水平定向钻在地质勘察中的应用

石文科

新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第八地质大队 新疆维吾尔自治区阿克苏市 843000

摘要：传统垂直钻探地质勘察法在面对复杂工程时，往往难以满足实际需求。而水平定向钻探技术具有勘察精度高、适应能力强、环境友好以及作业条件良好等优势。本文通过对水平定向钻探应用的分析，认为该技术具有良好的发展前景。

关键词：水平定向钻；地质勘察；水平取芯；钻探

1.定向钻穿越技术

定向钻系统内部包括钻机系统、控向与造斜系统、钻具、泥浆系统、扩孔与回拖系统、动力辅助系统。定向钻一般在穿越河流、湖泊、公路和山体或（构）筑物等障碍物施工中比较常见，用于大口径、长距离石油天然气管道的敷设。定向钻施工的过程中以设计钻孔轨迹为依据，使用定向钻进技术先开一个导向孔，随后在钻杆端部换接大直径的扩孔钻头进行扩孔，或换接直径小于扩孔钻头的待敷设管线进行管道回拖，从而完成铺设作业[1]。

2.定向钻技术在地质勘探中的应用

2.1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。对于水平取芯钻探，主要存在以下难点。（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。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。同时，水平测井设备与技术也随之发展，如圆锥贯入试验等。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：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。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[2]。

2.2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。早期水平定向钻技术应用范围小，多用在河流、海湾等，后来广泛应用到公路、山区、城市以及开挖受限的场地中，进行供水、煤气、天然气、污水、电力、电缆、光缆等各种管线的铺设。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。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。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。

3.水平定向钻施工质量控制措施

3.1测量放线

测量仪器齐备并经法定计量检定机构校验合格且在有效期内使用；测量人员必须对穿越处平面、断面图和设计提供的其它资料进行审核和现场核对；对测量控制桩全程保护，确保各项标识、记录正确。

3.2钻机安装

严格按照设计钻进轨迹的要求，安装调整钻机的位置和角度，并根据回拖力等对钻机基础进行加固处理。

3.3泥浆控制

按照事先确定好的泥浆配比用一级钠基膨润土加上泥浆添加剂，配出符合要求的泥浆。泥浆粘度测试要求，应采用马氏漏斗，每2h检测2次。（1）斜孔段：泥浆的流动性要好，结构性要强，保证钻屑携带和孔眼清洁；控制泥浆的失水，防止塌孔。需增大固壁剂含量。（2）水平孔段：要及时提高润滑剂剂量，适当降低黏度和切力，保证泥浆的流变性能良好，使钻屑顺利返出地面；增强泥浆的润滑性，减少钻机旋转及推进阻力。（3）扩孔：增强泥浆的造壁性能，防止孔壁塌陷，防止缩径；需增大固壁剂、悬浮剂、纤维素剂量。（4）回拖：提高泥浆润滑性，降低摩擦阻力。增强携屑效果；提高润滑剂剂量；泥浆的粘度：根据穿越段地层情况，在钻导向孔阶段，泥浆粘度控制在40～50S；在预扩孔和回拖阶段泥浆粘度提高达到50～55S。实际使用过程中，泥浆的配比随地层不同而随之变化，并选用不同的添加剂。每小时测定泥浆的粘度，数值要满足要求

[3]。

3.4钻导向孔

制定详细周密的导向计划，曲率半径要大于钢管的弯曲半径；把好导向关。在导向孔钻进过程中使用无线导向系统，在出入土两侧和沿途做好标记，每根钻杆至少要测量一次数据以保证在整个控向过程中及时纠偏，从而达到曲线要求；导向孔钻进精度目标：导向孔实际曲线与设计穿越曲线的偏差：横向不大于2.0m，纵向不大于1.0m；出土点偏差：横向不大于穿越长度的2‰且不大于2m，纵向不大于穿越长度的1%且不大于10m。测量控向参数：按操作规程标定控向参数，尽可能多测取参数比较，将控向的偏差减少到最小。

3.5预扩孔

导向孔正式合格验收后，才可进行扩孔施工，且需根据管道大小和土质确定使用何种扩孔器。扩孔应采取分级、多次扩孔的方式进行，本工程采用七级扩孔，扩孔直径φ1350mm。回拖前为保证孔洞的畅通，需进行洗孔。在扩孔过程中根据各地层的抗压强度的不同变化灵活的控制扭矩，尽可能保证扩孔速度的均匀和泥浆排量、泥浆压力的均匀，保持井口返浆容量较大和流速基本不变，避免返浆倒灌入孔道内。若扩孔时局部扭矩过大，应当立即降低扩孔进尺速度，同时加大泥浆排量和泥浆压力，确定牙轮重新切削后逐步降低泥浆流量和压力到平均速度。

3.6管道回拖

管道回拖要一气呵成，中间不得停顿，直至管线拖至预定位置为止；保证预制管线与穿越轴线一致性，减少摩擦阻力，确保防腐层完好入洞；发送沟开挖计算好发送沟的坡度，保证管线入孔洞前发送沟与穿越孔洞圆滑过渡；增加高润滑泥浆，泥浆膜附着在管道表面；每根钻杆回拖的扭矩和推拉力符合设备和钻具能力要求。

3.7验收

对回拖完成后的管道进行封堵和移交，及时清理场地，做到工完、料净、场地清。

4.结论

本文主要分析了水平定向钻应用在地质勘察中的优势以及技术开展的可行性，并阐述了其应用发展情况，相比垂直钻探，水平定向钻探技术具有勘察精度高、适应能力强、环境友好及作业条件良好等优点，加强拓展了传统地质勘察技术。水平定向钻探的应用目前还不够广泛，但是该技术在地质勘察中具有良好的发展前景，值得进一步研究开发。

5.参考文献

[1]龙飞泉.城市燃气管道水平定向穿越施工技术探讨[J].化工管理,2019(19):187-188.

[2]蔡晓春.地磁控向系统在水平定向钻施工中的应用[J].上海煤气,2019(03):35-38.

[3]黄寅茂.非开挖水平定向钻应用于高压电力电缆线路的适用性分析[J].机电信息,2018(24):52-53.