石紹云，李杰，羅顯粱，吳金生，黃曉林，唐治建

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心，四川 成都 611734；3.四川省水利規(guī)劃研究院，四川 成都 611731）

0 引言

川藏鐵路是全世界最難建設(shè)的鐵路之一，穿越深山峽谷、橋隧比>80%，平均海拔高度>3000 m，建設(shè)之前對(duì)沿線地質(zhì)情況勘查尤為重要。由于川藏鐵路地理位置、地層等的特殊性，將會(huì)有大量的長大隧道，如果從山頂設(shè)計(jì)垂直勘查孔，鉆孔深度大，施工成本高，取得的隧道洞身段資料有限，且很多地方鉆探設(shè)備難以搬遷運(yùn)輸，容易對(duì)本來就非常脆弱的植被造成破壞?；谏鲜鲈颍岢霾捎贸L水平定向鉆探技術(shù)，在隧道進(jìn)、出口處，設(shè)計(jì)定向水平鉆孔孔深超過1000 m，實(shí)現(xiàn)高效、低成本、綠色鉆探技術(shù)；精準(zhǔn)查明工程地質(zhì)條件，對(duì)斷層和坍塌體、巖石的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。由于鉆孔的方向與隧道方向一致，水平鉆孔取得的洞身段原始資料，為隧道的設(shè)計(jì)和施工提供了安全保障。預(yù)防因前方地質(zhì)情況不明導(dǎo)致塌方、泥石流、涌水、巖爆冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)生，避免給施工單位、國家和人民帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失［1］。

我們承擔(dān)的超深水平孔鉆探工程，設(shè)計(jì)鉆孔深度1200~1500 m，設(shè)計(jì)鉆孔頂角90°，鉆孔方位沿隧道方向，全孔取心，要求地表塊石土堆積層的巖心采取率≮80%，斷層破碎帶巖心采取率≮75%，完整基巖巖心采取率≮85%，孔斜率≯3°/100 m。由于此超深水平孔全孔取心和高質(zhì)量取心的要求，擬采用水平孔繩索取心鉆進(jìn)工藝施工。但根據(jù)物探剖面揭示，水平鉆探將鉆穿2處低阻帶，為地下水富集區(qū)。根據(jù)鄰近鉆孔資料，所有水平鉆孔均有涌水，且涌水量較大。涌水會(huì)造成鉆具、打撈器和鋼絲繩無法送達(dá)指定位置等困難。超深涌水水平孔繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵是解決內(nèi)管總成鉆具的輸送和巖心打撈問題。針對(duì)上述難題，研制了全液壓動(dòng)力頭水平鉆機(jī)和配套的輸送器。

1 地層

鉆孔位于××州××縣境內(nèi)，有鄉(xiāng)村便道可直達(dá)孔位，交通便利，運(yùn)輸較方便，海拔高度在3600 m以上。

鉆孔將鉆遇的地層巖性為三疊系上統(tǒng)雅江組二段（T3y2）絹云板巖、長石石英砂巖和粉砂質(zhì)板巖［2］，少許粉砂巖及斷層角礫（Fbr）。

部分變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖、碎石土等易水化，板理發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育，孔內(nèi)易坍塌掉塊［3］。整個(gè)巖層較軟，巖石的可鉆性好。

巖層產(chǎn)狀N60°E/50°~60°NW，線路走向與巖層近似垂直，有利于鉆孔方位控制。

2 鉆探設(shè)備的選擇

2.1 鉆機(jī)

選用GXD-5S 1500型全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)，該鉆機(jī)由中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所針對(duì)超長水平孔研制。其主要特點(diǎn)是：鉆機(jī)扭矩大，提升能力強(qiáng)，給進(jìn)行程長，性能指標(biāo)見表1。主要研究內(nèi)容：鉆機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究、變幅機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)研究、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究等，滿足1500 m水平孔繩索取心鉆進(jìn)要求。

表1 GXD-5S 1500型鉆機(jī)性能指標(biāo)Table 1 Specification of GXD-5S 1500 drilling rig

鉆機(jī)采用履帶式，行走方便，操作簡單，鉆機(jī)穩(wěn)定性好。

改進(jìn)動(dòng)力頭齒輪油箱的潤滑和冷卻效果，確保鉆機(jī)動(dòng)力頭正常運(yùn)轉(zhuǎn)［4］。

該鉆機(jī)采用不同鉆桿的設(shè)計(jì)鉆深能力為PQ 700 m、HQ 1200 m、NQ 1700 m、BQ 2000 m。

2.2 泥漿泵

在水平孔鉆探中，沖洗液除了常規(guī)鉆進(jìn)攜帶巖粉、冷卻鉆頭、潤滑鉆桿、鉆具等作用外，最重要的作用在于輸送鉆具和打撈器。根據(jù)鉆孔深度、鉆孔直徑、涌水量和涌水壓力，以及內(nèi)管總成、打撈器的重力，合理選擇泥漿泵成了鉆進(jìn)成功的關(guān)鍵。按照1500 m的設(shè)計(jì)孔深，選擇BW-300/16型泥漿泵。最大流量300 L/min，最大泵壓16 MPa（在使用過程中，泥漿泵的最大流量和泵壓指標(biāo)都達(dá)不到廠家所標(biāo)注的數(shù)值，所以在選擇泥漿泵時(shí)，盡量選擇比理論計(jì)算的數(shù)值要大一些）。泥漿泵的性能指標(biāo)如表2所示。

表2 BW-300/16型泥漿泵性能指標(biāo)Table 2 Specification of BW-300/16 mud pump

3 技術(shù)措施

3.1 涌水封隔技術(shù)

采用套管隔水法封堵涌水效果非常好。在鉆進(jìn)過程中，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在孔內(nèi)沒有套管的情況下，該孔涌水量達(dá)180 m3/h，而下入套管后，涌水量降到30 m3/h，采用套管隔水法降低了涌水量，使鉆進(jìn)和輸送鉆具的泥漿泵壓力大幅降低。

孔內(nèi)每層套管的環(huán)狀間隙都有大量涌水返出，如果全部排入泥漿池，將極大地增加沖洗液處理的工作量。通過研制一種孔口分流裝置，使返出來的各層涌水與鉆進(jìn)循環(huán)使用的沖洗液分別進(jìn)入不同的通道。套管環(huán)狀間隙的涌水沒有巖屑及泥漿處理劑的污染，可以直接排放；而鉆桿內(nèi)返出來的沖洗液需要進(jìn)入循環(huán)池進(jìn)行沉淀和處理。涌水和沖洗液通道分流見圖1，孔口裝置見圖2。

3.2 鉆具、打撈器投放輸送技術(shù)

水平孔繩索取心鉆具和打撈器采用泵壓法輸送，輸送器成為實(shí)現(xiàn)水平孔繩索取心鉆進(jìn)工藝的關(guān)鍵技術(shù)。因此分別研制了一套鉆具總成輸送器和打撈器輸送器，要求簡單易行，性能可靠，成本低廉，操作簡便。其中研制的打撈器輸送器如圖3所示。為了在投送過程中使鉆具和打撈器同心和平行運(yùn)動(dòng)，在鉆具和打撈器上分別安裝2處密封活塞（圖中的B密封活塞），密封活塞的外徑比鉆桿內(nèi)徑小0.5 mm。

圖1 地層涌水和鉆進(jìn)沖洗液分流示意Fig.1 Schematic diagram of formation water gushing and drilling fluid diversion

圖2 孔口裝置Fig.2 Wellhead device

圖3 輸送器示意Fig.3 Schematic diagram of the wireline feeder

輸送打撈器時(shí)，需要連同打撈器的鋼絲繩一起送下去，鋼絲繩在絞車上實(shí)現(xiàn)自由放繩，同時(shí)鋼絲繩在送繩器的A處既要能自由移動(dòng)，又要相對(duì)密封產(chǎn)生輸送壓力。泵壓在A處經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生很大程度的泄壓，泥漿泵的壓力和流量都有明顯的下降，造成了投放效率下降，輸送時(shí)間增長。采用高彈性、高耐磨性、高強(qiáng)度的橡膠制作A處的密封環(huán)，通過壓緊螺桿來調(diào)節(jié)密封環(huán)的壓緊程度，可以有效地緩解上述問題。正常情況下，每鉆進(jìn)3~5個(gè)回次，需要更換密封環(huán)和密封活塞。

相對(duì)來說，輸送繩索取心內(nèi)管總成要簡單一些，把A處用端蓋完全密封，不留鋼絲繩通過的孔位，把B處的密封活塞調(diào)節(jié)好，給予足夠的泵壓就可以完成。

3.3 測(cè)斜輸送技術(shù)

水平孔測(cè)斜時(shí)，一旦孔內(nèi)坍塌掉塊，測(cè)斜儀器將下不到孔底，甚至被埋在孔里，針對(duì)這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了專用的水力輸送器，依靠沖洗液壓力把測(cè)斜儀送到指定的測(cè)斜位置［5］。如果使用陀螺測(cè)斜儀，可以在套管里面進(jìn)行頂角和方位角測(cè)量，如果使用磁性測(cè)斜儀，就要把測(cè)斜儀送到套管以外裸孔段進(jìn)行測(cè)量。

此次采用探礦工藝研究所研制的CAV-1型存儲(chǔ)式測(cè)斜儀，以三軸加速度計(jì)和三軸磁通門傳感器作為測(cè)量元件，適用于無磁性干擾的鉆孔測(cè)斜，不需要電纜線來傳輸數(shù)據(jù)和提供電源，內(nèi)置存儲(chǔ)單元和鋰電池，操作系統(tǒng)是Android智能手機(jī)APP；以藍(lán)牙代替數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)測(cè)斜儀和智能手機(jī)間的無線通訊傳輸，儀器具有精度高、可靠性好、質(zhì)量輕、配套設(shè)備少和操作簡便等優(yōu)點(diǎn)［6］。

主要技術(shù)指標(biāo)：頂角范圍與精度0°~180°±0.2°，方位角范圍與精度0°~360°±2°（頂角>3°），工作溫度-10~75℃，耐水壓25 MPa，探管尺寸（不含附件）?33 mm×1000 mm（外徑×長度）。

3.4 繩索取心鉆桿的選擇

水平孔鉆進(jìn)過程中，鉆桿在自重的作用下，貼在鉆孔底部，回轉(zhuǎn)時(shí)摩擦阻力增大，導(dǎo)致水平孔鉆桿承受的扭矩比垂直孔鉆桿承受的扭矩要大得多［7］，要求鉆桿有更高的強(qiáng)度和耐磨性。鉆桿采用整體熱處理，鉆桿疲勞強(qiáng)度高，密封性能好。

采用雙頂錐螺紋連接，螺紋擰緊時(shí)接觸面積大，間隙小，螺紋受力均勻，傳遞扭矩大，密封性能好，而且具有自定心的特點(diǎn)，減少螺紋的擰卸磨損［8］。

水平孔鉆進(jìn)，鉆桿內(nèi)壁必須光滑，無需加工接頭，鉆桿公母絲扣自接，便于內(nèi)管和打撈器順利進(jìn)出，減少輸送阻力。

4 影響輸送鉆具速度的主要因素

影響輸送時(shí)間的主要因素是泥漿泵壓力、鉆桿內(nèi)徑大小、鉆孔深度，其次是鉆桿的密封性、鉆孔涌水量、涌水壓力等［9］。對(duì)鉆孔施工過程中輸送鉆具和打撈器的時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 輸送時(shí)間與孔深、壓力、鉆孔直徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Delivery time vs hole depth,pressure,and hole diameter

從表3可以看出，輸送內(nèi)管總成的時(shí)間比輸送打撈器的時(shí)間長，原因是相對(duì)于打撈器，內(nèi)管總成的質(zhì)量更大，導(dǎo)致輸送阻力更大。

影響打撈內(nèi)管時(shí)間的因素比較少，僅與絞車的動(dòng)力大小有關(guān)，打撈時(shí)間僅為投送時(shí)間的1/2，最深孔位1200 m的打撈時(shí)間≯30 min。

輸送時(shí)間受多方面的影響，可以參照以下公式計(jì)算，其中η值取決于輸送器和各類鉆桿接頭的密封程度，以及投送過程中阻力大小等多方面原因，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值一般在2~4之間，密封性能越差，阻力越大，η取值越大。

在沒有涌水的時(shí)候輸送時(shí)間與孔深和流量的關(guān)系按照公式（1）計(jì)算：

在有涌水的時(shí)候輸送時(shí)間與孔深和流量的關(guān)系按照公式（2）計(jì)算：

式中：T1——無涌水時(shí)輸送時(shí)間，min；T2——有涌水時(shí)輸送時(shí)間，min；L——孔深，m；Q——水泵流量，L/min；Q1——進(jìn)入鉆桿內(nèi)的涌水量，L/min；R——鉆桿內(nèi)半徑，mm；η——系數(shù)。

4.1 泥漿泵壓力的影響

沖洗液流速度是與管道壓力坡度的平方根成正比，其公式可表示為：

式中：V——管道的斷面平均流速；C——管道的謝才系數(shù)，C=（1/n）R1/6；n——管道內(nèi)壁粗糙度；R1——管道的水力半徑，R1=A/X；A——過流面積：X——濕周，滿管流時(shí)X為管內(nèi)壁的圓周長；J——水力坡度，當(dāng)管道為水平布置時(shí)，J=（P1-P2）/（ρgL）；P1、P2——分別為管道兩端的壓力；ρ——水的密度；g——重力加速度［10］。

泵壓差越大，投送速度越快。從表3中可以看出泵壓一般保持在2~6 MPa范圍。

使用的電子壓力表，通過高壓管連接在操作臺(tái)附近，便于鉆機(jī)操作者直觀地觀察泥漿泵壓力，管路上壓力稍有變化，壓力表上即能顯示出來，數(shù)值精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。

4.2 鉆桿內(nèi)徑的影響

鉆桿內(nèi)徑越小，輸送速度越快。原因是使用的繩索取心鉆桿越小，鉆具和打撈器的外徑越小、質(zhì)量越輕，輸送阻力越小，在相同孔深情況下，輸送速度越快。

其公式表達(dá)式為：

式中：V——流速，m/s；Q——流量，m3/s；R——鉆桿內(nèi)半徑，m。

4.3 孔深的影響

一般情況下，在同一鉆孔口徑里，輸送時(shí)間與孔深成正相關(guān)，鉆孔深度L值越大，所需的時(shí)間T越長，反之，則所需的時(shí)間越少。從表3可以看出，孔深100~1200 m，投放內(nèi)管時(shí)間9~60 min，投放打撈器的時(shí)間7~45 min。

4.4 其他方面的影響

4.4.1 泥漿性能的影響

一開孔深48 m前、涌水量小的情況下使用泥漿鉆進(jìn)。二開后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在下入隔水套管的情況下，鉆孔涌水量長期保持在30~60 m3/h，在這么大的涌水量中進(jìn)行水平孔鉆進(jìn)，不適于使用泥漿作為沖洗液，因此改用清水鉆進(jìn)。如果采用泥漿鉆進(jìn)，一方面泥漿將被大量的涌水稀釋，性能受到嚴(yán)重破壞，鉆進(jìn)成本將大幅增加；另一方面泥漿的處理及排放都存在問題。

為了孔內(nèi)潤滑和攜帶巖粉，曾嘗試添加植物膠和聚丙烯酰胺，但下放內(nèi)管和打撈器非常慢，植物膠和聚丙烯酰胺容易堵在鉆具內(nèi)、外管的間隙和卡簧座與鉆頭內(nèi)唇面臺(tái)階的位置，導(dǎo)致泵壓急速增高，對(duì)泥漿泵損害大，同時(shí)大幅度降低了鉆具和打撈器的投放速度，施工效率明顯下降。

4.4.2 液動(dòng)沖擊器的影響

在投放內(nèi)管的過程中，由于液動(dòng)沖擊器的作用，迫使鉆具振動(dòng)，一部分高壓液流能量產(chǎn)生沖擊功，一部分能量使鉆具向前移動(dòng)，加快了投放速度，有利于提高鉆進(jìn)效率。

4.4.3 孔壁間隙的影響

孔壁間隙太小，沖洗液返出受阻，泵壓升高，造成泥漿泵工作負(fù)荷增大，另一方面，進(jìn)入環(huán)狀間隙沖洗液流速變慢，鉆具及打撈器投放速度變慢，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率。涌水水平孔鉆進(jìn)，如果是松散破碎地層，或者易水化膨脹的地層，鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙要保證5 mm；較完整的地層，鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙要保證3 mm。

4.5 地層壓力及孔內(nèi)壓力平衡控制問題

地層壓力是指地層孔隙中流體的壓力，水平鉆孔中所遇到的地層流體一般都是水，地層壓力實(shí)際上是地層水的壓力［11-12］。

該孔的地層是變質(zhì)巖，巖性比較致密，因多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，鉆遇多條斷層和多處節(jié)理發(fā)育的破碎帶，靜止涌水量大，經(jīng)孔口測(cè)試，涌水壓力達(dá)到1.5 MPa。

鉆進(jìn)時(shí)的涌水量與停鉆時(shí)的涌水量相差較大，鉆進(jìn)時(shí)由于泵壓循環(huán)，出現(xiàn)孔內(nèi)有部分漏失現(xiàn)象，涌水量變??；一旦處于停泵狀態(tài)，涌水量立即變大。

在施工中，盡量采用較大的泵壓，以便加快投放速度，減少投放時(shí)間，但是一定要控制作用在環(huán)空的各種壓力使其等于或稍大于地層壓力，小于壓漏壓力［13］。否則會(huì)造成沖洗液嚴(yán)重漏失、孔內(nèi)巖粉堆積等事故。

4.6 涌水的好處

在水平孔繩索取心鉆進(jìn)中，地層涌水并非沒有益處。

投放過程中，由于多方面原因，造成內(nèi)管投放不到位，或者在打撈內(nèi)管的過程中，鋼絲繩斷裂、巖心脫落等事故，在常規(guī)的鉆孔中，只有采取提大鉆的方法來提出內(nèi)管，撈取脫落的巖心，但在涌水的情況下，通過適當(dāng)活動(dòng)鉆桿，借助涌水的壓力，等待一段時(shí)間后（一般20~30 min），內(nèi)管或者掉落的巖心會(huì)從孔內(nèi)被沖出來，減少了提大鉆的麻煩。

5 施工效果

（1）鉆進(jìn)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，鉆孔質(zhì)量好。

（2）完成1212 m水平繩索取心鉆孔施工任務(wù)，終孔口徑為NQ。鉆孔方位偏移率為0.42°/100 m，孔斜率為0.75°/100 m，巖心采取率97%，機(jī)械鉆速3.09 m/h，臺(tái)月效率350 m；創(chuàng)造了國內(nèi)涌水水平孔繩索取心鉆進(jìn)PQ深度588 m、HQ深度974 m的新紀(jì)錄。

（3）克服了嚴(yán)重涌水（最大180 m3/h），實(shí)現(xiàn)高效、低成本、綠色鉆探技術(shù)，精準(zhǔn)查明工程地質(zhì)條件，為隧道設(shè)計(jì)提供了安全保障。

（4）開展了水平隨鉆定向儀器輸送固定技術(shù)工具的研發(fā)。設(shè)計(jì)定向儀器輸送固定機(jī)構(gòu)，在原有鉆具總成保持原樣不變的情況下，實(shí)現(xiàn)有纜隨鉆定向儀的順利投放和彈卡定位。

6 需要改進(jìn)的技術(shù)措施

（1）水路壓力密封問題：涌水水平孔鉆進(jìn)效率低的原因是鉆進(jìn)輔助工作時(shí)間多，打撈巖心和投放鉆具占總鉆進(jìn)時(shí)間比例很大，縮短輔助時(shí)間是提高鉆進(jìn)效率的關(guān)鍵措施，特別是對(duì)整個(gè)水路的密封還需要進(jìn)一步研究。

（2）內(nèi)管到位報(bào)信敏感性問題：隨著孔深的增加，輸送阻力越來越大，泥漿泵壓力表的數(shù)值一直處于較大的范圍，即使內(nèi)管已經(jīng)被投放到位，壓力表讀數(shù)也沒有明顯的變化，鉆具是否真正到位無法確定，因此，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)一個(gè)敏感性高的到位報(bào)信機(jī)構(gòu)。

（3）巖粉排除和憋泵堵塞問題：由于大量涌水，不能使用泥漿作為沖洗液，造成巖粉排除困難，大量巖粉沉淀在鉆孔的下半圓，對(duì)鉆桿磨損嚴(yán)重，沉淀的巖粉容易使鉆孔上翹，造成鉆孔偏斜。隨著巖粉沉降量的不斷增加，在松散復(fù)雜地層中，還會(huì)形成“抱管”狀態(tài)［14］。

（4）解決抽吸問題：在提升內(nèi)管過程中，當(dāng)達(dá)到一定的提升速度時(shí)，內(nèi)管尾部鉆桿內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，致使提升阻力加大，甚至拉斷鋼絲繩，或中途一旦繩索絞車停止工作，在抽吸壓力作用下，內(nèi)管反而會(huì)向孔底運(yùn)動(dòng)。因此，合理設(shè)計(jì)鉆頭出刃，保證鉆桿與孔壁的間隙，減少負(fù)壓產(chǎn)生［15-16］。

7 結(jié)語

圍繞國家重大工程建設(shè)，開展綠色、高效、先進(jìn)鉆探技術(shù)集成研究與應(yīng)用，優(yōu)化配套設(shè)備和工藝，采取“技術(shù)創(chuàng)新支撐+工程示范實(shí)施”相結(jié)合方式，在高山峽谷地區(qū)，通過超深涌水水平孔的實(shí)施，查明地質(zhì)資料，為國家重大工程建設(shè)提供了技術(shù)支撐。

超深涌水水平孔繩索取心鉆進(jìn)，選擇鉆機(jī)、泥漿泵尤為重要，鉆機(jī)的扭矩和起拔力要比垂直孔大，鉆機(jī)能力滿足超深水平孔鉆進(jìn)要求；泥漿泵除了正常鉆進(jìn)提供沖洗液、抵抗涌水壓力以外，還要承擔(dān)投放鉆具、打撈器、測(cè)斜儀、定向鉆具等任務(wù)，因此選擇大功率、大泵量的泥漿泵是涌水超深水平孔鉆進(jìn)成功的關(guān)鍵。

輸送器同心度高，密封性能好，送繩靈活安全可靠。

孔口分流器和套管隔水裝置成功地解決了地層涌水和孔內(nèi)鉆進(jìn)用沖洗液分流問題，減少了環(huán)境污染，工人操作環(huán)境干凈舒適。