張建杰，李海明，劉春生，段石敦

（北京市礦產(chǎn)地質(zhì)研究所，北京 101500）

0 引言

20 世紀30 年代，美國墾務(wù)局在哈佛大壩泄水隧道采用表面應(yīng)力解除法進行了世界首次地應(yīng)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(guī)模的地應(yīng)力測量試驗，首次測得淺部地層水平應(yīng)力高于垂直應(yīng)力［1-2］。20 世紀60 年代以后，地應(yīng)力測量得到了迅速的發(fā)展，受到了世界各國的廣泛關(guān)注，地應(yīng)力測量理論和方法呈現(xiàn)多樣化發(fā)展趨勢。

我國地應(yīng)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(chuàng)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(yīng)力測量監(jiān)測方法，在河北省隆堯縣堯山建立了第一個地應(yīng)力監(jiān)測臺站，開始連續(xù)監(jiān)測地應(yīng)力相對變化和地震的關(guān)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(yīng)力測量技術(shù)及應(yīng)用研究得到了迅速的發(fā)展，并將地應(yīng)力測量技術(shù)和方法應(yīng)用于地震預(yù)測預(yù)報和國家重大工程建設(shè)等領(lǐng)域，取得了大量研究成果［5-7］。

但與世界發(fā)達國家相比，我國在地應(yīng)力測量與監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在缺乏統(tǒng)一的標準和規(guī)范、測量與監(jiān)測的深度還不夠等［5］。近十余年來，我所實施了大量地應(yīng)力測量與監(jiān)測鉆探工程項目，施工地點分布在全國多個省份，為構(gòu)建和完善地應(yīng)力測量與實時監(jiān)測臺網(wǎng)，揭示關(guān)鍵構(gòu)造部位現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)隨深度變化規(guī)律，不斷提高地應(yīng)力測量與監(jiān)測技術(shù)水平提供了有力的技術(shù)支撐。

1 地應(yīng)力監(jiān)測孔簡介

地應(yīng)力測量方法包括壓磁應(yīng)力解除法、空芯包體應(yīng)力解除法、水壓致裂法、鉆孔崩落法、巖石聲發(fā)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(chǎn)生裂縫。巖體中主應(yīng)力大小和方向可以根據(jù)巖石的力學(xué)性質(zhì)、裂縫方位及出現(xiàn)裂縫的壓力來確定［8-9］?？梢?，要完成地應(yīng)力測量與監(jiān)測工作，最為基礎(chǔ)又很重要的一個工作就是施工地應(yīng)力監(jiān)測孔，以提供地應(yīng)力測量與監(jiān)測的基礎(chǔ)場所。

地應(yīng)力監(jiān)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(yīng)力測量和實時監(jiān)測要求完成一定深度的鉆探工程，然后開展地應(yīng)力實時監(jiān)測適宜深度的擴孔工作，以及隨深度系統(tǒng)的地應(yīng)力測量和實時監(jiān)測工作。地應(yīng)力監(jiān)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(shù)質(zhì)量指標要求較高，以保證地應(yīng)力測量及儀器安裝的效果，還需按相關(guān)技術(shù)標準存放巖心并做詳細編錄。

地應(yīng)力監(jiān)測孔一般采用三開結(jié)構(gòu)，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(shè)計深度。鉆進至設(shè)計孔深后，開展水壓致裂地應(yīng)力測量試驗，根據(jù)試驗結(jié)果確定監(jiān)測儀器安裝深度，然后完成地應(yīng)力監(jiān)測儀器的安裝工作。最后，在監(jiān)測孔所在位置建設(shè)監(jiān)測站，監(jiān)測屋的尺寸要滿足一定要求，監(jiān)測站周圍安裝好防護設(shè)施，后期有專人對監(jiān)測站進行維護，以保證監(jiān)測站的正常運行。地應(yīng)力監(jiān)測孔結(jié)構(gòu)及監(jiān)測站示意見圖1。

圖1 地應(yīng)力監(jiān)測孔結(jié)構(gòu)及監(jiān)測站示意Fig.1 Structure of geostress monitoring hole and monitoring station

2 地應(yīng)力監(jiān)測孔施工鉆探設(shè)備及工藝

2.1 鉆探設(shè)備

地應(yīng)力監(jiān)測孔一般孔深都在1000 m 以淺，根據(jù)監(jiān)測孔深度和口徑及施工條件，地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆探施工一般選用設(shè)備見表1，具體選用的設(shè)備根據(jù)孔深適當做出調(diào)整。

表1 主要鉆探設(shè)備Table 1 Main drilling equipment

2.2 鉆進工藝

2.2.1 取心方法

為保證監(jiān)測孔的巖心采取率、鉆孔垂直度、同心度和孔徑等技術(shù)參數(shù)，滿足地應(yīng)力測量與監(jiān)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(dǎo)向鉆具鉆進至適當深度后下入?89 mm 技術(shù)套管，再采用S76 mm 金剛石繩索取心鉆具鉆進至設(shè)計深度。完成鉆進取心任務(wù)后，再進行試驗配合、擴孔和監(jiān)測儀器安裝等工作。

2.2.2 鉆進技術(shù)參數(shù)

鉆進過程中，不同區(qū)域鉆遇地層情況會有所差別，具體的鉆進參數(shù)可參照《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》（DZ/T 0227—2010）及相關(guān)區(qū)域經(jīng)驗參數(shù)，根據(jù)實際的地層情況和鉆進方法、監(jiān)測孔口徑選擇合理的鉆進參數(shù)。

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(wěn)定，防止孔壁坍塌，使用優(yōu)質(zhì)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(tǒng)計分析

3.1 鉆進時間及效率統(tǒng)計

近十余年來，我單位在國內(nèi)多個省份施工地應(yīng)力監(jiān)測孔累計數(shù)十眼，取得了豐富的生產(chǎn)數(shù)據(jù)資料，部分具有代表性的孔深為600 m 的地應(yīng)力監(jiān)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(yīng)力監(jiān)測孔鉆進時間及效率統(tǒng)計Table 2 Statistics of drilling time and efficiency of 600m deep geostress monitoring hole

經(jīng)統(tǒng)計，600 m 深地應(yīng)力監(jiān)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(yīng)力監(jiān)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(qū)地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆探數(shù)據(jù)的統(tǒng)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(wěn)（圖3）。

圖3 不同地區(qū)地應(yīng)力監(jiān)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(qū)波動較大。原因是由于配合孔內(nèi)水壓致裂地應(yīng)力測量試驗時間較長，該項工作進度主要受地應(yīng)力測量進度的影響，地應(yīng)力測量試驗時間延長會導(dǎo)致完工時間推遲。另外，與地應(yīng)力測量工作完成后擴孔及儀器安裝是否順利也有關(guān)系。

（2）平均停待及事故時間占比為12.06%，在不同地區(qū)差異較大。主要原因是不同地區(qū)地層條件有所不同，如鉆遇巖心較為破碎，鉆進過程中發(fā)生和處理孔內(nèi)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(yīng)降低。

（3）平均輔助時間占比為15.07%。地應(yīng)力監(jiān)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(shù)增多使得輔助時間相應(yīng)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(shù)參數(shù)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(jù)以上分析及我所多年的施工經(jīng)驗，要進一步提高地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆進效率，建議做好以下幾方面的工作。

（1）做好監(jiān)測孔選址工作。為了更好地滿足地應(yīng)力測量的需求，便于后期地應(yīng)力長期監(jiān)測，地應(yīng)力監(jiān)測孔位置一般應(yīng)選在地層較為完整的花崗巖地區(qū)。在監(jiān)測孔選址前，要充分收集監(jiān)測區(qū)域的基礎(chǔ)地質(zhì)資料，并進行對比分析和研究，在此基礎(chǔ)上做好場地實地踏勘工作，盡量選擇利于監(jiān)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(jiān)測站的建設(shè)與維護，隨之也提高了鉆進效率。

（2）規(guī)范鉆進操作過程。明確機臺各崗位的職責，機長為現(xiàn)場施工負責人，直接負責現(xiàn)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(shù)方面交底，交底內(nèi)容應(yīng)包括鉆探工藝和安全規(guī)程，尤其生產(chǎn)人員要熟悉鉆進過程中采用的鉆進方法及參數(shù)，操作設(shè)備時要嚴格遵守操作規(guī)程［15-17］。做好交接班工作，設(shè)備運轉(zhuǎn)情況，鉆具、鉆桿、孔深、孔內(nèi)情況及原始記錄等要交接清楚，避免因交接不清造成孔內(nèi)事故的發(fā)生。加強各班組及組內(nèi)成員之間的協(xié)調(diào)配合，以提高時間利用率。

（3）強化安全管理工作。生產(chǎn)安全事故對監(jiān)測孔鉆探效率的影響無疑將是無法預(yù)期和估量的，安全工作應(yīng)作為地應(yīng)力監(jiān)測孔施工的重中之重。施工過程中進行崗前安全專門培訓(xùn)，新工人必須在班長或熟練工人指導(dǎo)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(zhí)行鉆探操作規(guī)程及有關(guān)安全管理制度，防止人身、機械、孔內(nèi)、鉆探質(zhì)量等方面的事故發(fā)生。另外，地應(yīng)力監(jiān)測孔位于沿海地區(qū)的，要做好大風及臺風防范措施，時刻關(guān)注天氣變化和預(yù)報。

（4）加強鉆探技術(shù)管理。地應(yīng)力監(jiān)測孔對鉆孔垂直度、巖心采取率、鉆孔孔徑等技術(shù)質(zhì)量要求較高，在鉆進過程中要有針對性的技術(shù)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(fù)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(fā)現(xiàn)超斜要及時糾斜。根據(jù)監(jiān)測孔孔徑和地層特性選擇參數(shù)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(guān)鍵步驟的技術(shù)管理，能夠有效保證監(jiān)測孔鉆探質(zhì)量，避免因技術(shù)管理問題導(dǎo)致鉆進效率降低。

（5）優(yōu)化鉆進工藝流程。我所經(jīng)過多年的地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆探實踐，摸索出了一些有效提高地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆進效率和質(zhì)量的工藝方法。地應(yīng)力監(jiān)測孔由?130 mm 孔徑變徑為?76 mm 孔徑時，下入?89 mm 技術(shù)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(zhì)量。擴孔段采用?76/95 mm 和?95/130 mm 兩級金剛石擴孔鉆進技術(shù)，擴孔鉆進阻力減小，鉆探設(shè)備負荷降低，提高了擴孔鉆進效率，同時保證了監(jiān)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(yīng)力測量試驗相關(guān)技術(shù)和設(shè)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(yīng)力測量，提供現(xiàn)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(xiàn)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(wěn)地操作鉆機，通過鉆桿升降井下測量設(shè)備，安全、準確地把測量和監(jiān)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(yīng)力監(jiān)測儀器安裝Fig.5 Installation of geostress monitoring instrument

4 結(jié)語

地應(yīng)力測量與監(jiān)測技術(shù)在地震預(yù)報、地殼穩(wěn)定性研究、工程建設(shè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆探工作任務(wù)也隨之增加，現(xiàn)有的鉆探設(shè)備和工藝基本能夠滿足地應(yīng)力測量與監(jiān)測的技術(shù)需求，鉆探技術(shù)服務(wù)地應(yīng)力研究取得了一定的成績。

今后的鉆探工作中，應(yīng)堅持貫徹綠色低碳發(fā)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(shù)，不斷提升地應(yīng)力監(jiān)測孔鉆探技術(shù)水平，更好地支撐地應(yīng)力測量與監(jiān)測技術(shù)研究。