水平定向钻在地质勘察中的应用

2022-03-04胡永鹏

科技创新与应用 2022年19期

胡永鹏，张森，路伟

（1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083；2.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南长沙 410083）

随着工程建设的发展，复杂场地越来越多，勘察作为认识场地的手段，由此也受到更高的要求[1]。各种勘察方法中，钻探可直接揭露场地地质条件，结果直观可靠，是应用最为普遍且重要的地质勘察方法[2]。在勘察中，一般采用垂直钻探孔，通过孔内信息，推断场地地质情况。然而实践发现，采用垂直钻孔推断场地条件时，存在以下问题。一方面，当钻孔相距较大或存在异常地质情况时，两孔之间的地质条件不能准确判断，以致场地情况不能得到正确反映。另一方面，当场地条件差，比如在高起伏的山地中，垂直钻孔施工会非常困难。此外，在某些情况下，垂直钻孔可能使污染物通过低渗储层垂直迁移，造成污染物扩散[3-5]。鉴于以上问题，考虑将水平定向钻进技术用于地质勘察中，进行水平取芯钻进，采用该方法既可以沿工程轮廓线钻取连续的岩芯，也避免了复杂地形带来的难题。水平定向钻探能以较少的钻进点、较短的钻进轨迹，取得较多有效的地质信息。若水平定向钻探能够广泛开展，将会弥补现有钻探技术的不足，大大提高地质勘察的质量。因此，对水平定向钻探的探索有非常重要的意义。

1 水平定向钻探技术

定向钻探是通过造斜、导向等手段，使钻孔在钻进时发生转向，并沿预定轨迹达到目标点的技术，该技术结合了电子技术、钻探设备以及钻探工艺的创新。水平定向钻探是定向钻探的特定情况，其钻孔主要沿水平方向，突出了钻孔的定向控制和水平取芯。

水平定向钻一般分为导向孔钻进、扩孔、拖管3个步骤[6]。水平定向钻探是利用导向孔钻进技术，基于改进的水平定向钻机钻进行取芯钻进，并在孔内开展一系列综合测井试验，从而快速准确地获取钻孔沿线地质信息[7]。

2 水平定向钻探优势

水平定向钻探与传统垂直钻探在技术原理上有较大不同，基于水平定向钻探技术特点，该技术主要存在以下优势。

2.1 勘察精度高

采用水平定向钻探时，可取得沿线连续岩芯，避免了垂直孔间隔取芯导致的地质信息缺失。此外，通过孔内相关试验，能够探测孔内围岩的各项参数。因此，该技术勘察的结果具有更高的精度。勘察精度提高可有效减少工程变更，从而大幅减少工程变更费用。例如某高速公路的14 条隧道，有4000 多米长的围岩分级与实际情况不符，变更费用达四千多万[8]。

2.2 适应能力强

垂直钻探需要在勘探线上布设大量垂直钻孔，完孔之后需要进行钻机移位。当场地条件复杂时，比如在山地中，钻机移位往往会非常困难，需要付出很大代价，甚至被迫放弃一些钻孔。又比如进行海底勘探，海上平台的建造以及海上作业都非常困难。而水平定向钻探能够进行远距离精准探测，可适应各种复杂场地，减少场地整理和设备搬运的时间。

2.3 环境友好

随着环境保护意识的提升，施工对环境的影响是需要重点考虑的问题。垂直钻探钻孔多，在钻探设备搬运和安装过程中，很容易对环境造成破坏。此外，钻进时产生的废弃泥浆也常常导致大面积环境污染。水平定向钻探搬运少，泥浆收集更方便，有效缓解了垂直钻探的问题。相比之下，水平定向钻探对环境的危害更小，符合环境保护的趋势。

2.4 作业条件良好

为满足勘探要求，一些垂直勘探孔的位置往往给施工带来很大困难。水平定向钻探的场地选择更加灵活，施工人员工作环境相对良好。此外，该技术自动化程度更高，施钻人员操作强度也有所下降。

3 可行性分析

国内外的水平定向钻探技术均发源于油气田的勘察与开采，其后逐渐发展至煤炭、矿产等领域，并取得了显著的经济效益与社会效益。水平定向钻探在其他领域的成功应用，也让其在地质勘察领域的应用成为可能。对于水平定向钻探普及到地质勘察领域是否可行，主要从其技术本身以及相关技术的发展和应用情况进行分析。

3.1 定向钻技术

定向钻技术首次使用是1932年于美国亨延滩油田，我国的第一口定向井于1956年在玉门油田钻成[9]。国内外的定向钻技术均从石油行业开始，其后迅速发展，广泛应用于石油天然气勘探与开发、固体矿产勘探与开发、煤矿勘探与煤层气开发等领域中[10]。虽然我国定向钻技术发展较晚，但是经过快速发展，逐渐实现了技术赶超[9]。我国自“六五”以来，已研制成功井下动力螺杆钻具、随钻测斜仪等设备及各种定向与控制预测软件，完全具有自主知识产权。1965年我国完成第一口水平井，成为了世界上第二个钻成水平井的国家[9]。通过大量的工程实践与研究，定向钻形成了全面的钻进工艺与设备，如分支井技术、大位移井技术、随钻测量技术、旋转导向钻井技术以及螺杆钻具、涡轮钻具等[9]。

经过多年来的应用与探索，定向钻在钻具、随钻测斜仪等设备上有了长足进步，同时钻进理论也逐步完善，到如今已经是比较成熟的技术，这为水平定向钻向地质勘察领域发展奠定了良好的理论和实践基础。

3.2 水平取芯技术

水平取芯是水平定向钻探的关键技术。水平钻井技术于20 世纪80年代在石油行业兴起，因其在储层增产等方面的显著效果，迅速发展至各领域。我国“八五”期间，开展了石油水平钻井技术科研攻关项目，5年间在11个油田钻水平钻井62 口，平均水平段长300~500 m[11]。用于储层改造、油气和矿产开采的水平钻井采用全面钻进方式，而在地质勘察中，则要求取芯钻进。

水平井取芯与直井取芯的取芯方向不同，导致两者在取芯工艺上存在较大差异。对于水平取芯钻探，主要存在以下难点[12]。

（1）钻具受重力作用，容易在井眼向下偏斜，影响钻具的稳定性。由此，一方面增大钻具与孔壁间的摩擦力，另一方面影响到岩芯的成形和进筒，可能使岩芯变形，甚至折断，造成堵芯、磨芯等情况。

（2）钻进时，在钻压作用下，钻具容易发生弯曲，既造成钻具与孔壁间摩阻力增大，又不利于岩芯进入到取芯工具中。

（3）岩屑易堆积在钻孔底部，并形成岩屑床，导致钻进阻力增加，甚至卡钻。

（4）割断岩芯时，切割方向多垂直于层理方向，抗拉强度大，对取芯工具要求高。此外，若出现掉芯时，岩芯一般位于钻孔下壁，很难进行捞芯。

对于水平取芯技术，20 世纪90年代初，国外开发了用于水平定向钻机的最早的取样器[13]。20 世纪90年代中期，取样器变得更为轻巧，20 世纪末设计研制了多端口取样器[3，14]。同时，水平测井设备与技术也随之发展，如圆锥贯入试验等[14-16]。

我国在辽河油田、四川油田等项目中，成功运用了定向钻探技术，并针对水平取芯，对常规钻具主要进行了以下改进[11]：在岩芯管两端安装滚柱轴承。使钻孔在水平状态下，内岩芯管与外岩芯管、钻头、卡簧轴线保持一致，便于岩芯进入岩芯管；减小岩芯管长度，对外岩芯管安装扶正器，以此确保岩芯管的刚性和稳定性。

提钻取芯钻进效率低，且对定向钻探来说，钻进轨迹复杂，提下钻时容易发生卡钻、塌孔等事故，因此定向钻绳索取芯技术受到了关注。定向钻绳索取芯技术在近十多年才发展起来，是定向钻领域中的前沿技术，为数不多的国家掌握了该技术，挪威和美国处于领先[17]。该技术结合了定向钻和绳索取芯技术的优点，可以在定向钻水平段、造斜段等各个位置取芯，取芯高效可靠。

水平取芯技术的进步为发展水平定向钻取芯钻进起到了重要的支撑和促进作用。

3.3 非开挖水平定向钻技术

非开挖水平定向钻技术由钻井技术演化而来，用于管道和线缆的铺设。非开挖水平定向钻于1971年在美国首次应用于河流穿越，我国于1985年由中国石油天然气管道局首次引进，用于黄河管道铺设穿越施工[18]。

水平定向钻技术实施的难易程度与地层性质联系密切，早先只能在相对简单的地层中运用，比如硬质黏土、致密砂层以及风化岩石等地层。起初，许多学者认为水平定向钻技术在岩层中很难实现，但在20 世纪80年代，成功实现了在软质或中硬岩层中的应用[19]。随着钻进设备、穿越工艺以及钻井液性能等不断进步，现在的水平定向钻技术已经能够用于各种复杂地层，包括粗砂、卵砾石以及坚硬岩石地层[18]。近年来非开挖水平定向钻得到了广泛应用，通过大量工程实践，解决了很多水平定向钻井问题，包括孔壁失稳、钻孔冒浆、岩屑运移困难等，这为水平定向钻向地质勘察领域发展奠定了良好的基础。

综上，定向钻技术经过多年的应用和研究，已经形成较为完备的钻井工艺和成熟的钻井理论，包括在导向、造斜等方面。非开挖水平定向钻进的发展则积累了不同地层下的施工经验，拓展了水平定向钻使用范围。传统的定向钻与非开挖水平定向钻均为全面钻进，但地质勘察为取芯钻进，因此水平取芯技术非常关键。近年来水平连续取芯技术的发展，推动了水平定向钻探取芯工艺。经过以上分析，认为将水平定向钻广泛应用到地质勘察领域是可行的。

4 应用发展

4.1 应用情况

水平定向钻在勘察中的应用相对较少，目前大多应用在隧道中，此外还用于海底、山体以及垂直钻探受限等工程中。

4.1.1 隧道

1964年间，日本首次在青函隧道使用水平钻探技术，钻进最长距离为2 150 m[20]。我国天山胜利隧道地质条件复杂，且面临活动性断裂带。为精确探测隧道围岩各项参数，采用水平定向钻进行勘察。水平定向钻探工作于2020年6月终止，终孔长度为2 271 m，创下了行业多项记录[7]。

香港由于山地地形和密集的城市发展，修建了大量隧道。在过去10 多年中，很多隧道的勘察采用了水平定向钻探，包括莲塘-香园围隧道、将军澳-蓝田隧道[21]、屯门-赤鱲角连线隧道、沙田岭隧道、荃湾雨水排放隧道等[22]。

水平定向钻探可沿隧道轴线连续取芯，勘察精度高，可降低隧道不可预见的风险[23]。对于水平定向钻探所具有的潜在效益，香港特区政府为此发表了技术说明[22]。

4.1.2 海底

原发内生型学霸寝室对学风建设意义重大，能否充分发挥优良学风的外溢效应，关键在宣传，宣传越成功，外溢效应就越大。对于学校内部宣传而言，要注重塑造、适当包装。以有血有肉的集体学霸形象感染学生、触动学生、激发学生，将思想政治教育熔铸其中，产生润物细无声的渗透效应，促使学生决心以学霸寝室为榜样，做勤学好学之人。同时，教师也应在课堂上加以宣传，吸引那些有上进心的同学加倍努力。

在近海岸勘察时，受风浪、潮汐等影响，在海面进行垂直钻孔施工时，通常要借助钻井平台，施工难度大、费用高。在陆地向海底打水平定向勘察孔，则可避免上述问题。

新加坡在九龙岛海底储油库选址勘察中，利用水平定向钻技术实施了6个勘探孔，总钻进工作量2 400 m，其中单孔长度达500 m[17]。挪威在B∅mlafjord海底隧道中钻进了900 m 长的水平定向勘察孔[24]。香港在Harbour Area Treatment Scheme 工程2A 阶段的海底隧道中实施了6个水平定向勘察孔，总钻进长度5 105 m，其中单孔长度达1 200 m[25]。

4.1.3 垂直钻探受限时

在一些工程中，垂直钻探难以开展或实施，效果较差，水平定向钻探成为更好的选择，例如：徐州市轨道交通徐州站[26]位于徐州火车站处，因火车站及铁路交通干线，地面垂直钻探不便，且地层近垂直，垂直钻孔难以反映地层在水平面方向上的变化。因此，实施了4个水平定向孔进行勘探。

巴基斯坦Neelum-Jhelum 水电工程[27]厂房垂直勘探孔较少，地质资料不足，补充水平勘探孔。从钻机、提引器、孔口装卸架以及阻塞器等方面对普通XY-2 钻机进行了改进，保证了钻具在水平方向上稳定钻进及取芯。通过改进后的钻机，该项目完成水平钻孔280.1 m，岩芯采取率达92%。

云南滇中引水工程[28]水源地位于金沙江上游段，因受地形等条件的限制，垂直孔实施困难，设计了2个水平孔进行勘探。该工程场地条件复杂，主要问题有岩石层理破碎、层厚大、岩性差，因此易发生塌孔、钻孔偏移等事故。针对上述问题，通过水泥封孔、跟管钻进护壁、单动双管钻具作业以及纠斜等措施，实现了复杂情况下水平孔取芯。

此外，水平定向钻探还应用于矿床分布范围评价[29]，矿脉跟踪调查，铁路、公路以及地铁等选址和施工超前地质预报等方面[17]。

4.2 发展前景

水平定向钻探适应能力强，可应对各种复杂条件，弥补垂直钻探的不足。目前水平定向钻探应用的范围较小，一方面受施工成本的影响。经验表明[22]，水平定向钻探的成本一般高于传统垂直钻探，尤其在简单场地中，经济效益相对较低。另一方面，受到钻探工艺和设备的限制，发展程度较低。

然而，我国水平定向钻探正处于向上发展阶段。从钻探设备来看，设备功能正不断加强。2019年7月26日，铁建重工自主研发制造的国产首台新型千米级水平取芯钻机成功下线[30]。该钻机集取芯、导向等多种功能于一体，钻进距离超过1 000 m，综合效率达2 m/h，定位精度高，可实施长距离、大埋深以及复杂地质条件下的取芯钻探。高性能水平定向钻探设备的研制，为水平定向钻探应用提供了有力的保障。

从工程建设来看，随着城市建设的发展，偏远地区的建设是一种必然趋势。在城市中，随着建筑密度的上升以及环境保护要求，垂直钻探有时会受到限制。在偏远地区，工程地质条件往往更为复杂，比如在川藏地区的高海拔、大埋深等恶劣环境中，传统垂直钻探地质勘察方法存在很多问题[7]。因此，水平定向钻探技术的发展有非常大的需求。

此外，在一些领域，比如管网建设等，水平定向钻探的应用还很少。而非开挖铺管时，水平定向勘察孔既可设计为勘察孔，又能作为先导孔，有很大的发展潜力。

因此，虽然目前我国水平定向钻探发展程度还不高，但结合行业发展特征，可以预见，该技术在勘察行业将有光明的前景。