地应力钻孔成果质量评价探讨

秦俊生，刘春生，谭成轩

（1. 北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195；2. 北京市地质工程设计研究院，北京 101500；3. 中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081）

地应力钻孔成果质量评价探讨

秦俊生1，刘春生2，谭成轩3

（1. 北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195；2. 北京市地质工程设计研究院，北京 101500；3. 中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081）

地应力钻孔是钻探技术在地应力测量与监测科研领域新的应用，具有特殊的质量控制要求，也缺乏规范的质量评价标准，分析研究探讨其质量评价方法和标准对控制钻孔质量具有一定意义。本文通过对大量应力钻孔项目实践经验的分析和总结，在充分研究该类型钻孔属性与特性的基础上，从应力孔质量控制要素分析入手，寻找应力孔质量评价的相关因子，并对普通地质钻孔质量控制要素适用性进行分析论证。通过对评价因子的权重分析，探讨并提出了应力钻孔成果质量评价方法和评价标准，方法独特新颖。特别是独特的质量要素分类方法，借鉴建设工程的质量评价方法和分析研究推荐的评价标准，具有合理的逻辑性和较好的操作性，对该类型钻孔成果质量评价具有现实的指导意义，也可为研究和制定类似的钻探项目成果质量评定规范性标准，提供借鉴和参考。

钻孔；地应力；质量评价；标准；成果

0 前言

地应力指赋存在岩体内的应力（唐荣余，2009），主要来自五个方面。地应力钻孔（以下简称应力孔）是为了地震监测研究、构造或隐伏断裂监测研究以及重大地下工程或水利工程等项目监测研究所需要而实施的地应力测量和地应力监测钻孔。应力孔区别于地质钻孔主要在于其钻孔目的是为了地应力测量和监测的科学研究，而非地下矿产资源勘探，因此在施工过程中质量把控的重点方向以及成孔质量评价也有所区别。地应力钻孔一般采用地质勘探的相关钻进工艺技术方法，因此质量控制和评价在实际项目实施中多借鉴其质量标准，但这种借鉴实际上不能全面反映应力孔特性，评价方法也与钻探目标和控制方向有一定差距。应力孔实际上是钻探工程技术在应力研究科研领域新的应用，有其自身的特点和方法，随着人们减灾防灾意识的不断提高以及科研技术的进步，越来越多的该类项目会得以实施，因此确定符合其要求的质量评价标准会有一定意义。

1 应力孔质量要素分析

在钻探工程领域，因钻探目标的差异性，钻孔成果质量控制侧重点也有所不同。例如固体矿产勘探主要控制成矿带，对岩矿心采取（采取率、岩矿心质量等）综合要求高；地热钻井则关注热储层裂隙分析与保护；油气钻孔更加注重对油气层的把控等。钻探工程质量包括钻孔本身的质量（钻孔形态），钻孔施工过程中的工作质量和终孔后对钻孔善后处理的工作质量（王达等，2008）。综合分析研究地应力钻孔，就个人分析来看，可以按照属性不相容原则对钻探成果质量进行分类包括3个方面内容：钻孔自身质量（简称孔身质量），即钻孔的形态控制；钻取成果质量，即钻孔揭露的地下客观自然规律反应；钻孔特性质量，即该类型钻孔所要达到的目标实现。

（1）钻孔自身质量

钻孔自身质量是构成钻孔自然要素特性指标的反应，表现在钻孔弯曲度、钻孔深度、钻孔直径、封孔、防护套管等构成钻孔本身属性的各质量因素成果参数的合理性和规范性，主要是控制钻孔本身属性满足各项设计和规范要求，以达到钻探目的。

（2）钻取成果质量

钻取成果包括通过钻探方法取得的岩心成果、水文数据成果以及获取的资料成果，是钻孔直接所揭示的自然规律的客观反映，是钻孔获得综合目标所参考的客观依据。岩心采取是为了了解目的地层的完整程度、岩石的物理力学性质等自然属性，以便选择合理的研究部位，对于选择完整的测试段和确定将要进行测试的岩石属性非常重要，因此对目的地层的岩心采取有一定的要求。水文数据观测主要用于试验测试质量控制和长期应力监测需要，原始资料是检查验收项目成果必要的证据反映，是孔内情况判断和成果验收的重要依据，是钻孔完成的过程反映，需要清晰、完整、及时并保持自然状态。

（3）钻孔特性质量

钻孔特性质量是钻探项目借助钻孔自身质量和钻取成果质量控制而达到一个特殊要求的目标或综合研究状态所附加的成果质量，表达了该类型钻孔的固有特性，不同类型的钻孔其特性质量要求不同。应力孔的钻孔特性质量包括应力测量质量和监测仪器安装质量。应力测量和监测仪器安装是应力孔实施的主要目标，直接影响到应力孔的成果质量，是应力孔质量保障的关键要素。

2 评价因子选择与分析

依据应力孔质量要素分析，合理选择和定位质量评价要素及评级因子是做好应力孔质量评价的基础。

2.1 地质岩心钻孔质量要求指标实用性分析

《地质岩心钻探规程》（2010）中规定了钻孔质量要求，即传统的六大质量指标因素。那么在应力孔的质量控制中，六大因素的适用性如何呢？下面做一个简要分析。

岩矿心采取率：应力孔钻进中主要考虑岩心采取，这是判断应力测量和仪器安装位置的重要依据，当然也可以通过测井方式辅助判断，但没有岩心直观，应当具有比较重要的意义。

孔深测量误差与校正：是对钻孔深度的一个检验和修正，避免钻具测量引起的位置误差。应力孔比较关键的一点是需要根据岩心反应的地层条件确定孔内应力测量位置和监测仪器安装位置，其准确性对应力测量和监测位置选择还是很有必要的，因此孔深测量误差和校正质量极有可能影响项目质量，应该是一个间接影响质量比较重要的因素。

钻孔弯曲与测量间距：地质钻孔控制钻孔弯曲度是为了保证钻孔施工效率和准确控制矿层。应力孔则是为了保证钻孔施工效率和应力研究部位的准确性，分析是一个可间接影响项目质量的重要因素。

原始记录：是钻孔孔内情况判断的依据，也是处理孔内问题的依据，同时是质量评定的证据，也具有一定的重要意义，是直接影响质量评定的重要因素。

简易水文观测：作为对孔内水文条件的了解，有助于应力测量和仪器安装，也有在监测中辅助判断构造活动或者应力变化的作用，应该说功能需求性较地质钻孔要求有所减弱。

封孔：不考虑矿业开发问题，对于使用中的钻孔不需要封孔，对于不监测的钻孔需要封孔，仅考虑环保要求或者避免对地下自然状态的人工干扰，重要性有所降低。

分析表明，孔深测量误差与校正、钻孔弯曲与测量间距、岩心采取率、原始记录四类因素是比较重要的评价要素，水文观测与封孔的重要性就相对有所下降了。因此，综合来看传统的六大指标已不能全面反映和评价应力孔质量，尤其随着科技的进步和信息化的发展，应该建立更系统准确的质量评价方法。

2.2 其他质量因素分析

除了传统的地质岩心钻探质量要求的评价因素之外，地应力钻孔中涉及质量的因素还有套管质量、孔径质量、应力测量质量、监测仪器安装质量。

套管质量是指永久安放孔内保障孔内安全的技术套管的安放质量。如果孔内没有监测仪器使用，则技术套管的安放质量不是很重要；但孔内如果有长期监测使用的仪器，则需要技术套管安放有一定的质量保障，以便仪器的检修和使用保障。

孔径误差：地质钻孔一般考虑采取的岩心直径符合要求即可。而应力孔除此要求外，水压致裂法要考虑到应力测量仪器使用，在测量时有一定的膨胀范围；套芯应力解除法要考虑到解除仪器的安放，需要较小的间隙误差；长期应力监测还有仪器安装的需要。这些工作对孔径误差都有一些严格的要求，因此这些工作部位的孔径质量对钻孔的整体质量是会有较大影响的。

应力测量质量是工程的主要目标，是工程质量的决定性因素。

仪器安装质量是工程的主要目标之一，是工程质量的决定性因素。

2.3 评价要素及权重分析

上述2.1和2.2部分的内容所分析的评价因素均能从不同侧面直接或间接反映工程质量。然而应力孔质量优劣的直接影响要素是钻孔特性质量，其包含应力测量质量和仪器安装质量两个方面，可以说这两个方面因素决定了工程质量的成败。而钻孔自身质量和钻取成果质量是与钻孔特性质量密切相关联的，质量严重差异也可能造成整个钻孔的质量后果。孔身质量由孔深误差测量与校正、钻孔弯曲度、套管质量、封孔的质量决定，钻取成果质量由岩心质量、水文观测及资料质量所决定。

能够评价地应力钻孔的因素分析基本有上述十个方面，这些评价因素当然也有各自不同的重要性。如果用权重来考虑，则对其权重计划分为3级：1级为直接影响成果质量的决定性的因素，分析包含应力测量、监测仪器安装；2级为间接影响成果质量的重要因素，分析为岩心质量、资料质量、钻孔弯曲度、孔深校正误差、孔径误差；3类为间接影响质量的次要因素，分析为水文观测、封孔及套管质量（表1）。对于有些没有放置永久性护壁技术套管或者不需要安装监测仪器的钻孔，套管质量和仪器安装两个选项就不需要评价了，因此该项为可选项。

表1 应力孔质量评价因子及权重分析表Tab.1 Stress borehole quality evaluation factor and weight analysis table

3 质量评价方法

钻孔质量评价可以参考建设工程质量评价的方法，就是采用单位（子单位）工程、分部工程和分项工程评价的方法（中华人民共和国建设部，2001），单位工程包含分部工程，分部工程包含分项工程。通过分项工程评价确定分部工程质量，通过分部工程质量在确定单位工程质量。具体是整个钻探项目看作单位工程，孔身质量、钻取成果质量、钻孔特性质量看作分部工程，分部工程内所包含的评价因素看作其内的分项工程（表2）。单位工程质量、分部工程质量、分项工程质量均分为优良、合格、不合格三种标准，单位工程质量由分部工程质量确定，分部工程质量由单项工程质量确定。

表2 地应力钻孔质量评价分解表Tab.2 Decomposition table of borehole stress quality evaluation

4 质量评价标准

依据质量评价方法结合评价要素的权重分析分别设定分项、分部及单位工程质量标准，并统一界定为不合格、合格和优良3个等级。

（1）单项工程质量评价

表3给出了单项质量评价的初步标准设计，具体到项目实际运用还需要进一步优化和确定具体指标。孔径测量仅需要评价应力测量段及仪器安装位置段的孔径质量；质量评定资料包括但不限于设计（方案），班报表，测斜、下管、固井、孔深校正、水位观测，仪器检验、应力测试等各类试验测试记录，原材料证明（合格证），总结报告等。

（2）分部工程质量评价

在单项工程质量评价基础上，确定分部工程的质量评价标准（表4）。

（3）应力孔成果质量评价

单孔质量成果评价依据分部质量成果状况，评定建议如表5：

（4）综合项目成果质量评价

对于有多个应力孔实施的综合性项目，可依据项目需求，把单独的钻孔作为子单位工程考虑；也可在单孔质量评价基础上，依据项目总体成果效果

综合评定其质量评定标准；也有综合考虑投资、工期等要素的质量综合评价方法，需要具体项目具体分析。

表3 应力孔单项工程质量评价参考表Tab.3 Reference table for quality evaluation of single-project of stress borehole

表4 分部工程质量评价标准参考表Tab.4 Division project quality evaluation criteria reference table

表5 应力孔质量成果评价参考表Tab.5 Reference table for evaluation of stress borehole quality

5 结论及建议

（1）地应力钻孔成果质量最终取决于地应力的测量成果质量和监测仪器的安装成果质量，其余质量因素均属于辅助的手段和方法，因此质量控制和评价的重点也在于此，这是该类钻孔和普通地质钻孔的最大差别。

（2）考虑地应力钻孔的独特性，传统的地质钻孔质量评价方法不能完全适合和满足该类钻孔的质量控制要求，六大指标评价方法具有一定的实用性，但还不足于正确评价和控制该类钻孔成果质量。

（3）套用建设工程中单位工程的分项、分部式质量评价方法应用于地应力钻孔的质量评价是一种新的尝试，一方面能够揭示地应力钻孔的质量控制原理及关键因素，同时有助于正确分析和评价该类钻孔的质量状况，以便在施工中采取有针对性的措施。

（4）钻孔自身质量评价、钻取成果质量评价和钻孔特性质量评价是应力孔质量评价的三个主要方面，属性分类清晰，评价因素选择合理，具有一定的实用性，也可用于指导和应用于其他未制定规范的质量评价标准的钻探类项目开展质量评价工作。

唐荣余，2009. 国际岩石力学学会关于岩石应力估算的建议方法[J]. 地壳构造与地壳应力，3-44.

王达，孙建华，2008. 我国钻探工程技术标准现状与展望[J]. 探矿工程（岩土钻掘工程），35(1)：4-8.

中华人民共和国建设部，2001. 建筑工程施工质量验收统一标准(GB50300-2001)[S].

中国地质调查局，2010. 地质调查岩心钻探技术规程(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，主要研究方向钻探工程、岩土工程、地热工程。E-mail：flowboy@163.com