昭西高速金阳隧道ZXA1-...Y-02号钻孔施工经验总结_周万明.pdf

2023年第2期西部探矿工程*收稿日期：2021-12-28修回日期：2021-12-31作者简介：周万明（1968-），男（汉族），重庆人，高级工程师，现从事岩土工程的设计、施工等工作。昭西高速金阳隧道ZXA1-XZ-JY-02号钻孔施工经验总结周万明*（四川省化工地质勘查院，四川 彭州 611930）摘要：结合施工实例，阐述了金阳隧道ZXA1-XZ-JY-02号钻孔的钻孔结构、钻进方法、防斜措施以及泥浆的使用等方面的施工经验，特别是对镀层金刚石钻头的使用做了较为详细的总结。关键词：隧道孔；镀层金刚石钻头；低固相泥浆；钻孔防斜；井故预防中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)02-0015-05国道G7611线昭通至西昌高速公路是都匀至香格里拉高速公路的重要组成路段，是 四川省高速公路规划（2008-2030）的第五条东西横线中的一段，在未来四川省经济发展中具有支撑经济发展、推动社会进步、保障国家安全、服务可持续发展等重要作用。2021年10月，我院在该条高速公路地质勘查工程中施工了一个深孔。1地层情况我院承接的G7611金阳隧道钻孔ZXA1-XZ-JY-02，设计孔深1425m，地处四川省凉山州金阳县派来镇拉都村，属高中山地貌。该区域第四系覆盖层厚度分布不均匀，下伏基岩以二叠系、泥盆系、志留系、奥陶系、寒武系、震旦系的砂岩、泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、（砂质）页岩、砾岩、砂砾岩、灰岩、白云质灰岩、石英砂岩、泥岩、白云岩（含燧石条带）、千枚岩为主。在钻进过程中主要难点是：破碎、漏失、垮塌、缩径。2钻探工作内容及技术要求2.1勘探要求（1）钻孔直径:终孔直径不小于77mm，但是450m之前严禁变径为77mm。（2）岩芯采取率要求：粘性土100%；岩石微风化带（W1）、弱风化带（W2）、完整基岩不小于90%；砂类土、滑动面及重要结构面上下5m范围内不小于70%；岩石全风化带（W4）、强风化带（W3）和构造破碎带、碎石类土不小于65%。（3）孔深、孔斜要求：孔深严格按照设计要求施工，孔深最大误差不允许超过2。每钻进100m；穿过巨厚覆盖层至基岩时；钻至滑面及断层面等重要结构面；孔内需要进行测试工作；换下套管、过滤管、换径时；以及终孔前必须进行校正孔深及测斜，孔斜不超过15。（4）封孔要求：钻探施工、采样、测试结束后采用水泥砂浆封孔，并做永久性标志。2.2水文地质试验（1）简易水文观测：全孔进行简易水文观测，观测时要做好记录。每个回次提钻后和下钻前各观测一次孔内水位，中间停歇时间较长时应每隔1520min观测一次。（2）压水试验：当钻孔内无水、水量很小或地下水埋深过大时，应进行压水试验。在钻孔的中部、深部各选取一试验段。各试验段长度1020m。针对各含水层采取地下水样（不能为循环水）。3施工情况3.1设备选型按照钻探设计要求，我院施工的ZXA1-XZ-JY-02号钻孔设备选择如表1所示。3.2孔身结构钻孔设计井身结构和实际井身结构如表2所示。3.3钻头的选择由于地层变化频繁，大多较为破碎、漏失、甚至缩径，部分层位可钻性级别高（达79级）。因此，我们选用了无锡锡钻地质装备有限公司生产的Q系列绳索取 石油与钻掘工程 152023年第2期西部探矿工程芯金刚石钻头（进口料），硬度（HRC）从040不等，粒度为4060目，浓度为100%。3.4供水系统情况在该孔施工期间，该地区处于干旱季节，缺水。我们在机场住地处挖蓄水池（容量约100m3），架设管线（40镀锌管）约4000m，高差800m，用3台BW250泵抽水，供机场施工和人员生活用水。3.5泥浆材料的使用本孔主要使用了以下几种泥浆材料：膨润土、纯碱、聚丙烯酰胺、纤维素（高粘）、801堵漏剂、803堵漏剂等。4施工成果钻孔完工井深为1426.7m，经过综合测井（井斜、井温、井径等）、地应力测试、放射性测试、压水试验等，最后经专家评定，该孔各项技术指标完成情况为优秀，该孔被评为优质孔。5经验总结5.1关于钻孔的防斜经过测井队测试，该孔最大顶角为3.1，是我院多年以来所钻中深孔中最直的孔。主要有以下几个方面的成功经验：（1）选择钻塔时，要选择工字钢没有变形的钻塔，哪怕是曾经变形后来修复过的工字钢也尽量不要使用。工字钢的摆放一定要水平，为了防止钻塔下沉，钻塔四个角的工字钢下面以及夹持器对应的工字钢下面都要打混凝土，混凝土（长宽高）不小于1m0.6m0.4m。（2）做好钻塔及其周围场地的防水，以免雨水或泥浆浸泡机场导致钻塔倾斜或下沉，进而导致孔斜。安装时要确保安装质量，保证“天车、回转器、孔口”三点一线。开孔前，用多种手段校正立轴（罗盘、水平尺、重锤），确保立轴垂直于地面。（3）不得使用立轴、滑道旷动的钻机。钻机机座与机台之间应用螺丝连接牢固，并使用防松螺帽或弹簧垫圈，机体整体安装应稳固、周正，机座、机架应水平。机上钻杆和主动钻杆不宜过长，并应固定在卡盘中心。（4）由于开孔是在第四系和堆积层，应轻压慢转，防止探头石造成的孔斜。换径时，钻具应带外导正器，导正器的长度要大于4m，并控制钻压和进尺速度。（5）配备性能优越的测斜仪，每50m测量一次钻孔顶角和方位角，及时掌握钻孔偏斜情况。5.2关于钻头的使用由于钻孔深度较深，起下钻时间较长，超过1000m后，起下钻所花费的时间都要超过7h，如果孔内有垮塌或者掉块时则需要更长的时间。为了减少起下钻时间带来的消耗，我们选用了无锡锡钻地质装备有限公司生产的进口料金刚石钻头。由于钻头的寿命显著增长，从而大大减少了辅助时间，提高了效率。所谓进口料金刚石钻头，是指用镀层金刚石生产的孕镶金刚石钻头。大量室内和现场试验表明，进口料金刚石钻头在使用过程中工作面上过早脱落的金刚石颗粒明显减少。此外,使用镀层金刚石的另一个明显改变序号1234设备名称钻塔钻机泥浆泵发电机组规格型号SGZ23HXY-6BBW300-12STC30-S数量1111序号5678设备名称发电机组绳索取芯绞车缺水泵测斜仪规格型号STV-20JS-BW250KXP-D数量1131表1使用设备情况表序号孔径(mm)1711501229877孔深(m)设计孔深06060250250700700120012001425实际孔深03636240240660660111011101426.7钻杆（套管）直径(mm)1681407117.57.25916.35705备注跟管钻进材质XJY850-T材质XJY850-T材质XJY850-T材质R780表2钻孔孔身结构表162023年第2期西部探矿工程从表3可以看出,采用镀层金刚石的钻头上留下的深坑数量少得多,亦即金刚石颗粒脱落的数量少了,而且微裂的金刚石比率增加了,这充分说明胎体对镀层金刚石颗粒的包持作用加强了,使更多的金石颗粒能更长时间地保持在钻头工作面上。由于钻头上有更多的金刚石颗粒参与工作,所以钻头的钻进效率提高了,与此同时,钻头上过早脱落的金刚石颗粒数减少了,金刚石颗粒有效工作的时间更长了,也就提高了钻头的使用寿命。以HQ为例，本孔共进尺450m，使用了5只有镀层钻头，钻头成本5780=3900（元），若使用无镀层钻头，则至少需要7只，钻头成本7530=3710（元）。虽然钻头成本相差不多，但在实际使用中，用无镀层钻头则需要多起下至少两趟大钻，孔深时，这两趟大钻至少需要12h以上，12h所花费的油料和人员工资都超过3000元。可见，在深孔钻探工程中，使用性能优越的镀层金刚石钻头是十分必要的，它能大大降低钻探成本，提高钻进效率。5.3关于泥浆的使用本孔地层较为破碎，裂隙较多，且层位变幻极为频繁，因此，用好泥浆是防止孔内事故，提高钻进效率的关健。本孔使用的是低固相聚合物泥浆，其配方为：粘土粉2050kg/m3，纯碱0.51kg/m3，聚丙烯酰胺0.10.5kg/m3，纤维素纤维素 12kg/m3，801 堵漏剂 210kg/m3。性能参数为：密度 1.02kg/cm3，漏斗粘度1822s，失水量1012mL/30min，泥皮0.20.4，含砂量2%4%，pH值810。在HQ钻具钻进至1042m后，起钻换钻头，下钻至泥岩段（10121018m）时遇阻，泥浆送不通，起钻时，由于钻杆内灌满泥浆，导致起钻速度较慢，耽误了不少时间，因此，在施工中要注意以几点：（1）泥浆的性能要根据地层的变化随时做出调整。本孔在泥岩段发生下钻遇阻事件后，及时将泥浆配方做出调整，控制住泥浆的失水量，使泥岩的水化膨胀导致下钻遇阻的现象再未发生。调整后的泥浆配方为：粘土粉 4080kg/m3，纯碱 11.5kg/m3，聚丙烯酰胺 0.51kg/m3，纤 维 素 35kg/m3，801 堵 漏 剂 210kg/m3。性能参数为：密度 1.03kg/cm3，漏斗粘度2023s，失水量68mL/30min，泥皮0.50.8，含砂量2%4%，pH值811。（2）泥浆搅拌桶容积应在2m3以上，并配备57kW的动力，泥浆材料应按顺序（先加入分子量小的无机处理剂，再加有机高分子材料）缓慢而均匀地加入，并搅拌足够时间，以使其能充分溶解，发挥其应有的性能。（3）泥浆池的数量至少2个，且单个泥浆池的容积不小于10m3。在条件允许的情况下，泥浆池的总容积至少达到钻孔总容积的35倍，这样，在钻孔漏失时，就有足够的泥浆能钻完本回次，以保证钻进工作的连续进行。（4）应由专人负责泥浆的调配、维护和看管，每班至少测量一次泥浆的常规性能，并将测得的数据记入班报表内。泥浆槽内要设置多个档板，槽内的沉砂要及时捞取，避免泥砂流入泥浆池内。当泥浆池液面发生非正常变化时要及时通知班长。（5）对水敏性不强的破碎地层，应采取顶漏钻进措施，以降低成本，提高效率。本孔从0240m，由于地层破碎，漏失严重，每次堵漏成功后，钻进不到1m又会出现新的漏失，又是采取堵漏钻进措施，导致大量的时间都花费在堵漏上。下好140的套管后，从240660m的井段，虽然仍然漏失严重，但我们果断采取了见漏不堵，顶漏钻进的措施，用清水加聚丙烯酰胺泥浆迅速钻进至目的层，下好140套管，并将套管脚封固好，从而节约了大量的时间，提高了钻进效率。5.4关于事故的预防处理本孔共发生两次事故。第一次是井内事故：井深958m时，钻进进程中，班钻头类型镀层金刚石钻头(进口料)无镀层金刚石钻头深坑比率(%)417破裂的金刚石占比(%)41微裂的金刚石占比(%)5942磨出平面的金刚石占比(%)1820新出露的金刚石占比(%)1520表3有无镀层金刚石钻头表面磨损状况对比表即微金刚石的百分率增加了,说明金刚石颗粒在胎体中被包持的时间更长了。根据用 SDBTC 型镀层金刚石和 SDB无镀层金刚石分别制造的金刚石钻头进行钻进的试验分析,其钻头表面的磨损状况如表3所示。172023年第2期西部探矿工程和阀座之间卡有水泥颗粒，这是前几天用水泥封堵破碎带时，清洗不彻底而留在吸水管内的水泥，是这个水泥颗粒导致的水泵不上水或上水量小引起了烧钻。从本次事故的发生及处理中，我们得到以下几个方面的施工经验：（1）泥浆池挖好后，内表面和边缘要用水泥或火砖进行硬化处理，或者用质量上好的五彩布铺好，泥浆槽也要用水泥硬化，防止砂石侵入泥浆池内。（2）泥浆泵的连泵头要提离泥浆池底20cm，防止吸水管抖动而损坏铺好的五彩布。（3）水泵灌注水泥浆后，泵头、吸水管、连泵头均应拆下做彻底的清洗，尤其是吸水管，清洗完要放在一旁晾干，晾干后再反复拍打，彻底清除附着在管内的水泥残渣。（4）钻进过程中要密切关注泵压表和水泵的吸水管，如果泵压表读数下降或者吸水管抖动幅度变大都有可能是水泵未上水或上水量变小，此时应对水泵泵头和吸水管、连泵头等进行详细的检查。检查时，应尽快将钻具提至安全井段或全部提出孔外，严禁将钻具放置在孔底检查设备等。（5）泥浆循环槽长度一般不小于10m，内宽220250mm，坡度1/1001/80,每隔2m可交替安置一个挡板，槽内应做防渗处理，周边用砖石和混凝土加固。泥浆槽内沉砂的捞取应在停泵后进行，防止因泥浆的流动而将砂石带入池内。（6）泥浆泵应有专人看守，发现异常立即报告班长。第二次是井外事故：井深1108m时，正常钻进中，高压管突然与主动钻杆缠绕，由于当时班长并未在操作台上，没能及时停车，致使高压管被生生扯断，用来平衡水笼头的蘑菇头在钢丝绳的拉动下从钻塔角拉处蹦出，将钻塔的一角拉撞至严重变形。这次责任事故导致机场停钻1d，所幸的是并无人员伤亡和设备损坏。从本次事故的发生及处理中，我们得到以下几个方面的施工经验：（1）开钻之前，项目经理应组织机场全体人员学习相关的管理制度和操作规程。在钻进过程中，操作人员（机班长）要密切关注立轴、水龙头、游动滑车、主动钻杆以及升降机的工作情况，确保安全钻进。任何时候操作人员都严禁离开操作台，如有特殊原因不得不短时间离开时，应停止回转并将钻具提离井底，保持泥浆循环畅通。（2）要加强对机班长的责任心和事故预防能力的培养。目前，钻探市场竞争日趋激烈，为了降低成本，大部分机场都是开的两班，这对钻探人员的体力和精力都有较高的要求。因此，各钻探队伍原有的年龄较大且操作经验丰富的人逐渐淘汰。要想提高钻进效率，预防和减少各种钻探事故的发生，提高钻探人员的长发现扭矩增大，迅速用油压上顶，无效，于是立即停车，用升降机和油压油缸同时上顶，费了不少力气才使钻具能活动。打捞出内管发现卡簧座已经烧黑、变形、损坏，判定是烧钻。起钻后发现，钻头从与扩孔器连接处被提断。重新配一套新钻具（旧钻头）入井，轻压慢转，慢慢钻进至超过原井深10cm后，起钻，将掉入井内的钻头取出，如图1所示。事故发生后，我们将水泵泵头拆下，发现水泵弹子图1从孔内取出的事故钻头182023年第2期西部探矿工程责任心和事故预防能力十分必要。5.5其他方面（1）进入冬季施工前，应提前做好供水管线的防冻处理。本孔在施工过程中，由于未及时准备好水管的防冻材料，导致两次在夜间抽水时，整个管线全部冻结，花了大量的时间和人力来处理。后来，我们用橡塑保温管将供水管线全部包裹，才避免了类似事件的再次发生。（2）对钻机、泥浆泵、水泵的易损件的配备要足量、全面。由于施工地区的交通较为不便，购买简单的生产物资都要跑到西昌市或昭通市。本孔因机故而耽搁的时间超过了15d，这就大大地增加了钻探成本，要引以为戒。（3）环境保护方面。为了响应习主席“绿水青山就是金山银山”的号召，在施工中，我们全体工作人员都不准抽烟喝酒，严禁携带火种进入施工现场，并在机场和住地都配置了足够的灭火器。钻探施工完成后，泥浆池、废液池、生活废水池等均用水泥进行固化处理，再用推土机对机场和住地进行了恢复处理，并在地表栽种经济作物（花椒等），赢得甲方和当地居民的好评。6结语目前，钻探工程的施工条件越来越艰苦，施工难度也越来越大。每个工程施工完成以后，都应对施工过程中存在的问题和取得的经验进行总结，只有这样，才能迅速提高钻探队伍的技术力量，也就能高效、快速、安全地完成各项施工任务，也才能在激烈的市场竞争中站稳脚跟。参考文献：1中华人民共和国国土资源部.DZ/T0227-2010地质岩心钻探规程S.2010:32,43,47.2曾宪明,等.国际岩土工程新技术新材料新方法M.中国建筑工业出版社,2003:115.3刘广志.中国钻探科学技术史(精装)M.北京:地质出版社,1998:25.4郭绍什.钻探手册M.中国地质大学出版社,1993:275-276.5李世忠.钻探工艺学M.北京:地质出版社,1981:102-104.6刘宝斌,张建华,张所邦,谭靖.鄂西铅锌矿硬、脆、碎地层钻探取心技术J.探矿工程(岩土钻掘工程),2007(5):45-46.Summary of Construction Experience of Borehole ZXA1-XZ-JY-02 in Jinyang Tunnel of Zhaoxi ExpresswayZHOU Wan-ming(Chemical Geological Exploration Institute of Sichuan Province,Pengzhou Sichuan 611930,China)Abstract:Combined with the construction example,this paper ex-pounds the construction experience in the drilling structure,drill-ing method,anti-deviation measures and mud use of No.ZXA1-XZ-JY-02 borehole in Jinyang Tunnel,especially the use of coateddiamond bit.Key words:Tunnel hole;Coated diamond bit;Low solid mud;Drilling deviation prevention;Well failure prevention（上接第11页）勘察方法，地质雷达探测是目标体(岩溶)或溶沟溶槽与其围岩之间存在明显的电磁性差异为基础的，被测目的体的电性特征、埋藏深度、规模大小及赋存形态等特性都直接影响方法的有效性，在实际应用中更应注重场地特有的地球物理特征，通过现场试验来正确选择地质雷达的r作参数。该方法具有快速、无损、简便、经济等特点，具有高分辨率、探测成果可靠等特点。实践表明:在岩溶勘察中，采用钻探与地质雷达探测相结合的方法是行之有效的，可获得连续完整的地质剖而。以200MHz为例，最佳勘查深度0.28m，采用地质雷达探测方法可提高勘察施工效率、保证勘察成果质量，还可以节约勘察投资。不足之处对于较为深部的区域，不能有效接受雷达反射信号，对于介电常数相接近的物体无法区分。5结语综合高密度电法与地质雷达方法的特点和优势，在岩溶发育区域，我们可以采用多种技术手段对岩溶综合判断，相互印证，为我们岩溶勘查中的准确性提供有效保障。参考文献：1李金铭,罗延中.电法勘探新进展M.北京:中国地质出版社,1996.2刘海涛,杨娜,等.综合物探方法在煤矿采空区探测中的应用J.工程地球物理学报,2011(3).3吴教兵,高鹏飞,陆俊宏.综合物探方法在广西柳州隐伏断裂探测中的应用J.地质与勘探,2019,55(4):1026-1035.4杨雪娟.地质雷达探测技术在地基空洞探测中的应用J.住宅与房地产,2017(33):200.5杨振杰.综合物探方法在工程地质勘察中的应用J.建材与装饰,2018(42):212-213.19