摘要
为了精准查明拟建隧道沿线地质情况，通常采用水平孔绳索取心钻探技术。在超深涌水水平孔绳索取心钻进中，投放、打捞内管总成钻具和打捞器是施工中的难题。因此从研制专用水平钻机、选择大功率泥浆泵、封隔分流涌水、设计绳索取心钻具送绳器、定制专用内平绳索取心钻杆等几方面开展研究。全面分析了泥浆泵压力、钻杆内径大小、钻孔深度、钻杆的密封性、钻孔涌水量、涌水压力、孔壁间隙等因素对投送内管总成钻具和打捞器速度的影响，实现了高效、低成本、绿色钻探技术集成。经过精心组织，成功完成了千米级的大涌水水平孔绳索取心钻探施工，精准查明了隧道洞身段工程地质条件，取得了满意的技术效果，为隧道设计和施工提供了安全保障，也为超深涌水水平孔钻探提供了经验。
川藏铁路是全世界最难建设的铁路之一，穿越深山峡谷、桥隧比>80%，平均海拔高度>3000 m，建设之前对沿线地质情况勘查尤为重要。由于川藏铁路地理位置、地层等的特殊性，将会有大量的长大隧道，如果从山顶设计垂直勘查孔，钻孔深度大，施工成本高，取得的隧道洞身段资料有限，且很多地方钻探设备难以搬迁运输，容易对本来就非常脆弱的植被造成破坏。基于上述原因，提出采用超长水平定向钻探技术，在隧道进、出口处，设计定向水平钻孔孔深超过1000 m，实现高效、低成本、绿色钻探技术；精准查明工程地质条件，对断层和坍塌体、岩石的稳定性进行评估。由于钻孔的方向与隧道方向一致，水平钻孔取得的洞身段原始资料，为隧道的设计和施工提供了安全保障。预防因前方地质情况不明导致塌方、泥石流、涌水、岩爆冒顶等地质灾害发生，避免给施工单位、国家和人民带来严重的经济损
我们承担的超深水平孔钻探工程，设计钻孔深度1200~1500 m，设计钻孔顶角90°，钻孔方位沿隧道方向，全孔取心，要求地表块石土堆积层的岩心采取率≮80%，断层破碎带岩心采取率≮75%，完整基岩岩心采取率≮85%，孔斜率≯3°/100 m。由于此超深水平孔全孔取心和高质量取心的要求，拟采用水平孔绳索取心钻进工艺施工。但根据物探剖面揭示，水平钻探将钻穿2处低阻带，为地下水富集区。根据邻近钻孔资料，所有水平钻孔均有涌水，且涌水量较大。涌水会造成钻具、打捞器和钢丝绳无法送达指定位置等困难。超深涌水水平孔绳索取心钻进技术的关键是解决内管总成钻具的输送和岩心打捞问题。针对上述难题，研制了全液压动力头水平钻机和配套的输送器。
钻孔位于××州××县境内，有乡村便道可直达孔位，交通便利，运输较方便，海拔高度在3600 m以上。
钻孔将钻遇的地层岩性为三叠系上统雅江组二段（T3
部分变质砂岩、砂质板岩、碎石土等易水化，板理发育，节理裂隙发育，孔内易坍塌掉
岩层产状N60°E/50°~60°NW，线路走向与岩层近似垂直，有利于钻孔方位控制。
选用GXD-5S 1500型全液压动力头式钻机，该钻机由中国地质科学院探矿工艺研究所针对超长水平孔研制。其主要特点是：钻机扭矩大，提升能力强，给进行程长，性能指标见
钻机采用履带式，行走方便，操作简单，钻机稳定性好。
改进动力头齿轮油箱的润滑和冷却效果，确保钻机动力头正常运
该钻机采用不同钻杆的设计钻深能力为PQ 700 m、HQ 1200 m、NQ 1700 m、BQ 2000 m。
在水平孔钻探中，冲洗液除了常规钻进携带岩粉、冷却钻头、润滑钻杆、钻具等作用外，最重要的作用在于输送钻具和打捞器。根据钻孔深度、钻孔直径、涌水量和涌水压力，以及内管总成、打捞器的重力，合理选择泥浆泵成了钻进成功的关键。按照1500 m的设计孔深，选择BW-300/16型泥浆泵。最大流量300 L/min，最大泵压16 MPa（在使用过程中，泥浆泵的最大流量和泵压指标都达不到厂家所标注的数值，所以在选择泥浆泵时，尽量选择比理论计算的数值要大一些）。泥浆泵的性能指标如
采用套管隔水法封堵涌水效果非常好。在钻进过程中，通过现场测试，在孔内没有套管的情况下，该孔涌水量达180
孔内每层套管的环状间隙都有大量涌水返出，如果全部排入泥浆池，将极大地增加冲洗液处理的工作量。通过研制一种孔口分流装置，使返出来的各层涌水与钻进循环使用的冲洗液分别进入不同的通道。套管环状间隙的涌水没有岩屑及泥浆处理剂的污染，可以直接排放；而钻杆内返出来的冲洗液需要进入循环池进行沉淀和处理。涌水和冲洗液通道分流见
图1 地层涌水和钻进冲洗液分流示意
Fig.1 Schematic diagram of formation water gushing and drilling fluid diversion
图2 孔口装置
Fig.2 Wellhead device
水平孔绳索取心钻具和打捞器采用泵压法输送，输送器成为实现水平孔绳索取心钻进工艺的关键技术。因此分别研制了一套钻具总成输送器和打捞器输送器，要求简单易行，性能可靠，成本低廉，操作简便。其中研制的打捞器输送器如
图3 输送器示意
Fig.3 Schematic diagram of the wireline feeder
输送打捞器时，需要连同打捞器的钢丝绳一起送下去，钢丝绳在绞车上实现自由放绳，同时钢丝绳在送绳器的A处既要能自由移动，又要相对密封产生输送压力。泵压在A处经常会产生很大程度的泄压，泥浆泵的压力和流量都有明显的下降，造成了投放效率下降，输送时间增长。采用高弹性、高耐磨性、高强度的橡胶制作A处的密封环，通过压紧螺杆来调节密封环的压紧程度，可以有效地缓解上述问题。正常情况下，每钻进3~5个回次，需要更换密封环和密封活塞。
相对来说，输送绳索取心内管总成要简单一些，把A处用端盖完全密封，不留钢丝绳通过的孔位，把B处的密封活塞调节好，给予足够的泵压就可以完成。
水平孔测斜时，一旦孔内坍塌掉块，测斜仪器将下不到孔底，甚至被埋在孔里，针对这个问题，设计了专用的水力输送器，依靠冲洗液压力把测斜仪送到指定的测斜位
此次采用探矿工艺研究所研制的CAV-1型存储式测斜仪，以三轴加速度计和三轴磁通门传感器作为测量元件，适用于无磁性干扰的钻孔测斜，不需要电缆线来传输数据和提供电源，内置存储单元和锂电池，操作系统是Android智能手机APP；以蓝牙代替数据线实现测斜仪和智能手机间的无线通讯传输，仪器具有精度高、可靠性好、质量轻、配套设备少和操作简便等优
主要技术指标：顶角范围与精度0°~180°±0.2°，方位角范围与精度0°~360°±2°（顶角>3°），工作温度-10~75 ℃，耐水压25 MPa，探管尺寸（不含附件）Ø33 mm×1000 mm（外径×长度）。
影响输送时间的主要因素是泥浆泵压力、钻杆内径大小、钻孔深度，其次是钻杆的密封性、钻孔涌水量、涌水压力
从
影响打捞内管时间的因素比较少，仅与绞车的动力大小有关，打捞时间仅为投送时间的1/2，最深孔位1200 m的打捞时间≯30 min。
输送时间受多方面的影响，可以参照以下公式计算，其中η值取决于输送器和各类钻杆接头的密封程度，以及投送过程中阻力大小等多方面原因，根据经验取值一般在2~4之间，密封性能越差，阻力越大，η取值越大。
在没有涌水的时候输送时间与孔深和流量的关系按照
| （1） |
在有涌水的时候输送时间与孔深和流量的关系按照
| （2） |
式中：T1——无涌水时输送时间，min；T2——有涌水时输送时间，min；L——孔深，m；Q——水泵流量，L/min；Q1——进入钻杆内的涌水量，L/min；R——钻杆内半径，mm；η——系数。
冲洗液流速度是与管道压力坡度的平方根成正比，其公式可表示为：
| (3) |
式中：V——管道的断面平均流速；C——管道的谢才系数，C=（1/n）
泵压差越大，投送速度越快。从
使用的电子压力表，通过高压管连接在操作台附近，便于钻机操作者直观地观察泥浆泵压力，管路上压力稍有变化，压力表上即能显示出来，数值精确到小数点后两位。
钻杆内径越小，输送速度越快。原因是使用的绳索取心钻杆越小，钻具和打捞器的外径越小、质量越轻，输送阻力越小，在相同孔深情况下，输送速度越快。
其公式表达式为：
| (4) |
式中：V——流速，m/s；Q——流量，
一般情况下，在同一钻孔口径里，输送时间与孔深成正相关，钻孔深度L值越大，所需的时间T越长，反之，则所需的时间越少。从
一开孔深48 m前、涌水量小的情况下使用泥浆钻进。二开后，经现场测试，在下入隔水套管的情况下，钻孔涌水量长期保持在30~60
为了孔内润滑和携带岩粉，曾尝试添加植物胶和聚丙烯酰胺，但下放内管和打捞器非常慢，植物胶和聚丙烯酰胺容易堵在钻具内、外管的间隙和卡簧座与钻头内唇面台阶的位置，导致泵压急速增高，对泥浆泵损害大，同时大幅度降低了钻具和打捞器的投放速度，施工效率明显下降。
地层压力是指地层孔隙中流体的压力，水平钻孔中所遇到的地层流体一般都是水，地层压力实际上是地层水的压
该孔的地层是变质岩，岩性比较致密，因多次构造运动，钻遇多条断层和多处节理发育的破碎带，静止涌水量大，经孔口测试，涌水压力达到1.5 MPa。
钻进时的涌水量与停钻时的涌水量相差较大，钻进时由于泵压循环，出现孔内有部分漏失现象，涌水量变小；一旦处于停泵状态，涌水量立即变大。
在施工中，尽量采用较大的泵压，以便加快投放速度，减少投放时间，但是一定要控制作用在环空的各种压力使其等于或稍大于地层压力，小于压漏压
（1）钻进各项技术指标满足设计要求，钻孔质量好。
（2）完成1212 m水平绳索取心钻孔施工任务，终孔口径为NQ。钻孔方位偏移率为0.42°/100 m，孔斜率为0.75°/100 m，岩心采取率97%，机械钻速3.09 m/h，台月效率350 m；创造了国内涌水水平孔绳索取心钻进PQ深度588 m、HQ深度974 m的新纪录。
（3）克服了严重涌水（最大180
（4）开展了水平随钻定向仪器输送固定技术工具的研发。设计定向仪器输送固定机构，在原有钻具总成保持原样不变的情况下，实现有缆随钻定向仪的顺利投放和弹卡定位。
（1）水路压力密封问题：涌水水平孔钻进效率低的原因是钻进辅助工作时间多，打捞岩心和投放钻具占总钻进时间比例很大，缩短辅助时间是提高钻进效率的关键措施，特别是对整个水路的密封还需要进一步研究。
（2）内管到位报信敏感性问题：随着孔深的增加，输送阻力越来越大，泥浆泵压力表的数值一直处于较大的范围，即使内管已经被投放到位，压力表读数也没有明显的变化，钻具是否真正到位无法确定，因此，需要优化设计一个敏感性高的到位报信机构。
（3）岩粉排除和憋泵堵塞问题：由于大量涌水，不能使用泥浆作为冲洗液，造成岩粉排除困难，大量岩粉沉淀在钻孔的下半圆，对钻杆磨损严重，沉淀的岩粉容易使钻孔上翘，造成钻孔偏斜。随着岩粉沉降量的不断增加，在松散复杂地层中，还会形成“抱管”状
（4）解决抽吸问题：在提升内管过程中，当达到一定的提升速度时，内管尾部钻杆内产生负压，致使提升阻力加大，甚至拉断钢丝绳，或中途一旦绳索绞车停止工作，在抽吸压力作用下，内管反而会向孔底运动。因此，合理设计钻头出刃，保证钻杆与孔壁的间隙，减少负压产
围绕国家重大工程建设，开展绿色、高效、先进钻探技术集成研究与应用，优化配套设备和工艺，采取“技术创新支撑+工程示范实施”相结合方式，在高山峡谷地区，通过超深涌水水平孔的实施，查明地质资料，为国家重大工程建设提供了技术支撑。
超深涌水水平孔绳索取心钻进，选择钻机、泥浆泵尤为重要，钻机的扭矩和起拔力要比垂直孔大，钻机能力满足超深水平孔钻进要求；泥浆泵除了正常钻进提供冲洗液、抵抗涌水压力以外，还要承担投放钻具、打捞器、测斜仪、定向钻具等任务，因此选择大功率、大泵量的泥浆泵是涌水超深水平孔钻进成功的关键。
输送器同心度高，密封性能好，送绳灵活安全可靠。
孔口分流器和套管隔水装置成功地解决了地层涌水和孔内钻进用冲洗液分流问题，减少了环境污染，工人操作环境干净舒适。
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