基于随钻参数的不同岩石钻进特征与围岩级别修正

姚 静，唐 斌

（贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司 贵阳 550016）

0 引言

隧道超前水平钻探通过现场钻探记录，随钻参数读取来推断掌子面前方围岩的地质状况，相比较其他超前地质预报方法，数据分析中无需引入其他参数，其结果更为准确直观，但存在钻进占用时间长、费用高等缺点。近年来，随着超前钻探技术的研究与发展，基于随钻参数与岩石评价的关系研究取得大量成果并应用于实际工程，取得明显效果［1−4］。数字钻探测试技术［5］是一种对钻进过程中的钻进速率、转速、扭矩、推进力等随钻参数进行监测和部分参数定量控制的技术，钻进过程中的统计分析或能量分析是建立岩石力学强度参数和随钻参数定量关系的常用方法。钻进过程能量分析法是利用能量守恒原理，研究动能、轴力功、钻进比功等能量参数的变化规律，是评价岩石力学性质的有效方法。谭卓英等人［6］认为钻孔监测参数与界面处岩石强度的变化具有很好的响应特征，能可靠地揭示复杂地层的变化。朱敢为等人［7］揭示了岩石强度对钻井过程声波频域特征的影响机制，并为开发一种评估钻探声波信号采集的岩石结构信息的方法提供了可能性。江贝等人［8］通过随钻测试反演得到的岩石单轴抗压强度与室内单轴压缩试验结果差异率平均值小于5%，建立的DP−σc模型应用于岩石单轴抗压强度的随钻测试是合理、有效的。王琦等人［9］提出了岩石c−φ参数数字钻探测定方法，并通过室内试验进行了该方法与传统三轴试验方法测定结果的对比分析。李哲等人［10］基于岩石可钻性理论和能量守恒原理，提出钻进功速比概念，利用钻进过程中的4 个参数，对钻进功速比曲线进行了分析比较。钻进功速比与围岩岩性、结构面具有很好的响应关系。本文通过C6 钻机在泥岩、砂岩、花岗岩、石英片岩4 种不同成因岩性中的钻进参数的分析，结合上述作者提出的钻进功速比进行比较，分析钻进功速比在不同岩性中的特征与关联性，以期通过钻进功速比进行围岩分级修正。

1 随钻参数数据选取与分析

1.1 样品钻进记录

本次超前水平钻探样品分别选取泥岩、砂岩、花岗岩、石英片岩4种岩性，各岩石样品钻进情况及钻进记录评价如表1统计所示。

表1 岩石样品钻进情况及钻进记录评价Tab.1 Drilling Status of Rock Samples and Evaluation of Drilling Records

1.2 各岩性随钻参数与钻进深度关系分析

超前水平钻探随钻参数的获取采用意大利卡萨C6−2 水平钻机，通过配套的专用分析软件，能准确获取隧道前方围岩状况，对地质采样、数据采集分析、取岩心等工作的开展提供了重要的技术支持，具有自动化程度高、钻孔深度大、钻孔精度高、稳定性强、环境适应力强和使用后范围广等优点。钻进过程中所有生成的参数均是相对于钻进掌子面的围岩状况的相对值，参数的绝对值仅在相近区域有一定参考性，按照判定准则，随钻参数的优先度排序为：钻进速度>扭矩>推进力>旋转速度，本次数据分析优先选用钻进速度、扭矩和推进力，各岩性随钻参数与钻进深度的关系如表2及图1～图4所示。

表2 不同岩性钻速和扭矩分布范围Tab.2 ROP and Torque Distribution Ranges for Different Lithologies

对于岩石的坚硬程度的判断，扭矩是较为敏感的指标之一，由图1～图4可知，岩石强度由高到低依次为花岗岩＞砂岩＞石英片岩＞泥岩，其扭矩随钻进深度表现为呈下降趋势，钻进速度95%置信区间与岩石强度成反比关系，泥岩钻进速度最大，花岗岩和砂岩钻进速度最小。但由于各岩性节理裂隙发育程度各不相同，其限差变化较大，通过各曲线峰值密度可大体判断该段落岩体的完整性程度，进行围岩级别修正。

图1 泥岩随钻参数与钻进深度关系Fig.1 Relationship between Parameters while Drilling in Mudstone and Drilling Depth

图2 砂岩随钻参数与钻进深度关系Fig.2 Relationship between Parameters while Drilling in Sandstone and Drilling Depth

图3 花岗岩随钻参数与钻进深度关系Fig.3 Relationship between Parameters while Drilling and Drilling Depth in Granite

图4 石英片岩随钻参数与钻进深度关系Fig.4 Relationship between Parameters while Drilling and Drilling Depth of Quartz Schist

2 岩石功速比分析

由于样品岩性、结构面的复杂性，钻进过程中受节理裂隙、软弱夹层、地下水影响较大，操作手的操作习惯也是重要的影响因素，导致钻进参数变化较大，由图1～图4 分析，在不同的推力下，其钻速和扭矩随钻进深度推进表现不同。谭卓英等人［11］利用能量守恒定律和与转换，分析了花岗岩钻进过程中总的输入能量及总的钻进能量，认为将钻进系统视为质点，则根据能量守恒原理，钻机动力系统所做的功存在以下能量转换关系：

式中：pe为钻机动力系统输出的总能量；pk为钻具旋转运动所产生的动能；pd为克服钻具重力并使钻具上下位移所需要的轴力功；pf为钻机旋转马达及减速系统在能量输出过程中所产生的摩擦及振动等消耗的能量。实际钻进过程中，C6−2 钻机采用风冷技术进行排渣并未使用钻进液体，在风冷排渣过程中摩擦阻力、粘滞力等参数很难测定，且钻进速度通常较低，环向与轴向粘滞阻力很小，因此pf可忽略不计［11］。

式中：∑m为钻进系统的总质量，包括钻头、取样器、钻杆及加长杆的质量，与孔深有关；V1为钻进系统质量中心的瞬时线速度；D为钻进系统的回转直径；n为钻进系统的转速；Fe为施加在钻进系统的有效轴压力；S为钻具系统在单位时间内的位移；α为钻具系统中心轴线与水平面夹角，且0°≤α≤90°，当垂直钻孔时α=90°，水平钻孔时α=0°；V为穿孔速率；Ft为加压−调压系统施加在钻具上的轴向压力；Fa为加压−调压系统施加在钻具上的调压力，用以平衡钻具重力。

根据文献［10］提出的功速比计算公式：

式中：E为功速比，功速比表征在一定钻进速度情况下破坏岩石所做的功，即岩石的易破碎程度。当钻进功速比大（即做功大）、钻进速度小时，表明岩石不易被破坏，此时岩石硬度高、结构面少或风化程度低。当钻进功速比小（即做功小）、钻进速度大时，表明岩石极易破坏，此时岩石硬度低、结构面多或风化程度高。F1为对钻杆施加的扭矩；V1为钻头外径的旋转速度；T1为钻头施加于岩石的扭矩；R为钻头外半径。F2为对钻杆施加的压力；V2为钻头钻进速度；T2为钻头施加于岩石上的推进压力；A为钻杆截面积。

图6 砂岩钻进深度与钻进功速比关系Fig.6 Relationship between Drilling Depth and Drilling Power-speed Ratio in Sandstone

图7 花岗岩钻进深度与钻进功速比关系Fig.7 Relationship between Granite Drilling Depth and Drilling Power-speed Ratio

利用上述功速比的计算，分别对泥岩、砂岩、花岗岩和石英片岩参数进行计算分析，得到钻进深度与功速比的响应曲线，如图5～图8 所示。钻进过程中，岩石节理裂隙发育程度各不相同，钻速存在较大差异，在钻速较低的情况下，其功速比呈现急速峰值，峰值分布密度反映了裂隙发育程度，在钻速极大，空转情况下，功速比无限接近于零值。在完整岩体钻进，忽略其他外界因素影响，岩石强度与钻进功速比应成正比关系，即岩石强度越大，钻进速度越低，其钻进功速比就越高，基于前述分析，应用95%置信区间数值进行拟合，置信区间展现的是该岩性钻进功速比的真实值有一定概率落在测量结果的周围的程度，应用置信区间的上下限作为该岩性功速比的有效范围。

图5 泥岩钻进深度与钻进功速比关系Fig.5 Relationship between Drilling Depth and Drilling Power-speed Ratio in Mudstone

图8 石英片岩钻进深度与钻进功速比关系Fig.8 Relationship between Drilling Depth and Drilling Power-speed Ratio of Quartz Schist

通过对上述指标进行分析可知，各岩性钻进功速比分布范围基本一致，由于各岩性均非各向同性，岩石的风化程度、节理裂隙发育程度及地下水发育程度均不相同，因此，需通过置信区间划定钻进功速比的主要分布上下限值进行对比。如表3 所示，钻进功速比主要分布上限与岩石指标具有一定的相关性，花岗岩钻进功速比最高，泥岩最低。各岩性的主要上限和主要下限存在交叉重叠，主要与岩石风化程度及裂隙发育有关。

表3 不同岩性钻性功速比和岩石指标关系Tab.3 Relationship between Drilling Power-speed Ratio and Rock Index for Different Lithologies

《公路隧道设计规范第一册土建工程》表A.0.5−1中将岩石的坚硬程度划分为坚硬岩（＞60 MPa）、较坚硬岩（60～30 MPa）、较软岩（30～15 MPa）、软岩（15～5 MPa）、极软岩（＜5 MPa），结合各岩性钻进功速比主要分布范围，划分对应的钻进功速比分别为坚硬岩（＞0.2 kJ·m−1·h−1）、较坚硬岩（0.2～0.15 kJ·m−1·h−1）、较软岩（0.15～0.1 kJ·m−1·h−1）、软岩（0.1～0.05 kJ·m−1·h−1）、极软岩（＜0.05 kJ·m−1·h−1）。

结合表1 钻进记录评价，对各岩性进行围岩级别进行修正。泥岩钻进功速比介于0.05～0.07 kJ·m−1·h−1，Rc值低于15 MPa，为软岩，钻进功速比突变较少，说明节理裂隙弱发育，岩体总体较完整，可维持原设计。砂岩钻进功速比介于0.1～0.16 kJ·m−1·h−1，属于较软～较坚硬岩，24 m 后钻进功速比突变密集，结合钻进记录，24～50 m 处地下水及裂隙发育，围岩级别判定为0～24 m 维持原设计，24～50 m 处酌情降一级。花岗岩钻进功速比介于0.05～0.18 kJ·m−1·h−1，属于较软～较坚硬岩，呈碎裂镶嵌结构，钻进功速比突变密集，综合钻进记录，围岩级别判定可维持原设计。石英片岩钻进功速比介于0.04～0.15 kJ·m−1·h−1，属于软～较坚硬岩，钻进功速比在28 m 处突变密集，综合钻进记录，围岩级别判定在0～28 m 处可维持原设计，28 m 后酌情降一级。

3 结论

⑴通过对不同岩性超前水平钻探随钻参数的分析，在推进力基本恒定的情况下，钻进速度和扭矩与岩石强度的相关性较高，岩石强度越大，钻进速度越小，扭矩越大。

⑵对不同岩性钻进功速比和岩石Rc指标进行分析，存在较好的响应，分别依据泥岩、砂岩、花岗岩和石英片岩置信区间内钻进功速比，划分了与坚硬程度对应的钻进功速比范围。

⑶依据随钻参数特征和钻进记录的综合分析，可对围岩级别进行酌情修正，更符合实际开挖状况。

⑷超前水平钻探随钻参数受钻机操作、岩石不均一性、裂隙发育、地下水发育等因素影响较大，数据存在较大偏差，数据有效性有待进一步筛选，研究手段仍需进一步丰富。