水平定向鉆在地質勘察中的應用

胡永鵬，張 森，路 偉

（1.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；2.有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083）

隨著工程建設的發展，復雜場地越來越多，勘察作為認識場地的手段，由此也受到更高的要求[1]。各種勘察方法中，鉆探可直接揭露場地地質條件，結果直觀可靠，是應用最為普遍且重要的地質勘察方法[2]。在勘察中，一般采用垂直鉆探孔，通過孔內信息，推斷場地地質情況。然而實踐發現，采用垂直鉆孔推斷場地條件時，存在以下問題。一方面，當鉆孔相距較大或存在異常地質情況時，兩孔之間的地質條件不能準確判斷，以致場地情況不能得到正確反映。另一方面，當場地條件差，比如在高起伏的山地中，垂直鉆孔施工會非常困難。此外，在某些情況下，垂直鉆孔可能使污染物通過低滲儲層垂直遷移，造成污染物擴散[3-5]。鑒于以上問題，考慮將水平定向鉆進技術用于地質勘察中，進行水平取芯鉆進，采用該方法既可以沿工程輪廓線鉆取連續的巖芯，也避免了復雜地形帶來的難題。水平定向鉆探能以較少的鉆進點、較短的鉆進軌跡，取得較多有效的地質信息。若水平定向鉆探能夠廣泛開展，將會彌補現有鉆探技術的不足，大大提高地質勘察的質量。因此，對水平定向鉆探的探索有非常重要的意義。

1 水平定向鉆探技術

定向鉆探是通過造斜、導向等手段，使鉆孔在鉆進時發生轉向，并沿預定軌跡達到目標點的技術，該技術結合了電子技術、鉆探設備以及鉆探工藝的創新。水平定向鉆探是定向鉆探的特定情況，其鉆孔主要沿水平方向，突出了鉆孔的定向控制和水平取芯。

水平定向鉆一般分為導向孔鉆進、擴孔、拖管3個步驟[6]。水平定向鉆探是利用導向孔鉆進技術，基于改進的水平定向鉆機鉆進行取芯鉆進，并在孔內開展一系列綜合測井試驗，從而快速準確地獲取鉆孔沿線地質信息[7]。

2 水平定向鉆探優勢

水平定向鉆探與傳統垂直鉆探在技術原理上有較大不同，基于水平定向鉆探技術特點，該技術主要存在以下優勢。

2.1 勘察精度高

采用水平定向鉆探時，可取得沿線連續巖芯，避免了垂直孔間隔取芯導致的地質信息缺失。此外，通過孔內相關試驗，能夠探測孔內圍巖的各項參數。因此，該技術勘察的結果具有更高的精度。勘察精度提高可有效減少工程變更，從而大幅減少工程變更費用。例如某高速公路的14 條隧道，有4000 多米長的圍巖分級與實際情況不符，變更費用達四千多萬[8]。

2.2 適應能力強

垂直鉆探需要在勘探線上布設大量垂直鉆孔，完孔之后需要進行鉆機移位。當場地條件復雜時，比如在山地中，鉆機移位往往會非常困難，需要付出很大代價，甚至被迫放棄一些鉆孔。又比如進行海底勘探，海上平臺的建造以及海上作業都非常困難。而水平定向鉆探能夠進行遠距離精準探測，可適應各種復雜場地，減少場地整理和設備搬運的時間。

2.3 環境友好

隨著環境保護意識的提升，施工對環境的影響是需要重點考慮的問題。垂直鉆探鉆孔多，在鉆探設備搬運和安裝過程中，很容易對環境造成破壞。此外，鉆進時產生的廢棄泥漿也常常導致大面積環境污染。水平定向鉆探搬運少，泥漿收集更方便，有效緩解了垂直鉆探的問題。相比之下，水平定向鉆探對環境的危害更小，符合環境保護的趨勢。

2.4 作業條件良好

為滿足勘探要求，一些垂直勘探孔的位置往往給施工帶來很大困難。水平定向鉆探的場地選擇更加靈活，施工人員工作環境相對良好。此外，該技術自動化程度更高，施鉆人員操作強度也有所下降。

3 可行性分析

國內外的水平定向鉆探技術均發源于油氣田的勘察與開采，其后逐漸發展至煤炭、礦產等領域，并取得了顯著的經濟效益與社會效益。水平定向鉆探在其他領域的成功應用，也讓其在地質勘察領域的應用成為可能。對于水平定向鉆探普及到地質勘察領域是否可行，主要從其技術本身以及相關技術的發展和應用情況進行分析。

3.1 定向鉆技術

定向鉆技術首次使用是1932年于美國亨延灘油田，我國的第一口定向井于1956年在玉門油田鉆成[9]。國內外的定向鉆技術均從石油行業開始，其后迅速發展，廣泛應用于石油天然氣勘探與開發、固體礦產勘探與開發、煤礦勘探與煤層氣開發等領域中[10]。雖然我國定向鉆技術發展較晚，但是經過快速發展，逐漸實現了技術趕超[9]。我國自“六五”以來，已研制成功井下動力螺桿鉆具、隨鉆測斜儀等設備及各種定向與控制預測軟件，完全具有自主知識產權。1965年我國完成第一口水平井，成為了世界上第二個鉆成水平井的國家[9]。通過大量的工程實踐與研究，定向鉆形成了全面的鉆進工藝與設備，如分支井技術、大位移井技術、隨鉆測量技術、旋轉導向鉆井技術以及螺桿鉆具、渦輪鉆具等[9]。

經過多年來的應用與探索，定向鉆在鉆具、隨鉆測斜儀等設備上有了長足進步，同時鉆進理論也逐步完善，到如今已經是比較成熟的技術，這為水平定向鉆向地質勘察領域發展奠定了良好的理論和實踐基礎。

3.2 水平取芯技術

水平取芯是水平定向鉆探的關鍵技術。水平鉆井技術于20 世紀80年代在石油行業興起，因其在儲層增產等方面的顯著效果，迅速發展至各領域。我國“八五”期間，開展了石油水平鉆井技術科研攻關項目，5年間在11個油田鉆水平鉆井62 口，平均水平段長300~500 m[11]。用于儲層改造、油氣和礦產開采的水平鉆井采用全面鉆進方式，而在地質勘察中，則要求取芯鉆進。

水平井取芯與直井取芯的取芯方向不同，導致兩者在取芯工藝上存在較大差異。對于水平取芯鉆探，主要存在以下難點[12]。

（1）鉆具受重力作用，容易在井眼向下偏斜，影響鉆具的穩定性。由此，一方面增大鉆具與孔壁間的摩擦力，另一方面影響到巖芯的成形和進筒，可能使巖芯變形，甚至折斷，造成堵芯、磨芯等情況。

（2）鉆進時，在鉆壓作用下，鉆具容易發生彎曲，既造成鉆具與孔壁間摩阻力增大，又不利于巖芯進入到取芯工具中。

（3）巖屑易堆積在鉆孔底部，并形成巖屑床，導致鉆進阻力增加，甚至卡鉆。

（4）割斷巖芯時，切割方向多垂直于層理方向，抗拉強度大，對取芯工具要求高。此外，若出現掉芯時，巖芯一般位于鉆孔下壁，很難進行撈芯。

對于水平取芯技術，20 世紀90年代初，國外開發了用于水平定向鉆機的最早的取樣器[13]。20 世紀90年代中期，取樣器變得更為輕巧，20 世紀末設計研制了多端口取樣器[3，14]。同時，水平測井設備與技術也隨之發展，如圓錐貫入試驗等[14-16]。

我國在遼河油田、四川油田等項目中，成功運用了定向鉆探技術，并針對水平取芯，對常規鉆具主要進行了以下改進[11]：在巖芯管兩端安裝滾柱軸承。使鉆孔在水平狀態下，內巖芯管與外巖芯管、鉆頭、卡簧軸線保持一致，便于巖芯進入巖芯管；減小巖芯管長度，對外巖芯管安裝扶正器，以此確保巖芯管的剛性和穩定性。

提鉆取芯鉆進效率低，且對定向鉆探來說，鉆進軌跡復雜，提下鉆時容易發生卡鉆、塌孔等事故，因此定向鉆繩索取芯技術受到了關注。定向鉆繩索取芯技術在近十多年才發展起來，是定向鉆領域中的前沿技術，為數不多的國家掌握了該技術，挪威和美國處于領先[17]。該技術結合了定向鉆和繩索取芯技術的優點，可以在定向鉆水平段、造斜段等各個位置取芯，取芯高效可靠。

水平取芯技術的進步為發展水平定向鉆取芯鉆進起到了重要的支撐和促進作用。

3.3 非開挖水平定向鉆技術

非開挖水平定向鉆技術由鉆井技術演化而來，用于管道和線纜的鋪設。非開挖水平定向鉆于1971年在美國首次應用于河流穿越，我國于1985年由中國石油天然氣管道局首次引進，用于黃河管道鋪設穿越施工[18]。

水平定向鉆技術實施的難易程度與地層性質聯系密切，早先只能在相對簡單的地層中運用，比如硬質黏土、致密砂層以及風化巖石等地層。起初，許多學者認為水平定向鉆技術在巖層中很難實現，但在20 世紀80年代，成功實現了在軟質或中硬巖層中的應用[19]。隨著鉆進設備、穿越工藝以及鉆井液性能等不斷進步，現在的水平定向鉆技術已經能夠用于各種復雜地層，包括粗砂、卵礫石以及堅硬巖石地層[18]。近年來非開挖水平定向鉆得到了廣泛應用，通過大量工程實踐，解決了很多水平定向鉆井問題，包括孔壁失穩、鉆孔冒漿、巖屑運移困難等，這為水平定向鉆向地質勘察領域發展奠定了良好的基礎。

綜上，定向鉆技術經過多年的應用和研究，已經形成較為完備的鉆井工藝和成熟的鉆井理論，包括在導向、造斜等方面。非開挖水平定向鉆進的發展則積累了不同地層下的施工經驗，拓展了水平定向鉆使用范圍。傳統的定向鉆與非開挖水平定向鉆均為全面鉆進，但地質勘察為取芯鉆進，因此水平取芯技術非常關鍵。近年來水平連續取芯技術的發展，推動了水平定向鉆探取芯工藝。經過以上分析，認為將水平定向鉆廣泛應用到地質勘察領域是可行的。

4 應用發展

4.1 應用情況

水平定向鉆在勘察中的應用相對較少，目前大多應用在隧道中，此外還用于海底、山體以及垂直鉆探受限等工程中。

4.1.1 隧道

1964年間，日本首次在青函隧道使用水平鉆探技術，鉆進最長距離為2 150 m[20]。我國天山勝利隧道地質條件復雜，且面臨活動性斷裂帶。為精確探測隧道圍巖各項參數，采用水平定向鉆進行勘察。水平定向鉆探工作于2020年6月終止，終孔長度為2 271 m，創下了行業多項記錄[7]。

香港由于山地地形和密集的城市發展，修建了大量隧道。在過去10 多年中，很多隧道的勘察采用了水平定向鉆探，包括蓮塘-香園圍隧道、將軍澳-藍田隧道[21]、屯門-赤鱲角連線隧道、沙田嶺隧道、荃灣雨水排放隧道等[22]。

水平定向鉆探可沿隧道軸線連續取芯，勘察精度高，可降低隧道不可預見的風險[23]。對于水平定向鉆探所具有的潛在效益，香港特區政府為此發表了技術說明[22]。

4.1.2 海底

原發內生型學霸寢室對學風建設意義重大，能否充分發揮優良學風的外溢效應，關鍵在宣傳，宣傳越成功，外溢效應就越大。對于學校內部宣傳而言，要注重塑造、適當包裝。以有血有肉的集體學霸形象感染學生、觸動學生、激發學生，將思想政治教育熔鑄其中，產生潤物細無聲的滲透效應，促使學生決心以學霸寢室為榜樣，做勤學好學之人。同時，教師也應在課堂上加以宣傳，吸引那些有上進心的同學加倍努力。

在近海岸勘察時，受風浪、潮汐等影響，在海面進行垂直鉆孔施工時，通常要借助鉆井平臺，施工難度大、費用高。在陸地向海底打水平定向勘察孔，則可避免上述問題。

新加坡在九龍島海底儲油庫選址勘察中，利用水平定向鉆技術實施了6個勘探孔，總鉆進工作量2 400 m，其中單孔長度達500 m[17]。挪威在B?mlafjord海底隧道中鉆進了900 m 長的水平定向勘察孔[24]。香港在Harbour Area Treatment Scheme 工程2A 階段的海底隧道中實施了6個水平定向勘察孔，總鉆進長度5 105 m，其中單孔長度達1 200 m[25]。

4.1.3 垂直鉆探受限時

在一些工程中，垂直鉆探難以開展或實施，效果較差，水平定向鉆探成為更好的選擇，例如：徐州市軌道交通徐州站[26]位于徐州火車站處，因火車站及鐵路交通干線，地面垂直鉆探不便，且地層近垂直，垂直鉆孔難以反映地層在水平面方向上的變化。因此，實施了4個水平定向孔進行勘探。

巴基斯坦Neelum-Jhelum 水電工程[27]廠房垂直勘探孔較少，地質資料不足，補充水平勘探孔。從鉆機、提引器、孔口裝卸架以及阻塞器等方面對普通XY-2 鉆機進行了改進，保證了鉆具在水平方向上穩定鉆進及取芯。通過改進后的鉆機，該項目完成水平鉆孔280.1 m，巖芯采取率達92%。

云南滇中引水工程[28]水源地位于金沙江上游段，因受地形等條件的限制，垂直孔實施困難，設計了2個水平孔進行勘探。該工程場地條件復雜，主要問題有巖石層理破碎、層厚大、巖性差，因此易發生塌孔、鉆孔偏移等事故。針對上述問題，通過水泥封孔、跟管鉆進護壁、單動雙管鉆具作業以及糾斜等措施，實現了復雜情況下水平孔取芯。

此外，水平定向鉆探還應用于礦床分布范圍評價[29]，礦脈跟蹤調查，鐵路、公路以及地鐵等選址和施工超前地質預報等方面[17]。

4.2 發展前景

水平定向鉆探適應能力強，可應對各種復雜條件，彌補垂直鉆探的不足。目前水平定向鉆探應用的范圍較小，一方面受施工成本的影響。經驗表明[22]，水平定向鉆探的成本一般高于傳統垂直鉆探，尤其在簡單場地中，經濟效益相對較低。另一方面，受到鉆探工藝和設備的限制，發展程度較低。

然而，我國水平定向鉆探正處于向上發展階段。從鉆探設備來看，設備功能正不斷加強。2019年7月26日，鐵建重工自主研發制造的國產首臺新型千米級水平取芯鉆機成功下線[30]。該鉆機集取芯、導向等多種功能于一體，鉆進距離超過1 000 m，綜合效率達2 m/h，定位精度高，可實施長距離、大埋深以及復雜地質條件下的取芯鉆探。高性能水平定向鉆探設備的研制，為水平定向鉆探應用提供了有力的保障。

從工程建設來看，隨著城市建設的發展，偏遠地區的建設是一種必然趨勢。在城市中，隨著建筑密度的上升以及環境保護要求，垂直鉆探有時會受到限制。在偏遠地區，工程地質條件往往更為復雜，比如在川藏地區的高海拔、大埋深等惡劣環境中，傳統垂直鉆探地質勘察方法存在很多問題[7]。因此，水平定向鉆探技術的發展有非常大的需求。

此外，在一些領域，比如管網建設等，水平定向鉆探的應用還很少。而非開挖鋪管時，水平定向勘察孔既可設計為勘察孔，又能作為先導孔，有很大的發展潛力。

因此，雖然目前我國水平定向鉆探發展程度還不高，但結合行業發展特征，可以預見，該技術在勘察行業將有光明的前景。

5 結論

本文主要分析了水平定向鉆應用在地質勘察中的優勢以及技術開展的可行性，并闡述了其應用發展情況，得出以下結論。

（1）相比垂直鉆探，水平定向鉆探技術具有勘察精度高、適應能力強、環境友好以及作業條件良好等優點，加強拓展了傳統地質勘察技術。

（2）通過對相關技術的分析，認為水平定向鉆探技術有足夠的發展基礎，將其發展到地質勘察領域是可行的。

（3）通過對水平定向鉆探的應用發展分析，認為雖然水平定向鉆探的應用目前還不夠廣泛，但是該技術在地質勘察中具有良好的發展前景，值得進一步研究開發。