地應力鉆孔成果質量評價探討

秦俊生，劉春生，譚成軒

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

地應力鉆孔成果質量評價探討

秦俊生1，劉春生2，譚成軒3

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

地應力鉆孔是鉆探技術在地應力測量與監測科研領域新的應用，具有特殊的質量控制要求，也缺乏規范的質量評價標準，分析研究探討其質量評價方法和標準對控制鉆孔質量具有一定意義。本文通過對大量應力鉆孔項目實踐經驗的分析和總結，在充分研究該類型鉆孔屬性與特性的基礎上，從應力孔質量控制要素分析入手，尋找應力孔質量評價的相關因子，并對普通地質鉆孔質量控制要素適用性進行分析論證。通過對評價因子的權重分析，探討并提出了應力鉆孔成果質量評價方法和評價標準，方法獨特新穎。特別是獨特的質量要素分類方法，借鑒建設工程的質量評價方法和分析研究推薦的評價標準，具有合理的邏輯性和較好的操作性，對該類型鉆孔成果質量評價具有現實的指導意義，也可為研究和制定類似的鉆探項目成果質量評定規范性標準，提供借鑒和參考。

鉆孔；地應力；質量評價；標準；成果

0 前言

地應力指賦存在巖體內的應力（唐榮余，2009），主要來自五個方面。地應力鉆孔（以下簡稱應力孔）是為了地震監測研究、構造或隱伏斷裂監測研究以及重大地下工程或水利工程等項目監測研究所需要而實施的地應力測量和地應力監測鉆孔。應力孔區別于地質鉆孔主要在于其鉆孔目的是為了地應力測量和監測的科學研究，而非地下礦產資源勘探，因此在施工過程中質量把控的重點方向以及成孔質量評價也有所區別。地應力鉆孔一般采用地質勘探的相關鉆進工藝技術方法，因此質量控制和評價在實際項目實施中多借鑒其質量標準，但這種借鑒實際上不能全面反映應力孔特性，評價方法也與鉆探目標和控制方向有一定差距。應力孔實際上是鉆探工程技術在應力研究科研領域新的應用，有其自身的特點和方法，隨著人們減災防災意識的不斷提高以及科研技術的進步，越來越多的該類項目會得以實施，因此確定符合其要求的質量評價標準會有一定意義。

1 應力孔質量要素分析

在鉆探工程領域，因鉆探目標的差異性，鉆孔成果質量控制側重點也有所不同。例如固體礦產勘探主要控制成礦帶，對巖礦心采取（采取率、巖礦心質量等）綜合要求高；地熱鉆井則關注熱儲層裂隙分析與保護；油氣鉆孔更加注重對油氣層的把控等。鉆探工程質量包括鉆孔本身的質量（鉆孔形態），鉆孔施工過程中的工作質量和終孔后對鉆孔善后處理的工作質量（王達等，2008）。綜合分析研究地應力鉆孔，就個人分析來看，可以按照屬性不相容原則對鉆探成果質量進行分類包括3個方面內容：鉆孔自身質量（簡稱孔身質量），即鉆孔的形態控制；鉆取成果質量，即鉆孔揭露的地下客觀自然規律反應；鉆孔特性質量，即該類型鉆孔所要達到的目標實現。

（1）鉆孔自身質量

鉆孔自身質量是構成鉆孔自然要素特性指標的反應，表現在鉆孔彎曲度、鉆孔深度、鉆孔直徑、封孔、防護套管等構成鉆孔本身屬性的各質量因素成果參數的合理性和規范性，主要是控制鉆孔本身屬性滿足各項設計和規范要求，以達到鉆探目的。

（2）鉆取成果質量

鉆取成果包括通過鉆探方法取得的巖心成果、水文數據成果以及獲取的資料成果，是鉆孔直接所揭示的自然規律的客觀反映，是鉆孔獲得綜合目標所參考的客觀依據。巖心采取是為了了解目的地層的完整程度、巖石的物理力學性質等自然屬性，以便選擇合理的研究部位，對于選擇完整的測試段和確定將要進行測試的巖石屬性非常重要，因此對目的地層的巖心采取有一定的要求。水文數據觀測主要用于試驗測試質量控制和長期應力監測需要，原始資料是檢查驗收項目成果必要的證據反映，是孔內情況判斷和成果驗收的重要依據，是鉆孔完成的過程反映，需要清晰、完整、及時并保持自然狀態。

（3）鉆孔特性質量

鉆孔特性質量是鉆探項目借助鉆孔自身質量和鉆取成果質量控制而達到一個特殊要求的目標或綜合研究狀態所附加的成果質量，表達了該類型鉆孔的固有特性，不同類型的鉆孔其特性質量要求不同。應力孔的鉆孔特性質量包括應力測量質量和監測儀器安裝質量。應力測量和監測儀器安裝是應力孔實施的主要目標，直接影響到應力孔的成果質量，是應力孔質量保障的關鍵要素。

2 評價因子選擇與分析

依據應力孔質量要素分析，合理選擇和定位質量評價要素及評級因子是做好應力孔質量評價的基礎。

2.1 地質巖心鉆孔質量要求指標實用性分析

《地質巖心鉆探規程》（2010）中規定了鉆孔質量要求，即傳統的六大質量指標因素。那么在應力孔的質量控制中，六大因素的適用性如何呢？下面做一個簡要分析。

巖礦心采取率：應力孔鉆進中主要考慮巖心采取，這是判斷應力測量和儀器安裝位置的重要依據，當然也可以通過測井方式輔助判斷，但沒有巖心直觀，應當具有比較重要的意義。

孔深測量誤差與校正：是對鉆孔深度的一個檢驗和修正，避免鉆具測量引起的位置誤差。應力孔比較關鍵的一點是需要根據巖心反應的地層條件確定孔內應力測量位置和監測儀器安裝位置，其準確性對應力測量和監測位置選擇還是很有必要的，因此孔深測量誤差和校正質量極有可能影響項目質量，應該是一個間接影響質量比較重要的因素。

鉆孔彎曲與測量間距：地質鉆孔控制鉆孔彎曲度是為了保證鉆孔施工效率和準確控制礦層。應力孔則是為了保證鉆孔施工效率和應力研究部位的準確性，分析是一個可間接影響項目質量的重要因素。

原始記錄：是鉆孔孔內情況判斷的依據，也是處理孔內問題的依據，同時是質量評定的證據，也具有一定的重要意義，是直接影響質量評定的重要因素。

簡易水文觀測：作為對孔內水文條件的了解，有助于應力測量和儀器安裝，也有在監測中輔助判斷構造活動或者應力變化的作用，應該說功能需求性較地質鉆孔要求有所減弱。

封孔：不考慮礦業開發問題，對于使用中的鉆孔不需要封孔，對于不監測的鉆孔需要封孔，僅考慮環保要求或者避免對地下自然狀態的人工干擾，重要性有所降低。

分析表明，孔深測量誤差與校正、鉆孔彎曲與測量間距、巖心采取率、原始記錄四類因素是比較重要的評價要素，水文觀測與封孔的重要性就相對有所下降了。因此，綜合來看傳統的六大指標已不能全面反映和評價應力孔質量，尤其隨著科技的進步和信息化的發展，應該建立更系統準確的質量評價方法。

2.2 其他質量因素分析

除了傳統的地質巖心鉆探質量要求的評價因素之外，地應力鉆孔中涉及質量的因素還有套管質量、孔徑質量、應力測量質量、監測儀器安裝質量。

套管質量是指永久安放孔內保障孔內安全的技術套管的安放質量。如果孔內沒有監測儀器使用，則技術套管的安放質量不是很重要；但孔內如果有長期監測使用的儀器，則需要技術套管安放有一定的質量保障，以便儀器的檢修和使用保障。

孔徑誤差：地質鉆孔一般考慮采取的巖心直徑符合要求即可。而應力孔除此要求外，水壓致裂法要考慮到應力測量儀器使用，在測量時有一定的膨脹范圍；套芯應力解除法要考慮到解除儀器的安放，需要較小的間隙誤差；長期應力監測還有儀器安裝的需要。這些工作對孔徑誤差都有一些嚴格的要求，因此這些工作部位的孔徑質量對鉆孔的整體質量是會有較大影響的。

應力測量質量是工程的主要目標，是工程質量的決定性因素。

儀器安裝質量是工程的主要目標之一，是工程質量的決定性因素。

2.3 評價要素及權重分析

上述2.1和2.2部分的內容所分析的評價因素均能從不同側面直接或間接反映工程質量。然而應力孔質量優劣的直接影響要素是鉆孔特性質量，其包含應力測量質量和儀器安裝質量兩個方面，可以說這兩個方面因素決定了工程質量的成敗。而鉆孔自身質量和鉆取成果質量是與鉆孔特性質量密切相關聯的，質量嚴重差異也可能造成整個鉆孔的質量后果。孔身質量由孔深誤差測量與校正、鉆孔彎曲度、套管質量、封孔的質量決定，鉆取成果質量由巖心質量、水文觀測及資料質量所決定。

能夠評價地應力鉆孔的因素分析基本有上述十個方面，這些評價因素當然也有各自不同的重要性。如果用權重來考慮，則對其權重計劃分為3級：1級為直接影響成果質量的決定性的因素，分析包含應力測量、監測儀器安裝；2級為間接影響成果質量的重要因素，分析為巖心質量、資料質量、鉆孔彎曲度、孔深校正誤差、孔徑誤差；3類為間接影響質量的次要因素，分析為水文觀測、封孔及套管質量（表1）。對于有些沒有放置永久性護壁技術套管或者不需要安裝監測儀器的鉆孔，套管質量和儀器安裝兩個選項就不需要評價了，因此該項為可選項。

表1 應力孔質量評價因子及權重分析表Tab.1 Stress borehole quality evaluation factor and weight analysis table

3 質量評價方法

鉆孔質量評價可以參考建設工程質量評價的方法，就是采用單位（子單位）工程、分部工程和分項工程評價的方法（中華人民共和國建設部，2001），單位工程包含分部工程，分部工程包含分項工程。通過分項工程評價確定分部工程質量，通過分部工程質量在確定單位工程質量。具體是整個鉆探項目看作單位工程，孔身質量、鉆取成果質量、鉆孔特性質量看作分部工程，分部工程內所包含的評價因素看作其內的分項工程（表2）。單位工程質量、分部工程質量、分項工程質量均分為優良、合格、不合格三種標準，單位工程質量由分部工程質量確定，分部工程質量由單項工程質量確定。

表2 地應力鉆孔質量評價分解表Tab.2 Decomposition table of borehole stress quality evaluation

4 質量評價標準

依據質量評價方法結合評價要素的權重分析分別設定分項、分部及單位工程質量標準，并統一界定為不合格、合格和優良3個等級。

（1）單項工程質量評價

表3給出了單項質量評價的初步標準設計，具體到項目實際運用還需要進一步優化和確定具體指標。孔徑測量僅需要評價應力測量段及儀器安裝位置段的孔徑質量；質量評定資料包括但不限于設計（方案），班報表，測斜、下管、固井、孔深校正、水位觀測，儀器檢驗、應力測試等各類試驗測試記錄，原材料證明（合格證），總結報告等。

（2）分部工程質量評價

在單項工程質量評價基礎上，確定分部工程的質量評價標準（表4）。

（3）應力孔成果質量評價

單孔質量成果評價依據分部質量成果狀況，評定建議如表5：

（4）綜合項目成果質量評價

對于有多個應力孔實施的綜合性項目，可依據項目需求，把單獨的鉆孔作為子單位工程考慮；也可在單孔質量評價基礎上，依據項目總體成果效果

綜合評定其質量評定標準；也有綜合考慮投資、工期等要素的質量綜合評價方法，需要具體項目具體分析。

表3 應力孔單項工程質量評價參考表Tab.3 Reference table for quality evaluation of single-project of stress borehole

表4 分部工程質量評價標準參考表Tab.4 Division project quality evaluation criteria reference table

表5 應力孔質量成果評價參考表Tab.5 Reference table for evaluation of stress borehole quality

5 結論及建議

（1）地應力鉆孔成果質量最終取決于地應力的測量成果質量和監測儀器的安裝成果質量，其余質量因素均屬于輔助的手段和方法，因此質量控制和評價的重點也在于此，這是該類鉆孔和普通地質鉆孔的最大差別。

（2）考慮地應力鉆孔的獨特性，傳統的地質鉆孔質量評價方法不能完全適合和滿足該類鉆孔的質量控制要求，六大指標評價方法具有一定的實用性，但還不足于正確評價和控制該類鉆孔成果質量。

（3）套用建設工程中單位工程的分項、分部式質量評價方法應用于地應力鉆孔的質量評價是一種新的嘗試，一方面能夠揭示地應力鉆孔的質量控制原理及關鍵因素，同時有助于正確分析和評價該類鉆孔的質量狀況，以便在施工中采取有針對性的措施。

（4）鉆孔自身質量評價、鉆取成果質量評價和鉆孔特性質量評價是應力孔質量評價的三個主要方面，屬性分類清晰，評價因素選擇合理，具有一定的實用性，也可用于指導和應用于其他未制定規范的質量評價標準的鉆探類項目開展質量評價工作。

唐榮余，2009. 國際巖石力學學會關于巖石應力估算的建議方法[J]. 地殼構造與地殼應力，3-44.

王達，孫建華，2008. 我國鉆探工程技術標準現狀與展望[J]. 探礦工程（巖土鉆掘工程），35(1)：4-8.

中華人民共和國建設部，2001. 建筑工程施工質量驗收統一標準(GB50300-2001)[S].

中國地質調查局，2010. 地質調查巖心鉆探技術規程(DD2010-01)[S].

Quality Evaluation on Borehole Geo-stress Result

QIN Junsheng1, LIU Chunsheng2, TAN Chengxuan3

(1. Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau, Beijing 100195; 2. Beijing Geological Engineering Design and Research Institute, Beijing 101500; 3. Institute of Geomechanics, CAGS, Beijing 100081)

Geo-stress drilling is a new application technique for drilling technique used to measure and monitor the geo-stress, which has special quality control requirements; however, there are not enough normal quality evaluation standards. Hence it is very import signif i cance to analyze and research its quality evaluation methods and standards. Based on the analysis and summarization of the practical experience from a large number of geo-stress drilling projects, this paper studies the quality control elements of the geo-stress hole on the basis of fully studying the drilling properties and characteristics, and fi nds the relevant factors of the stress hole quality evaluation, and states the applicability for the common geological drilling quality control elements. Through the analysis of the weight of the evaluation factors, the quality evaluation methods and evaluation criteria of stress drilling results are discussed and put forward, and the method is unique and novel. Especially the unique quality factor classif i cation method, based on the quality evaluation method of construction project and the recommended evaluation standard, has reasonable logic and good operability, and it has practical signif i cance and reference for the quality evaluation of the drilling results.

Borehole; Geo-stress; Quality evaluation; Standard; Results

TU 452；TE2

A

1007-1903（2017）01-0005-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.002

秦俊生（1970- ），男，博士，高工，主要研究方向鉆探工程、巖土工程、地熱工程。E-mail：flowboy@163.com