长距离水平定向孔取芯技术应用——以天山胜利隧道水平定向孔地质勘察为例.pdf

收稿日期:2022-05-23;修回日期:2023-02-14基金项目:地质调查海洋钻探项目(DD20221722)第一作者简介:陈云龙(1985),男,江西高安人,2011 年毕业于核工业北京化工冶金研究院,核燃料循环与材料专业,硕士,高级工程师,现从事钻探器具、金刚石钻头及钻进工艺方面的研究工作。E-mail:cyunlong 。通信作者:刘耿仁,E-mail:215852073 。引用格式:陈云龙,刘耿仁,蔡家品,等.长距离水平定向孔取芯技术应用:以天山胜利隧道水平定向孔地质勘察为例J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):298.CHEN Yunlong,LIU Gengren,CAI Jiapin,et al.Application of long-distance horizontal directional borehole coring technology:A case study of geological investigation of Tianshan Shengli tunnelJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):298.长距离水平定向孔取芯技术应用 以天山胜利隧道水平定向孔地质勘察为例陈云龙1,刘耿仁2,蔡家品1,刘协鲁1,阮海龙1,江玉文3(1.北京探矿工程研究所,北京 100083;2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉 430052;3.四川康克石油科技有限公司,四川 德阳 618000)摘要:为在长距离大埋深隧道工程施工前更全面地掌握隧道全断面地质信息,借鉴垂直钻井取芯经验,结合水平取芯特点,研制TK-SQ215 大直径水平孔取芯钻具,制定特殊的取芯工艺,完成隧道工程 1 900 m 长距离水平孔取芯作业,取芯进尺 2.31 m,采获岩芯 2.2 m,岩芯采取率为 95%。结果表明:采用长距离水平孔取芯技术通过布设 1 个水平孔即可获取沿隧道走向的全断面地质信息,改变了传统隧道工程前期勘察采用的垂直、多井施工方式,探索出了一套从下钻到取芯再到提钻的全流程水平取芯工艺。关键词:隧道工程;地质勘察;水平定向钻进技术;取芯钻具;金刚石钻头DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.034中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0298-06A Ap pp pl li ic ca at ti io on n o of f L Lo on ng g-D Di is st ta an nc ce e H Ho or ri iz zo on nt ta al l D Di ir re ec ct ti io on na al l B Bo or re eh ho ol le e C Co or ri in ng g T Te ec ch hn no ol lo og gy y:A A C Ca as se e S St tu ud dy y o of f G Ge eo ol lo og gi ic ca al l I In nv ve es st ti ig ga at ti io on n o of f T Ti ia an ns sh ha an n S Sh he en ng gl li i T Tu un nn ne el lCHEN Yunlong1,LIU Gengren2,*,CAI Jiapin1,LIU Xielu1,RUAN Hailong1,JIANG Yuwen3(1.Beijing Institute of Exploring Engineering,Beijing 100083,China;2.CCCC Second Highway Consultants Co.,Ltd.,Wuhan 430052,Hubei,China;3.Sichuan Conqueror Petroleum Science and Technology Corporation LTD,Deyang 618000,Sichuan,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To clearly identify the full-section geological information of the tunnel with long distance and large burial depth before construction,the TK-SQ215 large-diameter horizontal borehole coring is developed based on the vertical drilling and coring technology and the characteristics of horizontal coring.Special coring technology is implemented,which successfully implement 1 900-m long-distance horizontal drilling and coring operation,2.31-m coring advance,2.2 m coring samples,and 95%coring rate.The results show that a horizontal drilling hole along the tunnel direction arranged can collect the full-face tunnel geological information when using long-distance horizontal coring technology,which does not use vertical and multiple shaft construction,thus it is simple and efficient.K Ke ey yw wo or rd ds s:tunnel engineering;geological investigation;horizontal directional drilling;coring tools;diamond bit0 引言随着我国经济快速发展,我国西部山区公路、铁路隧道建设越来越多,并逐渐向大埋深、长距离发展1。由于地质条件复杂、设备运输困难、供水和场地难以保障、人员健康及环保要求严苛等因素的影响,在隧道建设中无法大范围开展垂直钻井勘察2。水平定向钻进技术(horizontal directional drilling,HDD)逐渐应用于隧道地质勘察中,且已有学者对其增刊 1陈云龙,等:长距离水平定向孔取芯技术应用 以天山胜利隧道水平定向孔地质勘察为例进行了研究。舒彪等3论述了水平定向钻探勘察的技术优势和可行性;严金秀2、陈湘生等4 大力提倡采用水平定向钻进技术加井内物探技术对隧道进行地质勘察。1964 年,日本在青函隧道第 1 次使用小直径水平定向取芯钻探技术,钻进最长距离为 2 150 m5。挪威对 Bmlafjord 海底隧道进行了长 900 m 的水平定向取芯6。马保松等7基于 HDD 开展了隧道地质勘察的方案设计。粤港澳大湾区狮子洋主航道采用水平孔勘察方案,设计了特大水垂比大位移科学钻孔,设计孔深 940 m,取芯进尺 81.7 m8。20192020 年,某隧道完成了孔深903.28 m 的长距离水平取芯钻孔9。张恒春等10提出了 3 000 m 的水平定向钻井技术方案。2021 年,某隧道完成了孔深 1 888.88 m 的超长水平取芯钻孔11。采用水平定向孔取芯技术能够采获连续岩芯,验证隧道沿线地质情况,对于隧道勘察设计施工具有重要意义。2020 年 5 月,新疆天山胜利隧道水平定向孔在 1 900 m 处采获核心断裂带岩芯,是目前国内2 0003 000 m 级水平勘察孔提钻取芯的最长记录12。本文重点阐述水平定向孔取芯钻具设计与取芯工艺,以期为同类工程提供参考。1 工程概况天山胜利隧道穿越山体,隧道全长 22.0 km,最大埋深约 1 200 m7。由于受到高海拔山区设备运输、供水、环保等因素制约,无法大范围开展传统垂直钻井勘察。为避免设备在复杂地形下运输,并解决地表物探探测深度小和垂直钻井试样参数代表性不足的问题,采用水平定向钻进技术沿轴线进行地质勘察。在入口处钻水平定向孔,结合水平定向孔取芯技术,采获断裂带核心部位岩石样品。1.1 地质构造与地层岩性根据 隧 道 初 勘 资 料 可 知,距 离 隧 道 入 口 约1 900 m 处存在右旋走滑断裂破碎带7,岩性以闪长岩脉、钙质板岩夹炭质板岩为主。断裂破碎带影响范围约为 200 m,是隧道施工过程中的控制性地质因素。1.2 水平定向钻进设备该隧道水平勘察孔采用 GD3500-L 型水平定向钻机施工(如图 1 所示),其参数见表 17。泥浆泵型号为 GN2500,无极泥浆流量调节,出口安全阀工作压力为 8 MPa。图 1 水平定向钻进施工现场Fig.1 Horizontal directional drilling construction site表 1 GD3500-L 型水平定向钻机参数7Table 1 Drill parameters of GD3500-L rig7主机外形尺寸/(mmmmmm)主机质量/t发动机功率/kW液压系统额定工作压力/MPa动力头输出最大转矩/(Nm)动力头最大拉力/kN动力头最大推拉速度/(m/min)钻杆直径/mm钻杆长度/mm泥浆最高压力/MPa履带最高行走速度/(km/h)17 9003 4403 30045264235112 0003 58045168/1409 600202.52 技术难点与对策2.1 摩擦阻力大根据前期勘察设计,需要获取距离隧道入口约1 900 m 处存在的断裂破碎带岩芯。这么长距离的水平钻进取芯在石油工业沉积岩地层已有应用案例13-15,但在公路隧道勘察中应用尚属首次。如此长距离的水平钻探,钻杆柱与孔壁之间存在较大的摩擦阻力与转矩,进而影响推力与转矩传递,导致取芯钻具组合难以顺利到达孔底,甚至无法到达孔底。主要对策是改善转矩传递方式,引入螺杆马达实现取芯钻具孔底转矩控制,结合钻机动力头带动钻杆旋转推进。2.2 钻进参数控制难钻机采用匀速推进的方式,无钻压表,只显示推压力,推压力波动范围较大,导致钻进取芯过程中的钻压难以精确控制;同时,受出口安全阀压力的限制,泥浆泵实际最大工作压力为 8 MPa。因此,一旦推进速度过快,钻头转矩增大,极易导致螺杆马达憋停、泥浆泵安全阀启动等情况发生,严重时甚至导致钻头或钻具损坏,取芯作业无法继续。主要对策是探索针对水平定向钻机的取芯钻进工艺,取芯过程中通过司钻监控平台对钻机推进力和泥浆泵压力进行密切监控,及时调整推进速度,确保螺杆马达正常工作,实现平稳连续钻进。2.3 岩芯采取难由于目标岩层为断裂带坚硬破碎岩石,相较于传统垂直钻井,水平取芯的难点主要体现在钻进效率、平稳取芯以及岩芯卡取方面。为提高钻进效率,通过设计针对性的金刚石钻头并结合孔底动力来改善钻头破992隧道建设(中英文)第 43 卷岩的能力。在取芯钻进时,破碎的岩芯块体易卡堵在岩芯管内,阻碍岩芯正常进入,导致机械钻速锐减、岩芯严重自磨耗损16。结合水平取芯特点,设计防堵岩芯管,以保证岩芯顺利进入岩芯管;设计带滚柱轴承的卡簧座,以保证内岩芯管水平且单动,最终实现平稳入芯。区别于垂直钻井利用岩芯自重使岩芯卡取机构自动卡紧,水平钻进取芯时,取芯钻具组合始终紧贴孔底面,在长距离的回拉过程中,岩芯卡取机构有出现松动导致岩芯掉落的风险,通过设计双卡簧并配合不同提钻方式,降低岩芯掉落的风险。3 大直径水平孔取芯钻具及取芯工艺通过上述分析,结合工程需求,针对水平孔长距离取芯摩擦阻力大、钻进参数控制难等问题,研制了 TK-SQ215 大直径水平孔取芯钻具,并制定了长距离水平孔取芯钻进工艺。3.1 TK-SQ215 大直径水平孔取芯钻具取芯钻具主要由高强度内外岩芯管、内扶正环、岩芯卡取机构、上下扶正器和金刚石取芯钻头等组成,如图 2 所示。取芯钻具回次取芯长度为 3 m,取芯直径为 101.6 mm,取芯钻头外径 215.9 mm。在石油行业水平取芯钻具的基础上,对该套取芯钻具内岩芯管的涂层材质进行了优选,提高了涂层耐磨性,对内扶正环、岩芯卡取机构和螺旋扶正器进行了优化,对适配的金刚石取芯钻头的胎体配方进行了改进。图 2 TK-SQ215 大直径水平孔取芯钻具Fig.2 TK-SQ215 large-diameter coring drill for horizontal borehole3.1.1 防堵内岩芯管结合破碎岩芯的特点,为了避免进入岩芯管中的破碎岩芯互相挤压造成卡堵,在岩芯管内壁采用钨合金镀层17来缓解。该内岩芯管壁面光滑,可减少岩样堵塞提高岩芯采取率,且硬度接近硬质合金的硬度,可增加取芯内管的使用寿命,达到耐磨减阻的目的。3.1.2 内扶正环在水平钻进时,扶正环与岩芯管容易产生偏心磨损,卡簧座容易与钻头内台阶磨损,这些都易导致内外岩芯管不同心,严重时导致岩芯进入困难。因此,在钻具内岩芯管的中间部位以及卡簧座处各放置 1 个带滚柱轴承的内扶正环(如图 3 所示),保证内外岩芯管之间、内岩芯管与钻头之间不相互摩擦,同时还有利于内岩芯管的拔出。设计的 2 个扶正环与内悬挂总成一起保证内岩芯管中心线与钻头中心线重合,以实现平稳入芯。图 3 内扶正环示意图Fig.3 Diagram of inner centralizing ring3.1.3 岩芯卡取机构岩芯卡取机构由卡簧和卡簧座组成。为了避免水平取芯完成后在长距离回拉过程中出现岩芯卡取机构松动导致岩芯掉落的风险,在距原有岩芯卡取机构上部 100150 mm 处再设置 1 个岩芯卡取机构,通过双卡取机构降低岩芯掉落的风险。3.1.4 螺旋金刚石扶正器根据水平钻进的特点,扶正器外保径需要足够耐磨,避免过快磨损影响取芯钻具在孔底的水平状态。采用金刚石柱代替合金柱,金刚石柱为高品级聚晶与天然金刚石的混合体,可有效保护螺旋扶正器本体,达到在钻头寿命周期内扶正器一直发挥作用的目的,使取芯钻具始终在孔底保持水平,保证取芯的顺畅。3.1.5 金刚石取芯钻头在坚硬破碎地层钻进时,应尽可能地快速完成地层克取,减缓成芯过程中的岩芯破碎。但由于钻具强度和空间的要求,取芯钻头的工作唇面厚度较大,在一定钻压下钻头单位面积受到的压力小,导致钻进速度慢18。因此,在金刚石取芯钻头研制中,采用多孔自锐胎体配方(如图 4 所示)。通过室内试验可看出,多孔自锐胎体配方唇面比普通胎体配方唇面有更多的微型凹坑(如图 5 所示),增加金刚石颗粒出刃,以实现快速破碎岩石的目的。金刚石取芯钻头如图 6 所示。3.2 水平孔取芯工艺取芯作业采用提钻方式,按照孔底动力(螺杆马达)+取芯钻具的总体思路,工艺流程主要分为 3 个阶003增刊 1陈云龙,等:长距离水平定向孔取芯技术应用 以天山胜利隧道水平定向孔地质勘察为例段。1)送钻。利用钻机钻杆将取芯钻具组合送至孔底,由于水平送入过程中摩阻较大,可采用钻机动力头回转(带动钻杆)的方式送入,遇阻时可采用螺杆马达低速转动(带动取芯钻具)的方式推进。2)取芯钻进。先确定孔底端面的准确位置,然后小排量(约 1 000 L/min)缓慢推进一定距离后进行树芯,之后将泥浆泵排量调整至螺杆马达正常工作排量,开始正常取芯钻进,直至完成回次取芯长度。取芯过程中密切关注泵压变化,随时调整钻机推进速度,泥浆密度为 1.04 g/cm3,漏斗黏度为 68 s。3)停泵、卡断岩芯、提出取芯钻具组合。提钻时要保持连续,防止岩芯掉落。图 4 多孔自锐胎体示意图Fig.4 Diagram of multiaperture self-sharpening blank bits(a)普通胎体配方(b)多孔自锐胎体配方图 5 胎体唇面形貌Fig.5 Labial surface morphology of blank bits图 6 金刚石取芯钻头Fig.6 Diamond core bit3.3 风险应对措施在水平孔钻进过程中,孔壁不稳定、大块岩屑无法及时通过泥浆携带出孔是造成卡钻的主要原因。因此,需要制定相应的风险应对措施。1)尽量减少钻进过程中泥浆静止的时间,防止大量岩屑下沉到下孔壁;2)保证足够的泥浆排量,及时将岩屑排出,保证孔眼干净;3)泥浆密度应满足孔壁稳定所需要的支撑力;4)优选取芯钻头与螺杆马达,保证其在孔内的稳定性,同时,应尽可能采用复合钻进的方式钻进取芯,有利于携带岩屑;5)在条件允许的情况下,尽可能使用带动力头的钻机进行施工,其可以回转起钻,能有效破坏已形成的岩屑床。4 工程应用采用 GD3500-L 型水平定向钻机,利用 TK-SQ215 大直径水平孔取芯钻具在距天山胜利隧道入口约 1 900 m 处开展长距离水平定向孔取芯作业。钻具组合为:8-1/2金刚石取芯钻头+大直径取芯钻具+172 mm 螺杆马达+172 mm 钻铤+5-1/2钻杆+6-5/8钻杆,如图 7 所示。图 7 取芯钻具与水平钻机Fig.7 Core drill and horizontal drill4.1 取芯过程4.1.1 送钻采用钻机旋转+螺杆马达低速转动的方式推进送入钻具,钻杆送入速度控制为 67 根/h,泥浆泵排量为 7001 000 L/min。在孔深约 1 000 m 位置处遇阻,钻机推压力明显增大;之后将取芯钻具组合缓慢回拉,钻机推力恢复正常后,继续回拉 50100 cm 后再次送入;最终取芯钻具组合顺利通过此位置,被送至孔底。4.1.2 取芯钻进首先,进行探底,在取芯钻具组合距离孔底约10 m 位置时,调整泥浆泵排量至 1 000 L/min 左右,并降低推进速度,观察和记录钻机推压力,一旦发现推压力上升,立刻停止前进,记录此位置;然后,回拉钻具,推压力恢复正常后再次推进,如仍是在此位置推力上升,则判断此位置为水平定向孔的孔底,即取芯起始点,开始树芯。树芯过程中,保持泥浆泵排量和钻机推压力不变,根据钻进地层岩性和钻头类型,调整钻机推进速度为该类型岩石的最小机械钻速经验值。钻进约30 cm 后,完成树芯。正常钻进过程中,钻机推压力始终保持在 4 5 103隧道建设(中英文)第 43 卷MPa,与送钻时基本一致,泥浆泵排量为 1 2001 500 L/min。最终实现在1 900 m 断裂带处钻进2.31 m,钻进 170 min,机械钻速达 0.81 m/h。取芯作业各阶段的参数设置见表 2。表 2 取芯作业各阶段的参数设置Table 2 Parameters for coring phase取芯阶段钻机推压力/MPa钻进方式泥浆泵排量/(L/min)泥浆泵压力/MPa机械钻速/(m/h)探底45钻机+螺杆马达1 00045树芯45(与送钻时一致)钻机+螺杆马达1 000450.30.5正常取芯45(与送钻时一致)钻机+螺杆马达1 2001 500560.51.24.1.3 提钻此次作业的取芯部位在 1 900 m 处,如果采用不回转直接回拉的方式,对钻机能力、固定地锚等有很大的考验。因此,在不同深度时采取的提钻方式也有所不同。在 1 0001 900 m 处,采用钻机动力头回转的方式提钻,同时泥浆泵排量调至小于螺杆马达工作排量;在将取芯钻具组合回拉至 1 000 m 后,采用钻机动力头不回转的方式提钻,泥浆排量保持不变,将取芯钻具组合拖出孔底。通过以上方式,能够保证提钻过程稳定连续,降低了岩芯卡取机构出现松动导致岩芯掉落的风险。4.2 获取岩芯此次作业最终取芯进尺 2.31 m,成功在水平孔深1 900 m 处钻获断裂带破碎岩芯 2.2 m,岩芯采取率为95%。获得的实物岩芯如图 8 所示。通过分析可知,该断裂带为右旋走滑逆冲深断裂,核心带宽度约为96 m,岩性依次为凝灰质粉砂岩、石英片岩、炭质板岩、花岗闪长岩,涌水量为 27 m3/h。图 8 获取的实物岩芯Fig.8 Coring samples5 结论与展望结合天山胜利隧道勘察应用实例可知,通过采用TK-SQ215 大直径水平孔取芯钻具,适配特殊的水平定向孔取芯工艺,在断裂带采获破碎岩芯 2.2 m,岩芯采取率为 95%,说明长距离水平定向孔取芯技术可行且高效。在公路隧道勘察中,采用水平定向孔取芯技术能够通过 1 次取芯获取连续的地质信息,技术上优势明显,为公路隧道前期地质勘察提供了新的技术方法,为今后同类隧道工程施工提供了关键技术支撑与宝贵的施工经验。但目前该技术应用不多,尚有一定的局限性,还需通过多次应用来进一步验证技术的稳定性与通用性。另外,长回次取芯仍需进一步研究,以提升取芯效率。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 田四明,王伟,巩江峰.中国铁路隧道发展与展望(含截至 2020 年第中国铁路隧道统计数据)J.隧道建设(中英文),2021,41(2):308.TIAN Siming,WANG Wei,GONG Jiangfeng.Development and prospect of railway tunnels in China(including statistics of railway tunnels in China by the end of 2020)J.Tunnel Construction,2021,41(2):308.2 严金秀.大埋深特长山岭隧道技术挑战及对策J.现代隧道技术,2018,55(3):1.YAN Jinxiu.Technical challenges of super-long mountainous tunnels at great depthJ.Modern Tunnelling Technology,2018,55(3):1.3 舒彪,马保松,孙平贺.岩石水平定向钻工程M.长沙:中南大学出版社,2021.SHU Biao,MA Baosong,SUN Pinghe.Horizontal directional drilling in rocksM.Changsha:Central South University Press,2021.4 陈湘生,徐志豪,包小华,等.中国隧道建设面临的若干挑战与技术突破J.中国公路学报,2020,33(12):1.CHEN Xiangsheng,XU Zhihao,BAO Xiaohua,et al.Challenges and technological breakthroughs in tunnel construction in ChinaJ.China Journal of Highway and 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