易坍塌地层双管水平定向钻进工艺研究

孔令镕， 王 瑜， 刘宝林， 王志乔， 贺 佳， 杨 博， 胡茂兴

(1.中国地质大学〈北京〉工程技术学院，北京 100083； 2.国土资源部深部地质钻探技术重点实验室，北京100083；3.中国农业机械化科学研究院，北京 100083； 4.北京天顺长城液压科技有限公司，北京 100083)

0 引言

水平定向钻进(horizontal directional drilling，HDD)是利用地面钻机驱动井底钻具进行导向钻进和管线回拖的一种非开挖技术。与传统开沟埋管相比，水平定向钻进具有施工速度快，对地面破坏小，不会干扰已有管线正常使用等优点[1]。

水平定向钻进能在大多数地层中铺设各种管线，但当遇到砂卵石、粉细砂等易坍塌地层时，常规单管钻进技术已无法正常导向钻进[2]。该类地层的主要特点是结构松散、胶结度差、自稳能力差、单块岩石强度高，故在砂卵石地层中进行水平定向钻进施工会有以下难题：第一，井壁稳定性难题，当松散的砂卵石地层被钻开后，在冲洗液冲刷和钻具的扰动下孔壁极易发生坍塌；第二，导向难题，在软硬交错的砂卵石地层中用水平定向钻进(HDD)技术钻进，当遇到较大的漂石时钻孔的方向难以控制；第三，碎岩难题，不同于在岩层中钻进，在砂卵石地层中钻进时，卵石颗粒并不会被钻头破碎而是会随着钻头一起转动，这会导致地面传来的能量不能有效地用于破碎岩石[3-9]。

在常规的单钻杆水平定向的基础上发展而来的双管水平定向钻进技术能很好地解决以上难题。双管水平定向钻进系统是由双动力头钻机驱动双层钻杆以相反的方向回转，内钻杆可连续钻进，而外钻杆可进行定向造斜和充当套管。

1 双管水平定向钻进研究现状

1.1 双管水平定向钻进造斜原理

水平定向钻进所用的钻头通常设计成斜面状且不对称(如图1所示)，斜面所承受的力包括钻机推力(P)和地层阻力(F、q)，而后者又可由垂直和平行于斜面的两个力表示。其中，垂直于斜面的分力被钻机推力抵消。由于钻机推力分力大于地层阻力，最终合成沿斜面方向的造斜力，在造斜力的作用下使钻孔朝着造斜力的方向偏转[10-11]。

图1 水平定向钻进钻头造斜机理示意图Fig.1 Schematic diagram of the deflecting mechanismof horizontal directional drilling bits

与常规水平定向钻进造斜原理相同，但双管导向钻进时使用的是双壁钻杆，双壁钻杆通过导向短节和钻头相连，该导向短节带有造斜面，能保证钻进过程中外管和钻头同时旋转时钻杆轴线和钻头轴线产生的造斜力对钻进方向没有影响，即此时钻孔为直孔；当只有钻头旋转时，造斜力驱使钻头同水平方向呈一定角度钻进，即此时为定向造斜过程。钻进时，钻头埋深、钻孔倾斜角和造斜工具角等参数通过井底探棒发送到地面接收机，从而让司钻及时调整造斜工具角，使轨迹按预定方向钻进[12]。

图2 双管水平定向钻进造斜示意图Fig.2 Deflecting schematic of dual rod horizontal directional drilling

1.2 国内外研究现状

国内外对双管水平定向钻进的理论研究比较少，一些水平定向钻机生产企业通过实践开发出了部分产品，归纳如下。

(1)美国沟神(Ditch Witch )公司。

20世纪90年代，美国Ditch Witch公司研发了一套能用于岩石地层导向钻进的双管水平定向钻进系统，经过不断改进现已发展了AT系列(JT2720 AT和JT4020 AT)钻机，已被广泛地用于岩层、砂卵石层非开挖铺管。其核心部件双管导向短节结构如图3所示[13]。

图3 Ditch Witch公司导向节结构[13]Fig.3 The structure of the Ditch Witch’s guide section

导向节由内轴和外管组成，内轴通过前后轴承偏置悬挂于外管内，从而使内、外管轴线成一定角度相交。主要优点有：(1)长度比较短，造斜时曲率半径小，能缩短轨迹长度；(2)造斜工具面靠近钻头，有利于及时调整钻进方向；(3)地层适应性好，造斜工具面通过螺纹固定在外管上，根据不同的地层可更换不同能力的工具[14]。

(2)无锡中地公司。

该公司开发的双管水平定向钻进系统由双回转动力头钻机，双层钻杆，弯接头双管导向节和三牙轮钻头组成。其最大的特点是在于外钻杆接头处设置有台阶刚好能卡住内钻杆的接头，从而使内钻杆只能从外钻杆的一侧插入。双钻杆连接方式如图4所示，外钻杆用螺纹连接，内钻杆用六方插接，内外钻杆可同时连接。

图4 无锡中地公司双钻杆接头实物图Fig.4 The joints of the dual rod produced by Wuxi Zhongdi company

导向节分为3段，从左至右第一段为悬挂段，用轴承将内杆悬挂在外管上；第二段为弯接头段，通过调整弯接头的方向来调节钻孔轨迹；第三段为探棒仓段，在该段开有容纳探棒的仓室。该导向节是利用第一段与第二段之间的弯接头进行造斜，弯接头的角度为1.5°～1.75°。

该系统的优点是钻杆连接方便，同时连接内、外钻杆，能减少辅助时间。但是存在以下的不足：(1)导向节长度过长，导致造斜段曲率半径增大；(2)内外钻杆不能在轴向发生相对运动，内外钻杆必须同时给进或回拖；(3)内钻杆接头为六方插接式接头处水口小，这会导致冲洗液流量小。

(3)深圳钻通公司。

该公司的双管水平定向钻进技术与无锡中地公司的导向节基本相同，整个导向节分为3段，只是将探棒仓向前移动。与无锡中地公司的导向节相比探棒更靠近钻头，在钻进时探测的数据更准确。参见图5。

图5 深圳钻通公司导向节实物图Fig.5 DRILLTO Company’s guide section

通过分析发现国内双管水平定向钻进系统存在的主要问题在于钻杆连接方式和导向节结构过长，针对这些问题开发出了一套新型的双管水平定向钻进系统。

2 新型双管水平定向钻进系统

2.1 系统组成

双管导向钻进系统由3部分组成：动力部分、探测部分和变向部分。

2.1.1 动力部分

系统动力部分是天顺长城公司研制的双回转动力头水平定向钻机，为钻进提供扭矩、钻压和回拖力。钻机实物如图6所示，各项参数如表1所示。

图6 双回转动力头水平定向钻机Fig.6 Horizontal directional drilling rig with dual-rotary power head

名 称单 位参数发动机功率kW194发动机最高转速r/min2100动力头最大输出扭矩kN·m28动力头最高转速r/min80最大给进力kN520最大回拖力kN520给进/回拖速度m/min0～10单次最大给进行程m6.5

钻机通过齿轮齿条机构施加钻压和回拖力，图7是该水平定向钻机的齿轮齿条给进系统实物图，4个同步液压齿轮马达驱动载有动力头的小车沿钻机大梁轴线移动实现给进和回拖。

图7 双回转动力头水平定向钻机齿轮齿条给进系统Fig.7 Rack and pinion feeding system of the horizontal directional drilling rig with dual-rotary power head

2.1.2 探测部分

探测部分由井底探棒、地面接收机和远程显示器组成，本系统选用的是DCI公司猎鹰F2导向仪(如图8所示)。工作时，探棒安置在井底双管导向节的探棒仓中，能够将井底参数通过低频电磁波发送到地面，通过手持接收机可跟踪井底探棒的轨迹，从而预测钻进方向，同时可将工具面方位角和钻孔倾角等参数传送到远程显示器上。

图8 DCI公司猎鹰F2导向仪实物图Fig.8 DigiTrak F2TM locator system

2.1.3 变向部分

变向部分主要是指双管导向节，可通过控制外钻杆的旋转与否来控制造斜，具体为：当内外钻杆同时旋转时，钻孔为直线；外钻杆只给进不回转时，钻孔会朝着造斜工具面的180°方向偏转。

2.2 井底钻具组合

井底钻具主要包括钻头、导向节和钻杆，外钻杆主要用来使内钻杆和滤水管从其中间穿过，由于现有的双管导向钻进系统无法达到这个目的，因此，通过进行设计和选型采用以下组合方式：Ø165 mm三牙轮钻头+Ø150 mm双管导向节+Ø144 mm绳索取心外钻杆+Ø83 mm非开挖钻杆。

2.2.1 钻头

水平定向钻进常用的钻头种类繁多(如图9所示)，且不同类型的钻头地层适应性不同：鸭掌式和鸭掌式单牙轮钻头虽然都具有造斜能力，但前者在软土地层钻进效果更好而后者更适用于风化地层；双牙轮和三牙轮钻头均不具备造斜能力，双牙轮钻头可用于较硬地层钻进，而三牙轮钻头无论地层如何均具有较高的钻进效率；硬岩钻头虽具有造斜能力但钻进效率极低，通常应用于岩层导向钻进；鹰爪式钻头主要应用小直径硬质地层导向钻进。

图9水平定向钻进常用的各式钻头
Fig.9Varioustypesofbitsusedforhorizontaldirectionaldrilling

通过以上比较分析，拟采用三牙轮钻头进行本次钻进试验。该类型钻头由牙掌、牙轮、轴承、锁紧元件、储油密封装置、喷嘴装置等20多种零部件组成(如图10所示)。按照密封装置的不同可将其分为橡胶密封钻头和金属密封钻头，前者造价较低，但密封效果不好并且容易导致轴承磨损；后者凭借其优良的耐磨和耐高温性能很好地避免了上述问题，但其造价较高。结合地层条件和使用寿命，本次试验选用Ø165 mm金属密封三牙轮钻头作为双管导向系统的钻头，并扩大了钻头水口以适应反循环排渣的需要。

2.2.2 导向节

导向节起到导向钻进的作用，在本次试验中需具备以下5方面的要求：(1)为防止钻进过程出现卡钻现象，导向节杆体直径应小于钻头直径；(2)为减小钻进轨迹的曲率半径，导向节的长度应尽量短；(3)为避免穿过竖井护筒后钻头在悬空时出现下坠，导向节的质量应尽可能小；(4)为保证钻进结束之后顺利铺设滤水管，导向节应能在钻进时牢固连接双钻杆，之后可轻易拆卸；(5)为通过电磁探棒实时了解钻进轨迹，导向节需能储存探棒，并且在具有良好密封效果的同时保留不妨碍电磁波传输的通道。

图10 三牙轮钻头结构图Fig.10 Structure of the tricone bit

双管导向节分为弯接头式和直杆式。如图11所示，弯接头式导向节一般较长，因此适合需要较大曲率半径的造斜钻进且造斜过程比较稳定。

图11 弯接头导向节Fig.11 Bent sub type guide section

自主开发一款直杆式导向节(图12是设计图)，靠轴承偏置和造斜工具面来提供造斜力，整体长度比较短，造斜时曲率半径也较小。曲率半径越小，造斜能力就越强，所以在可能的条件下尽可能的选用直杆式导向节。

2.2.3 钻杆

1-转换接头；2-轴承挡圈；3-调心轴承；4-探棒仓；5-弧形支撑；6-异径接头；7-内轴；8-外管；9-造斜工具面；10-轴承座

图12直杆式导向节设计图
Fig.12Straightcasingtypeguidesection

钻进过程中，钻杆主要起到3个方面的作用：(1)传递钻压和扭矩；(2)为冲洗液提供循环通道；(3)充当套管。

采用双管钻进时，若采用反循环钻进并能顺利回拖滤水管则内外钻杆需同时满足以下3个要求：(1)内钻杆的最大外壁直径小于外钻杆的最小内壁直径；(2)外钻杆内壁平整光滑且接头部分不能缩径；(3)钻杆抗拉强度高。根据以上要求，分别设计了内钻杆和外钻杆，具体参数见表2。

表2 内外钻杆参数Table 2 Parameters of inner and outer drill pipe

3 冲洗液循环优化设计

粉细砂和砂卵石地层沉积时间短、埋深浅，没有经历成岩作用，是典型的不稳定地层。在其中钻进时井壁自稳能力差，极易坍塌造成卡钻、埋钻等事故。卵石颗粒之间只充填有砂粒，没有胶结物充填，钻进时冲洗液把砂粒带走后将增大卵石之间的间隙。一般用于维护岩石地层井壁稳定的方法都不适用于此地层，现在常用的方法是用跟管钻进，用外钻杆充当套管。在粉细砂、砂卵石等不稳定地层中钻进时，影响钻孔稳定的因素除了地层自身特性外，钻具与井壁之间的摩擦、冲洗液对井壁的冲刷都是不可忽略的。钻具与井壁之间的摩擦可通过优化钻具级配和施加合适的钻压来减轻，可优化冲洗液的循环通道来减小冲洗液对井壁的冲刷作用。

如图13所示，双管导向钻进时共有3个冲洗液流动通道，分别是：外钻杆与井壁之间的环空、内外钻杆之间的环空和内钻杆中心孔。各通道的尺寸分别为：外钻杆与井壁之间的环空间隙为25.35 mm，面积为11121.6 mm2；内外钻杆之间的环空间隙为9.25mm，面积为2680.7mm2；内钻杆中心孔直径为30 mm，面积为3318.3 mm2。对比发现外钻杆与井壁之间环空面积最大，其次是内钻杆中心孔，内外钻杆环空的面积最小。在考虑正反循环的情况下一共有6种循环模式，如表3和图14所示。

图13 双管导向钻进时循环通道示意图Fig.13 Diagram of circulation channel in dual rod guided drilling

通过对比6种循环模式发现，只有两种情况下外钻杆和井壁环空中的冲洗液是没有流动的，分别是第2种“中心孔-内外钻杆环空循环”和第3种“内外钻杆环空-中心孔循环”。这两种循环模式可以理解为中心孔和内外钻杆环空的正反循环，“中心孔-内外钻杆环空循环”是正循环，而“内外钻杆环空-中心孔循环”是反循环。进一步比较两种循环模式可以发现：内外钻杆环空的截面为不规则的圆环，而内钻杆中心孔的截面为规则的等直径的圆。规则的圆截面有利于井底钻屑的排出，所以双管导向钻进选择了第2种“中心孔-内外钻杆环空循环”的循环模式。

表3 6种循环模式Table 3 Six circulation patterns

图14 6种循环模式示意图Fig.14 Schematic diagrams of six circulation patterns

4 现场应用

4.1 场地介绍

试验的地点选择在山东省东营市河口区孤岛镇，位于山东省北部的黄河三角洲地区。试验地土壤为滨海盐化潮土，上层是现代河流砂、壤质沉积物，下层是海相沉积盐渍母质，地下水水位高，土壤自稳性极差。图15显示的是在现场试钻一个直径为2 m水坑随时间变化的状况，从图中可看出地层在钻开1 h后就已经坍塌很严重，当5 h后已经完全坍塌，而被地下水灌满。

图15场地试钻坑随时间变化图
Fig.15Changingchartoftestpitsovertimeatsite

4.2 工程概况

为降低土壤中的盐碱，需要修建一口辐射半径为50 m的辐射井，该井的覆盖面积为7854 m2。试验地埋深4 m以浅的地下水为淡咸水可用于灌溉，超过4 m的地下水含盐量比较高无法使用，所以本次辐射孔设置在3～4 m的深度。辐射管选用的是外径为75 mm，厚度为4.5 mm的高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，HDPE)管，辐射管通过水平定向钻进的方法铺设到地层中。由于滤水管直径较小且包裹在外表面的土工布容易被划破，所以采用在外钻杆内回拖的方式铺设。

4.3 试验过程

在开始钻进前，需要对HDPE管打孔和套土工布，购买的HDPE管是盘状，一盘长度为100 m。在管道上按5 cm的间隔布置有直径为10 mm的滤水孔，再在其外表套有一层尼龙材质的土工布(如图16所示)。

在做好准备工作后就可以开始钻进，由于地层较软且埋深浅，所以从入土点就开始造斜，水平钻进10 m后达到预定深度且钻进方向呈水平。钻进到距竖井3 m时停泵，当穿过竖井后再开泵。穿过竖井后钻进20 m就开始反向造斜，当导向节完全露出地面后，将其拧卸下来。将滤水管与内钻杆固定，通过内钻杆将其回拖到外钻杆中。当内钻杆已完全从地层中抽出后，滤水管也已铺设到位了，最后再起拔外钻杆，就完成了两个辐射管的铺设，施工过程如图17所示。

通过本次现场应用验证了双管水平定向钻进系统能正常工作，同时也创新了粉细砂地层铺设小直径管道的方法。通过3次钻进完成了6个辐射孔的施工，并且保证了滤水管外包裹的土工布是完好的。

图16 滤水管处理图Fig.16 Processing of the filter pipe

5 结论

(1)开发出了一套适用于不稳定地层的双管水平定向钻进系统，包括双回转动力头钻机、双壁钻杆、双管导向节和三牙轮钻头。

(2)在对比分析了6种循环模式后，发现“内外钻杆环空-中心孔循环”模式时井壁与外钻杆间冲洗液流速最小且排渣通道为规则的圆形截面，所以该循环模式在能有效维护井壁稳定的情况下最有利于岩屑的排除。

(3)通过现场试验验证了双管水平定向钻进系统能够在粉细砂这样的不稳定地层中完成管道铺设。

图17 辐射孔施工过程Fig.17 The construction process of the radial hole