高原铁路水平定向试验孔施工概况和关键技术

吴金生，罗显粱*，徐正宣，刘建国，黄晓林，石绍云，陈永东，古学超

（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；3.四川省地质矿产勘查开发局川西北地质队，四川绵阳 621000）

1 钻孔目的及意义

川藏铁路位于青藏高原东南部，沿线山高谷深，人迹罕至，线路穿越横断山、念青唐古拉山等山脉，跨越大渡河、雅砻江、金沙江、雅鲁藏布江等河流，具有“显著的地形高差”、“强烈的板块活动”、“频发的山地灾害”、“脆弱的生态环境”四大特点，勘察难度前所未有［1-3］。

沿线隧道顶部地势险峻，山高坡陡，交通条件极差，竖向深孔勘探无法实施［4］。根据调查研究，采用超深水平定向钻探技术能够克服地形困难，减少搬迁，保护生态，同时弥补混杂陡倾岩层竖向钻探技术的缺点，改变过去垂直“点”勘察为“线”勘察，能够直接模拟隧道施工阶段洞身沿隧道地质情况，提高勘察效率，为隧道施工提出合理建议［5-6］。

针对川藏铁路超深水平孔取心定向钻进技术与装备难题，笔者开展了千米级水平绳索取心定向钻进技术与装备研发，创新了水平绳索取心定向钻进技术，联合相关施工单位，利用自主研发的水平绳索取心钻机在川藏铁路新都桥-理塘段卡子拉山一号隧道DZ-卡子拉山一号-定向实验-01孔开展小直径超深水平绳索取心定向钻进技术装备应用示范工程。

2 钻孔施工简述

该水平孔地理位置位于雅江县西俄洛镇俄洛堆村，高程3629.039 m，钻孔钻进方位237°，与铁路走向一致。钻孔整体位于三叠系上统雅江组二段地层，区域出露有滑坡堆积体、变质砂岩、砂质板岩、炭质板岩及断层角砾。岩层产状N60°W/50°～60°SW，故钻孔方向与岩层近垂直。水平钻孔揭露节理密集带19处，合计宽约70 m，单个节理密集带宽1～12 m不等，节理带中岩心外观呈块状、碎块状，钻进中极易出现卡钻、堵心等事故。钻孔揭露到3条断层，断层充填物为角砾状，软塑，断层影响带较窄，其中第三条端泥隆断裂对钻孔施工影响较大。

该水平孔于2020年7月26日开钻，开孔直径145 mm，采用Ø139.7 mm同径钻杆提钻取心，泥浆护壁钻进，钻穿覆盖层至48 m后结束一开施工，下Ø 139.7 mm套管，水泥固井。二开采用Ø122 mm水平绳索取心钻进，Ø114 mm绳索取心钻杆，钻进至52.1 m地层发生涌水现象，后涌水量增大，严重破坏泥浆性能，改用清水钻进。427～544 m为节理密集带，地层较破碎，钻进至588.0 m后，下Ø114 mm钻杆作套管，结束二开施工。三开采用Ø95.5 mm水平绳索取心钻进，Ø89 mm绳索取心钻杆。最大涌水量达60 m3/h。610 m处钻遇断裂带，存在严重的垮孔、憋泵现象。钻进至974.15 m后，下入Ø89 mm钻杆作为套管，结束三开施工。四开采用Ø75.5 mm水平绳索取心钻进，Ø71 mm绳索取心钻杆。钻进至1212 m时，地层特别破碎，进尺较慢，且卡钻、掉心等情况严重。考虑已经达到了钻探目标，继续钻进容易产生垮孔埋钻等孔内事故导致废孔，决定终孔。终孔孔深1212.00 m。钻孔完钻孔身结构如图1所示。

图1 完钻孔身结构示意Fig.1 Completion structure of the hole

根据工程技术要求及《地质岩心钻探规程》（DZ/T 0227—2010），对钻孔质量六大指标进行了考核评价。孔底顶角80.93°，顶角变化0.76°/100 m，方位角变化＜1°；全孔平均岩心采取率为97.76%，覆盖层采取率约为93%，基岩钻进中即使钻遇大型断裂破碎层，岩心采取率也高达98.00%，完全满足施工设计中完整基岩岩心采取率≮85%的要求，岩心采取率极高，具体采取率见表1。钻孔施工过程中，开孔50 m处、每百米及终孔后都进行了钻孔孔深校正，终孔孔深误差0.03 m；钻孔按照水文地质设计要求进行了简易水文观测；所有钻孔原始报表全面真实地反映生产情况，现场及时填写，均有当班人员签字并做到准确、详细、整洁；终孔采用标号42.5 MPa水泥浆灌注法进行全孔封闭，注浆完毕后设置了水面墙面钢板焊接作为钻孔标志牌，并标注有孔号、开孔终孔日期以及孔深。综上所述，该孔质量综合评价优秀，钻孔剖面如图2所示。

表1 岩心采取率情况Table 1 Core recovery data

图2 钻孔剖面Fig.2 Borehole profile

本孔于2020年12月2日完钻，完钻孔深1212.00 m，扣除停工场地建设时间，钻进周期2492 h（折合103.83 d，3.46台月），时效分析如图3所示。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。

随着舒适化医疗以及微创技术的推广，宫腔镜手术已成为临床妇科疾病的主要治疗手段之一。此类手术多选择在静脉全身麻醉下实施。急性水中毒是宫腔镜手术麻醉期间非常严重的并发症，据国内外报道，宫腔镜手术期间急性水中毒的发生率为0.17%～0.20%[1-2]，一旦发生由于没有准确及时的早期预测和判断，将给患者带来致命的伤害。该研究对围术期末梢血血糖监测用于宫腔镜手术水中毒的发生进行早期预测的可行性进行研究，力求找到一种操作简便、安全有效、有良好特异性的早期预测方法，实现早期确诊及时治疗的目的。该院对2016年1—8月在静脉麻醉下行妇科宫腔镜手术治疗的患者200例进行围术期血糖监测，现将结果报道如下。

图3 全孔时效分析Fig.3 Analysis of drilling time efficiency

施工日程如图4所示。一开时间7月26日—8月29日（包括场地标准化建设），二开时间8月29日—9月30日，三开时间9月30日—11月8日（包括停工整顿），四开时间11月8日—12月2日。

图4 施工日程Fig.4 Drilling progress

3 采用的关键技术

3.1 水平孔防斜测斜技术

超深水平定向钻探钻具的回转轴线与自身重力方向不在一条直线上，受坚硬地层或岩层产状影响，钻具在孔口压力作用下，一般产生向上偏斜，在地层较软或钻遇断层破碎带时，一般产生向下偏斜［7］。

为防止钻孔偏斜，一是把好开孔关，固定好钻机，钻机基础采用C20混凝土浇筑，厚度80 cm，采用Ø32 mm螺纹钢将钻机与地基锚固；二是加长粗径钻具，以刚保直，开孔全部采用Ø139.7 mm钻杆同径提钻取心钻具，取心钻进至48.0 m，钻具刚性强度高，不易偏斜；三是减小环空间隙，以满保直，一开采用Ø145 mm钻头，采用Ø139.7 mm钻杆，环空间隙比一般情况小，其他开次不增大钻头外径尺寸，钻孔轨迹不易偏斜；四是换径时采用导向钻具，一开、二开钻进完成后，采用导向钻进措施，在下套管之前，将原有钻具前面连接0.6 m左右的下一级钻具，轻压钻进0.4～0.6 m，为下一级钻进开好导向孔，再下套管，导向钻具如图5所示；五是采用高转速、低钻压钻进工艺参数，钻压较大时，地层坚硬，钻孔顶角一般会上漂；六是取心钻进时选用高胎体、低胎体硬度的钻头［8］，高胎体可以增加钻头导向性，低胎体硬度便于金刚石出刃，增加钻进速率，有利于钻孔按设计轨迹钻进。

图5 导向钻具Fig.5 Pilot drilling tool

目前在川藏铁路钻孔中，测斜仪器大多放在钻杆内，受磁性干扰难以测出钻孔方位。水平孔测斜更加困难，仪器很难送到孔底。该水平孔采用探矿工艺所研制的CAV-1型存储式测斜仪，可同时测量钻孔顶角和方位角，属于多点测斜仪，采用锂电池供电、自动存储方式进行数据采集，取消了测井电缆的配置［9］。

测斜仪的投送：该仪器为存储式钻孔测斜仪，无需电缆投送，对于水平钻孔，采用3种方式进行投送。

（1）日常测斜时，不需要测方位，为节省时间，直接采用内管打捞装置将测斜仪投送至孔底。

（2）需要同时测顶角和方位时，采用无磁铝合金杆件+扶正器原理加长仪器长度（见图6），将测斜仪伸出钻具1 m距离以外，避免磁性干扰。为防仪器出钻具外收不回情况，增加了扶正和限位装置。

图6 测斜仪加长投送Fig.6 Running in hole of the inclinometer with extension rods

（3）采用绳索取心钻杆+无磁钻杆投送，把测斜仪安装在无磁钻杆内，和钻具一起下入孔内测斜，如图7所示，测斜仪在无磁钻杆内不能晃动，密封好，不能让冲洗液进入无磁钻杆内。

图7 测斜仪无磁钻杆投送Fig.7 Running in hole of the inclinometer with non-magnetic drill pipes

3.2 涌水封隔导流技术

水平钻孔一般涌水量较大，需要处理的冲洗液量较大，从而导致环保压力大，工人操作环境较差。现场采用以下几种方法进行处理：一是水泥固井，一开主要为滑坡体覆盖层，钻进完成后，为防止地下涌水影响滑坡体稳定，导致钻孔发生偏斜或套管断裂，下入套管后进行水泥固井，便于孔口安装涌水分离导流装置。二是采用套管封隔措施，每开次钻进完成后，将钻杆作为套管留在孔内，封隔破碎地层与涌水。三是优选高压泵，平衡孔内涌水压力，采用BW300/16型高压地质泵，泵压可达16 MPa，防止孔内涌水压力过大，投送、打捞内管困难。四是孔口涌水分离导流，采用涌水导流装置（如图8所示），把套管外干净涌水直接导流出去，减少污水沉淀量，优化现场操作环境。

图8 孔口导流装置Fig.8 Flow diversion device at the hole collar

3.3 内管投送与打捞技术

高压涌水地层进行水平绳索取心钻进，内管若投送不到位，需要提大钻，会极大地延误施工进程。为此，制定了严格的施工操作规程：一是时间控制，同样泵量，每次投送内管时，尽量泵送时间长一点，确保内管具有足够的下行时间。二是低速回转并上下活动钻杆，内管在钻杆中下行运动，因钻孔弯曲或钻杆内不规则，导致内管运行阻卡，通过钻杆回转或上下活动，便于内管到位，也有利于排砂。三是手摸钻杆感觉，当内管到位时，手摸钻杆感觉到内管到位震击现象。四是注意泥浆泵柴油机声音和泵压变化，当内管投送到位时，泵压升高，柴油机负荷变大，声音变大［10-11］。

打捞内管时，采用大泵量高泵压推送水平内管打捞机构，平衡孔内涌水压力，打捞内管。内管提出孔口后，快速投放已准备好的另一套内管总成。

3.4 复杂地层钻头适应性研究

为提高取心钻头机械钻速和使用寿命，优选3个不同的金刚石钻头生产厂家；钻头水口和切削齿形状分别为环形、齿轮形和梯齿形，增大钻头水口面积；胎 体 硬 度 设 计HRC10～15、HRC15～20、HRC20～25、HRC25～30和HRC30～35五个规格，金刚石胎体高度8～10 mm，金刚石粒度以粗颗粒为主，根据地层情况现场进行金刚石取心钻头优选，找到一种适合该地层的高效长寿命绳索取心钻头，避免经常提大钻［12］。多种规格取心钻头如图9所示。

通过取心钻头与地层适应性优选，图9（c）B厂家环形金刚石钻头更适宜于现场砂板岩地层，该钻头胎体硬度为HRC20～25，金刚石颗粒为中—粗颗粒，钻头的寿命一般为300～400 m，机械钻速一般为3～6 m/h，大大减少绳索取心提大钻次数，维护孔壁稳定，提高了台月效率。

3.5 提高岩心采取率工艺

该水平孔穿越巨型滑坡堆积体，钻遇深灰-灰黑色炭质（砂质）板岩、浅灰色变质砂岩，中间夹节理密集带及断层角砾岩，炭质板岩易水敏水化（如图10所示），坍塌掉块，易憋泵。图11为扫孔取上来的掉块、水化岩屑。水平钻孔地下涌水严重，涌水量达30～60 m3/h以上，泥浆护壁困难。

图10 炭质板岩水敏水化Fig.10 Water-sensitive hydration of carbonaceous slate

图11 孔内坍塌掉块Fig.11 Collapsed blocks in the hole

针对不同孔内情况，采取如下提高岩心采取率的措施：一开采用Ø139.7 mm大直径钻杆同径取心钻进，Ø145 mm钻头，减小钻杆与孔壁环空间隙，钻具稳定性好，采用高粘高切泥浆体系，护壁携岩效果好，取心质量好，原状性好［13］。开展钻头与地层适应性研究，少提钻，减少对孔壁扰动，钻头使用寿命可达300～400 m［14］。优化钻进参数，采用高转速快速钻进，最快机械钻速达6 m/h以上，减少涌水对岩心冲刷。制定操作规程，保证内管投送到位，如三开钻进井段中，602.50～713.90 m为一大型断层破碎带，虽然地层比较破碎，但在钻进过程中严格遵守操作规程，确保内管每次投送到位，减少提大钻次数，快速钻进，减少对孔壁扰动和涌水对岩心冲刷，保证了该段岩心采取率，钻进深度111.40 m，取心长度109.18 m，取心率高达98.00%［15］。

3.6 千米级绳索取心定向钻进装备

针对川藏铁路勘查孔高效施工要求，钻机必须具备足够的动力，以处理在钻进断层、软弱夹层、破碎带、节理发育层可能出现的垮孔、卡钻和抱钻等孔内事故。自主研发千米级全液压动力头水平定向钻机，在现有全液压动力头钻机的基础上，创新设计钻机升降平台和变幅机构，提高了钻探装备水平钻进稳定性，实现多角度钻探，模块化设计，动力头远程控制多个液控变量马达实现多挡无极变速，输出扭矩大，可实现NQ系列1800 m水平绳索取心钻进，关键技术指标达到国内领先水平。钻机所有功能均为液压驱动，操作方便，控制精准，取心作业效率高，可满足高山峡谷区工程勘查水平钻探需求。

根据水平定向钻进对钻机功能的要求，确定钻机由6大部分组成：动力机、履带行走机构、回转装置、给进机构、钻塔升降平台和液压传动系统。钻机整体布置如图12所示。

图12 钻机整体布置Fig.12 Overall layout of the drill

4 结论

通过超长水平绳索取心钻进技术与装备研发，创新了水平绳索取心钻进技术体系，并在川藏铁路进行应用与示范工程，优质高效完成了超长水平绳索取心钻孔施工任务。利用自主研发的千米级钻机和定向钻进技术，顺利完成了卡子拉一号隧道1212.0 m水平钻 孔，方位偏差≤1°，孔 斜0.76°/100 m，机械钻速3.09 m/h，台月效率350.29 m，创造了国内水平绳索钻杆PQ、HQ深度588 m和974 m两项最新记录。

水平穿越断层与节理密集带，提供原状岩心，为查明洞身结构和测井通道提供支撑。钻孔成功穿越三千万方巨型滑坡，探明陡倾岩层构造，揭露3条断层和19处节理破碎带，克服了严重涌水（60 m3/h）、地层易水敏水化、井斜等难题。提供原状岩心，岩心采取率达97.76%，为地质查明洞身结构和测井通道提供了支撑。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，为解决高原铁路长大深埋隧道勘察难题提供借鉴，具有示范与推广作用。