钻杆压力损失试验

章爱卫，史建松，杨 闪，杨圣安，王 虎，贾伟杰

（华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050021）

我国西南部某井下铅锌矿矿山实施的帷幕线水文地质勘察工程，其主要工作内容为压水试验，为后续帷幕注浆工程提供设计依据。压水试验的技术依据主要参考了《水利水电工程钻孔压水试验规程》[1]，压力损失公式即来自于本规范，然而在实际生产过程中，却发现了两个问题：①BK02钻孔第六次压水时，235 L/min流量下仅40 m的φ50钻杆压力损失计算值达到了1.6 MPa，而压水试验提供的总压力仅为1.01 MPa；②BK05第五次压水时，流量145 L/min，减掉压力损失后，计算的试验压力为0.41 MPa，当流量增加至203 L/min时，减掉压力损失后，计算的试验压力为0.27 MPa，即流量增加，试验压力计算值反而越小。当压水注入量较小时未出现以上两个问题，认为规范公式法计算出的压力损失是一种理想状态下的损失量，故并不适用本场地管路实际情况下大流量时的压力损失量计算，也即透水性强的地层会因为计算出的压力损失量过大而导致透水率计算值偏大甚至出现错误。

在此背景下，本文利用现场的实际压水管路，进行大流量条件下的压力损失试验。

1 主要试验设备

φ60管路（内径 46.25 mm）、注浆泵（XPB-90E），抗震压力表（量程0.6 MPa，精度1.6级）。

2 试验方法

由规范公式：

推导得出：

式中：ps压力损失，MPa；λ摩阻系数，2×10-4MPa/m～4×10-4MPa/m；lp管路长度，m；d 管路内径，m；v管内流速，m/s；Q 管内流量，m3/s；g为重力加速度，g=9.8 m/s2。

由式（2）可知，在固定管路长度和内径的情况下，管路内水流的压力损失量只与管路内的流量大小有关系。为提高试验准确度及方便成果利用，采取如下措施：

1）管路总长156 m，避免了因管路太短，造成损失量太小，降低人为读取数据误差。

2）管路总计39根，38个接头，仅在整条管路两端安装了压力表，其目的是将不同流量条件下的接头压力损失量概化至单位长度管路的压力损失量，方便后期工程计算。

3）试验场地位于巷道内，落差较大，两块压力表中心点的高程差通过工程测量，获得其值为2.03 m。

4）管路末端安装了阀门，模拟地层的透水性强弱，已获得不同流量条件下的压力损失量。

5）采用了XPB-90E注浆泵，其最大可提供流量为250 L/min，最大压力为20 MPa，保证了在低压试验时压力的稳定性。

6）采用了量程0.6 MPa，精度为1.6级的抗震充甘油压力表，保证了表针的稳定性。

7）为减小水流在进水口和出水口紊流对压力表的影响，压力表距端口距离为1 m。

试验示意图见图1，调解阀门至流量和压力表均稳定后，读取两块压力表的读数，二者的差值即为在该流量条件下，固定长度的φ60管路所损失的总压力，然后换算至单位长度管路的压力损失量。

图1 压力损失试验示意图

3 实验结果与讨论

3.1 实验结果

由式2可知，在管长和管径固定的情况下，压力损失量和流量呈现二次方关系，获取的试验数据及压力损失量与流量关系曲线，见表1和图2。

表1 不同流量条件下的实际压力损失量

图2 压力损失试验结果

由图2可知，所获得的试验数据均匀分布于试验曲线两侧，准确度高，当流量大于30 L/min时，对比规范压力损失曲线，实际的压力损失量基本为规范公式的一半，当流量小于30 L/min时，实际的压力损失量从数值绝对数上基本等于规范公式法，所获得的实际压力损失公式为：

式中：Ps为压力损失量，MPa/100 m；Q 为流量，L/min。

3.2 讨论

1）实际压力损失公式与规范法差异的可能原因为：规范中要求压水试验段段长5 m为宜且一般的水利水电工程会优先选取透水性差的地层，透水量本就比较小，而本矿区的水文勘察孔孔深800 m，压水段长为30 m～50 m，且位于强透水性灰岩地层中，注水量远远大于水力水电工程中的压水试验，因此该规范中提供的压力损失计算公式并不适用于大流量、大段长的压水试验。

2）实际获得的压力损失试验公式是一条y轴截距为0.31 m的二次曲线，理论上，当流量为0 L/min时，压力损失量为0 m，因此在实际应用中去除了公式尾端的0.3126，将公式修正为：

4 结论

矿山的水文地质勘察孔往往设计较深，根据实际生产需要，压水段一般设定为30 m～50 m，可以满足水文地质勘察精度要求，这与《水利水电工程钻孔压水试压规程》的5 m一段的压水段差距较大，会导致注水量过大，规范中提供的压力损失试验不满足要求，因此需要根据现场实际进行压力损失试验。通过本次试验获取了流量与压力损失的关系式，很好地指导了后期工程吕荣值的计算，可为未来其他类似工程提供借鉴。

试验过程做了一些简化，如忽略掉管壁粗糙程度，并将变径处的压力损失量概化进单位长度的压力损失量。但从实用角度来讲，本实验过程完全满足水文地质勘察对压水试验的精度要求。