张建杰，刘春生，彭有如，贾长城

（北京市地质工程设计研究院，北京 101500）

地应力钻孔内监测仪器打捞技术

张建杰，刘春生，彭有如，贾长城

（北京市地质工程设计研究院，北京 101500）

地应力监测台站在运行过程中，监测仪器一旦出现故障，需要将已损坏的仪器取出，更换新的监测仪器，以保证台站的正常工作。在北京某地区地应力监测台站仪器打捞中，首先进行了钻机复位安装，然后根据监测仪器特点选用了公锥作为打捞工具，并结合打捞过程中遇到的实际问题，将打捞工具进行技术处理，最终成功将监测仪器打捞出，证明该打捞方法是完全可行的。本文以该打捞技术实践为例，详细介绍了仪器的打捞过程和技术方法，为今后类似问题的解决提供了值得借鉴的经验。

地应力；钻孔；仪器；打捞

0 引言

自20世纪60年代至今，世界地应力研究工作不断取得进步和发展，我国地应力研究工作也取得很大进展（刘光勋，2006；黄相宁，2006）。地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等具有重要意义。近几年，我单位配合中国地质科学院地质力学研究所在北京地区施工了若干地应力测量与实时监测钻孔，目的是构建北京地区地应力实时监测网，填补北京地区深孔地应力测量与实时监测的空白，揭示北京地区现今地应力环境，为北京地区活动断裂评价以及首都重大工程规划、城市安全建设、深部矿山安全开采等，提供地质依据。

1 工程概况

我单位受甲方委托，承担了北京某地区地应力测量与监测钻孔钻探工程施工任务，负责钻孔取心、扩孔、配合甲方进行地应力测量与监测仪器安装工作。该地应力钻孔穿过地层主要由两大部分组成：上部为第四系，主要为回填土、坡积砂土、碎石及块石，厚度17m，属较软—稍硬岩石，岩石可钻性级别为Ⅰ—Ⅴ级；下部为三叠系、二叠系砂岩和石炭系砂岩、页岩及煤系地层，属稍硬—硬岩石，岩石可钻性级别为Ⅳ—Ⅵ级。地层较完整，但易出现钻孔超径现象，局部构造节理发育，破碎严重，坍塌掉块时有发生，并伴有泥浆严重漏失现象（北京市地质工程设计研究院，2011）。项目历时135日历天，最终成孔深度800.23m，至设计孔深后，配合甲方完成了扩孔及地应力测量与监测仪器安装工作，并完成了监测台站建设工作，监测仪器开始正常运行。

2 事故简述

地应力实时监测采用传统的稳定性相对较好的压磁应力监测方法，所使用的仪器为压磁应力传感器（谭成轩等，2014）。地应力监测仪器在正常运行时，能够实时获取地应力相对变化连续监测数据，为地震地质分析提供科学依据。但是，该监测台站仪器运行半年后出现了故障，无法正常传输地应力监测数据，需要将该监测仪器从钻孔中取出，重新安装新的地应力监测仪器。如果监测仪器不能够成功取出，或者在取出仪器的过程中破坏了孔壁，将导致该地应力监测台站报废，造成巨大的经济损失，这就要求我们运用科学合理的方法将仪器打捞上来。处理这样的事故对我们来说尚属首次，且场地狭窄，故打捞工作面临不小的问题和挑战。

3 事故处理

在地应力监测仪器安装完成之后，已经将所有的钻探设备撤离，所以在打捞监测仪器之前，有必要制定详细的打捞方案。首先要解决的问题是将钻机安装到原来的位置，并且保证现安装位置与之前位置基本一致，然后再用公丝锥打捞监测仪器。

3.1 钻机复位安装

钻机安装是在原孔位进行二次安装，使用钻机型号为XY-4型，安装时应检查底座的水平度及钻机立轴的垂直度，钻机安装要水平、周整，底座固定牢固，确保钻机在打捞过程中不发生倾斜、移位（国家安全生产监督管理总局，2005）。除了满足以上的技术要求外，最重要的是要保证钻孔孔口中心、钻机立轴中心、天车必须在一条铅垂线上，立轴不旷动，立轴顶角误差不得超过0°20′，以保证下钻时钻具在钻孔的中心位置（中华人民共和国国土资源部，2010）。另外，本次任务主要是打捞和重新安装监测仪器，所以结合场地条件使用自制三脚木塔（9m）完全可以满足仪器打捞需求。

3.2 打捞监测仪器

地应力监测仪器为一长约400mm，直径约90mm的圆柱体，可以分为上、下两部分，分别为数字遥测仪和应力测量传感器（图1）。仪器的正上方中心位置有一个直径16mm、深度20mm的圆孔，我们决定用公丝锥下入孔内对监测仪器进行打捞，钻具组合为：φ42mm钻杆+变丝接手+公丝锥，并根据仪器上方圆孔孔径及深度将唐山市金石超硬材料有限公司生产的1#公丝锥（直径为φ9～27mm）进行了截断处理，处理后公丝锥直径为φ15～27mm，使得公丝锥完全吃扣后距仪器上方圆孔孔底留有一定的空隙。

打捞前依据监测仪器在钻孔内的深度，连接好钻杆和公丝锥后，利用钻机升降机逐渐增加钻杆下入打捞工具。待公丝锥距监测仪器上方圆孔孔口约0.5m时，用钻机液压操纵阀控制升降油缸缓慢下放打捞工具，当公丝锥下放到预计深度接触到仪器表面时，松开液压卡盘，适当放松提引器并开始人工回转钻杆，无需送水，感觉回转有些吃劲时，表明公丝锥已进入仪器上方圆孔内。此时，停止回转并在钻孔孔口钻杆上做好标记，稍微拉紧钻杆后，随着人工回转钻杆用升降机缓慢送入钻杆以适当施加压力，公丝锥随之开始转动与仪器上方圆孔吃扣，通过回转钻杆时对手的震动判断公丝锥是否被扣紧（胡郁乐等，2010；王年友等，2011）。根据钻孔孔口钻杆上做的标记判断公丝锥吃扣5～10mm后，提出钻具，应该能够打捞出仪器（图1）。

图1 公丝锥打捞监测仪器示意图Fig.1 Diagram of male tap fi shes the monitoring instrument

图2 公丝锥打捞传感器部分示意图Fig.2 Diagram of male tap fi shes the sensor

通过以上方法，监测仪器被打捞出。但在仪器被打捞出钻孔后，发现只打捞出遥测仪部分，打捞过程中仪器出现了分离，传感器部分还留在钻孔内，需要再次打捞，而传感器上方的孔不在中心位置（图2），给打捞工作增加了难度。经过几次打捞，都未能成功。因此，我们根据传感器上方孔口所在的位置，计算好钻杆应弯曲的角度，对打捞钻杆进行了弯曲处理，保证打捞工具下入钻孔后，在回转给压的过程中，公丝锥（直径为φ9～27mm）能够进入传感器上方孔内，将传感器打捞上来。

经过以上技术处理，并根据传感器在钻孔内位置的深度，再次连接好钻杆和公丝锥后，仍利用钻机升降机逐渐增加钻杆下入打捞工具。公丝锥距传感器上方孔口约0.5m时，用钻机液压操纵阀控制升降油缸缓慢下放打捞工具，在公丝锥下放到预计深度接触到传感器时松开卡盘，适当放松提引器并开始人工回转钻杆，要缓慢送入，无需送水。

判断公丝锥是否打捞住传感器部分，可以根据钻杆回转情况判定，一旦出现回转阻力增大，有轻微卡顿感觉，证明公丝锥已经进入传感器上方孔内。这时仍需在钻孔孔口钻杆上做好标记，稍微拉紧钻杆后，随着人工回转钻杆用升降机缓慢送入钻杆以适当施加压力，使公丝锥开始吃扣进一步伸入传感器上方孔内，仍然根据回转钻杆时对手的震动判断公丝锥是否被扣紧（胡郁乐等，2010；王年友等，2011）。利用钻孔孔口钻杆上的标记确认公丝锥吃扣5～10mm后，将钻具提出地表，结果仪器传感器部分被成功打捞出，至此监测仪器被完全打捞出。

3.3 新监测仪器安装

准确计算压磁地应力监测仪器安装深度所需钻杆的数量和机上余尺，并对钻杆进行准确丈量、编号和记录。将调试好的压磁地应力监测仪器与钻杆连接到一起，并利用钻杆将其送至仪器安放孔内。在下放压磁地应力监测仪器过程中，所有操作人员必须精力集中，保持仪器平稳下降，当压磁地应力监测仪器接近仪器安放深度时应连接上机上钻杆，使用钻机液压操纵阀控制升降油缸将仪器缓慢送入，精确测量机上余尺，保证仪器送入的位置准确。待测试人员认为将仪器完全脱离后，按照测试人员指令，用钻机液压操纵阀控制升降油缸缓慢提动钻杆，在测试人员确认仪器完全脱离后，再用升降机将钻杆提出。测试人员再次确认压磁地应力监测仪器工作状态是否正常，如其不能正常工作，则根据测试人员要求，决定是否下钻杆捞出仪器重新安装，直至合格为止。

4 结论

地应力测量与监测对地质构造研究、地震预报和矿山、水利、国防等工程中有关问题的解决具有理论和实际意义，近些年国内先后建立了许多地应力监测台站，已经初步形成体系，这将为以后的地震预报和城市建设提供重要的依据。而随着台站长时间的运行，监测仪器在若干年后可能出现老化或损坏，需要更换新的仪器，仪器打捞就成为经常要面临的问题。通过本次打捞技术实践，为以后其他监测台站仪器打捞工作提供了宝贵经验。但由于监测仪器上方可供插入的孔较少，影响了打捞的效率，因此针对该类仪器应设计专门的打捞工具，并建议仪器设计部门应考虑仪器在孔内安装及打捞时的实际情况，设计专门的接头和丝扣以便仪器安装和打捞。

北京市地质工程设计研究院，2011. 北京西郊地应力测量与监测钻探施工竣工报告[R].

国家安全生产监督管理总局，2005. 地质勘探安全规程（AQ2004－2005）[S].

黄相宁，2006. 李四光论地震地质与他的中长期地震预测[J].地壳构造与地壳应力，(2)：19-20.

胡郁乐，张绍和，2010. 钻探事故预防与处理知识问答[M].长沙：中南大学出版社.

刘光勋，2006. 地震地质工作的缘起与回顾[J]. 地壳构造与地壳应力，(2)：15-18.

谭成轩，丰成君，张鹏，等，2014. 北京地区主要活动断裂研究与地壳稳定性评价[M]. 北京：地质出版社，91-102.

王年友，谢文卫，苏长寿，2011. 岩心钻探孔内事故处理工具手册[M]. 长沙：中南大学出版社.

徐克里，王生，2011. 钻探工程[M]. 北京：地质出版社.

中华人民共和国国土资源部，2010. 地质岩心钻探规程（DZ/T0227－2010）[S].

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

张建杰（1984- ），男，硕士，工程师，从事地质勘探、钻探工程施工和技术管理。E-mail：zhangjianjiefeng@163.com