川藏铁路千米级水平孔绳索取心钻进技术与应用

罗显粱，徐正宣，吴金生，黄晓林，石绍云，蒋 炳，刘建国

(1.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都 611734；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

0 前言

随着我国川藏铁路、滇藏铁路、新藏铁路等一系列重大工程的逐步实施，长大深埋隧道不断增多，隧道地质勘探需求不断加大，然而这些工程往往位于高原高山峡谷地区，勘探难度巨大(徐正宣等，2021)。川藏铁路位于青藏高原东缘，全线共有隧道198条，其中特长隧道46条，铁路沿线山高谷深，地形高差大，隧道长、埋深大，构造极其发育，岩性复杂，利用传统垂直钻孔进行勘探面临高山上设备难以搬迁、取样资料有限等难题(马映辉等，2021；肖华等，2021)。在隧道傍山段或沟谷内布置水平钻孔，沿着隧道洞身段进行水平孔取心钻进，能够直观获取深部岩体样本，并可在深孔内开展相关原位测试工作，获取最准确最直观的地质参数信息(张恒春等，2020；吴纪修等，2021)。目前，在需要全孔取心的水平孔中，较为常见的取心方式为绳索取心，相较于其他普通取心方式，绳索取心具有纯钻时间利用率高、岩心保存完好、孔内事故少以及工人劳动强度低等优势(李柏军等，2019；王圣勇，2019)。因此，开展千米级水平孔绳索取心钻进技术研究，对于解决长距离隧道勘探的难题，避免隧道开挖时岩爆、涌水突泥、高温热害、有害气体等多种地下灾害的发生具有十分重要的意义。

1 钻进设备与工具

1.1 钻机及泥浆泵的优选

在千米级水平定向孔中，由于自身重力的因素，钻杆和钻具整体贴在钻孔的底部，再加上钻孔较深，钻进时钻杆与孔壁之间的摩擦力较大(常江华等，2012)。在钻进断层、软弱夹层、破碎带、节理发育层时，如果钻机动力不足，将无法处理可能出现的卡钻、垮塌等孔内复杂情况(阳廷军，2017)。因此，针对千米级水平定向孔高效施工要求，钻机必须具备足够的动力，动力头转速、扭矩等能够满足施工需要。目前国内使用的部分大功率定向钻机包括以下几种，其型号及性能参数见表1，施工时可根据实际情况进行选用。

表1 部分钻机性能参数表

在水平孔取心钻进中，泥浆泵除了常规钻进中泵送泥浆的作用外，最重要的作用还在于输送钻具和打捞器到孔底，如果钻孔较深，则要求泵必须有足够的压力和流量。目前地质钻探上常用的大功率泥浆泵主要包括BW250/6、BW300/16以及BW320/12型，其性能参数见表2。针对千米级绳索取心钻进，推荐选用BW300/16型泥浆泵，该泵具有压力高、泵量可调节等特点，适用于不同深度、不同口径的绳索取心钻进。同时，由于其泵压高的特点，在涌水孔段，对于快速推送内管、泵送水泥浆或堵漏材料固井、压井，具有较好优势。

表2 泥浆泵性能参数表

1.2 钻进工具的优选

1.2.1 钻头与钻杆

在长距离水平孔取心钻进过程中，提大钻换钻头会耽误大量工时，且极大增加工人的劳动强度。为提高取心钻头机械钻速和使用寿命，选择合适的钻头极为重要(刘海声等，2019)。孕镶金刚石钻头在软-中硬地层中钻进时，具有钻速快、进尺多、寿命长、抗压能力大、抗磨能力强、抗冲击能力较好等特点，在中硬-坚硬地层钻进时，其性能也优于大多数普通钻头(徐华和易世友，2012；王昶皓等，2019)。现场施工时，根据施工区岩石研磨性与可钻性强弱，可对钻头的水口、切削齿形状以及胎体硬度等进行优选，以岩石硬度5～6级、层理发育及岩石研磨性较强的地层为例，推荐其主要钻头选型见表3。

表3 金刚石钻头选择表

在需要绳索取心的水平孔钻进时，为了方便取心钻具顺利在钻杆内壁进出，钻杆内壁必须光滑，所以采用无接头的内平钻杆，钻杆采用双顶锥螺纹连接(魏欢欢等，2019)。同时，由于在水平孔中，钻杆与孔壁之间的摩擦力较大，钻进时很容易对钻杆造成磨损，所以要求制造钻杆的材料具有较高的强度和耐磨性(魏欢欢和殷新胜，2011)。钻杆采用整体热处理，钻杆疲劳强度高，密封性能好，高强度绳索取心钻杆样品如图1所示。

图1 高强度绳索取心钻杆Fig.1 Coring drill pipe with high-strength wireline

1.2.2 绳索取心内管总成及打捞器

针对川藏铁路千米级水平孔绳索取心钻进需要，研究水平孔用绳索取心钻具，水平绳索内管总成如图2所示，打捞器结构如图3所示。由于钻具和打捞器靠水力输送到孔底，在钻具内管总成和打捞器上要安装密封压力环，让钻具内管总成和打捞器在水力的作用下能够顺利到达孔底，密封环见钻具总成中的10、打捞器中的8。密封环的外径小于钻杆内径0.5～1 mm，同时，打捞器的重量要轻，还要保证在输送过程中保持水平位置，不能由于前后偏重造成无法输送(和鹏鹏，2011；李占锋，2016)。

图2 绳索取心钻具总成Fig.2 Assembly of rope core drilling tool1-捞矛头；2-定位销；3-矛头座；4-弹性销；5-连接板；6-弹卡板；7-弹卡板；8-球阀；9-弹卡架；10-密封活塞；11-悬挂环；12-调 节螺母；13-主轴；14-轴承；15-主轴弹簧；16-内管接头；17-阀压盖；18-卡簧1-fishing spear head;2-positioning pin;3-spear head seat;4-elastic pin;5-connecting plate;6-elastic plate;7-elastic plate;8-ball valve;9-clamping frame;10-sealed piston;11-suspension ring;12-adjusting nut;13-spindle;14-bearing;15-spindle spring;16-inner pipe joint; 17-valve gland;18-circlip

图3 绳索内管打捞器Fig.3 Rope inner tube salvage device1-小轴；2-轴承；3-平垫圈；4-绳接头；5-锁紧螺母；6-转换接头；7-活塞拉杆；8-密封活塞;9-弹性销；10-钢球；11-捞钩架；12-捞 钩弹簧；13-打捞钩；14-圆形销；15-导向套；16-弹性销；17-固定钩1-small shaft;2-bearing;3-flat washer;4-rope joint;5-lock nut;6-conversion joint;7-piston rod;8-sealed piston;9-elastic pin;10-steel ball;11-fishing hook holder;12-fishing hook spring;13-fishing hook;14-round pin;15-guide sleeve;16-elastic pin;17-fixed hook

2 钻孔施工工艺设计

2.1 钻孔结构与钻具组合设计

钻孔结构是影响钻孔施工和完井测试安全的重要因素，特别是在长距离水平孔中，钻孔结构的合理性、安全性是钻孔成败的关键。根据钻探区域地质构造、地层岩性、钻探工艺技术状况以及钻探目的等，依据有利于安全、优质、高效钻进和取准、取全地质资料的原则进行井身结构设计。

针对需要全孔取心的千米级水平孔，推荐采用三开孔身结构，预留四开结构，所有开次尽量向深钻进，不得以才更换口径和开次。水平孔钻进时极易产生井斜，采用大直径钻杆防斜，钻杆直径越大，刚性越好，防斜效果越好。一开采用Φ145 mm提钻取心钻进，钻穿覆盖层后，下入Φ139.7 mm套管，采用内插法进行固井，并安装孔口装置(张金昌等，2012；奎中和黄晟辉，2018；李正前等，2018)。二开采用Φ122 mm绳索取心钻进，Φ114 mm绳索取心钻杆，取心钻进至500～600 m，封隔前部涌水段或破碎带等，本开次施工结束后将Φ114 mm钻杆留在孔内作为套管。三开采用Φ96 mm绳索取心钻进，Φ91 mm绳索取心钻杆，尽可能取心钻进至终孔。在遇到孔内复杂情况下，Φ96 mm口径绳索取心钻进难以至终孔时，可以采用Φ76 mm口径继续四开钻进，取心钻进至终孔。设计孔身结构示意图如图4所示。

图4 设计孔身结构示意图Fig.4 Schematic diagram of hole body structure

绳索取心钻进钻具的选择和组合是提高钻孔质量、确保岩心采取率和提高钻探效益的极为重要的一环(易亚东，2020)。根据水平孔施工特点，推荐选用S122、S96系列绳索钻具，其组合为：动力头+专用接头+绳索母接手+绳索钻杆+绳索公接手+弹卡挡头+弹卡室+绳索外管+扩孔器+金刚石钻头(王政敏和陈方，2008)。内管组合：岩心管+内管总成。在钻遇特别坚硬的地层时，如遇钻头破岩能力不足、进尺较慢等情况，可以配套液动冲击器使用，将绳索取心和液动冲击回转钻进的优势相互结合，防止岩心堵塞，增加回次进尺，降低孔斜，尤其是在坚硬致密的打滑地层中钻进，可成倍提高钻进效率(石生明和朱永宁，2009；郑思光和刘继东，2013)。

2.2 钻进参数设计

正常情况下，在一定范围内机械钻速随钻压的增大而增加，但因孔底碎岩机理的不同，可能也会产生相反的效果(程成等，2020)。绳索取心钻头唇面较大，需要适当较大的钻压，但钻压太大会加快钻头上金刚石的消耗速度，反而造成机械钻速降低(马智跃等，2019)。垂直孔的施工过程中，由于钻杆本身的重力较大，超过了正常钻进所需钻压，通常需要采用减压的方式钻进，因此钻杆柱主要受拉力，钻杆不易弯曲，钻孔不易偏斜。水平孔钻进时，钻杆平躺在孔内，不仅无法提供钻压，还会与孔壁产生较大的摩擦力，需要通过钻机加压来实现正常的钻进，在这个过程中钻杆主要受压力，钻杆易弯曲从而造成孔斜，特别是钻遇节理密集带、断层等特殊地层时更需要注意(常江华，2014)。因此，为提高机械钻速，同时预防钻孔偏斜，在千米级水平孔钻进过程中，可以适当减小绳索取心钻头唇面面积，在保证正常钻进的条件下，采用较低的钻机给进力，一般在10到12 kN之间，随着钻进深度的增加，需要克服的摩擦阻力增大，给进力可以适当提高至12～15 kN。

想要提高机械钻速，除了保持适当的钻压之外，取心钻头还需要有足够高的转速。但随着钻孔深度的逐渐增加，特别是超过1000 m之后，钻杆柱的重力太大，高转数不仅要求钻机具有高功率，同时也会对钻杆造成较大的损伤，因此转速也需要按照实际情况选择一个合适的值(郑宇轩等，2018)。根据已有经验，表镶金刚石钻头的线速度在1.0～2.0 m/s之间为宜，孕镶金刚石钻头的线速度在1.5～3.0 m/s之间为宜。

根据川藏铁路千米级水平孔工况，泥浆除了常规的携带岩屑、冷却润滑钻头钻具、稳定井壁以及传递水压力等作用之外，还会对钻孔的轨迹产生影响，合适的泥浆量有利于钻孔轨迹的控制。若泥浆量太少，无法携带出孔内全部的岩屑，堆积的岩屑床会使得钻孔向上偏斜；若泥浆量太大，孔内比较干净，在钻杆柱重力的影响下，钻孔可能会向下偏斜。由于需要进行取心作业，为提高输送效率，在输送和打捞岩心管时，可以适当增大泥浆泵的泵量。川藏铁路千米级绳索取心水平孔推荐钻进技术参数见表4。

表4 钻进技术参数表

2.3 绳索取心工艺

绳索钻具钻速高、取心速率快、时间利用率高、机组工人劳动强度低，极大程度地保证了钻孔质量和工期(董超等，2014；许启云等，2014)。水平绳索取心作业流程为下钻—水力投送内管—取心钻进—投送内管打捞器—打捞内管—取心作业。投送内管时，内管在钻杆内下行运动，因钻孔弯曲或钻杆内不规则等情况，容易造成内管总成运行阻卡，通过钻杆回转或上下活动，便于内管到位。当内管投送到位时，泵压会升高，柴油机负荷变大，声音变大，但钻孔较深时，现象可能会不明显，建议此时继续泵送一段时间，以确保内管到位(宋继伟等，2020)。打捞内管时，投下内管打捞工具，连接送绳器，绞车为自由状态，依靠泵压推动打捞器下行，注意观察绞车运行状态，避免钢丝绳不同步而被拉断。当打捞器停止下行时，开动绞车，缓慢启动，看是否捞住内管总成，再正常打捞内管。

绳索取心钻具钻杆与孔壁之间的环状间隙小，所以在钻进时钻压应相应提高，以克服钻具与孔壁的摩擦阻力(彭奋飞等，2020)。在钻进中如泵压忽然升高，说明发生了岩心堵塞现象，应立即停止钻进进行岩心打捞。采用绳索取心钻进工艺，岩心的采取率普遍较高，对破碎地层应采取“少打多捞”原则，防止岩心堵塞钻头而将岩心磨损掉，影响采取率(刘波等，2013)。

3 泥浆护壁技术措施

3.1 泥浆技术要求

水平孔钻进时会钻遇各种不同的岩性，本文以板岩及断层角砾岩为例。板岩通常具有明显的层理结构，伴随区域断裂发育，在钻进中受钻柱的回转敲击、起下钻抽吸等作用，易发生沿层理面剥落坍塌，而断层角砾岩则会在泥浆的长时间浸泡下发生水化分散垮塌，造成孔内复杂情况，因此要求泥浆具有一定的防塌护壁功能(朱旭明等，2021)。

对于超长水平定向孔，随着钻进深度的增加，钻柱和孔壁之间会产生较大的摩擦阻力，而受此摩擦力的影响，会对正常钻进造成三个不良影响：一是钻压无法及时传递到钻头上，造成钻进效率大大降低；二是钻机的回转阻力大大增加，加重了钻机负荷；三是加剧了钻具的磨损，造成钻具寿命大大降低(郑文龙等，2019)。因此，在超长水平钻孔施工中，要求泥浆必须具有较强的润滑性能，降低摩擦阻力，提高钻进效率。

钻进工艺主要采用绳索取心钻进，受钻具结构及环状间隙影响，需要泥浆保持较低的含砂量和较低的粘切，以降低对钻具的损耗及循环压耗。同时，超长水平孔钻进区域多处于高山森林等生态环境脆弱区，要求钻井施工尽可能降低对环境的污染，泥浆各项处理剂需具有一定的环保性，坚决杜绝处理剂使用有毒有害物质，同时对废弃泥浆处理也要满足环保要求。

3.2 泥浆体系设计

3.2.1 覆盖层泥浆

覆盖层地层较破碎，岩性以块石土、碎石土为主，取出岩心如图5所示，应适当提高泥浆粘切，加强体系的胶结防塌性能，建议泥浆漏斗粘度维持在20～40 s，pH值维持在9～11。钻探过程中对泥浆处理剂的消耗量较大，要按时测量泥浆性能，及时对泥浆材料进行补充。推荐泥浆配方为：2%～3%膨润土+5%纯碱(土重)+0.01%～0.03% PHP+0.2%～0.5%植物胶+0.01%～ 0.02% NaOH，使用过程中根据实际情况进行调整。

图5 覆盖层岩心Fig.5 Overburden core

3.2.2 完整地层无固相泥浆

在完整地层，取出的岩心以长柱状为主，如图6所示。为了提高钻进效率，加快施工进度，以及减少泥浆成本，采用无固相泥浆体系。该泥浆体系具有低粘度、低切力以及携岩排粉能力较强的特点，并且配制方法简单，维护方便。泥浆漏斗粘度不大于25 s，pH值维持在8～10，推荐泥浆配方为：水+0.05%-0.1% PHP + 0.1%-0.5%特效润滑剂。

图6 完整地层岩心Fig.6 Complete formation core

3.2.3 破碎地层泥浆

钻进破碎带地层时，岩心形状如图7所示。需要时刻监控泥浆的失水造壁性以及封堵防塌性，避免垮塌掉块等孔内事故的发生。推荐泥浆配方为：3%膨润土+5%纯碱(土重)+0.3%～0.5% LV-CMC+1%～2% SPNH+0.5%～2%聚合醇JLX+1%～3% KCl+1%～2%特效润滑剂，泥浆性能参数见表5。该体系主要特点是具有较低的失水量，同时具有较强的封堵防塌效果。在使用中主要采用LV-CMC及SPNH进行失水量控制，一旦地层破碎情况比较严重，应提高其加量，降低失水量，以形成优质泥饼。同时，提高聚合醇和KCl的加量，在岩石表面形成致密封堵层，有效封堵不同渗透性及微裂缝板岩、断层角砾岩等地层，大大提高对地层的物理防塌效果。

图7 破碎带岩心Fig.7 Core of fracture zone

4 现场应用

4.1 基本情况

选用GXD-5S型钻机及BW300/16型泥浆泵，将千米级水平孔绳索取心钻进技术在川藏铁路卡子拉山一号水平孔进行应用。钻探场地位于中-高山峡谷地带，该水平孔穿过端泥隆断裂和让阔断裂。钻孔整体位于三叠系上统雅江组二段地层，岩性出露变质砂岩、砂质板岩、炭质板岩及断层角砾岩等。调查附近钻孔岩心情况，该套岩心易出现饼化现象，钻孔周围岩石因应力释放出现缩径，导致钻进中套管不能下到位、内管冲击水不能正常排出，送打捞设备困难，耽搁钻进时间，延长辅助时间等。

表5 泥浆性能参数

4.2 施工情况

本孔于2020年7月26日13∶00一开开钻，8月26日钻穿覆盖层结束一开钻进，一开Φ145 mm井眼，施工孔段0～48.00 m。8月29日12∶00二开开钻,9月30日14∶10二开完钻，二开Φ122 mm井眼，施工孔段48.00～588.00 m。二开施工中，钻遇地层涌水严重，通过孔口涌水分离导流装置等措施保证了正常施工。10月2日11∶30三开开钻,10月10日下钻至610 m处垮孔堵塞循环通道，憋泵，进行扫孔通孔，地质判断钻遇断裂层，11月8日17∶30三开完钻。三开Φ95.5 mm井眼，施工孔段588.00～974.15 m，通过优化钻具组合、上一级钻杆留在孔内作为套管以及聚丙烯酰胺等处理剂的使用等综合手段克服了地层破碎水敏水化。11月12日14∶00四开开钻，钻头外径75.5 mm，扩孔器直径75.8 mm，两者差距较小，导致过水通道较小，造成施工过程中泵压较高，泵送打捞矛时泵压约为3.5 MPa，泵送岩心管时泵压约为4.5 MPa，钻进过程中泵压最大值达到7 MPa，12月2日7∶30四开完钻，四开Φ75.5 mm井眼，施工孔段974.15.00～1212.00 m。完钻孔身结构如图8所示。

图8 完钻孔身结构Fig.8 Finished drilling body structure

4.3 应用效果

本孔钻进周期2492 h(折合103.83天，3.46台月)，其中纯钻时间392.63 h，占总台时15.76%；取岩心时间1112.07 h，占总台时44.63%；起大钻时间278.5 h，占总台时11.18%；测斜及特种作业时间80.5 h，占总台时3.23%；辅助时间520.3 h，占总台时20.88%；故障时间108 h，占总台时4.33%。全孔进尺1212.00 m，平均机械钻速3.09 m/h，实际台月效率350.29 m/台月。全孔时效分析如图9所示。

图9 全孔时效分析图Fig.9 Full-hole aging analysis diagram

钻进过程中，通过加长粗径钻具以刚保直、减小环空间隙以满保直以及换径导向钻具的使用等措施有效预防了陡倾岩层井斜，每钻进50 m测量孔斜一次。完钻测试井底顶角80.93°，顶角变化9.07°，每100 m顶角变化约为0.76°，全孔施工过程中方位角在设计方位角左右1°范围内波动，基本无变化，完全满足施工设计要求，孔身质量综合评价优秀。

针对岩心采取率，在实际钻进过程中，除了覆盖层平均岩心采取率只有93.29%，即使是钻遇大型断裂破碎层，岩心采取率也高达98.00%，全孔平均岩心采取率为97.76%，完全满足施工设计中完整基岩岩心采取率不小于85%的要求，岩心采取率极高。

利用千米级水平孔绳索取心钻进技术，优质高效完成了1212 m水平绳索取心定向钻孔施工任务，孔身质量综合评价优秀。钻孔水平穿越三千万方巨型滑坡，查明陡倾岩层3条断层和19处节理破碎带，克服了严重涌水(60 m3/h)、地层破碎水敏水化、陡倾岩层井斜等难题，提供全孔原状岩心，为地质查明洞身结构和测井通道提供支撑。钻孔施工剖面如图10所示。

图10 DZ-卡子拉一号-定向试验-01剖面图Fig.10 Profile 01 of DZ-Kazila No.1 orientation test1-岩堆；2-砂质板岩；3-变质砂岩；4-断裂带；5-节理密集带；6-孔位1-rock pile;2-sandy slate;3-metamorphic sandstone;4-fracture zone;5-concentrated joint zone;6-hole location

5 结论

(1)针对川藏铁路隧道勘察难题，通过优选钻进设备与工具，钻进工艺设计与泥浆技术措施制定，提供了一套千米级水平孔绳索取心钻进技术。

(2)将千米级水平孔绳索取心钻进技术在川藏铁路卡子拉山一号水平孔进行应用，成功完成了1212 m水平绳索取心定向钻孔施工任务，查明陡倾岩层3条断层和19处节理破碎带，全孔平均岩心采取率高达97.76%，钻孔各项指标优良。

(3)千米级水平孔绳索取心钻进技术能够满足深埋大隧道的勘探需求，直观查明隧道洞身段地层岩性、陡倾岩层构造、水文地质条件等情况，为高原高寒高山峡谷地区铁路勘查设计提供参考依据。