3000m超深定向钻探技能在川藏铁路勘测中的运用

  川藏铁路雅安至林芝段新建正线座（不含雅安站、林芝站），散布地道72座长约838 km，占线%，线路通过的地上最大高程约5200 m，地道最大埋深超越2000 m，最大长度达46.25 km；桥梁87座长约114 km，占线 km，占线%。

  受激烈的新结构运动影响，高地应力大变形及岩爆、活动开裂及高烈度地震、高地温及高温热水等地道工程地质问题极为杰出，超长深埋极杂乱地道勘测是全线工程勘测的要点和难点，而地质钻探又是限制川藏铁路地质勘测的瓶颈。深孔勘探选用超深定向钻探技能可以战胜地形困难，补偿陡倾岩层竖向钻探技能的缺陷，可以直接模仿地道施工阶段洞身前沿地道地质状况，改动曩昔笔直“点”勘测为“线”勘测，进步勘测功率，为地道勘测规划施工提出合理主张。

  钻机有必要具有满意的动力，以处理在钻进断层、脆弱夹层、破碎带、节理发育层或许呈现的垮孔、卡钻和抱钻等孔内事端。

  钻具、仪器等应可以在钻杆内被水力运送。基本原理是：输入高压泥浆，因为密封部件的作用，泥浆无法与井下泥浆液连通，则在泥浆泵的作用下，被运送的钻具的上端构成高压腔，下端相对是个低压腔，构成必定的压差，在压力的作用下运送固定组织被送到孔底。

  为避免钻孔偏斜，首要选用以下技能：1）固定钻机，把好开孔关。2）加长粗径钻具，以刚保直。3）减小环空空隙，以满保直。4）换径导向钻具防斜。5）适宜的钻进参数。6）选用大直径钻杆防斜，钻杆直径越大，刚性好，防斜作用越好。7）取心钻头选用高胎体、胎体硬度低的钻头。8）有必要确保孔内钻具的刚度和笔直度，不得将曲折的钻具下入孔内。9）在500 m 以上的方位，每50 m 测斜一次，并将成果记录在班报表上。

  为处理涌水问题，首要选用以下技能：1）水泥固井工艺。2）套管封隔工艺。3）优化钻头尺度，减小钻杆与孔壁间的环空空隙，坚持孔壁相对安稳。4）依据钻头与地层适应性剖析，优选金刚石钻头。5）优选高压泵，平衡孔内涌水压力。6）孔口别离导流。

  依据高原高寒高山峡谷区域铁路的地形地貌、地质结构、地层岩性产状，查明地道洞身状况和地质勘测意图，展开超长水平定向钻探、斜向定向钻探和仰斜定向钻探3种勘探形式研讨，构建高山峡谷区域地道勘测规划特别地质因子，获取地质新模型。

  针对铁路地道洞口山坡峻峭，钻机难以搬迁到山顶；或接近环境敏感区，不允许进入钻探施工，且洞口地质结构杂乱，岩层产状陡倾的状况，为查明洞口杂乱地质结构状况，可选用超深水平定向钻探。

  当地道埋深较深，山高坡陡，钻机无法抵达地道顶部，竖向钻探难以施行，或洞身地质结构杂乱，岩层产状陡倾，为查明洞身杂乱地质结构状况，可在半山腰上开挖渠道，选用下斜向定向钻探，戳穿地道洞身地质结构。

  当地道洞口地形峻峭，钻机无法抵达地道洞口；洞口地质结构杂乱，岩层较陡，产状反倾时，可选用上仰斜定向钻探，揭穿地道洞身状况。

  2019年1月17日，川藏铁路第1 个全孔取心水平孔在康定2 号地道完结，终孔深度230.21 m；

  2019年6月12日，郭达山地道进口水平孔获得打破，全孔取心钻进深度到达637.65 m，终孔直径75 mm；

  2020 年1月4日，迎金山一号地道全孔取心水平孔又获得新的打破，深度到达903.28 m，终孔直径75 mm；

  2020 年8月25日，我国铁路史上第1 个全孔取心上仰孔在宝灵山地道诞生，孔深335.7m；

  2020年8月27日，在格聂山地道进口诞生全孔取心水平孔深度新纪录，到达1616.8 m，终孔直径75 mm，月进尺高达735 m；

  2020年12月1日，在卡子拉山一号地道完结水平孔达1212m，终孔直径75 mm，月进尺350 m；

  2021年4月28日，选用超长绳讨取心定向钻探技能与工艺，在川藏铁路孜拉山地道出口TBM 施工段完结了我国铁路史上最深的全孔取心水平孔的钻探，孔深到达1888.88 m，终孔直径78 mm，月进尺约120 m。

  (1)近水平开孔，且长距离水平钻井，树立钻井液循环时对钻井设备和固控设备有特别要求，需求对相关设备进行恰当改装。

  (2)作业区地层破碎，涌水严峻，全井段水平井，不能靠钻井液密度平衡地层压力，钻井护壁难度大，有井内掉块、崩塌的危险。

  (3)全井段水平井，不能靠井底加剧钻具施加钻压，且井内钻具与井壁摩阻大，钻机施加的钻压很难传递到钻头上，特别是运用牙轮钻头，没有满意的钻压会严峻影响钻进功率。

  (5)花岗岩研磨性强，可钻性差，机械钻速低，直井惯例钻进时效1.0～1.5 m／h，水平井功率更低，钻井周期将大幅度添加，进步工程本钱。

  (1)川藏铁路施工环境杂乱，3000 m级的钻机设备体积、自严重，应选用模块化规划，满意运送要求，一起还应易于现场拼装。

  (2)考虑高原区域氧气淡薄，设备动力应足够，钻机动力头转速、扭矩、进步力、给进力等要满意高原区域3000 m级水平定向取心及全面钻进需求。

  (3)钻机设备应具有高效施工才能，结合施工实践，针对不同的工况完结顶进(进步)才能与速度的最优功率匹配，即完结非作业状态下的高速进步或高速顶进，然后大大削减起下钻时问。一起规划行程满意运用长钻杆要求，节约上、卸扣频次，进步钻进功率。

  (4)具有较高的机械化、自动化水平，易于操作和修理，在川藏铁路恶劣的自然环境条件下能下降工人劳动强度，节约人工本钱。

  (5)应具有较强的事端处理才能，具有全地层钻进才能，且满意水平下套管等作业要求。

  依据上述要求，拟选用我所针对川藏铁路长距离水平井研发的大功率水平定向钻机作为此项意图工程施工设备，如图所示。

  该设备才能强壮，钻机顶进、进步功用选用马达一减速机驱动齿轮／齿条结构；钻机动力头反转功用选用马达一减速机驱动反转齿轮箱结构。功能参数详见表1。施工中也可挑选相似或更优功能的其它钻机。

  依据工区地层特色、地层压力状况及钻井工艺技能状况，依据有利于安全、优质、高效钻井和取准、取全地质材料的准则进行井身结构规划。本井选用二开完井井身结构，如下图，孔口管下至基岩以下5m，一开D215.9 mm，封割首要破碎带，二开D 1 5 2.4 mm钻至完井井深。若D1 5 2.4 mm井段钻遇涌水、强破碎等杂乱地层，则运用胀大套管封割等技能处理。

  (2)一开D215.9 mm的钻头钻至1800 m(钻穿杂乱井段)规划井深，并按勘测要求取心。

  计划1：D215.9 mm牙轮钻头全面钻进90 m，提钻更交换心钻具，取心钻进10 m，顺次循环，完结本开次钻井作业。

  计划2：D215.9 mm牙轮钻头全面钻进(软地层)，钻遇坚固地层，换长钻程取心钻具取心钻进，获取更多岩心材料的一起，进步机械钻速。下D177．8 mm×9.19 mm直连套管，封割主破碎带。

  (3)二开D152.4 mm的钻头钻至规划井深3000 m完井，并按勘测要求取心。

  计划1：D152.4mm牙轮钻头全面钻进90 m，提钻更交换心钻具，取心钻进10 m，顺次循环，完结本开次钻井作业。

  计划2：D152.4 mm牙轮钻头全面钻进(软地层)，钻遇坚固地层，换长钻程取心钻具取心钻进，获取更多岩心材料的一起，进步机械钻速。

  (4)二开D152．4 mm井段钻遇杂乱地层，用胀大套管技能或旋喷技能处理，直至完井。

  目前为到达地质勘测的意图，关于取心而言有2种办法：全孔取心和连续取心。全孔取心最能直接反映地质状况，所获取的地质信息最全。但在本工程中采纳连续取心和岩屑录井相结合的办法也能满意工程需求，规划取心问距为100 m，也可依据项目要求及物探的反常进行加密及加大距离。

  工程以全面钻进为主，并依据施工中的详细状况来决议采纳详细取心距离。全面钻进以井底动力(螺杆钻具)驱动牙轮钻头复合钻进为主。钻遇极坚固地层时选用“涡轮钻具驱动金刚石钻头”复合钻进，运用涡轮钻具的高转速特性进行高效碎岩；或选用“螺杆钻具+液动锤”二合一复合钻进，添加冲击载荷，进步碎岩功率。取心钻进以大直径长钻程取心为主，一般地层选用“螺杆钻具+顶驱”复合驱动取心钻具，极坚固地层选用“涡轮钻具+顶驱”复合驱动取心钻具。取心钻具岩心包容量应尽或许长。

  硬岩钻进中，“井段动力+顶驱(或转盘)”复合钻进是被证明了的有用的碎岩方法。在青海共和干热岩钻井中，花岗岩地层，螺杆钻具+转盘驱动牙轮钻头可获得3 m／h以上的机械钻速，复合钻进井底动力东西挑选小视点单弯螺杆。单弯螺杆为动力的复合钻进，是有用的防斜打直工艺办法，一起配套定向仪器运用，可随时纠斜，有用操控井眼轨道。弯螺杆复合钻进可获得较大的井眼扩大率，有用下降因缩径形成的摩阻增大、卡钻等危险。钻具组合如下，详细可依据现场运用状况进行调整。

  大直径长钻程取心技能是在松科二井老练运用的一种高效提钻取心方法，配以适宜的取心钻头和井底动力东西可以获得较抱负的钻进功率。本工程连续该技能思路，选用长钻程取心技能完结取心作业，钻具结构如图所示。