張建杰，劉春生，彭有如，賈長城

（北京市地質(zhì)工程設計研究院，北京 101500）

地應力鉆孔內(nèi)監(jiān)測儀器打撈技術

張建杰，劉春生，彭有如，賈長城

（北京市地質(zhì)工程設計研究院，北京 101500）

地應力監(jiān)測臺站在運行過程中，監(jiān)測儀器一旦出現(xiàn)故障，需要將已損壞的儀器取出，更換新的監(jiān)測儀器，以保證臺站的正常工作。在北京某地區(qū)地應力監(jiān)測臺站儀器打撈中，首先進行了鉆機復位安裝，然后根據(jù)監(jiān)測儀器特點選用了公錐作為打撈工具，并結合打撈過程中遇到的實際問題，將打撈工具進行技術處理，最終成功將監(jiān)測儀器打撈出，證明該打撈方法是完全可行的。本文以該打撈技術實踐為例，詳細介紹了儀器的打撈過程和技術方法，為今后類似問題的解決提供了值得借鑒的經(jīng)驗。

地應力；鉆孔；儀器；打撈

0 引言

自20世紀60年代至今，世界地應力研究工作不斷取得進步和發(fā)展，我國地應力研究工作也取得很大進展（劉光勛，2006；黃相寧，2006）。地應力狀態(tài)對地震預報、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價、油田油井的穩(wěn)定性、巖爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球動力學的研究等具有重要意義。近幾年，我單位配合中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所在北京地區(qū)施工了若干地應力測量與實時監(jiān)測鉆孔，目的是構建北京地區(qū)地應力實時監(jiān)測網(wǎng)，填補北京地區(qū)深孔地應力測量與實時監(jiān)測的空白，揭示北京地區(qū)現(xiàn)今地應力環(huán)境，為北京地區(qū)活動斷裂評價以及首都重大工程規(guī)劃、城市安全建設、深部礦山安全開采等，提供地質(zhì)依據(jù)。

1 工程概況

我單位受甲方委托，承擔了北京某地區(qū)地應力測量與監(jiān)測鉆孔鉆探工程施工任務，負責鉆孔取心、擴孔、配合甲方進行地應力測量與監(jiān)測儀器安裝工作。該地應力鉆孔穿過地層主要由兩大部分組成：上部為第四系，主要為回填土、坡積砂土、碎石及塊石，厚度17m，屬較軟—稍硬巖石，巖石可鉆性級別為Ⅰ—Ⅴ級；下部為三疊系、二疊系砂巖和石炭系砂巖、頁巖及煤系地層，屬稍硬—硬巖石，巖石可鉆性級別為Ⅳ—Ⅵ級。地層較完整，但易出現(xiàn)鉆孔超徑現(xiàn)象，局部構造節(jié)理發(fā)育，破碎嚴重，坍塌掉塊時有發(fā)生，并伴有泥漿嚴重漏失現(xiàn)象（北京市地質(zhì)工程設計研究院，2011）。項目歷時135日歷天，最終成孔深度800.23m，至設計孔深后，配合甲方完成了擴孔及地應力測量與監(jiān)測儀器安裝工作，并完成了監(jiān)測臺站建設工作，監(jiān)測儀器開始正常運行。

2 事故簡述

地應力實時監(jiān)測采用傳統(tǒng)的穩(wěn)定性相對較好的壓磁應力監(jiān)測方法，所使用的儀器為壓磁應力傳感器（譚成軒等，2014）。地應力監(jiān)測儀器在正常運行時，能夠?qū)崟r獲取地應力相對變化連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，為地震地質(zhì)分析提供科學依據(jù)。但是，該監(jiān)測臺站儀器運行半年后出現(xiàn)了故障，無法正常傳輸?shù)貞ΡO(jiān)測數(shù)據(jù)，需要將該監(jiān)測儀器從鉆孔中取出，重新安裝新的地應力監(jiān)測儀器。如果監(jiān)測儀器不能夠成功取出，或者在取出儀器的過程中破壞了孔壁，將導致該地應力監(jiān)測臺站報廢，造成巨大的經(jīng)濟損失，這就要求我們運用科學合理的方法將儀器打撈上來。處理這樣的事故對我們來說尚屬首次，且場地狹窄，故打撈工作面臨不小的問題和挑戰(zhàn)。

3 事故處理

在地應力監(jiān)測儀器安裝完成之后，已經(jīng)將所有的鉆探設備撤離，所以在打撈監(jiān)測儀器之前，有必要制定詳細的打撈方案。首先要解決的問題是將鉆機安裝到原來的位置，并且保證現(xiàn)安裝位置與之前位置基本一致，然后再用公絲錐打撈監(jiān)測儀器。

3.1 鉆機復位安裝

鉆機安裝是在原孔位進行二次安裝，使用鉆機型號為XY-4型，安裝時應檢查底座的水平度及鉆機立軸的垂直度，鉆機安裝要水平、周整，底座固定牢固，確保鉆機在打撈過程中不發(fā)生傾斜、移位（國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2005）。除了滿足以上的技術要求外，最重要的是要保證鉆孔孔口中心、鉆機立軸中心、天車必須在一條鉛垂線上，立軸不曠動，立軸頂角誤差不得超過0°20′，以保證下鉆時鉆具在鉆孔的中心位置（中華人民共和國國土資源部，2010）。另外，本次任務主要是打撈和重新安裝監(jiān)測儀器，所以結合場地條件使用自制三腳木塔（9m）完全可以滿足儀器打撈需求。

3.2 打撈監(jiān)測儀器

地應力監(jiān)測儀器為一長約400mm，直徑約90mm的圓柱體，可以分為上、下兩部分，分別為數(shù)字遙測儀和應力測量傳感器（圖1）。儀器的正上方中心位置有一個直徑16mm、深度20mm的圓孔，我們決定用公絲錐下入孔內(nèi)對監(jiān)測儀器進行打撈，鉆具組合為：φ42mm鉆桿+變絲接手+公絲錐，并根據(jù)儀器上方圓孔孔徑及深度將唐山市金石超硬材料有限公司生產(chǎn)的1#公絲錐（直徑為φ9～27mm）進行了截斷處理，處理后公絲錐直徑為φ15～27mm，使得公絲錐完全吃扣后距儀器上方圓孔孔底留有一定的空隙。

打撈前依據(jù)監(jiān)測儀器在鉆孔內(nèi)的深度，連接好鉆桿和公絲錐后，利用鉆機升降機逐漸增加鉆桿下入打撈工具。待公絲錐距監(jiān)測儀器上方圓孔孔口約0.5m時，用鉆機液壓操縱閥控制升降油缸緩慢下放打撈工具，當公絲錐下放到預計深度接觸到儀器表面時，松開液壓卡盤，適當放松提引器并開始人工回轉(zhuǎn)鉆桿，無需送水，感覺回轉(zhuǎn)有些吃勁時，表明公絲錐已進入儀器上方圓孔內(nèi)。此時，停止回轉(zhuǎn)并在鉆孔孔口鉆桿上做好標記，稍微拉緊鉆桿后，隨著人工回轉(zhuǎn)鉆桿用升降機緩慢送入鉆桿以適當施加壓力，公絲錐隨之開始轉(zhuǎn)動與儀器上方圓孔吃扣，通過回轉(zhuǎn)鉆桿時對手的震動判斷公絲錐是否被扣緊（胡郁樂等，2010；王年友等，2011）。根據(jù)鉆孔孔口鉆桿上做的標記判斷公絲錐吃扣5～10mm后，提出鉆具，應該能夠打撈出儀器（圖1）。

圖1 公絲錐打撈監(jiān)測儀器示意圖Fig.1 Diagram of male tap fi shes the monitoring instrument

圖2 公絲錐打撈傳感器部分示意圖Fig.2 Diagram of male tap fi shes the sensor

通過以上方法，監(jiān)測儀器被打撈出。但在儀器被打撈出鉆孔后，發(fā)現(xiàn)只打撈出遙測儀部分，打撈過程中儀器出現(xiàn)了分離，傳感器部分還留在鉆孔內(nèi)，需要再次打撈，而傳感器上方的孔不在中心位置（圖2），給打撈工作增加了難度。經(jīng)過幾次打撈，都未能成功。因此，我們根據(jù)傳感器上方孔口所在的位置，計算好鉆桿應彎曲的角度，對打撈鉆桿進行了彎曲處理，保證打撈工具下入鉆孔后，在回轉(zhuǎn)給壓的過程中，公絲錐（直徑為φ9～27mm）能夠進入傳感器上方孔內(nèi)，將傳感器打撈上來。

經(jīng)過以上技術處理，并根據(jù)傳感器在鉆孔內(nèi)位置的深度，再次連接好鉆桿和公絲錐后，仍利用鉆機升降機逐漸增加鉆桿下入打撈工具。公絲錐距傳感器上方孔口約0.5m時，用鉆機液壓操縱閥控制升降油缸緩慢下放打撈工具，在公絲錐下放到預計深度接觸到傳感器時松開卡盤，適當放松提引器并開始人工回轉(zhuǎn)鉆桿，要緩慢送入，無需送水。

判斷公絲錐是否打撈住傳感器部分，可以根據(jù)鉆桿回轉(zhuǎn)情況判定，一旦出現(xiàn)回轉(zhuǎn)阻力增大，有輕微卡頓感覺，證明公絲錐已經(jīng)進入傳感器上方孔內(nèi)。這時仍需在鉆孔孔口鉆桿上做好標記，稍微拉緊鉆桿后，隨著人工回轉(zhuǎn)鉆桿用升降機緩慢送入鉆桿以適當施加壓力，使公絲錐開始吃扣進一步伸入傳感器上方孔內(nèi)，仍然根據(jù)回轉(zhuǎn)鉆桿時對手的震動判斷公絲錐是否被扣緊（胡郁樂等，2010；王年友等，2011）。利用鉆孔孔口鉆桿上的標記確認公絲錐吃扣5～10mm后，將鉆具提出地表，結果儀器傳感器部分被成功打撈出，至此監(jiān)測儀器被完全打撈出。

3.3 新監(jiān)測儀器安裝

準確計算壓磁地應力監(jiān)測儀器安裝深度所需鉆桿的數(shù)量和機上余尺，并對鉆桿進行準確丈量、編號和記錄。將調(diào)試好的壓磁地應力監(jiān)測儀器與鉆桿連接到一起，并利用鉆桿將其送至儀器安放孔內(nèi)。在下放壓磁地應力監(jiān)測儀器過程中，所有操作人員必須精力集中，保持儀器平穩(wěn)下降，當壓磁地應力監(jiān)測儀器接近儀器安放深度時應連接上機上鉆桿，使用鉆機液壓操縱閥控制升降油缸將儀器緩慢送入，精確測量機上余尺，保證儀器送入的位置準確。待測試人員認為將儀器完全脫離后，按照測試人員指令，用鉆機液壓操縱閥控制升降油缸緩慢提動鉆桿，在測試人員確認儀器完全脫離后，再用升降機將鉆桿提出。測試人員再次確認壓磁地應力監(jiān)測儀器工作狀態(tài)是否正常，如其不能正常工作，則根據(jù)測試人員要求，決定是否下鉆桿撈出儀器重新安裝，直至合格為止。

4 結論

地應力測量與監(jiān)測對地質(zhì)構造研究、地震預報和礦山、水利、國防等工程中有關問題的解決具有理論和實際意義，近些年國內(nèi)先后建立了許多地應力監(jiān)測臺站，已經(jīng)初步形成體系，這將為以后的地震預報和城市建設提供重要的依據(jù)。而隨著臺站長時間的運行，監(jiān)測儀器在若干年后可能出現(xiàn)老化或損壞，需要更換新的儀器，儀器打撈就成為經(jīng)常要面臨的問題。通過本次打撈技術實踐，為以后其他監(jiān)測臺站儀器打撈工作提供了寶貴經(jīng)驗。但由于監(jiān)測儀器上方可供插入的孔較少，影響了打撈的效率，因此針對該類儀器應設計專門的打撈工具，并建議儀器設計部門應考慮儀器在孔內(nèi)安裝及打撈時的實際情況，設計專門的接頭和絲扣以便儀器安裝和打撈。

北京市地質(zhì)工程設計研究院，2011. 北京西郊地應力測量與監(jiān)測鉆探施工竣工報告[R].

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黃相寧，2006. 李四光論地震地質(zhì)與他的中長期地震預測[J].地殼構造與地殼應力，(2)：19-20.

胡郁樂，張紹和，2010. 鉆探事故預防與處理知識問答[M].長沙：中南大學出版社.

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Practice of Fishing Technique for Monitoring Instrument in Geostress Grill
Hole

ZHANG Jianjie, LIU Chunsheng, PENG Youru, JIA Changcheng

(Beijing Geological Engineering Design and Research Institute, Beijing 101500)

In the running process of the geostress monitoring station, once there is any problem to the monitoring instrument, it needs to remove the damaged instrument, replaces the new monitoring instrument, in order to ensure the normal operation of the station. In the practice of fi shing instrument in a geostress monitoring station in Beijing,fi rstly, drill was installed in original position, then, according to the characteristics of the monitoring instrument, the male tap is chosen as the fi shing tool, combined with the practical problems encountered in the fi shing process, the fi shing tools are processed, at last, it is successful to fi sh out the monitoring instrument. It is proved that the method is feasible. In this paper, the practice of fi shing technology as an example, it introduces the fi shing process and technical methods, and it provides a reference to the similar problems in the future.

Geostress; Drill hole; Instrument; Fishing

A

1007-1903（2017）03-0091-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.018

張建杰（1984- ），男，碩士，工程師，從事地質(zhì)勘探、鉆探工程施工和技術管理。E-mail：zhangjianjiefeng@163.com