地應力鉆孔施工關鍵技術探討

秦俊生，譚成軒，劉春生

（1.北京市地質礦產勘查開發局，北京 100195；2.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081；3.北京市地質工程設計研究院，北京 101500）

地應力鉆孔施工關鍵技術探討

秦俊生1，譚成軒2，劉春生3

（1.北京市地質礦產勘查開發局，北京 100195；2.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081；3.北京市地質工程設計研究院，北京 101500）

汶川地震后，地應力研究受到重視，應力孔施工也日漸增多。本文依據多個項目實踐經驗，總結了地應力鉆孔施工中的一些主要技術問題，介紹了鉆孔結構設計按照終孔直徑選擇、監測儀器安裝以及地層條件來綜合考慮的方法。特別是從保證技術套管的使用和起拔安全，保障儀器安裝精度的擴孔技術，沖洗液的選擇與控制，應力測量與應力監測儀器安裝的技術保障措施等應力孔施工關鍵技術方法方面探討和總結了該類型鉆孔施工技術特點和技術經驗，系統總結了孔內應力測量和監測儀器安裝技術方法，對同類項目的開展具有一定的借鑒和現實指導意義。

鉆探技術；地應力；鉆孔；監測孔；施工技術

0 前言

隨著科學技術進步和人們減災防災意識的不斷提高，深層地應力研究日益得到重視。特別在汶川地震以后，越來越多的地應力測量和監測鉆探項目得以實施。地應力測量與監測鉆孔（以下簡稱應力孔）有別于地質勘探、水文水井、工程鉆探、石油鉆井工程等鉆孔施工，有其獨特的技術特點，但從成孔工藝角度又應用了相關技術，尤其是深孔地應力測量與監測往往和綜合科學鉆探研究相結合，可以說應力孔施工是鉆探工程在科研領域新的拓展和應用。隨著人民生活水平的提高和防災減災意識的不斷深入以及地質災害預測預報技術的進步與發展，這一工作將會更加受到重視。

1 地應力發展簡況

20世紀30年代，美國為修建胡佛大壩開展了世界最早的地應力測量，地應力研究和測量工作之后得到快速發展。隨著地應力資料積累，研究人員逐漸發現地應力的變化與地質構造活動存在一定的關系，地應力逐漸被應用到對地質構造活動和地殼演化及地震成因的研究上來。西歐、美國和日本科學家相繼應用地應力測量技術研究本國的構造應力場，并逐步把地應力測量工作納入了地震預報研究計劃。隨著研究的逐步深入，地應力測量方法和觀測技術也不斷發展，地應力觀測的深度也由最初的幾十米到上千米，后來通過利用大陸科學深鉆測量和研究地應力的變化，深度達到數千米。

我國地應力測量工作在李四光教授的倡導下于20世紀60年代開展起來，其后相繼研制和引進發展了多種類型的地應力測試系統，逐漸豐富和完善了我國地應力測量理論和系統，并在地震地質、礦山工程、水利水電和地下建筑工程等方面得到廣泛應用。李四光生前和1976年唐山地震后，全國共建110個地應力監測臺站，北京先后建立了8個，河北省先后建立了13個（豐成君等，2011）。汶川地震以后，我國逐步開展了深部地應力的研究工作，特別是科學鉆探的開展，將地應力的研究深度不斷提高，逐步與世界接軌。

諸多地應力測量方法中，最直接的是通過施工鉆孔來達到目的，代表性的主要為水壓致裂法（張重遠等，2012），該方法是目前惟一可直接進行深部地應力測定的方法，也是目前常用的地應力測量方法。應力孔施工技術隨著地應力測試的需求、測試技術的發展和鉆探工藝技術的進步而逐步發展，是鉆探設備、鉆具材料和工藝技術的綜合發展和進步，前者以可鉆進深度作為直接的能力反映，而工藝技術則是以成孔質量和效率作為具體的體現。近20年來，鉆探裝備和鉆探工藝技術不斷得到發展和進步，鉆孔施工效率得到大幅提高。一方面通過吸收國外經驗，逐步研制了大功率深孔鉆探設備，如廊坊勘探工藝研究所研制的YDX-5型全液壓動力頭深孔鉆機，實際鉆孔深度2212.8m；四川廣漢竣工的我國第一臺萬米大陸科學鉆探鉆機，也是亞洲鉆進能力最深的大陸科學鉆探裝備主體平臺具有數字化控制、自動化操作、變流變頻無級調速、大功率絞車、高速大扭矩液壓頂驅、五級固控系統等突出特點，處于國際先進水平，并在關鍵技術方面，完成了鉆桿自動處理裝置的設計加工調試和液壓頂驅的多輪設計，成為深部探測裝備研發引領性的亮點工程，受到國內外關注（董樹文等，2012）。另一方面，在工藝技術應用方面，從普通單雙管取心，發展到三重管取心，以及膨脹地層的半合管取心以及不同系列繩索取心工藝等多種工藝方法。特別是隨著材料科學和冶金技術的不斷進步，提高了鉆具的品質，減少了深孔施工的孔內事故，并且使得研制PQ、SQ系列的大口徑繩索取心鉆具成為可能，應用于深孔鉆進取心，大大提高鉆進效率。

2 鉆孔結構設計要求

地應力鉆孔目的是為了滿足地應力研究的要求，最終是為了得到連續的巖心和清晰、定向的鉆孔圖像以便在孔內實現應力測量和監測儀器的安裝。相對于普通地質鉆孔為了滿足礦產勘探的要求有所不同，因此鉆孔結構設計有所差異，表現在以下三方面。

一是終孔直徑的確定。地質鉆孔是針對不同類型的礦產勘探對其巖礦心采取規格的規范要求以及終孔選擇的鉆進工藝來確定終孔鉆孔直徑。應力孔需要依據應力測量方法、測量儀器外徑要求和終孔鉆進工藝確定終孔鉆孔直徑。目前應力測量方法常用的有水壓致裂應力測量法和套芯應力解除法。測量儀器制造沒有統一標準，大多也參考各類鉆探規范常用的鉆孔口徑，為減少成本的因素，并選擇盡可能小的尺寸。因儀器結構和制造成本所限，目前在地下結構工程的勘查中，通常鉆孔直徑為?76～?96mm，這取決于不同的工程和巖石類型；對于深部石油工程、地熱和科學鉆探中可能會變大為180mm（中國地震局地殼應力研究所，2009）。

二是考慮監測儀器安裝。有些地應力鉆孔為了長期觀測地應力變化情況，需要安裝監測儀器，一般在應力測量位置的上部，根據測井和巖心編錄情況具體確定。因此在實際施工時先不予考慮，待完成到整個鉆孔的設計深度后依據巖心編錄狀況選擇好位置，再用擴孔方法解決。一般常用儀器安裝尺寸為?130mm，因此在前期施工時要提前考慮擴孔因素，為保證儀器安裝質量，一般需要?95/?76mm和?130/?5mm兩級擴孔。

三是依據地層條件綜合確定鉆孔層級。考慮了終孔直徑和擴孔因素，再綜合考慮鉆孔深度和推測鉆遇地層情況，參考地質鉆孔設計要求，才能最終確定鉆孔結構。圖1為首都圈地區關鍵構造部位深孔地應力測量監測與地質安全評價項目（河北遷安）施工鉆孔結構，即依照上述方法，確定了4級鉆孔結構層級。第一層為地表松散層，開孔鉆至基巖地層，下入表層套管防護；?130/?95mm為監測儀器安裝尺寸；?76mm為應力測量尺寸；?95mm同時為繩索取心需要的技術套管需求尺寸（北京市地質工程設計研究院，2013）。

圖1 鉆孔結構示意圖Fig.1 Drilling structure diagram

3 工藝技術方法

應力孔施工一般盡可能采用地質勘探技術工藝，為提高效率有條件時盡可能采用繩索取心鉆進工藝技術。由于地應力鉆孔控制目的地層大多為穩定致密的地層，不同于地質鉆孔需要控制成礦帶，同時因為擴孔的因素，因此在成孔方法、沖洗液要求、配合實驗等方面有一些不同的要求。

3.1 技術套管應用

應力孔成孔盡可能采用規范成熟的鉆探工藝技術，由于應力測量儀器和應力監測儀器口徑的差異，鉆孔開孔口徑往往在?150mm或以上，監測儀器安裝口徑一般為?130mm。為了提高鉆探效率下部孔段一般采用?76mm繩索取心鉆進工藝。為保證合理的鉆桿與孔璧環隙空間，減少孔內事故，施工時常使用?89mm技術套管，在完成設計鉆孔深度后，并在擴孔前起拔。在下入?89mm技術套管時，要考慮到能夠起拔，在套管靴設置、管口密封和管外潤滑以及下管位置控制、套管連接等方面要有較為完善的技術措施，下入較長的技術套管有時需要考慮套管間的同心定位。

3.2 擴孔技術

應力監測儀器安裝精度要求高，因此擴孔技術非常重要，要在擴孔防斜，變徑同心度控制方面加強技術措施。要求擴孔時帶內扶正器，換孔徑時帶外扶正器，粗徑鉆具用綜合式異徑接頭連接，其中心線必須一致（北京市地質礦產勘查開發總公司，2013）。換孔徑時，導正管要長于4m，第一回次的小徑巖心管要短于1m，擴孔導向接頭見圖2、圖3。

3.3 沖洗液控制

應力孔鉆進一般選擇環保無污染的水基鉆井液。開孔使用清水或鈉土泥漿，金剛石鉆進一般選擇低固相或無固相水基沖洗液，低固相選擇Na土+PHP或CMC體系，無固相選擇清水加適量潤滑劑或高分子選則性絮凝劑。復雜地層鉆進需要根據地層的漏失、破碎坍塌、膨脹性及應力變化等特征有針對性的添加處理劑或配置專項方案。

圖2 ?76/?95mm擴孔導向接頭Fig.2 ?76/?95mm reaming guide connector

圖3 ?95/?130mm擴孔導向接頭Fig.3 ?95/?130mm reaming guide connector

深孔復雜地層為保證孔內安全、提高鉆進效率，一般需要配制專用沖洗液，如破碎地層防坍塌、水敏性地層抑制膨脹、漏失地層配置堵漏沖洗液、抗高溫沖洗液等（孫丙倫等，2008）。有時需要根據地層壓力調整沖洗也比重，配制欠平衡鉆井液或者大比重鉆井液等。深孔復雜地層鉆進一般要求沖洗液具有以下性能特征：具有一定的空隙封堵特性，以減少泥漿對地層的滲透；具有較低的失水特性，以減少強水敏性地層的水化膨脹；具有合適的密度，以平衡地層壓力，減少液柱與地層的壓差；具有較強的抑制性，抑制強水敏性造漿地層顆粒的水化分散，保證沖洗液性能穩定；具有優良的流變性與潤滑性，保證沖洗液的攜帶巖粉能力和潤滑鉆具性能，提高鉆進效率（張統得等，2012）。深孔鉆進特別強調使用泥漿需要有較好的分散性能，還需要采用固控技術嚴格控制沖洗液性能，確保沖洗液質量與孔內安全。

3.4 應力測量

與鉆孔施工有關的地應力測量方法常用的有水壓致裂應力測量和套芯應力解除法應力測量兩種方法。

（1）水壓致裂法印模定向實驗。一是按相關技術標準存放巖芯并做相應的記錄（如巖性鑒定、RQD詳細統計等），通過孔深校正及巖心分析合理選擇應力測量位置，為地應力測量和監測選擇深度提供可靠資料。二是清理并保證測量孔段符合要求，做好相關技術和設備方面的準備，以便及時解決現場施工和配合過程中出現的問題。包括：鉆機及配套設備，?42mm單根長度大于4m、跨接式封隔器及能夠承受高壓且密封性好的膠管和鉆桿以及保障現場試驗工作用水和用電等。三是做好測量儀器檢測和試驗，保證使用的可靠性，包括壓力器、壓力傳感器及流量表，壓力生成器和記錄設備，裂縫方位探測儀（含印模器、定向儀）等。四是做好應力測試工作，包括①將跨接式封隔器至于選定深度位置，并加以2～4MPa的壓力以對測試段封隔；②對測試段加壓進行初始定性滲透性檢測（脈沖實驗）；③將流量維持在預先設定的恒定狀態下，給試驗段增壓；④壓力達到破裂壓力值時，停泵但不排出壓裂液；⑤裂隙重張；⑥測試結束后，釋放測試段及封隔器中的壓力，使封隔器收縮，移動到下一個測試段。

（2）套芯應力解除法應力測量。一是做好準備工作，包括確定質量操作程序、設備儀器功能檢查與校準、粘合劑測試、清洗下孔工具等；二是掌控好測量過程。包括：①76mm直徑鉆孔鉆至測試位置，利用刨削工具對孔底進行研磨；②鉆36mm直徑前導孔，取出巖心以便檢查，沖洗鉆孔清除鉆屑；③準備測量用的應變計并將應變計粘接，將應變計放入安裝設備并放入孔中；④將頂端具有應變片的應變計放入前導孔中，通過插銷將應變計自安裝設備中釋放，插銷中固定有羅盤，可確定應變計的方位。通過頭椎體施壓將應變片粘貼于前導孔璧；⑤外提安裝設備則應變計被固定；⑥留一個夜晚時間使膠變硬。套芯解除應變計并通過內置的數據記錄儀記錄數據；⑦套芯應力測試完后斷開巖心并將套管中的巖心提出。

3.5 監測儀器安裝

水壓致裂地應力測量完成后，再用?76/Φ95mm和?95/?130mm金剛石內導向鉆具分兩級擴孔鉆進至預定深度（擴孔深度根據S76金剛石繩索取心鉆進取出的巖心完整度確定），用?114mm或?130mm錐形金剛石磨孔鉆頭磨孔0.15m，換?130/?91mm或?130/?110mm金剛石外導向鉆具擴孔0.50m（具體擴孔鉆探深度在工程施工過程中根據設計技術要求可能有所調整），用于地應力監測儀器安裝。

4 結語

（1）地應力鉆孔在設計上要著重考慮項目特點，尤其在鉆孔結構層級、擴孔需求、成孔細節（擴孔同心度、測試位置孔徑尺寸等）要求、配合應力測試等方面要細化到位。尤其是大多數地應力鉆孔需要在孔內安裝監測儀器，進行長期的地應力監測工作，需要保證鉆孔壁的穩定性。

（2）地應力鉆孔施工為提高效率和保證孔內安全需要使用技術套管，技術套管長度和附著地層條件不一，合理的技術措施能夠保證技術套管安裝穩定并能安全使用，最終能夠順利起拔，避免孔內事故和影響儀器安裝。

（3）深層地應力鉆孔鉆遇地層也較為復雜，鉆孔層級多，開孔口徑大，一般綜合應用多種鉆探技術，需要提前設計好鉆孔結構、鉆進工藝及取心技術以及鉆井液配置方案，并在施工中密切監測地層變化、嚴格控制鉆井液質量，并及時調整工藝，才能保障順利實施。

（4）擴孔技術是監測儀器安裝質量控制的關鍵環節，必須嚴格技術措施。應力測量和監測儀器安裝是應力孔施工的最終目標，熟悉技術要求、做好準備工作和技術措施檢查到位是質量保證的關鍵。

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Key Technology Analysis on Stress Borehole Operating

QIN Junsheng1, TAN Chengxuan2, LIU Chunsheng3
(1. Beijing Geology Prospecting and Developing Bureau, Beijing 100195; 2. Institute of geomechanics of CAS, 100081; 3. Beijing Geological Engineering Design Institute, Beijing 101500)

After the Wenchuan Great Earthquake, the stress research has been paid attention more and more, and the stress boreholes are being increased in practice. According to multiple projects’ practice, this paper summarizes some key problems in stress borehole operating, and introduces some notices, for example, the stress borehole should be designed according to the end hole’s diameter, monitoring equipments should be installed according to the stratigraphic conditions. From the aspects of ensuring safety for technique casing pipe and pulling out pipe, the enlarging hole technique ensured to equipments installation, selection and control of flushing fluid, stress monitoring, this paper discusses and summarizes the operating technique characteristics and experiences, which can provide some guide for same projects.

Drilling technology; Stress; Borehole; Monitoring hole; Operating technology

TU452

A

1007-1903（2016）04-0054-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.010

王維逸（1987- ），男，主要從事地熱地質、水文地質研究。E-mail：13581792897@163.com