一种新型的钻孔压水试验技术及工程应用

李守圣，葛字家，，王 飞，缪绪樟

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 洛阳 471002)

0 引言

水利水电工程钻孔压水试验是工程地质勘察中最常用的原位渗透试验，其主要任务是测定岩体的透水性，为评价岩体的渗透特性和设计渗控措施提供基本资料［1］。压水试验存在的问题主要有四方面:①管路压力损失计算困难。管路压力损失与管路的长度、连接头数量、内径变化幅度、材料内壁光滑状况、现场管路布置等多种因素有关，而且国内各单位使用的钻具不统一，试验中压力损失也不尽相同。如果按照水力学原理计算压力损失或采用实际测定法去测定，均存在很多问题。②干深孔中无法顺利进行压水试验。当地下水埋深＞30 m 时，即试验时压力零线到地面压力表间的高差＞30 m，试段压力＞0.3 MPa，则0.3 MPa压力点的压水试验无法进行，同理其它点也无法进行。如果想进行干深孔压水试验和获得准确的试验数据，需要在孔内直接测量压力参数，则又存在测试技术、仪器密封和数据传输的问题。③人工记读与计算存在采集数据不稳定、误差大、数据处理效率低、劳动强度高的问题。④深孔频繁提钻进行压水试验造成孔壁失稳易出现塌孔等孔故。

目前国内常用的钻孔压水试验方法，①使用流量表(普通指针式水表)观测流量，使用普通压力表观测压力，流量表及压力表均布置在孔口地表面，并通过人工读取及计算，取得试验段的原位测试数据。②采用早期研制出的测压仪等设备，可以实现孔内直接测量压力参数和自动记录和打印输出，但仪器未能有效地解决孔内传感器密封问题，对仪器的推广应用带来一定的影响。上述两种方法均未能很好地解决目前压水试验存在的问题。因此，需要一种新的孔内直接测量压力，自动采集、记录、数据分析处理和打印输出的仪器。

1 钻孔压水试验测试仪

钻孔压水试验测试仪的研究是一个系统工程，主要涉及到电子信息技术、材料学、统计学和力学等多个学科。仪器主要包括压力传感系统、流量传感系统、数据采集与处理系统［2－4］等。流量传感系统和压力传感系统分别将流量、压力信号传输到数据采集系统，可以实现标定、参数设置、回零、数据采集、数据存储、P-Q曲线绘制、数据处理、输出等功能。

1.1 压力传感系统

压力传感系统是仪器最为关键的部分，该系统的好坏直接决定了能否实现孔内直接测量压力和解决干深孔压水试验问题。该系统关键技术为传感器孔内密封技术。

1.1.1 压力传感系统工作环境

(1)传感器直径受钻具内径限制，电缆和变送器的密封环状间隙很小。

(2)密封部分承受压力变化幅度较大。

(3)传感器在钻具内反复提拉，密封部分频繁受力变形，易使密封失效。

1.1.2 压力传感系统设计要求

(1)压力传感器外壳采用不锈钢材料，耐磨抗腐蚀。

(2)压力传感器外径要小于常用的Φ50 mm 钻杆内径(Φ22 mm)。

(3)压力传感器测量量程为0～6 MPa，精度不小于0.5%F·S。

(4)压力传感器自身电子电路密封可靠，在满载压力下500 h 无故障。

(5)压力传感器与电缆连接处在2 MPa 压力下，500 h 无故障。

1.1.3 压力传感系统密封设计

由于电缆与传感器连接部位密封相当复杂，且受尺寸限制，用于密封的环状间隙仅有4～5 mm 宽，密封难度非常大。

对于系统密封，最初的方案是采用电子灌封胶将电缆浇筑在传感器内的密封方法，在试验中，连续进行多段压水试验后，密封失败，出现压力数据无规律的跳动。之后采用物理压紧的密封方法，试验中略微加压，密封就失效。后期采用电子灌封胶与物理压紧结合的方式密封，密封效果略有提高，但仍不能满足要求。

为此，调整设计思路，先后采用增加密封空间、激光焊接、水下密封与可拆式密封等多种方式进行试验研究，最终采用可拆卸式密封技术。该技术满足密封要求，并且传感线路与硫化部位出现故障后，易拆卸维修与更换。

1.2 流量传感系统

流量传感系统应具有原理简单、测量精度高、成本低等特点。各类传感器特点对比如表1 所示。通过室内试验对比研究，远传发讯水表是最适合的流量传感器。

1.3 数据采集与处理系统

数据采集与处理系统主要有数据采集模块、电源模块和软件程序。数据与采集模块电路和面板设计如图1 所示。软件程序采用LabVIEW 语言编写，其程序设计如图2 所示。程序工作界面见图3。

在数据处理方面，对静水压力和压力损失采取了置零处理，无需再考虑和计算。对P-Q 曲线的五点进行线性变换，方便人工读取和判断曲线类型。压水试验报告输出格式严格按照《水利水电工程钻孔压水试验规程》(SL31—2003)编制。

1.4 钻孔压水试验测试仪

钻孔压水试验测试仪将各种电子模块整合到一起，性能稳定，携带方便。其参数如下，仪器工作原理和实物如图4 及照片1～4 所示。

(1)仪器使用工控机与Windows 操作系统，Lab-VIEW 编写的软件，便于维护和升级。

(2)数据采集系统模块化，结构紧凑，稳定性好。

(3)两种供电模式，220 V 交流供电和24 V 直流供电。

图1 电路与面板设计图Fig.1 Circuit and panel design drawing

图2 程序设计图Fig.2 Program design drawing

表1 流量计优缺点对比Table 1 Advantages and disadvantages of flowmeter

图3 程序工作界面Fig.3 Program work interface

(4)液位变送器外径仅17 mm，可直接下入试段内，量程0～6 MPa，精度为0.5%F.S。传感器及连接电缆密封可靠，在2 MPa 压力下可保持1 000 h 无故障。

(5)远传发讯水表每个输出信号分辨率高达0.5 L，量测范围可达1～100 L/min。

(6)仪器能在－20～+50 ℃环境下正常工作。

图4 工作原理图Fig.4 Work principle graph

2 压水试验方案

虽然钻孔压水试验测试仪的出现很好地解决了压水试验中孔内压力测量、各种数据自动采集与分析，但在常规的取芯钻进压水试验中，通常是采用提大钻的方式，将整个钻具提出孔外，然后用钻杆接上止水栓塞，再下大钻到孔底，进行压水试验。每5 m 提一次大钻进行压水试验也带来了诸如提钻导致孔壁失稳、提高劳动强度等诸多麻烦。因此压水试验方案的选择也是非常主要的。考虑到绳索取芯钻进的特点，将其与压水试验相结合。

照片1 测试仪主机Photo 1 Instrument host

照片2 压力传感器Photo 2 Pressure sensor

照片3 电缆Photo 3 Cable

照片4 远传发讯水表Photo 4 Far transfer information water meter

2.1 全孔钻进双栓塞压水试验

2.1.1 试验原理

利用绳索取芯钻进，根据地层情况，钻进到一定深度后，将钻具一次性提出，使用双栓塞和专门的输水管路，从下至上，逐段进行压水试验。试验完成后再下入钻具钻进直至再次提大钻进行压水试验。具体方案如图5 所示。

图5 全孔钻进双栓塞压水试验方案Fig.5 Test scheme of whole hole drilling double embolization water press

2.1.2 常规双栓塞的类型

常规的双栓塞主要有水压栓塞和气压栓塞。

水压栓塞使用较为广泛，其优点是:膨胀介质容易获得，栓塞密封性能要求不是很高，膨胀过程中基本没有压缩，试段封闭比较稳定可靠。缺点是:在地下水较深的钻孔进行压水试验后，由于膨胀管路的水柱较高，而又没有地下水位的抵消，栓塞很难卸压恢复原状。当地下水位达到一定的深度，根据统计一般为60 m 左右时，栓塞就难以复原，地下水位达到100 m 左右时，水压式栓塞基本不能使用。

气压栓塞的优点是:充气过程简单，只需要打开气瓶阀门，控制好压力即可。卸压过程基本不受地下水位的影响，栓塞可以快速复原。缺点是:膨胀介质需要单独购买，一定程度上增加了压水试验的成本;栓塞的密封性能要求较高;气体具有较大的压缩性，需要根据压水试验时试段的水压大小进行气压调整;高压气瓶有一定的安全隐患，操作人员需要培训。

2.1.3 方案的优缺点

优点是:

(1)试验工作与钻探工作可以部分或全部分离，费用较低。

(2)一些操作步骤(如洗孔、水位测量等)可以合并进行，试验时间较短。

(3)可以根据孔内实际情况合理地确定栓塞置放位置和试段长度，试验成果与地质条件之间的相关性较好。

缺点是:

(1)双栓塞(特别是下栓塞)的止水可靠性不易检验。

(2)由于钻程较长，岩粉堵塞裂隙的可能性增大。

(3)需要额外增加一套输水管路。

(4)在孔壁不稳定的情况下，如缩径、掉块、塌孔时双栓塞就基本不能使用，很可能需扩孔或者重新钻孔。

虽然这种方案已经减少了提大钻的次数，但仍存在一系列的问题，因此需要考虑一种不提大钻进行压水试验的方法。

2.2 不提大钻压水试验方案［5，6］

2.2.1 试验原理

不提大钻压水试验方案充分利用了绳索取芯钻杆内径大的特点，将栓塞通过钻杆内径下入到试验段，采用气体或水使栓塞膨胀从而封闭试验段。操作方法是:钻完一个试验段(一般为5 m)，取出岩芯，然后将钻杆提离孔底6 m，将栓塞通过缆绳下入到试验段上部，然后使栓塞膨胀，封闭钻杆和孔壁，利用绳索钻杆作为过水通道进行压水试验，见图6。

2.2.2 方案的优缺点

与常规双栓塞压水试验结合绳索取芯方案相比，这种方案的优点是:

(1)每钻进一个试验段，就可以进行压水试验。比较接近常规的做法，容易被地质人员、现场操作人员接受。

(2)不受钻孔地层条件限制，无论是钻孔缩径还是掉块都能轻松处理。

缺点是:

(1)每次做试验时，需要从钻孔里提出6 m 钻杆，一定程度上增加了劳动强度。

(2)没有现成的栓塞可用，必须重新设计加工。

2.2.3 止水栓塞

图6 绳索取芯不提大钻试验方案Fig.6 Test scheme of wire-line coring drilling with no lifting the drill pipe

不提大钻压水试验栓塞是专门研制的，其具体结构为:栓塞胶囊分为两段，上胶囊位于钻头内台阶上部，膨胀后封闭钻杆，下胶囊穿过钻头进入钻孔压水试段的封堵部位，膨胀后封闭压水试段。该栓塞的结构和材质安全、耐用，密封性好，膨胀与复原性好，不变形。目前该类型栓塞已成功与S96、S75 系列绳索取芯钻具配合应用于压水试验中(见照片5)。

照片5 不提大钻绳索取芯止水栓塞Photo 5 Wire-line coring drilling with no lifting the drill pipe embolization

3 工程应用

3.1 仪器使用方法

地面管路及信号传输通道按要求连接→选择塞位安装栓塞→压力传感器从钻杆内管下至试段内→安装孔口密封器→仪器设备准备及检查→试验管路连接→试验仪器连接→地下水位测量→压力置零→开泵试压、管路检查→五点法压水试验→试验数据保存及打印输出→管路卸压、停泵→程序退出、线路拆除→管路拆除。

3.2 工程应用

截止到现在，已在黄河古贤水利枢纽、陕西泾河东庄水库枢纽等多个水利水电工程地质勘察中应用了压水测试仪进行了常规压水试验和绳索取芯不提大钻压水试验，累积试验数千段，取得了良好的效果。

黄河古贤水利枢纽工程［7］位于黄河北干流的晋、陕峡谷下段南部，距离黄河壶口瀑布上游约10 km，规划装机2 560 MW，具有防洪、减淤、供水、发电、调水、灌溉等综合效益。坝址区河水面高程465 m，河谷底宽455 m。河床覆盖层厚度为1～7 m;右岸高程470～475 m 处残存I 级阶地，顺河带状分布，宽度20～30 m。两岸谷坡不对称，高程625 m 以上为黄土覆盖，以下基岩裸露。古贤水利枢纽工程地质情况比较复杂，坝肩压水试验孔绝大部分为干深孔。泾河东庄水库枢纽工程最大坝高228 m，总库容29.87 亿m3，防洪库容4.2亿m3，拦沙和调水调沙库容20.2 亿m3。工区岩溶发育，多以隐蔽、脉连为主。这两个工区地质情况复杂，如果采用常规的压力表放置在孔口和人工记读的试验方法，会造成数据误差较大甚至无法进行试验。压水测试仪在这两个工区应用情况如下。

3.2.1 地下水位测试

在进行压水试验前，需要测定地下水位。常规的观测方法是采用测绳结合万用表来测定，仪器和人为因素对于数据的准确性影响很大，并且在测试结束后需要将测绳提出孔外，才能进行后续的压水试验操作。而利用钻孔压水试验测试仪测量地下水位是在地面管路系统连接好后，压力传感器下入孔内并固定安装，通过压力传感器测出净水头压力，压力值即时反应到系统操作界面，利用简单的水柱压力计算公式可反推计算出地下水位，简单、准确、直观的在仪器操作界面上显示水位，并可以直观的了解地下水位的变化过程，也在很大程度上减少了常规方法中由于孔内情况复杂导致的试验者对于真实水位主观性判定带来的误差。水位测量结束后，可直接进行下一步的压水试验，在一定程度上提高了工作效率。

3.2.2 人工记读与仪器记读对比

为了对比人工记读与仪器记读数据，在部分钻孔内进行两种方式记读数据。

压力对比 通过测绳测水位，结合压力计指示压力，水柱压力以及管路压力损失等情况，人工读取和计算压力值，较为繁琐，且相对于测试仪直接采集试段内压力误差较大。

流量对比 在采用测试仪测定的压力值下，人工记读和仪器记读流量数据对比见表2。通过对数据的对比分析，人工记读与仪器记读的数据误差不超过5%，甚至在低透水率下，数据误差不超过2%，数据满足试验要求。

3.2.3 数据处理对比

人工数据分析，需要通过对采集的数据进行筛选、填表、绘制图表、分析，存在一定的随意性和误差。

钻孔压水试验测试仪的数据均采用传感技术自动采集、识别，采集后的数据通过信号传输通道直接进入操作电脑的程序面板进行显示。数据精度高，且避免了人工读取数据过程中的不及时、不精确、不均匀及随意性等缺陷，从而对地层情况的反映更真实、更可靠。数据采集程序将采集到的数据通过处理后，可直接将记录的数据、自动生成的曲线通过普通打印机进行打印输出，而无需人工填表、绘制曲线，从而可直接进行统计分析，减省了对每个孔段的数据计算和曲线绘制，大大提高了工作效率。系统自动生成的压水试验的相关参数和曲线如表3、图7 所示。

表2 压水试验流量数据对比表Table 2 Comparison of water press test flow date

表3 压水试验数据Table 3 Test data of water press

图7 P-Q 曲线Fig.7 P-Q curve

4 结语

通过在古贤水利枢纽、东庄水利枢纽等工程中的应用，很好地解决了压水试验数据采集与分析的问题，提高了数据的准确性。同绳索取芯钻进技术结合，很好地解决了干深孔压水试验问题。仪器操作简单、结构轻巧、携带方便、能够适应野外恶劣的工作环境、降低了劳动强度、提高了工作效率，具有广阔的应用前景。

［1］SL31—2003，水利水电工程钻孔压水试验规程［S］.

［2］赵玉刚，邱东.传感器基础［M］.北京:北京大学出版社，2006.

［3］李念军.论钻孔压水试验参数选择及成果计算方法［J］.云南水力发电，2008，24(1):25－27.

［4］梁智权.流体力学［M］.重庆:重庆大学出版社，2002.

［5］易学文，等.水利水电工程钻探绳索取心钻进中压水试验研究［J］.探矿工程:岩土钻掘工程，2012，39(增刊1):88－90.

［6］周晓，等.绳索取心钻进在水利水电勘探中存在的问题及解决思路［J］.探矿工程:岩土钻掘工程，2013，40(3):24－27.

［7］张成志，尹丹，郭明.钻孔压水试验测试仪及其在古贤水利枢纽工程中的试验应用［J］.探矿工程:岩土钻掘工程，2010，37(12):32－36.