōu)勢如下：

（1）鉆柱系統(tǒng)具有“滿、剛、直”的特點，孔斜易控制。

（2）鉆桿質量輕，鉆進扭矩小，切削速度快，鉆速高。

（3）薄壁鉆桿鋼材質量好，螺紋精度高，鉆桿強度大。

（4）薄壁金剛石鉆頭胎體厚度薄，鉆頭底面環(huán)狀面積小，同等壓力工況下相比常規(guī)金剛石鉆頭鉆進速度更快，鉆進效率更高。

（5）薄壁金剛石鉆頭內徑大，所取巖心直徑大，巖心直徑能夠滿足工程勘察技術要求。

（6）鉆孔環(huán)狀間隙小，不易發(fā)生掉塊卡鉆事故。

（7）鉆桿口徑級配合理，鉆孔換徑時鉆桿可作套管使用。

2.4.2 特制泄壓鉆桿

水平鉆孔繩索取心用內管和打撈器的投送均需以泵送的方式進行。當遇孔內涌水特別是承壓水時，內管投送和打撈過程可能會變得特別困難，所需時間明顯增長，且內管是否準確到位難以判斷。

該孔鉆進至50 m時開始涌水，孔深600 m時鉆遇承壓水（圖6），且水量隨孔深增加而加大。曾一度因水壓過大內管無法投送而中斷施工（圖7）。為此，加工制作了投送鉆具專用泄壓鉆桿（圖8），使泄壓排水和孔口操作更加方便，有效避免了場地積水濕滑和緩解了內管投送難題。

圖6 鉆孔涌水Fig.6 Water gushing out from the borehole

圖7 涌水狀態(tài)卸扣時水花噴濺Fig.7 Water spurts out when breaking up the drill pipes on water gushing

圖8 特制泄壓鉆桿Fig.8 Special pressure relief drill pipe

具體做法如下：

在NTW鉆桿公扣以上約10 cm位置鉆一個? 30 mm的孔，焊上球閥，即制成泄壓鉆桿。球閥突出高度不能大于鉆桿與動力頭導軌之間的距離，否則鉆桿就不能進行絲扣連接。可視孔內涌水情況大小，按需焊接多個泄壓球閥。

投送內管或打撈器前，先將泄壓鉆桿與孔內鉆桿連接上，打開球閥引導排水一段時間。然后將內管裝入泄壓鉆桿，鉆泄壓鉆桿與機動力頭連接，關閉球閥，開泵將內管或打撈器送至孔底。最后卸下泄壓鉆桿重新接上常規(guī)鉆桿后便可正常鉆進。

2.4.3 正循環(huán)鉆進，水力反循環(huán)連續(xù)取心技術

鉆孔孔深730 m時，封閉孔口周圍，測得水壓力為1.5 MPa左右，投送內管困難且耗時特別長。施工中發(fā)現(xiàn)，打撈內管時打撈器將彈卡收回后，不用提拉打撈器，孔內涌水就可以直接將內管推出孔口。根據這一現(xiàn)象，結合水力反循環(huán)鉆探原理，在完整地層，舉一反三，大膽運用正循環(huán)鉆進，水力反循環(huán)取心的鉆進方法［14-15］取得了成功。該方法大量節(jié)省了取心時間，勞動強度低，且?guī)r心采取率在90%以上。具體操作方法如下。

采用直聯(lián)鉆桿的單管鉆具，定制外徑75 mm，內徑56 mm單管金剛石鉆頭，視孔內情況單管鉆進。單管正循環(huán)鉆進2～3 m后，將鉆具提離孔底約1 m，卸開動力頭視鉆桿涌水情況判斷鉆具內孔底巖心是否拔斷，當鉆桿內涌水大時，說明巖心已通過水壓正順鉆桿返出，反之繼續(xù)鉆進0.5～1 m，按之前方法重復操作直到巖心返出。

2.5 沖洗液與鉆具潤滑減阻

水平孔施工過程中，沖洗液不能在孔內形成液柱壓力，故平衡地層壓力和護壁防塌的作用較弱。因此，如何有效運用沖洗液在破碎復雜地層進行鉆孔護壁防塌仍需進一步探索研究。同時基于綠色勘察和施工成本，沖洗液處理劑應經濟環(huán)保［16-18］。

工區(qū)內鉆孔沖洗液選擇主要考慮環(huán)保和高效鉆進兩個因素。根據地層條件，首選環(huán)保型植物膠類沖洗液。具體配方為：1 m3水+5～10 kg植物膠或2～5 kg黃原膠。

該配方沖洗液簡單、易操作，具有較好的懸浮巖屑和攜帶巖屑的能力，能在井壁上形成薄而韌的聚合物膜，有較好的護心護壁防塌和潤滑減阻作用［19］。沖洗液成分以植物膠為主，不含有毒有害化學成分，可實現(xiàn)自然降解，不會對生態(tài)環(huán)境造成負面影響，具有顯著的環(huán)保性［20］。

完整地層可用清水鉆進。鉆遇破碎地層或深孔段阻力增大時可采用涂抹鉆桿潤滑脂的方法［21］，起到減阻潤滑和一定程度的護壁作用。

2.6 孔內事故與處理

鉆探工程是一種隱蔽的地下作業(yè)，地上地下多種因素都可能導致孔內事故［22］。由于缺乏經驗，水平鉆孔孔內事故處理難度可能加大。該孔深562 m時，發(fā)生一起鉆具（彈卡擋頭）斷裂事故。提鉆后，鉆具和內管遺留在孔底。將打撈器頭部連接在鉆桿下端后下鉆打撈，第一次失敗，第二次嘗試后成功打撈出內管。然后使用公錐成功打撈出鉆具殘留部分。

3 綠色勘察技術應用與創(chuàng)新

綠色勘察是新發(fā)展理念在工程勘察領域的具體體現(xiàn)之一，是地勘企業(yè)主動服務于黨中央生態(tài)文明建設戰(zhàn)略的必由之路［23-24］。近年來，我單位踐行綠色勘察理念，逐漸形成了較完善的制度體系和一整套行之有效的具體做法。就本項目而言，主要有以下措施與創(chuàng)新。

3.1 架管便橋

鉆孔所處區(qū)域海拔約3250 m，屬原始森林保護區(qū)。區(qū)內植被茂盛，多以杉樹、松樹及灌木叢為主。孔位距鄉(xiāng)村公路（土石路）直線距離約1km且無道路相通，需修建簡易道路和便橋。由于地處保護區(qū)，為了減小對環(huán)境的影響，更好地保護自然生態(tài)，獨創(chuàng)了環(huán)保實用的架管便橋（見圖9），未因修路搭橋破壞原始河道，未傷及任何林木，有效保護了林區(qū)生態(tài)環(huán)境。

圖9 架管便橋Fig.9 Access bridge built with steel pipes

3.2 小型履帶式運輸車

根據鉆探設備和地形條件，配備了能適應崎嶇、濕滑冰雪路面的小型履帶運輸車（圖10），其履帶材質為橡膠，具有以下優(yōu)點。

（1）體積小、質量輕，只需1 m寬的路面便可正常運輸作業(yè)。

（2）接地比壓小、牽引性好、轉向靈活、機動性好、安全可靠。

圖10 小型履帶式運輸車Fig.10 Small crawler-type transportation vehicle

（3）越野能力強、作業(yè)效率高、操縱舒適性良好、噪聲低、緩沖性好［25］。

運輸車大大減輕了工人勞動強度，極大地減少了修路占地面積和修路費用，提高了工作效率。

4 施工效果

鉆孔施工歷時77 d，終孔口徑75 mm，終孔孔深903.28 m。平均臺月效率356 m。計入臺月時間1820 h，其中純鉆時間838 h，占比46%。打撈巖心時間712 h，占比39%。提下鉆時間116 h，占比6%。機修時間50 h（包括等待配件的時間），占比3%。事故處理時間45 h，占比3%。其他原因停鉆時間58 h，占比3%?？梢?，純鉆時間利用率較高，取心時間占比較大，設備故障和事故處理時間較少。臺時分配見圖11。

圖11 鉆進臺時分配Fig.11 Allocation of drilling time

相同深度（長度）條件下，水平鉆孔正常繩索取心鉆進期間打撈巖心時間較垂直孔長。隨孔深增加，尤其是隨涌水量和孔內水壓力增大，打撈巖心和送內管時間大幅增加。該鉆孔取心和送內管時間統(tǒng)計與常規(guī)直孔取心送內管時間對比見圖12。

圖12 取心和送內管時間統(tǒng)計Fig.12 Time chart for coring and running in the inner tube

鉆孔各項質量技術指標完成良好，均達到設計和鐵路勘察規(guī)范要求。平均巖心采取率95%，鉆孔彎曲度＜1°/100 m，孔深誤差率＜1‰。采用反循環(huán)方式取心時采取率達到90%，滿足地質要求。

5 結語

903.28 m超長水平鉆孔的順利終孔得益于科學合理的設備選型與改進、多種方法與器具的靈活應用和機組員工的精心操作。通過分析總結，得出以下結論。

（1）設備器具性能要好。使用結構形式便于施工操作的全液壓動力頭鉆機。鉆機動力應強勁、具備足夠大的回轉扭矩、具備足夠的起拔和提升能力。繩索取心鉆桿材質要好，強度要大，螺紋加工精度要高。

（2）鉆機安裝固定要可靠。鉆機施工水平鉆孔較垂直鉆孔受力方向不同。便攜式鉆機質量輕，加強鉆機的固定，尤其是鉆機前后方向的固定約束必須可靠。

（3）鉆孔結構和鉆進參數(shù)應合理。鉆孔口徑級配必須合理，水平孔開孔口徑宜盡可能大，鉆進過程中盡量少換徑，盡可能每徑鉆進至最大深度后才下套管變徑，以此彌補沖洗液在水平孔鉆進過程中護壁能力的不足。鉆孔開孔很關健，直接決定著最終鉆孔能否順利實施；科學合理的鉆進參數(shù)，細致到位的精準操作，能起到事半功倍的作用。在實際鉆進過程中的技術參數(shù)，應嚴格遵循“換班換人，參數(shù)不換”的原則。

（4）正循環(huán)鉆進、水力反循環(huán)連續(xù)取心技術的應用與前提。應用正循環(huán)鉆進、水力反循環(huán)連續(xù)取心技術，可節(jié)省鉆探輔助工作時間，提高效率。該項技術的應用需同時滿足以下3個條件：鉆孔水平或近水平、孔內涌水量和水壓必須達到一定值、地層完整。

（5）復雜破碎地層水平鉆孔施工過程中環(huán)保型沖洗液的選用和如何利用沖洗液有效護壁、潤滑減阻仍需探索研究。

川藏鐵路工程給勘察施工帶來新的挑戰(zhàn)，也推動了鉆探工程技術的發(fā)展與創(chuàng)新。水平鉆孔長度記錄有望繼續(xù)突破?，F(xiàn)有設備、技術方法還需不斷探索研究與改進創(chuàng)新，存在的施工難題尚需進一步解決。施工單位應堅持貫徹綠色發(fā)展理念，結合設備、地層和施工現(xiàn)場等實際情況，把新技術、新產品與實踐經驗有機結合起來并加以靈活運用，真正做到綠色勘察，科學鉆探，不斷提高服務重大工程建設的能力與水平。