地應力監測孔鉆進效率統計與分析研究

張建杰，李海明，劉春生，段石敦

（北京市礦產地質研究所，北京 101500）

0 引言

20 世紀30 年代，美國墾務局在哈佛大壩泄水隧道采用表面應力解除法進行了世界首次地應力測量。20 世紀50 年代，瑞典人Hast 在斯堪的納維亞半島進行了大規模的地應力測量試驗，首次測得淺部地層水平應力高于垂直應力［1-2］。20 世紀60 年代以后，地應力測量得到了迅速的發展，受到了世界各國的廣泛關注，地應力測量理論和方法呈現多樣化發展趨勢。

我國地應力測量試驗和研究開始于20 世紀50年代后期，李四光和陳宗基為主創始人［1-2］。20 世紀60 年代，李四光教授開始引進壓磁電感法地應力測量監測方法，在河北省隆堯縣堯山建立了第一個地應力監測臺站，開始連續監測地應力相對變化和地震的關系，并在理論上取得了重大進展［3-4］。在其后的幾十年間，我國的地應力測量技術及應用研究得到了迅速的發展，并將地應力測量技術和方法應用于地震預測預報和國家重大工程建設等領域，取得了大量研究成果［5-7］。

但與世界發達國家相比，我國在地應力測量與監測技術領域還存在一定的差距，主要表現在缺乏統一的標準和規范、測量與監測的深度還不夠等［5］。近十余年來，我所實施了大量地應力測量與監測鉆探工程項目，施工地點分布在全國多個省份，為構建和完善地應力測量與實時監測臺網，揭示關鍵構造部位現今地應力狀態隨深度變化規律，不斷提高地應力測量與監測技術水平提供了有力的技術支撐。

1 地應力監測孔簡介

地應力測量方法包括壓磁應力解除法、空芯包體應力解除法、水壓致裂法、鉆孔崩落法、巖石聲發射法等。其中，水壓致裂法是在巖體中鉆一個垂直的孔，將其封住后向孔中注入高壓液體，直至這個孔產生裂縫。巖體中主應力大小和方向可以根據巖石的力學性質、裂縫方位及出現裂縫的壓力來確定［8-9］?？梢?，要完成地應力測量與監測工作，最為基礎又很重要的一個工作就是施工地應力監測孔，以提供地應力測量與監測的基礎場所。

地應力監測孔一般布置在以完整花崗巖為主的地層，巖石可鉆性級別為8～10 級。首先要按地應力測量和實時監測要求完成一定深度的鉆探工程，然后開展地應力實時監測適宜深度的擴孔工作，以及隨深度系統的地應力測量和實時監測工作。地應力監測孔對鉆孔垂直度、基巖地層綜合取心率、鉆孔同心度、鉆孔孔徑誤差、擴孔尺寸誤差等技術質量指標要求較高，以保證地應力測量及儀器安裝的效果，還需按相關技術標準存放巖心并做詳細編錄。

地應力監測孔一般采用三開結構，開孔段用? 150 mm 鉆頭開孔，隨后用?130 mm 鉆頭鉆進至一定深度，最終運用?76 mm 鉆頭鉆至設計深度。鉆進至設計孔深后，開展水壓致裂地應力測量試驗，根據試驗結果確定監測儀器安裝深度，然后完成地應力監測儀器的安裝工作。最后，在監測孔所在位置建設監測站，監測屋的尺寸要滿足一定要求，監測站周圍安裝好防護設施，后期有專人對監測站進行維護，以保證監測站的正常運行。地應力監測孔結構及監測站示意見圖1。

圖1 地應力監測孔結構及監測站示意Fig.1 Structure of geostress monitoring hole and monitoring station

2 地應力監測孔施工鉆探設備及工藝

2.1 鉆探設備

地應力監測孔一般孔深都在1000 m 以淺，根據監測孔深度和口徑及施工條件，地應力監測孔鉆探施工一般選用設備見表1，具體選用的設備根據孔深適當做出調整。

表1 主要鉆探設備Table 1 Main drilling equipment

2.2 鉆進工藝

2.2.1 取心方法

為保證監測孔的巖心采取率、鉆孔垂直度、同心度和孔徑等技術參數，滿足地應力測量與監測要求，采用上部提鉆取心，下部繩索取心鉆進形式［10］。在鉆進施工過程中，開孔采用?150 mm 金剛石普通單管鉆具鉆進至完整基巖，下入?146 mm 套管后，采用?130 mm 單動雙管鉆具鉆進至一定深度，換? 130/95 mm 金剛石外導向鉆具鉆進至適當深度后下入?89 mm 技術套管，再采用S76 mm 金剛石繩索取心鉆具鉆進至設計深度。完成鉆進取心任務后，再進行試驗配合、擴孔和監測儀器安裝等工作。

2.2.2 鉆進技術參數

鉆進過程中，不同區域鉆遇地層情況會有所差別，具體的鉆進參數可參照《地質巖心鉆探規程》（DZ/T 0227—2010）及相關區域經驗參數，根據實際的地層情況和鉆進方法、監測孔口徑選擇合理的鉆進參數。

2.2.3 沖洗液

開孔用?150 mm 金剛石普通單管鉆具鉆進至較完整地層之前，為保證鉆孔穩定，防止孔壁坍塌，使用優質粘土泥漿。見基巖后?130 mm 和?76mm 孔段鉆進中，由于地層較為完整，故使用清水鉆進，在微漏地層使用PHP 無固相沖洗液。

3 鉆進效率統計分析

3.1 鉆進時間及效率統計

近十余年來，我單位在國內多個省份施工地應力監測孔累計數十眼，取得了豐富的生產數據資料，部分具有代表性的孔深為600 m 的地應力監測孔鉆進孔深及鉆進時間和效率見表2［11-14］。

表2 600 m 深地應力監測孔鉆進時間及效率統計Table 2 Statistics of drilling time and efficiency of 600m deep geostress monitoring hole

經統計，600 m 深地應力監測孔全部鉆探工作完成平均總臺時1666 h，其中平均純鉆時間285 h，占總時間的17.11%；平均輔助時間251 h，占總時間的15.07%；平均停待及事故時間201 h，占總時間的12.06%；平均其他工作時間929 h，占總時間的55.76%（圖2）。鉆進過程中，平均機械鉆速為2.11m/h，平均臺月效率為588.73 m，平均鉆月效率為259.96 m。

圖2 600 m 深地應力監測孔不同鉆探時間占比Fig.2 The proportion of different drilling time of 600m deep geostress monitoring hole

3.2 鉆進效率分析

通過對不同地區地應力監測孔鉆探數據的統計分析，可以看出其他工作時間和停待及事故時間波動較大，而純鉆和輔助時間變化較為平穩（圖3）。

圖3 不同地區地應力監測孔鉆探時間變化Fig.3 Change of drilling time of geostress monitoring holes in different regions

（1）其他工作時間占比較大，平均達到了55.76%，且在不同地區波動較大。原因是由于配合孔內水壓致裂地應力測量試驗時間較長，該項工作進度主要受地應力測量進度的影響，地應力測量試驗時間延長會導致完工時間推遲。另外，與地應力測量工作完成后擴孔及儀器安裝是否順利也有關系。

（2）平均停待及事故時間占比為12.06%，在不同地區差異較大。主要原因是不同地區地層條件有所不同，如鉆遇巖心較為破碎，鉆進過程中發生和處理孔內事故幾率增加，會相對增加鉆進時間，從而使臺月效率和鉆月效率也相應降低。

（3）平均輔助時間占比為15.07%。地應力監測孔對鉆孔孔徑、孔深測量和鉆孔垂直度要求高，鉆進過程中檢查更換鉆頭、孔深校正和鉆孔測斜次數增多使得輔助時間相應增加。

（4）平均機械鉆速、臺月效率都比較高，分別為2.11 m/h、588.73 m。原因是鉆進地層整體相對比較完整，選用鉆頭與地層硬度比較匹配，鉆進技術參數比較合理。但是，平均鉆月效率比較低，只有259.96 m，主要是因為配合試驗、擴孔和安裝儀器等其他工作時間較長，占用了整個工程時間的50%以上，降低了鉆月效率。

3.3 提高鉆進效率的建議

根據以上分析及我所多年的施工經驗，要進一步提高地應力監測孔鉆進效率，建議做好以下幾方面的工作。

（1）做好監測孔選址工作。為了更好地滿足地應力測量的需求，便于后期地應力長期監測，地應力監測孔位置一般應選在地層較為完整的花崗巖地區。在監測孔選址前，要充分收集監測區域的基礎地質資料，并進行對比分析和研究，在此基礎上做好場地實地踏勘工作，盡量選擇利于監測孔施工的位置。適合的位置既便于后期鉆探施工，也便于后期監測站的建設與維護，隨之也提高了鉆進效率。

（2）規范鉆進操作過程。明確機臺各崗位的職責，機長為現場施工負責人，直接負責現場的施工組織，班長、鉆工、炊事員等人員要聽從機長的指揮。開工前認真做好安全和技術方面交底，交底內容應包括鉆探工藝和安全規程，尤其生產人員要熟悉鉆進過程中采用的鉆進方法及參數，操作設備時要嚴格遵守操作規程［15-17］。做好交接班工作，設備運轉情況，鉆具、鉆桿、孔深、孔內情況及原始記錄等要交接清楚，避免因交接不清造成孔內事故的發生。加強各班組及組內成員之間的協調配合，以提高時間利用率。

（3）強化安全管理工作。生產安全事故對監測孔鉆探效率的影響無疑將是無法預期和估量的，安全工作應作為地應力監測孔施工的重中之重。施工過程中進行崗前安全專門培訓，新工人必須在班長或熟練工人指導下進行操作，每天及時檢查并解決存在的問題。機臺人員工作時必須穿戴工作服和安全帽，在塔上工作時必須系安全帶。鉆探操作嚴格執行鉆探操作規程及有關安全管理制度，防止人身、機械、孔內、鉆探質量等方面的事故發生。另外，地應力監測孔位于沿海地區的，要做好大風及臺風防范措施，時刻關注天氣變化和預報。

（4）加強鉆探技術管理。地應力監測孔對鉆孔垂直度、巖心采取率、鉆孔孔徑等技術質量要求較高，在鉆進過程中要有針對性的技術管理措施。做好開孔前的準備工作，鉆機安裝要水平、周整，底座固定牢固，開孔要反復校正立軸垂直度，確保立軸頂角誤差不得超過0°20'［18］。鉆進過程中，每50 m 測斜一次，特殊情況下及時測斜，發現超斜要及時糾斜。根據監測孔孔徑和地層特性選擇參數適合的金剛石鉆頭，每次提鉆仔細檢查金剛石鉆頭的磨損情況，鉆頭和擴孔器磨損要及時更換［19］。通過加強對以上幾個關鍵步驟的技術管理，能夠有效保證監測孔鉆探質量，避免因技術管理問題導致鉆進效率降低。

（5）優化鉆進工藝流程。我所經過多年的地應力監測孔鉆探實踐，摸索出了一些有效提高地應力監測孔鉆進效率和質量的工藝方法。地應力監測孔由?130 mm 孔徑變徑為?76 mm 孔徑時，下入?89 mm 技術套管再進行S76 mm 金剛石繩索取心鉆進，有效地保護了孔壁，提高了鉆進效率和質量。擴孔段采用?76/95 mm 和?95/130 mm 兩級金剛石擴孔鉆進技術，擴孔鉆進阻力減小，鉆探設備負荷降低，提高了擴孔鉆進效率，同時保證了監測孔的同心度和垂直度［19-20］。

（6）提升試驗配合水平。做好地應力測量試驗相關技術和設備方面的準備，準備好單根長度大于4 m、能夠承受高壓且密封性好的?42 mm 鉆桿，用于水壓致裂地應力測量，提供現場試驗工作用水和用電。供電要求380 V 動力電，功率不小于30 kW?，F場試驗配合過程中，每臺班不少于5 人，主要操作人員必須熟練和平穩地操作鉆機，通過鉆桿升降井下測量設備，安全、準確地把測量和監測儀器安裝到要求的深度（圖4、圖5）［11-14］。試驗準備工作做的充分，配合試驗的操作人員技能熟練，能夠保障試驗及儀器安裝工作的順利完成，提高試驗的效率。

圖4 水壓致裂印膜試驗Fig.4 Hydraulic fracturing printing film test

圖5 地應力監測儀器安裝Fig.5 Installation of geostress monitoring instrument

4 結語

地應力測量與監測技術在地震預報、地殼穩定性研究、工程建設等領域的應用越來越廣泛，地應力監測孔鉆探工作任務也隨之增加，現有的鉆探設備和工藝基本能夠滿足地應力測量與監測的技術需求，鉆探技術服務地應力研究取得了一定的成績。

今后的鉆探工作中，應堅持貫徹綠色低碳發展理念，在降低鉆探成本，提高鉆進效率的同時，研究綠色鉆探新工藝和新技術，不斷提升地應力監測孔鉆探技術水平，更好地支撐地應力測量與監測技術研究。