水平定向钻探与综合测试技术研究及应用

西部重大工程建设勘查面临“地形险峻、陡倾构造、生态脆弱”等恶劣的环境条件,采用竖向钻探无法实施,采集的地质信息不全,水平定向钻探和综合测试技术是解决重大工程长大深埋隧道勘察难题的关键技术。但超长水平绳索取心钻进存在陡倾构造地层多变轨迹控制难、高寒缺氧地层破碎钻机动力不足及生态环境保护要求高等问题。本文介绍了系列化水平定向取心钻探装备、多参数全方位无缆测井系统和水平绳索随钻轨迹控制等技术装备的研发进展,以及成功在川藏铁路及引大济岷工程中的应用,在西部高原地区起到示范与推广作用。     

水平钻孔技术在川藏铁路勘察中的应用

川藏铁路布设有多条长大埋深隧道,更有长达42km,埋深在2000m以上,这些长大埋深隧道除进、出口外,大部分海拔都在4000m以上,最高海拔超过5000m。若要查明隧道的工程地质条件,就需要在隧道顶部布设众多深度超过2000m的工程勘探垂直孔,实施难度极大。为适应可施钻场地匮乏、道路不通、海拔高、地形陡等极困难的施工环境。为了适应沿线地质复杂、自然环境恶劣和满足地质技术要求,引进使用千米级水平孔工程地质钻探技术,进行高原复杂山区交通工程勘察。为查明地下工程地质条件、保证勘察设计工作的顺利进行提供了保障。此次川藏铁路水平钻孔钻探技术的实施,将推动工程地质勘探技术的突破和提升,奠定基础设施建设的坚实基础。     

水平定向勘察技术在长大隧道勘察中的应用现状与展望

西南高山峡谷区是我国重大铁路交通工程规划建设的重点区域,如川藏铁路建设等,深埋、长大隧道数量多,常规垂直孔勘察方法无法满足精细化地质勘察的需求。采用水平定向勘察技术沿隧道设计轴线施工水平定向孔为隧道勘察提供了一种有效的手段。水平定向勘察技术的核心包括钻进技术、取心技术、钻孔轨迹控制技术、随钻测量/随钻测井技术、综合测井技术等。结合国内外水平定向勘察技术的发展应用现状,分析了目前存在的问题,提出了开展单次钻探长度超3000 m的水平定向多工艺钻进关键技术与装备攻关,构建安全、高效、经济合理的水平定向勘察技术体系的建议。     

川藏铁路勘察超长水平孔绳索取心钻探技术

新建川藏铁路途经川西高原地区,区内地势险峻、生态脆弱、道路交通条件差,开展工程勘察钻探的难度很大。其中涉及到大量特长深埋隧道的勘察。水平取心钻探是隧道勘察的重要手段之一。针对工区条件,EP600Plus型便携式钻机原设计无法施工水平孔、水平孔钻进阻力大、大量高压涌水制约取心效率等问题,通过改造升级和加工创新等多种方法灵活运用,配套辅助设备并首创架管便桥便道等环保措施,采用绳索取心钻探技术,完成最深903.28 m的水平取心钻孔。探索建立的整套技术方案现已逐渐应用成熟,其主要成果可为同类型工程项目提供参考。     

超长水平孔绳索取心定向纠斜钻进及测井技术研究示范

在千米级绳索取心水平孔钻进中,开展水平孔定向纠斜及测井技术研究示范,创新形成超深水平定向钻孔绳索取心纠斜工艺技术,实现了千米级深孔的钻孔轨迹精准控制;采用钻杆内水力投送物探测试设备和钻孔电视设备的工艺,有效解决了超长水平钻孔投送难、测试难、提出难三大难题,形成了小口径超长水平钻孔综合测井技术体系;成功完成孔深925 m的水平定向钻探孔钻进任务,精准进入地质目标靶区,实现了勘察目的。     

川藏铁路勘察工程的孔内试验及钻孔质量控制方案--以DZ-S-04-1号钻孔为例

川藏铁路是铁路工程史上最具挑战性的工程。沿途地质条件非常复杂,内外动力地质灾害极其发育。针对可能发生的岩爆、涌水和岩体放射性等工程危害,川藏铁路勘察工程需进行大量的孔内试验,包括地应力测试、水文试验、地温测试和综合测井等。本文以DZ-S-04-1号钻孔为例,详细介绍了川藏铁路勘察孔进行的孔内试验项目和钻孔质量控制方案。通过精心的设计和施工,DZ-S-04-1号钻孔已顺利完工,各项孔内试验圆满完成,为后续的工程建设提供了宝贵的数据基础。     

铁路隧道水热害不良地质体大地电磁场特征研究--以川藏铁路茶洛隧道为例

以川藏铁路茶洛隧道水热不良地质体大地电磁场特征为研究对象,利用大地电磁测深多测点-多频点阻抗张量成像分析,分解出电性主轴统计玫瑰图、频率分布云图、测点分布云图及构造维性参数等进行大地线性构造识别,利用精细二维反演技术推测地质结构特征,对不良地质体进行成像,为川藏铁路隧道选线提供地球物理参考。得出结论为:拟建隧道处大地构造二维性强,适宜开展二维大地电磁测深作为隧道水热勘察手段;通过查明研究区构造特征,推测出了研究区热泉群深部地热运移模式机理,且该热害影响茶洛隧道建设的可能性很小,只有在杂马岗-毛垭坝断裂与隧道位置交汇处存在一定规模的水害影响。     

孜拉山1888 m无垂深超长水平孔钻进关键技术

西藏昌都孜拉山隧道勘察水平孔设计深度1500 m,实际完钻深度1888.88 m。钻进过程中强风化破碎带地层孔壁易坍塌,硬岩地层超长水平孔钻孔轨迹控制难度大,绳索取心岩心管和打捞器推送困难,提下钻阻力大、回转扭矩大、钻具磨损严重,局部地层涌水、冲洗液漏失频发,严重影响成孔质量、施工效率和施工成本。分析了无垂深水平孔钻进过程中破碎地层孔壁失稳、钻孔轨迹偏移、钻进扭矩大、钻具磨损严重等问题产生的原因,给出了实钻过程中的解决方案和处理措施,顺利完成钻孔施工任务,积累了无垂深水平孔绳索取心钻进复杂问题处理措施和经验。     

超深涌水水平孔绳索取心钻具投送和打捞技术

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。     

轨道交通工程长水平勘察孔施工技术

该文介绍了通过中小型水平定向钻钻探工艺,解决了徐州轨道交通徐州站无法施工垂直钻探孔的工程勘察难题。水平定向钻重点解决了长距离水平钻孔施工、孔壁维护、岩性判别等难题;通过水平井内测井技术很好地解译了孔内1.0m环空内的地层情况、岩溶发育情况等,达到了工程地质勘察的目的。该文对类似工程具有一定的借鉴意义。     

狮子洋主航道特大水垂比大位移科学钻孔施工实践

粤港澳大湾区狮子洋主航道地质勘察无法采用垂直点状钻探勘察施工,为此采用水平孔勘察方案,设计了一个特大水垂比大位移科学钻孔。该孔设计孔深940 m,取心靶点14个,靶区半径5.0 m,水平段长380 m,垂深60 m,水垂比14,是国内单孔作业靶点最多、水垂比最大的钻孔之一。研究制定了一套多靶点定向钻进、水平螺杆马达原状性取心、地质录井和存储式钻杆输送测井的综合勘察技术,在水利水电勘察中首次应用,取得了良好的效果。该孔完钻孔深936.20 m,中靶率85.71%,其中,取心进尺81.70 m,机械钻速2.38 m/h,岩心采取率89.84%,精准实现了洋底主航道的地质超前预报,大幅度减少了勘察孔数量,降低了环境破坏,提高了勘察效率,保证了地质资料的连续性和可靠性,是一项值得在隧道勘察中推广使用的先进技术。     

煤矿井下梳状定向孔钻进技术研究与实践

针对现有松软煤层瓦斯抽采孔成孔性差、抽采距离短、抽采区域小等难题,采用梳状定向孔方法在松软煤层顶底板岩层施工长距离梳状钻孔,实现对松软煤层瓦斯远距离与区域抽采。根据梳状孔在松软煤层施工特点,合理选择梳状孔布孔形式,分析出在松软煤层顶底板岩层中施工梳状定向孔面临开分支、降低钻具摩擦阻力等技术难点。现场试验表明：采用控时连续滑钻实现梳状孔在岩层开分支,通过优化钻孔设计与高精度控制钻孔轨迹可有效降低钻具摩擦阻力,提高梳状孔施工安全性,可满足最大孔深大于500 m和岩层开分支施工要求。     

煤层采动卸压瓦斯抽采顶板裂隙带定向#br# 长钻孔施工技术#br#

贵州某矿存在煤层采动卸压瓦斯抽采与上隅角瓦斯超限的难题，施工常规顶板裂隙钻孔进行瓦斯抽采时，由于顶板岩层裂隙发育多，地质条件复杂，导致钻孔深度浅、成孔率低、钻孔有效段无法准确控制在稳定岩层和裂隙带层位，严重制约影响钻孔施工质量及瓦斯抽采效果。为有效保证钻孔成孔率，提高钻孔有效段长度，准确控制钻孔轨迹，采用近水平定向钻孔施工技术，施工顶板裂隙带定向长钻孔，实现“以孔代巷”，总结出一套适合某矿高位定向钻孔成孔工艺方法和布孔参数。应用结果表明，利用定向钻进技术，钻孔单孔瓦斯抽采浓度达60%，瓦期抽采纯量为1.1 m3/min以上，效果显著，具有很好的推广应用价值。     

薄煤层井下定向钻进技术试验研究

基于朱家店煤矿4号煤煤层薄、小构造较发育的现状,为了解0402工作面进风巷顶板的含水情况,根据朱家店煤矿超前探放水钻孔施工要求,沿掘进方向利用中煤科工集团西安研究院研制生产的ZDY6000LD钻机和配套钻具及井下随钻测量系统,通过钻孔主孔和分支孔的方式进行井下定向钻进试验,试验结果表明:薄煤层井下定向钻进技术上可行,ZDY6000LD定向钻机在该矿岩层中能很好的施工600 m以内定向钻孔,为大直径长钻孔区域瓦斯抽采钻孔的施工奠定试验基础。     

综合勘探方法在哈阿克萨依二号隧道进口勘察中的应用

文章陈述了新建哈密至将军庙铁路阿克萨依二号隧道进口勘察过程中采用的的综合勘探方法。通过地质调查,综合物探、深孔钻探、物理测井等方法相结合,对隧道进口进行地质勘察。论证了综合勘探方法不仅能取得较为理想的应用成果,为隧道地质评价提供有力的依据,而且能缩短工期降低勘探成本。     

复杂山区水平绳索取心定向钻进聚合醇绿色防塌冲洗液研究

在西部艰险山区相关隧道及地下工程的勘察施工中,与传统垂直孔相比,水平定向绳索取心钻进勘察效率更高。在地质条件复杂、生态环境脆弱区,钻进过程中易出现塌孔、漏失等问题,要求所用冲洗液在保证流变性能的同时需具备抑制性强、无毒无害、绿色环保等特点。针对绳索取心水平定向钻进冲洗液性能问题,选择环保易降解、抑制性强的聚合物多元醇为主要研究对象,选择环保纤维素及纳米SiO₂,以提升其自身流变性能。所研制的聚合醇防塌冲洗液体系：2%PVA+0.5‰甲基纤维素MC-9+0.5‰纤维素羟烷基醚LE-5+0.1%SiO₂+0.3‰淀粉类降滤失剂DD-1+0.2%有机硅消泡剂DS-957+0.8%KCl,由环保型材料构成,流变性能良好,防塌抑制能力也可达到定向取心钻进工程要求,为解决水平绳索取心定向钻进中的冲洗液工艺技术难题提供了新思路,对类似工程具有借鉴意义与参考价值。     

陡倾结构金属矿山岩层移动和地表变形的离散元模拟研究

以金山店铁矿东区为例,采用离散元软件UDEC,结合地表监测成果,从岩体破坏、岩层移动、地表变形3个方面开展陡倾地质结构下金属矿山岩层移动和地表变形机理研究。研究结果表明：随着采矿的推进,回采区顶部垮塌和张拉破坏贯通区范围不断扩大,岩体塑性变形破坏逐步加剧;地表沉降位移和水平位移随着各分段向下开挖而不断增加,在-680 m开采水平下,地表沉降位移最大值约72.6 m,水平位移最大值约29.9 m;由于陡倾结构面的存在,上盘的变形破坏范围明显大于下盘,上盘岩层移动表现出倾倒特征,下盘岩层移动表现出剪切-滑移特征;在采矿初期,移动角和陷落角较大,随着采矿的进行,角度不断减小,开采至-382 m水平后趋于稳定;实测地表变形特征和变化趋势与数值模拟结果基本相符。研究结果可为其他具有陡倾结构的金属矿山开采提供借鉴。     

用于工程勘察的水平定向钻探技术探讨

在工程勘察中采用水平定向钻探技术,可以高效地解决一些垂直钻孔无法解决的问题。论文概述了水平定向钻探技术在非开挖铺设管线、油气钻井、地质勘探等领域的技术现状,认为在工程勘察领域的应用前景广阔。分析了应用水平定向钻探进行工程勘察在适用能力、勘察速度、勘察精度等方面具有的优势,提出水平定向钻探适用于深埋隧道等水平线状工程、既有建筑加固工程、考古发掘探测等领域的勘察。最后对应用于工程勘察的水平定向钻探技术需要研发的重点方向提出了建议,包括超长孔钻进技术、轨迹控制技术、连续取心技术、综合测试技术等。     

复杂岩层高位定向长钻孔成孔技术应用研究

为解决高位定向长钻孔大深度、大摩阻、岩层复杂、排渣难等钻进难题,通过定向钻进装备优选、泥浆脉冲随钻测量系统应用、高韧性螺旋钻杆提高钻杆柱强度和有效排渣、定向钻进轨迹设计和控制技术优化、以及复合定向钻进工艺降摩阻等方法,有效提高高位定向长钻孔的钻孔深度,增强了高位定向长钻孔成孔技术的钻具适配性和地层适应性。该技术应用在桃园矿Ⅱ8221高位定向长钻孔施工中,成功实现最大956m的高位钻孔深度记录,后期钻孔瓦斯抽采浓度高、纯量大,有效解决了回采工作面的瓦斯问题,取得了良好的效果,为高位定向长钻孔成孔技术应用研究提供了宝贵经验。     

长大铁路隧道施工中瓦斯安全处置技术

长乐隧道是洛湛铁路上一座长大隧道,长6300m,断面面积56m2,岩层主要为脆性变质石英砂岩及板岩,石英砂岩层理比较发育．局部地段瓦斯的富存严重影响其施工安全和工程进度,通过对隧道石英砂岩层板岩气样成分及浓度及岩样成分及浓度进行分析研究,制定瓦斯超前预报和监测计划,有针对性的提出水封爆破、洒水除尘和防爆设备、地质超前钻孔卸压,改善通风措施和改善衬砌结构气密性等有益的瓦斯处置措施,通过监测成果分析,获得了掌子面瓦斯浓度变化曲线和地质超前钻孔瓦斯浓度变化曲线,进一步验证了所采用的瓦斯安全处置措施和通风方案的合理性．