吳紀修，尹浩，張恒春，孫華峰，袁維，曹龍龍，李鑫淼，施山山，王文，薛倩冰，梁楠

（1.中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所，河北廊坊065000；2.中國地質(zhì)調(diào)查局深部地質(zhì)鉆探技術研究中心，河北廊坊065000；3.自然資源實物地質(zhì)資料中心，北京100192；4.石家莊鐵道大學，河北 石家莊050043）

0 引言

西南地區(qū)是我國“十四五”期間重大交通工程建設的重點區(qū)域，主要由川滇塊體、甘青塊體、西藏塊體和喜馬拉雅塊體以及高峻陡峭、劇烈起伏的山鏈構成，地貌形態(tài)以高原盆地和深切峽谷為主，是我國地質(zhì)災害最嚴重的地區(qū)之一［1-4］，規(guī)劃建設中的深埋、長大隧道數(shù)量多。例如［4-5］：新建川藏鐵路雅安-林芝段20 km以上特長隧道16座，累計長度455.85 km；規(guī)劃滇藏鐵路20 km以上特長隧道6座，累計長度133.87 km。受西南山區(qū)陡峻地形對大型鉆探裝備進出場和輕便鉆探裝備鉆深的限制，目前用于深埋隧道常規(guī)垂直孔的鉆探設備和工藝無法滿足精細化地質(zhì)勘察的需求，導致沿隧道設計軸線的勘察精度低、圍巖工程地質(zhì)情況不清，設計與實際地質(zhì)情況有一定差距，甚至嚴重不符，隧道建設和安全運營風險大［6］。因此，發(fā)展水平定向勘察技術，沿隧道設計軸線鉆長距離水平勘察孔，對降低由極高地應力巖爆和大變形、構造混雜巖、巖溶高壓突水突泥、超高地溫熱害等地質(zhì)［7-8］安全風險可能帶來的生命財產(chǎn)危害具有重要意義。

1 水平定向勘察技術概況

定向鉆進技術是指為滿足地質(zhì)勘探目的，采用一定的技術手段，使井身沿著預先設定的方位和井斜鉆達目的層的鉆進方法。最早起源于石油鉆井工業(yè)，世界上第一口有記錄的定向井于1932年在美國加利福尼亞州亨延灘油田完成。定向鉆進技術目前已廣泛應用于石油與天然氣、煤礦和固體礦產(chǎn)的勘探開發(fā)等領域［9-10］。近年來，定向鉆進技術逐步擴大到深埋長大隧道勘察中。在挪威，定向鉆探技術被大量應用于探明海 底隧道 地質(zhì)情況［5，11-12］，如1997年挪威將定向鉆進技術成功應用于Oslofjord隧道和Trekantsambandet隧道勘察，對擬建海底隧道線路進行連續(xù)定向取心鉆探，探明了其地質(zhì)情況；1998年美國馬薩諸州水資源局（MWRA）將定向鉆進技術應用于地鐵供水隧道勘察，并在63 m深的隧道頂部鉆取水平巖心，以評估隧道圍巖的工程地質(zhì)條件；意大利Geodata公司在阿爾卑斯山隧道勘察中，采用定向鉆探技術鉆深長度2200 m，取心長6 m。

2 水平定向勘察技術組成

水平定向勘察技術將定向鉆進技術與鉆探取心技術結合，輔以隨鉆測量技術、綜合測井技術，對隧道圍巖的巖性變化、混雜巖發(fā)育情況、破碎帶分布、構造巖溶或裂隙水涌水情況、溫度變化、有毒有害氣體等進行探查，是目前查明沿隧道設計軸線圍巖工程地質(zhì)情況的有效方法。主要包括鉆進技術、取心技術、鉆孔軌跡控制技術、隨鉆測量技術（Measuring While Drilling，簡 稱MWD）/隨 鉆 測 井 技 術（Logging While Drilling，簡稱LWD）、綜合測井技術（Integrated Well Logging）等核心技術。圖1為水平定向鉆進技術與裝備系統(tǒng)組成示意圖。

2.1 鉆進技術

傳統(tǒng)常規(guī)回轉鉆進工藝在水平孔鉆探方面存在設備鉆深能力不足、進度慢、鉆孔軌跡不可控、鉆孔口徑小、鉆孔利用率低、孔內(nèi)事故率高等缺點［13-15］，不能滿足深埋長大隧道精細化勘察要求。因此，目前水平定向勘察技術以全面鉆進為主，包括滑動鉆進和復合鉆進2種形式。

滑動鉆進過程中，高壓泥漿驅動螺桿鉆具、鉆頭和轉子轉動，鉆機動力頭和鉆桿不回轉，僅向孔內(nèi)施加鉆壓，鉆具的其余部分沿軸向滑動，此時螺桿馬達工具面可保持一個穩(wěn)定的方向進行“滑動造斜”?；瑒鱼@進排渣能力弱，鉆進阻力大，鉆探裝備負載大。

復合鉆進過程中，高壓泥漿驅動螺桿馬達帶動鉆頭，同時鉆機動力頭帶動鉆具回轉并向孔內(nèi)施加鉆壓，實現(xiàn)“滑動造斜”和“回轉穩(wěn)斜”兩種鉆進模式的復合［16］。在鉆遇極堅硬地層時可采用“渦輪鉆具驅動金剛石鉆頭”或采用“螺桿鉆具+液動錘”二合一復合鉆進，增加沖擊載荷［17-18］。

復合鉆進較滑動鉆進有更強的鉆進能力，鉆孔口徑大利用率高，處理孔內(nèi)事故能力強，鉆機動力頭帶動鉆具旋轉具有調(diào)節(jié)螺桿馬達定向造斜實現(xiàn)“回轉穩(wěn)斜”和減阻作用，同時提高碎巖效率與排渣能力，在長距離定向鉆進中具有較高的成孔率［19-22］。圖2為滑動定向鉆進與復合定向鉆進工藝示意圖。

圖1 水平定向鉆進技術與裝備系統(tǒng)組成Fig.1 Directional drilling technology and equipment system

圖2 滑動定向鉆進與復合定向鉆進工藝[23]Fig.2 Slide directional drilling and compound directional drilling

2.2 取心技術

水平孔取心相較常規(guī)垂直孔取心技術難度大，鉆具扭矩增大，鉆進中需大的鉆壓克服鉆進中的鉆具托壓，巖心管在回轉中因易彎曲影響巖心原狀形態(tài)和采取率，而且易發(fā)生巖屑床和掉塊卡鉆，若巖心是近似平行于層理方向，鉆具卡取巖心更加困難。

目前取心技術主要有2種：繩索取心和提鉆取心。繩索取心鉆進技術因效率高在地質(zhì)巖心鉆探行業(yè)內(nèi)已廣泛應用，但是基于我國現(xiàn)有的管材規(guī)格、材質(zhì)、機加工精度及熱處理水平等實際情況，采用繩索取心技術完成的水平孔鉆探深度較淺，即使對繩索取心鉆具進行特殊設計，造斜后采取常規(guī)回轉鉆進取心也經(jīng)常會出現(xiàn)卡鉆、斷鉆桿、塌孔等孔內(nèi)事故，嚴重時甚至導致鉆孔報廢［24-28］。2020年1月4日四川省地礦局四〇二地質(zhì)隊在西南某隧道中采用常規(guī)回轉鉆進繩索取心工藝完成了903.28 m（75 mm口徑）水平繩索取心鉆孔，是目前繩索取心工藝水平孔的最深記錄。

采用繩索取心鉆進工藝進行水平孔施工其核心技術難點是解決定向鉆進在造斜鉆進時不能取心的缺陷，攻克定向造斜取心技術難題，在對鉆孔軌跡進行高精度控制的同時進行連續(xù)取心。該技術一直由挪威Devico公司壟斷，他們只提供技術服務，使用成本高，但因有其明顯的技術優(yōu)勢已在世界各地廣泛應用，在勘探領域完成的定向鉆探和定向取心重大工程達10余項。例如：新加坡海底油庫地質(zhì)勘探，以及美國、加拿大、中國香港隧道勘探或坑道鉆探均是采用該公司技術實施完成［10，29-30］。圖3為Devico定向取心巖心管示意圖。

圖3 Devico定向取心巖心管Fig.3 Devico directional core barrel

國內(nèi)對于小口徑定向造斜取心技術的研究起步較晚，早期部分研究僅局限于巖心定向（劃痕）技術，均未能實現(xiàn)造斜狀態(tài)下的連續(xù)取心功能［31-34］，直至2005年始至2014年，由中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所通過“具有取心和沖擊功能的定向鉆進系統(tǒng)的研究”、“小口徑定向造斜取心技術的研究”、“地質(zhì)勘查導向取心鉆孔技術示范”等地質(zhì)調(diào)查項目成果研制出與常規(guī)N規(guī)格繩索取心鉆探設備兼容同時具備定向造斜功能的繩索取心鉆具（造斜取心鉆具直徑73 mm，定向造斜孔徑76 mm），并對配套的定向造斜取心鉆探工藝進行了研究，取得了很好的研究成果，為打破國外壟斷奠定了良好的基礎。但由于項目調(diào)整的原因，該項技術的研究未能繼續(xù)，目前仍存在鉆進中鉆具磨損嚴重、易損件壽命短等問題，同時在設計上取心直徑僅為27 mm，鉆孔造斜率為0.1～0.5（°）/m，而國外同類產(chǎn)品的造斜率指標可達到0.67°/m。

目前水平孔提鉆取心技術多以短鉆程工具為主，同時亦存在長水平孔取心綜合鉆探效率低，在硬巖、致密類巖層和破碎巖層中鉆進效率低，鉆具穩(wěn)定性差、巖心采取率不足等問題。2020年5月30日，中科非開挖技術股份有限公司在烏尉高速天山勝利隧道項目采用提鉆取心技術于1900 m處獲取了博阿斷裂帶的少量巖心，終孔鉆進長度2271 m，是目前國內(nèi)2000～3000 m級水平勘察孔采用提鉆取心的最深記錄。

2.3 鉆孔軌跡控制技術

鉆孔軌跡控制技術是定向鉆進的關鍵技術。20世紀70年代后我國對地質(zhì)勘探孔受控定向鉆進技術進行了系統(tǒng)研究和開發(fā)，取得了突破性進展和多項研究成果［35-36］，自1974年中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所開始研究螺桿鉆具，80年代初研制成功，定名為“YL”螺桿鉆具并形成了系列產(chǎn)品，使我國定向鉆進技術上了一個新的臺階［37-39］。采用螺桿鉆具進行鉆孔軌跡控制的定向鉆進技術是在鉆進過程中通過隨鉆測量儀器實時監(jiān)測鉆孔參數(shù)和鉆具姿態(tài)信息來確定造斜方向，并利用螺桿鉆具使鉆孔軌跡按照設計要求延伸?？咨羁筛鶕?jù)鉆具累計長度獲得，鉆孔傾角和方位角可通過隨鉆測量系統(tǒng)測量獲得，在已知孔深、傾角和方位角的前提下計算得出鉆孔軌跡的空間姿態(tài)參數(shù)，并通過不斷調(diào)節(jié)工具面角，即螺桿馬達（單彎螺桿或可調(diào)彎螺桿）的彎外殼朝向（一般為0°～3°）來達到鉆孔軌跡受控定向鉆進延伸的目的。螺桿鉆具可將沖洗液壓力能轉換為機械能，當高壓液體進入鉆具時，迫使轉子在定子中轉動（定子和轉子組成了馬達），馬達產(chǎn)生的扭矩和轉速通過萬向軸傳遞到傳動軸和鉆頭回轉破碎巖石。圖4為螺桿鉆具結構示意圖。

圖4 螺桿鉆具結構示意Fig.4 Structure of PDM

2.4 隨鉆測量（MDW）/隨鉆測井（LWD）技術

隨鉆測量（MWD）/隨鉆測井（LWD）和先進的錄井工具是目前鉆井技術的重要組成部分，應用這些高新技術產(chǎn)品可提高大位移井、高難度水平井的工程控制能力和地層評價能力。MWD是在鉆井過程中進行井下信息實時測量和上傳的技術，其傳輸方式有有線、泥漿脈沖、電磁波、聲波和光纖4種，主要是測量井眼軌道參數(shù)即井斜角（α）和方位角（Ф）以及用井下動力鉆具滑動鉆進時的工具面角（ω），目前最常用的定向測量儀器為泥漿脈沖式無線隨鉆測量儀，具備鉆孔測量和鉆具定向雙重功能。LWD是在MWD基礎上發(fā)展起來的一種功能更齊全、結構更復雜的隨鉆測量系統(tǒng)，與MWD相比，LWD傳輸?shù)男畔⒏啵哂蠱WD的基本功能外，增加若干用于地層評價的參數(shù)傳感器，如補償雙側向電阻率、自然伽馬、方位、中子密度、聲波、補償中子密度等。

2.5 綜合測井技術

綜合測井技術是指通過井下專門的儀器，沿鉆井剖面測量巖層導電、聲學、放射性等特性的方法。該技術具有多任務能力，支持不同任務的同時處理，儀器組合能力強、精度高，可快速提高井場效率和評價能力［40］。可根據(jù)工程需要，選用多種測井組合序列對地層進行綜合評價，如裂縫評價、巖性評價、物性評價等。尤其對于復雜的地層，通過優(yōu)化測井系列，除常規(guī)測井外，按需選用巖性密度測井、交叉偶極測井、核磁共振測井、聲電成像測井等，可以準確對井眼進行成像并且能夠評價地層的微裂縫和巖石力學參數(shù)，以便更好地解決復雜地質(zhì)和工程難題。

3 水平定向勘察技術在深埋、長大隧道勘察中的適用性分析

截止目前地表垂直孔勘探仍然是國內(nèi)鐵路勘察中普遍采用的方法，但如遇高山、峽谷陡峻地形、河道等大型鉆探裝備難以到達隧道上方的地區(qū)，采用輕便鉆探裝備其勘探深度又達不到勘察要求的地區(qū)，則會導致隧道圍巖工程地質(zhì)情況不清，設計與實際地質(zhì)情況有一定差距，甚至嚴重不符，并且垂直勘探孔的有效鉆探進尺占總進尺的比例僅為13%［41-45］，用于真實反映隧道穿越區(qū)的圍巖地質(zhì)特性的信息量并不大。若采用水平定向勘察技術可在隧道傍山段、溝谷內(nèi)布設水平孔鉆至隧道洞身附近，并沿隧道設計軸線進行延伸，從而獲得詳細的隧道圍巖的地質(zhì)特征，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）可避免由大量布置垂直勘察孔封堵效果差對后期隧道施工階段帶來的人為鉆孔突涌水風險。

（2）采用鉆孔軌跡控制技術，可沿隧道設計軸線一定范圍內(nèi)進行鉆探，提高勘察精度，將垂直孔“點”勘察，優(yōu)化為水平孔“線”勘察。

（3）采用多工藝復合鉆進技術，可進行長距離水平鉆探，其裝備受地形和隧道埋深的影響相對于垂直孔要小，一次成孔即可獲取隧道洞身范圍的地質(zhì)信息，鉆孔利用率高。

（4）采用取心技術，可進行連續(xù)或間斷取心，可對節(jié)理、構造發(fā)育情況進行精確刻畫，對巖心進行基本物理測試后可詳細分析隧道沿線巖性的物理特性，為隧道圍巖分級提供確切的巖性參數(shù)。

（5）采用隨鉆探測技術，可對鉆進過程中的工程參數(shù)進行實時監(jiān)測，建立鉆進參數(shù)與圍巖的關聯(lián)模型，同時可實時獲取孔內(nèi)的溫度、水壓力、有害氣體等參數(shù)為隧道掘進施工提供數(shù)據(jù)支撐。

4 水平定向勘察技術的研究應用現(xiàn)狀及存在的問題

水平定向鉆進技術在鐵路勘察中的應用目前還存在如下問題：

（1）長距離水平定向鉆進，在高水壓、高地應力硬巖層、破碎巖層中鉆進施工效率低，施工周期長，還沒有形成完全適用于深埋、長大隧道勘察的水平定向勘察的裝備和技術；

（2）還沒有形成水平定向鉆進技術在工程勘察應用方面的技術規(guī)范，對鉆孔長度、孔徑、巖心直徑、巖心采取率、孔位的選擇等方面缺乏統(tǒng)一的標準；

（3）受隧道施工工藝限制，在掘進過程中無法采用水平定向鉆進技術在隧道掌子面正前方鉆探長距離超前地質(zhì)預報孔，同時無法對沿隧洞軸線平行的巖體結構面進行有效探測。

5 水平定向勘察技術展望

目前國內(nèi)采用定向鉆進技術和提鉆取心單次完成的隧道勘察終孔鉆進長度為2271 m，在技術和經(jīng)濟的合理性上距離高效、低成本完成長大隧道精細化勘察的要求有一定的差距，亟須在綜合對比分析單次不同長度水平定向鉆探的效率和成本的基礎上，對鉆探裝備、鉆進技術、取心技術以及隨鉆測量技術等方面進行系統(tǒng)的攻關。因此，為破解極艱險復雜山區(qū)等重大鐵路工程規(guī)劃建設長距離大深埋隧道勘察程度低、常規(guī)鉆探方法無法全面獲取沿設計軸線精細化多維地質(zhì)信息，當前定向鉆探技術與裝備無法完全適應長大隧道施工周期和經(jīng)濟性的難題，提高勘察精度和鉆探技術的智能化水平，超前探測與評價鐵路建設潛在的地質(zhì)安全風險，應從便捷、高效、精準獲取鐵路工程深部巖體工程地質(zhì)、巖體力學參數(shù)的關鍵技術與裝備研發(fā)入手，開展單次鉆探長度超3000 m的水平定向多工藝鉆進關鍵技術攻關與裝備研制，構建安全、高效、經(jīng)濟合理的水平定向勘察技術體系，主要包括以下幾個方面：

（1）研制3000 m級智能化、模塊化、多工藝水平定向鉆機；

（2）開展超長水平定向鉆進技術研究，針對不同工況，創(chuàng)新融合繩索取心鉆進及全面鉆進技術形成安全高效的超長水平孔多工藝復合鉆進技術；

（3）開展超長水平孔多工藝定向取心技術研發(fā)，實現(xiàn)在軌跡定向的同時進行連續(xù)取心作業(yè)；

（4）開展隨鉆測量技術研發(fā)，研制新型無線隨鉆測量儀和多功能探測短節(jié)及配套的數(shù)據(jù)高速傳輸技術，在實現(xiàn)鉆孔高精度測繪的同時，對近鉆頭孔內(nèi)地層參數(shù)進行實時采集和評價。

6 結語

（1）西南高山峽谷區(qū)是我國“十四五”期間重大交通工程建設的重點區(qū)域，規(guī)劃建設中的深埋、長大隧道數(shù)量多。采用水平定向勘察技術沿隧道設計軸線施工水平勘察孔可為隧道詳細勘察提供有效的手段，在未來必然會發(fā)揮重要的作用。

（2）如何將水平定向勘察技術更好地服務于重大鐵路工程建設，需要從國家需求層面出發(fā)，在“十四五”期間深化“產(chǎn)學研用”合作模式，充分發(fā)揮科研院所、高等院校、龍頭企業(yè)、典型用戶的互補優(yōu)勢，形成協(xié)同創(chuàng)新環(huán)境，攻關超3000 m的水平定向多工藝鉆進關鍵技術與裝備，構建安全、高效、經(jīng)濟合理的水平定向勘察技術體系。