云南滇中引水工程超深水平孔鉆探實踐與技術探討

謝實宇，謝柳楊

（長江三峽勘測研究院有限公司，湖北武漢430074）

云南滇中引水工程超深水平孔鉆探實踐與技術探討

謝實宇*，謝柳楊

（長江三峽勘測研究院有限公司，湖北武漢430074）

水平鉆孔成孔是工程地質勘察常遇技術難題之一，尤其是在金沙江上游泥盆系的灰巖、白云巖和板巖，地層巖石層理破碎，層厚一般達數十米，加之物質組成與結構特殊，鉆進過程中孔壁易垮塌卡鉆或埋鉆，而導致鉆探難度大、周期長、成本高、取芯質量差，如何合理選擇鉆探工藝往往就成為解決問題的關鍵。結合滇中引水工程超深水平孔鉆探實踐，探討了超深水平孔鉆探工藝與取芯等問題，嘗試采用獨特施工工藝與自主研發專用糾斜器，較成功地解決了破碎地層鉆進困難與取芯之鉆探技術難題，不僅為本工程勘察設計提供了重要技術支撐，同時也為類似條件下其它工程鉆探積累了寶貴經驗。

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和四川省甘孜州得榮縣交界處境內，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、河床基巖面形態等，為預可研階段水源比選及壩址比選工作提供完整可靠的基礎地質資料；查明各建筑物建基巖體、邊坡、地下硐室圍巖穩定條件，為設計的樞紐布置提供可靠詳實的地質依據。

本工程地質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，設計孔深：qzk1#孔250m和bzk15#孔300m，本工程之前我院承擔的水平孔較少，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，相關經驗較少，對水平孔的施工工藝及操作環節研究不多；因此，本次qzk1#孔（孔深250m）和bzk15#孔（設計孔深300m）是對我院的勘探技術挑戰，鉆探工作實施過程中將遇破碎層，不僅鉆進成孔十分困難，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。在實施過程中上述問題一度陷入困境；地層巖性軟弱、易破碎，難以取得符合地質與試驗要求的芯樣。為此，我院結合現場地質情況，專門組織了鉆探技術攻關，成功完成bzk15#孔，超目標完成設計孔深，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特點

水平鉆孔成孔是水平孔鉆進關鍵環節，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計的孔斜度定向鉆進到預定目標層位和孔深。

2.1 水平孔的施工工藝

2.1.1 鉆機

鉆機是保證鉆孔質量、進度的重要因素，鉆機的選擇要考慮到施工環境、搬遷難易程度、施工場地以及設計的孔深、孔徑大小、原位測試和聲波彩電、地應力測試和鉆機性能及可操作性等，經現場踏勘，我院采用重探xy-2鉆機，其優點：可拆性好便于搬遷、穩定性強便于起下鉆具；缺點：孔徑不能滿足?91mm鉆進到設計孔深，起拔力較弱。

2.1.2 鉆機安裝、開孔和鉆進

鉆機的安裝直接影響鉆孔操作、成孔、孔斜率和巖心的獲取，為此，安裝鉆機按以下程序進行。

場地的平整：采用測量儀器對孔位進行放樣，根據設計鉆孔軸線和鉆機動力軸線中心線確定地平高度，澆筑基礎并根據鉆機機腳固定螺桿。

當水泥凝固后進行安裝，按設計鉆孔軸線和鉆孔中心高固定鉆機機體，按鉆機安裝步驟進行固定。

調整鉆機方位角和傾角：水平鉆孔鉆進時因鉆具自身影響鉆具前部下墜，會造成鉆孔偏斜，開孔角度應在安裝時根據情況確定合理孔斜度，在施工時根據測斜度結果適時調整和糾斜。

開孔：開孔時先將自制的鉆具扶持器固定在孔口，用測量儀校對鉆具、回轉器、主動鉆桿軸線在一條線上，采取輕壓慢轉，當鉆頭全部進入巖石之后轉速、壓力變為正常值。

鉆進：隨著孔深的不斷增加，鉆進時孔壁與鉆具、鉆桿摩擦力隨之變大，鉆桿扭矩也越來越大，鉆桿扭斷、絲扣、接頭損壞時有發生，提下鉆變得費力、緩慢，孔內事故率增大，因此，必須加強防范，杜絕事故發生。

2.1.3 測斜及糾斜

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

糾斜：根據現場測斜值確定糾斜，針對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。即通過孔口鉆機的回轉器調整，使立軸偏心，促使孔底鉆頭作用力點轉移而達到導偏的效果，這主要靠鉆桿的鋼度來達到目的，這一方法在淺孔時效果較好，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，采用鉆進平面位移或鉆機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到糾偏目的，這一方法不易掌握，需有經驗的技術人員親自操作。

（3）導管找直法。即用小一級的套管（通管）下至孔底在孔口找正，穩固，用小徑鉆具導孔，導正后擴孔，繼續推進。

加工自制導偏器，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偏，這一方法效果明顯。

2.2 鉆孔結構及技術參數

根據鉆孔任務書要求，鉆孔深度及巖石的物理機械性質和鉆進方法合理確定鉆孔結構，根據不同巖性確定相應參數，具體參數見表1。

表1 鉆孔結構及技術參數

2.3 水平孔成孔技術特點

（1）起下鉆困難：當鉆進一回次進尺時，在提鉆時需克服鉆具、鉆桿和鉆機本身重力外，還要克服與孔壁摩擦力，需要大馬力的動力，為此，在操作過程中應降低一擋來滿足提升；在下鉆過程中需要安裝導向滑車改變拉力方向，在推動鉆桿進入鉆孔過程中，也要克服與孔壁摩擦力，容易造成鉆桿彎曲、折斷，更加劇動力負擔。

（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）對鉆桿質量要求高：水平孔成孔過程中，鉆桿除帶動鉆具克取巖石外，還要擔負鉆頭軸向壓力及孔壁間的摩擦力、調整方向、沖洗液的傳輸及頂進力，承受破碎巖石的震動和沖擊載荷。

3 鉆遇難題

3.1 破碎層鉆進過程

在順利完成左岸qzk1#水平孔鉆探作業后，基于qzk1#孔揭露破碎帶厚度、塌孔孔段之情況，初步估計右岸水平鉆孔bzk15##鉆進難度較大、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，主要體現在破碎帶層厚度大（達26m），破碎帶孔段在孔深50～76m，護壁難度大。正是由于對右岸水平孔鉆探地質條件、作業難度的估計不足，導致了鉆探進度緩慢、鉆桿、鉆具消耗大。鉆進過程中先后使用了水泥封孔、跟管鉆進護壁、單動雙管鉆具作業，其基本情況如下：

（1）水泥封孔。采用普通單管鉆進到一定深度后，采用鉆桿導管法灌注水泥漿，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。水泥封孔沒達到目的，改用?91mm單動雙管鉆具鉆進（使用雙管鉆具目的是為了取好破碎帶巖芯），?130mm普通單管鉆具擴孔，這一工藝效果比較好，作業過程中，破碎帶巖芯全部取出，可滿足地質要求，跟管擴孔也將塌孔段隔住，鉆進可以持續繼續進行。

3.2 完整孔段鉆進

在通過破碎帶孔段后，改用?91mm單動雙管鉆具鉆進，其目的是盡可能獲取擾動輕微或未擾動、符合地質與試驗要求的巖土樣本是工程地質勘察對鉆探工作的基本要求，故在該段鉆探工作主要是快速通過，而對鉆孔而言則要確保取芯質量，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對措施

4.1 地層巖性因素

巖石是鉆孔直接作業對象，巖石的強度、風化程度、巖體的完整性、裂隙破碎程度和其他結構面的空間組合，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巖、白云巖、板巖等，影響孔斜的主要是灰巖破碎層。

4.2 機械設備影響因素

在充分考慮水源區壩址的地理環境和巖石特性、地質任務書及技術要求，選擇鉆機須綜合考慮其穩定性、導向性、可拆性以及各項性能指標滿足300m以上鉆孔要求，為此我們綜合考慮選配重探xy-2鉆機，它可滿足本孔技術要求。

4.3 操作影響因素

一切先進的設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，嚴格的操作規范和嚴謹的工作作風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雜的。

4.4 防斜措施的影響因素

地質因素是客觀存在的，不可避免的，工藝技術因素是可以人為控制的，只要通過加強管理，針對性的設計鉆具組合，合理配置鉆孔級配來降低孔斜率，采用專業的測斜設備校核孔斜，并用自制糾斜工具進行糾斜，消除或限制工藝技術因素對孔斜的影響，從而達到防斜目的。

5 結語

（1）云南滇中引水水源區壩址工程地質條件較為復雜，巖石物質組成與結構復雜、鉆進困難、成本較高，破碎地層取芯難，塌孔護壁較難均是一度困惑鉆探人員的技術難題。

（2）我院鉆探技術人員針對上述情況、結合既往經驗、認真分析研究、深入探索實踐，采用跟管鉆進和單動雙管鉆具鉆進相結合、優化配套鉆探工藝，保證了破碎層鉆進過程中孔壁穩定，避免了卡埋鉆孔內事故，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，利用既有材料、結合現場條件，自主研制了糾斜工具，大大地提高了鉆孔水平值，采用單動雙管鉆具鉆進，提高了取芯質量，為地質分析與巖土試驗提供了保障。

（3）水平孔鉆進和垂直孔鉆進相比，對設備、施工技術和操作人員技能要求高，成孔難度大，隨著孔深不斷增加，輔助時間更長，孔內事故發生幾率大。因此，對水平孔鉆進技術，施工工藝進行歸納、總結，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難題，不僅為本工程勘察設計及后續施工建設奠定了重要基礎，而且也為類似地層巖性條件下其它工程地質鉆探作業積累了寶貴經驗。

[1]王光明，熊德全，金沙江其宗水電站水平孔鉆進技術[J].探礦技術，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工作大綱[R].長江三峽勘測研究院有限公司（武漢），2012.

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1004-5716(2015)06-0069-03

2014-11-21

2014-11-24

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