胡郁樂，趙海濱*，2，姚震桐

（1.中國地質大學（武漢），湖北 武漢 430074；2.山東省第一地質礦產(chǎn)勘查院，山東 濟南 250007）

0 引言

我國坑道定向鉆進系統(tǒng)經(jīng)過40 多年的發(fā)展，實現(xiàn)了從常規(guī)回轉鉆進技術到穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進技術，再到目前普遍采用的隨鉆測量定向鉆進技術的跨越式發(fā)展，在坑道鉆機、鉆桿、鉆頭、螺桿鉆具和隨鉆測量系統(tǒng)、沖洗液循環(huán)凈化系統(tǒng)研制等方面取得了一系列成果?？拥蓝ㄏ蜚@進技術作為最直接、最有效的手段，在礦井災害防治、隱蔽致災地質因素探查和煤層氣資源開發(fā)等方面發(fā)揮著關鍵的作用［1-3］。

當前，國家推行的綠水青山政策驅動勘察工作向綠色勘探方向發(fā)展。隨著城市地鐵隧洞、鐵路隧道等工程建設的推進，水平定向孔勘探法作為一種新的勘探手段受到了廣泛的關注。相比于豎向孔施工，城市地質勘探和地鐵隧道勘探，如果采用“地上車水馬龍，地下暗渡陳倉”的水平鉆勘察方法，再結合地表物探和淺鉆方法，可以節(jié)省大量鉆探工作量，減少對城市的干擾［4-6］。而隨著川藏鐵路等重大工程項目的實施，高原及山區(qū)鐵路隧道建設新規(guī)劃也對勘察鉆探裝備及工藝提出了新的要求，如果把長距離軌跡可控的定向鉆進和取心鉆探技術相融合，對地質勘探和超前地質風險預報意義極大［7］。連續(xù)取心和超前探測可以提前勘察地層巖性情況和地質構造復雜情況，保證隧洞施工安全。小口徑定向鉆探技術在實現(xiàn)鉆孔軌跡靈活調整的同時，還可以查明地層巖性與斷層構造的空間分布［8-11］。取心后的鉆孔可以提供孔內(nèi)綜合原位測試（壓水試驗、物探聲波及錄像、變形試驗、地應力測試等）的通道，也可以是不良地質體的治理通道，如通過鉆孔可以進行灌漿和排水，以達到安全掘進的目的。此外，還可以避免鉆機遷移和安裝困難等問題，在一定程度上能避開環(huán)境脆弱帶敏感區(qū)，以保護自然環(huán)境。

近年來，水平定向鉆進技術與連續(xù)取心技術在地質勘察工程中的應用發(fā)展較好，如馬保松等在天山勝利隧道工程中采用水平定向鉆進技術進行地質勘察，鉆進長度為2271 m，在1003 m 和1900 m 兩處進行了分段取心［12］；中鐵二院在川藏鐵路格聶山隧道勘察中，采用超長繩索取心定向勘探模式，完成了孔深為1616.8 m 的水平孔全孔取心［13］；廣東水電勘測設計院在粵港澳大灣區(qū)獅子洋主航道地質勘察中采用水平孔勘察方案，完成了孔深為936.2 m 的多靶點定向取心作業(yè)［14］。這些工程實踐證明了水平定向勘察的可行性，這種新的勘察方法一方面通過一孔多分支方法，節(jié)省鉆探工作量，而且可以按設計鉆孔的軌跡對勘察區(qū)塊進行多維度地層信息采集；另一方面在地表復雜擁擠或鉆場條件有限的條件下減少征地或鉆機遷移造成的環(huán)境干擾，實現(xiàn)綠色勘探；同時，通過融合近水平孔孔內(nèi)的原位測試技術（含孔內(nèi)物探）可以取得不同穿越區(qū)域的水文地質和工程地質信息、物理力學、磁電反演信息等。但工程施工過程中也充分暴露了該技術的適應性不足的問題，如鉆機是簡單的借用或代用，動力頭轉速低、起下鉆效率低、取心質量低、孔內(nèi)測試手段不足、沒有可參考標準依據(jù)等，使得水平孔定向勘察技術優(yōu)勢沒有得到充分的發(fā)揮。

總的來看，目前國內(nèi)水平孔（井）鉆探技術在石油天然氣、頁巖氣、煤層氣等能源勘探與開采、非開挖管線鋪設、鹽鹵對接井以及煤礦坑道定向孔分支孔等鉆探工程中得到了大量的應用，但在地質取心勘探和隧洞工程超前探測方面應用仍較少。而煤礦井下坑道水平定向孔數(shù)量相比較其他行業(yè)處于高占比狀態(tài)，水平定向孔工作量最大，其技術研發(fā)投入和應用經(jīng)驗的積累具有明顯優(yōu)勢。以此為背景，依托坑道定向鉆進系統(tǒng)，進行適應性分析、定向工具和儀器、水平定向鉆探工藝以及超前探測等技術的研究很有必要。首先重要的工作程序是對坑道定向鉆探技術裝備的適應性改進升級，其次融合研究先進的水平定向鉆進工藝、復雜地層水平取心鉆探技術和孔內(nèi)測試方法（地層原位測試和超前勘探）等。

1 水平定向勘察的主要難點和技術要求

水平定向勘察技術就是定向鉆探技術、取心技術、孔內(nèi)信息測試技術的融合，采用定向工具、孔底動力和鉆具組合來達到“一孔多效”的勘察目標。主要強調軌跡的調控和連續(xù)取心，以取得實物巖心，并通過其他手段取得更多的地層信息資料。

地質勘察工程均鄰近地表，隧道、隧洞勘察目標地層相對較為復雜，復雜的造山帶地質運動，形成了多種地質不良體，地應力極其復雜，存在極高或高地應力地段，多面臨硬巖巖爆、軟巖大變形、高地溫、活動斷裂、超高壓富水、斷裂等不良地質問題，存在區(qū)域性大斷層組成的寬大擠壓構造帶等［15］。近年來，隨著大埋深隧道的增加，安全風險急劇增加，嚴重影響安全生產(chǎn)。在勘察階段，需查明滑坡、崩塌、巖堆、巖溶、膨脹性巖土、軟土、濕陷性黃土、泥石流、鹽漬土、泥沼、煤層、冰川、雪崩、凍土和流沙等不良地質和特殊地質現(xiàn)象，查明其成因、范圍、規(guī)模、水力聯(lián)系等問題以及對TBM 掘進施工可能產(chǎn)生的影響等；在深埋隧洞施工階段，TBM 在穿越斷層、破碎帶、巖溶發(fā)育區(qū)等不良地質時存在突涌水、塌方、卡機等災害事故的風險，導致TBM 掘進效率低下、工期延誤甚至TBM 機械損壞和人員傷亡，采用小口徑可變軌定向鉆可以提前鉆和提前探，在TBM 機前方超前探，為掘進施工提供安全保障。鉆遇地質不良體還可以通過鉆孔通道提前治理。

水平定向勘察強調了軌跡的設計、靶區(qū)的定位及軌跡的實時、精準調控。對鉆探裝備及工藝提出了新的需求，可以說，當前定向鉆探技術與裝備還無法滿足長大隧道水平勘察施工的要求。水平定向孔的主要難點問題及技術要求如下。

1.1 水平孔鉆進難點

軌跡為有曲率要求的近水平孔，孔內(nèi)沖洗液循環(huán)狀態(tài)變?yōu)樗綘顟B(tài)，鉆具與孔壁形成“偏心環(huán)空”，巖屑的浮力、切力和重力等受力條件變得更為復雜，排屑困難，孔內(nèi)常常堆積“巖屑床”，施加鉆壓困難，鉆孔摩阻力大，“托壓”現(xiàn)象嚴重，孔內(nèi)堆積易造成卡鉆事故，而且孔內(nèi)事故更加難以處理。鉆桿外壁和套管內(nèi)壁形成摩擦副，其研磨材料為巖屑，造成管具磨損嚴重。另外，在大曲率鉆孔中起下鉆時，鉆桿和套管底端很容易產(chǎn)生掛管現(xiàn)象或產(chǎn)生鍵槽卡鉆。

1.2 孔壁穩(wěn)定性問題

水平孔孔壁穩(wěn)定性較豎向孔差，工程勘察大多為第四系地層和風化、半風化巖。受地下水影響較大，受自然侵蝕或人工影響較大，孔壁穩(wěn)定問題尤為突出。在施工過程中涌水或漏失較為常見，尤其是富水地層的高壓水突涌現(xiàn)象。如隧洞穿越700 m 高的山峰，在富含水條件下，可能產(chǎn)生7 MPa 水壓，會對施工產(chǎn)生嚴重的影響。

1.3 水平定向鉆機

隧洞水平勘探工程面向的對象較為復雜，有堅硬完整地層，硬、脆、碎地層、斷層，空洞、漏失地層，水敏性或松散非固結地層等。因此，為保證取心率和提高鉆進效率，鉆進工藝方法的選擇很關鍵，如提鉆取心、繩索取心、孔底動力提鉆取心等。這就要求鉆機的工藝適應能力要強，既能適應高轉速的金剛石鉆進，也能適應低速大扭矩的復雜地層鉆進?，F(xiàn)有的坑道鉆機和非開挖定向鉆機都以低速大扭矩動力頭為主，在堅硬地層中回轉鉆進效率極低。

1.4 取心工具

勘察行業(yè)要求連續(xù)取心，對于水平孔，巖心更易受到處于水平狀態(tài)取心管的整體擾動，難以取得高質量保真巖心，因此，相對于常規(guī)取心鉆具，水平孔取心鉆具的結構設計需要有一定的針對性，以保證鉆具在水平狀態(tài)下的單動性能和內(nèi)外管同軸度。

定向鉆孔在強造斜段進行連續(xù)取心是難點問題。目前除瑞典DeviDrill 專用取心器外，國內(nèi)應用研究極少。

在水平孔進行巖心定向取心，可以獲取巖心的產(chǎn)狀信息，對工程地質勘察而言，巖心的原始產(chǎn)狀歸位是對地層信息的一個重要補充。因此，巖心定向技術在水平孔勘察中具有較好的應用價值。

對于繩索取心鉆具，雖然常用于深孔鉆進，但對于軌跡曲率變化頻繁且曲率大的水平定向鉆孔而言，需要慎重選擇。一方面繩索取心鉆桿為滿眼剛性鉆具，難以適應頻繁變軌和大曲率變軌要求，容易斷鉆桿，出現(xiàn)孔內(nèi)事故；另一方面繩索取心鉆桿壁厚薄，在水平孔中鉆桿和孔壁始終處于接觸狀態(tài)，在研磨性地層中鉆桿極易產(chǎn)生磨損破壞，發(fā)生斷裂；在受力方面，水平孔鉆桿始終處于受壓狀態(tài)，鉆桿和鉆桿絲扣處于非理想狀態(tài)，也極易產(chǎn)生破壞。加之繩索取心環(huán)隙小，泵壓高，對復雜地層撞擊擾動大，容易產(chǎn)生孔內(nèi)復雜情況。

1.5 定向儀器和信息傳輸方式

在小口徑定向鉆探中，由于鉆具直徑小，柔性大，曲率變化更加頻繁，對定向儀器的精度和測量實時性要求更高。特別是長距離鉆進的中靶精度要求高，如果要精確控制軌跡，必須依托先進的定向鉆進技術以及先進的設備、工具和儀器。

現(xiàn)階段，有線式測量系統(tǒng)需要配套價格昂貴的智能鉆桿或要有復雜的穿纜操作程序，其可靠性和性價比較差，另外，智能鉆桿由于內(nèi)腔的通纜結構占用沖洗液通道，其鉆桿直徑相對大，剛度也相對較大，不利于變軌。無線測量系統(tǒng)中，電磁波測量系統(tǒng)對地層比較敏感，其傳輸深度和距離目前有限；泥漿脈沖式無線測量系統(tǒng)現(xiàn)階段主要沿用石油鉆井儀器體系，其儀器尺寸長，泵量要求一般也大于6 L/s，不適應小口徑、小泵量、短尺寸儀器的水平勘察要求。

1.6 孔內(nèi)信息測試

在工程勘察超前探測鉆孔中，鉆孔必須滿足水平孔條件下的儀器下入和測試條件。其孔內(nèi)測試需求更多，對鉆孔孔壁的穩(wěn)定性要求極高，測試儀器要能“下得下去，取得出來”。目前，與超前探測相關的抽壓水試驗、孔內(nèi)電視、俯仰角、方位角測試、聲波地層成像相關的儀器和工具大多應用于豎向孔，水平孔的應用還需進行適應性的改進升級等。

2 坑道定向鉆進系統(tǒng)的適應性分析

坑道定向鉆進系統(tǒng)的主要面向對象是坑道和巷道鉆探施工，目標地層是煤系地層，鉆孔多處于頂?shù)装搴兔簩又?，地層相對單一，工藝上主要為全面鉆進，循環(huán)系統(tǒng)多采用往復泵，基本不回收循環(huán)沖洗液，相比較其他鉆探現(xiàn)場，為避免沖洗液固相對地層的傷害，一般采用清水或空氣作為沖洗介質。鉆機多為通孔式卡盤結構，以便于坑道鉆進中的加接鉆桿；鉆機和定向儀器系統(tǒng)有防爆和煤礦安全特殊要求；鉆桿主要采用API 標準，并以S135 及以上高鋼級材料為主，截面形狀多樣化，以有利于水平孔排渣。

總的來看，坑道定向鉆進系統(tǒng)用于隧洞水平勘探工程中，具有明顯的技術優(yōu)勢，但也需要進行一定的適應性改造。

2.1 鉆桿的設計與應用

坑道定向鉆進系統(tǒng)所匹配的鉆桿體系具有顯著優(yōu)勢。為了方便鉆屑顆粒的運移，坑道定向鉆進系統(tǒng)在傳統(tǒng)光面鉆桿的基礎上，研制了螺旋鉆桿、三棱鉆桿、刻槽鉆桿和各種異型截面的智能敷纜鉆桿［16］（見圖1）。由于這類鉆桿的外壁帶有螺旋、刻槽或三棱結構，鉆孔排渣時，除了能利用環(huán)空間隙中循環(huán)流動的沖洗液外，還能利用這些異型結構所產(chǎn)生的機械排渣作用?？拥蓝ㄏ蜚@進系統(tǒng)的鉆桿體系應用到水平定向勘察中，將大幅提高鉆孔排渣效率，減少“巖屑床”的產(chǎn)生。三棱鉆桿外壁過流面積大，其棱形結構在回轉時會產(chǎn)生渦流效應，將巖屑揚起［17］，避免堆積，其棱邊對巖屑有切割、壓碎作用，促進了巖屑的運移。螺旋和刻槽鉆桿利用了機械螺旋運輸?shù)脑恚?8］，鉆桿回轉時，刻槽與巖屑接觸，帶動巖屑向鉆孔外運動，結合循環(huán)沖洗液的作用，即使遇到塌孔也能向外排渣。智能敷纜鉆桿除了具有機械排渣作用外，還是孔內(nèi)和地面之間的信息傳遞通道，能實時傳輸軌跡信號，實現(xiàn)高效造斜。雖然鉆桿截面的變化會對鉆桿體的應力分布和強度產(chǎn)生一定的不利影響，引發(fā)對鉆桿柱安全性方面的憂慮，但是在坑道鉆探中，大扭矩、高強度的異型截面鉆桿已經(jīng)經(jīng)過了長期的實踐檢驗和優(yōu)化改進，異型截面鉆桿結合孔底動力工具，必將成為水平定向勘察行業(yè)的一種重要的工具補充。

圖1 螺旋刻槽通纜鉆桿Fig.1 Spiral drill rod with electric cable inside

2.2 水平勘探鉆機

坑道鉆機的設計理念就是滿足水平定向鉆孔的需求，目前的坑道鉆機主要以煤礦坑道鉆機為主，鉆機形式為全液壓動力頭式，其安全性標準、液壓部件的選型、加工精度要求以及模塊化水平均高于其他類型鉆機。鉆機能力上，不同于其他行業(yè)的鉆深和回拉力，煤礦坑道鉆機以扭矩為鉆機能力的標稱值，

如ZDY4000LD（C）型鉆機，其扭矩為4000 N·m，因為水平定向鉆探回轉阻力大，以其扭矩作為衡量標準是合理且符合實際的。根據(jù)鉆孔直徑和深度需要，目前我國的坑道鉆機已經(jīng)相繼開發(fā)了17000 N·m 和25000 N·m 大扭矩鉆機產(chǎn)品（見圖2）。

圖2 煤礦坑道定向鉆機Fig.2 Directional drilling rig in coal mine tunnel

由于坑道鉆機動力頭多為低轉速設計，在小口徑完整硬巖進行金剛石回轉取心鉆進時，其效率極低［19］，只有匹配孔底動力，如與螺桿馬達結合應用，兩者轉速相疊加才能逐步接近金剛石回轉鉆進應具備的轉速基本要求，但與理想的金剛石鉆進回轉線速度還有一定差距，其鉆進效率會受到嚴重影響，這也是該類型鉆機目前沒有被廣泛用于工程勘察的主要原因之一。另一個原因是取心鉆探需要頻繁起下鉆來獲取巖心，對鉆機的起下鉆效率提出了要求，然而由于坑道鉆機以全面鉆進為主，鉆機設計時不以起下鉆效率為主要目標，因此，水平孔取心鉆進的效率難以提高。長行程全液壓動力頭鉆機則適合于取心工況，長的給進行程能保障維持恒定的取心鉆進規(guī)程，避免了頻繁倒桿造成的巖心堵塞現(xiàn)象。全液壓鉆機的無級調速和無級改變泵量也均有利于取心作業(yè)［20］。第三個原因，多工藝鉆進通常用于巖心鉆探，以繩索取心為主的巖心鉆探工藝在深孔、完整硬巖中鉆進具有絕對優(yōu)勢，在斜孔、水平孔開孔段高效保直鉆進也很有優(yōu)勢，然而，由于坑道鉆機動力頭夾持器為通孔式結構，無法直接夾持薄壁繩索取心鉆桿，必須加上一根厚壁機上鉆桿來完成動力傳輸，此時鉆機的起下鉆掃孔功能就喪失殆盡，失去了抗風險的能力，另外鉆機還需配套相應的繩索取心絞車系統(tǒng)，完成繩索取心的工藝配套。

要完成高效鉆探取心作業(yè)和可變軌跡定向鉆探作業(yè)，水平勘探鉆機的功能基本要求為：大扭矩強給進能力、多工藝適應能力、高效鉆進能力、高效起下鉆和取心的能力，優(yōu)化的動力頭結構形式以及便于實現(xiàn)機械化、自動化和智能化等。

大扭矩強給進能力是指鉆機“大馬拉小車”，其鉆進能力強，具備應對孔內(nèi)復雜情況的能力。水平孔相比較豎向孔，鉆具和孔壁接觸面大，粘土巖中可能產(chǎn)生壓差粘附，加之排出巖粉困難，易形成巖屑床等，使得回轉磨阻力大。同時水平孔“托壓”現(xiàn)象比較常見，甚至加不上鉆壓，特別是在長距離復雜地層中進行定向鉆進，鉆機的大扭矩、強給進能力是發(fā)展趨勢。

多工藝適應能力是指鉆機既能實現(xiàn)地表動力頭高速回轉提鉆取心、孔底動力回轉提鉆取心、繩索取心、定向鉆進工藝及其他多工藝復合技術，又能實現(xiàn)工藝之間的方便轉換。如繩索取心和提鉆取心的相互轉換，施工單位可以根據(jù)工程設計要求以及施工效率和效益，能自主決策轉換。另外，設備應能實現(xiàn)多角度的復合定向鉆進，為實現(xiàn)“一基多孔、一孔多支、一孔多用”的綜合探測提供設備支撐。

高效鉆進能力主要指動力頭高、低速兼顧的能力，特別是硬巖取心鉆進中孕鑲金剛石鉆頭圓周線速度要求達到1.5～3 m/s，甚至更高，如果不采用孔底動力復合鉆進工藝和繩索取心工藝，低速動力頭無法滿足高速鉆進要求。在設備功率一定的條件下，大扭矩和高轉速不能兼顧，實踐上經(jīng)常采用變速器或多液壓馬達配套轉換方案來實現(xiàn)。

高效起下鉆和取心能力是指鉆機能滿足頻繁取心作業(yè)時所需的快速起下鉆要求，動力頭能快速實現(xiàn)倒桿和給進。由于鉆孔內(nèi)垮塌堆積和“巖屑床”堆積較為常見，在水平孔起下鉆具時，時常同步進行掃孔作業(yè)，因此動力頭快進、快退既能提高起下鉆效率，又能及時處理孔內(nèi)復雜情況。另外，繩索取心鉆進內(nèi)管總成打撈需要專門配套繩索取心絞車，才能實現(xiàn)快速打撈巖心。

優(yōu)化的動力頭結構是為了方便實現(xiàn)工藝轉換?？拥楞@機通常為通孔式卡盤結構，繩索取心鉆具和普通鉆具不能方便地實現(xiàn)轉換，動力頭法蘭式連接能方便實現(xiàn)各種鉆具的連接，為了使動力頭讓開孔口軸線，可采用側移式動力頭。建議動力頭內(nèi)部中軸采用空心結構，便于通纜水龍頭的連接，以便于鉆具轉換。近年來，一種雙動力頭復合定向鉆機問世，有望實現(xiàn)復雜地層的跟管定向鉆進［21］。

2.3 鉆具組合和取心工具

鉆具組合方面，坑道定向鉆進系統(tǒng)研發(fā)的小口徑孔底動力馬達及其使用經(jīng)驗值得推廣到水平勘探行業(yè)（如表1 所示）。小直徑直螺桿和彎螺桿在該行業(yè)應用非常廣泛，成為一種常規(guī)鉆具組合，通過復合鉆進、滑動鉆進等工藝提高鉆進效率和造斜效率。近年來為了滿足水平孔小口徑定向鉆進要求，還出現(xiàn)了小口徑螺桿鉆具、外螺旋小口徑螺桿鉆具等。

表1 小口徑螺桿馬達性能參數(shù)Table 1 Small diameter screw motor and its technological characteristics

在取心工具方面，礦山坑道鉆進還是以全面鉆進工藝為主，很少取心。取心工具的研究開發(fā)與應用以地質勘探行業(yè)見長，工程實踐中，繩索取心雖然在深孔條件取心占有一定優(yōu)勢，但應用于大曲率鉆孔安全風險極高。在此條件下，提鉆取心鉆具有技術適應性。地質勘探行業(yè)的單管鉆具、雙動雙管鉆具、單動雙管鉆具、三重半合管鉆具、內(nèi)管超前鉆具的研究與應用占有主導優(yōu)勢。在孔內(nèi)提效打快工具方面，小口徑孔內(nèi)沖擊器、孔底動力和高效鋒利鉆頭技術在地質勘探行業(yè)具備廣泛的應用基礎。

2.4 定向鉆進儀器

隨鉆測量MWD（Measurement While Drilling）系統(tǒng)是一種先進的技術手段，可以間斷或不間斷測量孔內(nèi)定向鉆進信息，并將信息即時傳送到孔口，可實時監(jiān)測傳輸傾角、方位、工具面向角等多項數(shù)據(jù)信息［22］（如圖3 所示）。隨鉆測井（LWD）（Logging While Drilling）除測量軌跡幾何參數(shù)外，還可以進行地層巖性和物性參數(shù)的測量，如隨鉆電阻率、自然伽馬聲波、溫度、隨鉆震動等，是水平勘探孔超前探測的主要儀器手段。目前坑道定向鉆進采用的儀器包括有線式礦用隨鉆測量系統(tǒng)、無線式礦用隨鉆測量系統(tǒng)以及泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)等［23］，可以完成地表水平定向工程勘察的基本要求。但是現(xiàn)有應用中，電磁波MWD 信號傳輸距離相對于深孔還十分有限，小泵量、小尺寸，特別是短長度（儀器長度不超過3 m）、低能耗的泥漿脈沖器還待研發(fā)出成熟的產(chǎn)品。

圖3 隨鉆測量系統(tǒng)主界面Fig.3 Main interface of the measuring system with drilling

2.5 鉆探信息化、自動化和智能化

設備信息化是實現(xiàn)鉆機機械化、自動化和智能化的基礎。信息大融合和數(shù)據(jù)挖掘是水平定向勘察未來發(fā)展的重點方向［24-25］。這些信息包括：鉆進中的過程參數(shù)、孔內(nèi)軌跡的幾何參數(shù)、原位測量的地層信息參數(shù)以及巖心、巖屑實物信息、地表物探信息、歷史鉆探資料和水文地質資料等。數(shù)據(jù)信息的大融合是實現(xiàn)智能化鉆進的必備條件。

這方面，地質巖心勘探和工程地質勘察的信息化進程相對滯后，鉆探行業(yè)的信息化要求是近幾年重點關注的問題。礦山行業(yè)研究較早，研究了遠程操控式鉆進系統(tǒng)，配套完善了鉆孔軌跡測量系統(tǒng)系列產(chǎn)品，鉆機參數(shù)的信息化程度也在逐步提升。石油鉆井行業(yè)由于鉆深大，設備廠家除配套了完備的測量和操控系統(tǒng)外，工程錄井、地質錄井、巖屑錄井也是鉆探信息化的重要補充。

工程勘察水平定向鉆進如何實現(xiàn)信息化需要探索。信息內(nèi)涵應該包括鉆機運行狀態(tài)與維保參數(shù)、鉆進規(guī)程參數(shù)、孔底軌跡和地層物性信息參數(shù)以及司鉆控制參數(shù)等。

鉆機運行狀態(tài)與維保參數(shù)以及鉆進規(guī)程參數(shù)包括主機電流、有功功率、關鍵部件的工作時長、維保狀態(tài)、系統(tǒng)液壓力、液壓油的油溫、油位、鉆進扭矩、回轉速度、泵量、泵壓、鉆壓、鉆速、鉆位、鉆桿應用歷史等?？椎仔畔ㄜ壽E參數(shù)，如俯仰角、方位角、工具面角等幾何參數(shù)以及孔底溫度、孔底振動、孔底馬達轉速、近鉆頭鉆壓等孔內(nèi)工程參數(shù)，以及地層電阻率、孔隙率、伽馬、巖石密度等地層物性參數(shù)。數(shù)據(jù)信息的路徑鏈為（見圖4）：信息經(jīng)過采集后進入近機工控系統(tǒng)進行處理與顯示，以指導鉆探作業(yè)和安全預警，同時通過5G wifi 或光纖、有線網(wǎng)傳送到服務器，再到達監(jiān)控中心和指揮中心等，以實現(xiàn)科學化管理。

圖4 工程勘察水平定向鉆機信息化Fig.4 Informatization of horizontal directional drilling rig in engineering investigation

2.6 系統(tǒng)的適用性

分析認為，坑道定向鉆進系統(tǒng)在鉆桿體系、鉆具組合和定向儀器等方面技術成熟，對水平定向勘察技術有很強的指導意義；坑道定向鉆機需要進行適應性改造；取心工具方面需要結合水平孔鉆進特點，借鑒地質勘探行業(yè)的復雜地層取心鉆具設計經(jīng)驗；鉆探信息化、自動化和智能化方面仍需要探索。

總的來看，目前基于水平定向鉆的地質勘察相關標準規(guī)范尚未制定。要構建安全、高效、精準的水平定向勘察技術體系，形成全面科學的評價標準。隧道水平勘探工程必須依托水平定向鉆進技術、取心勘察鉆探技術和孔內(nèi)原位測試技術，進行多行業(yè)、多種技術的融合與集成，必須提高勘察精度和鉆探技術的智能化水平，并開展水平定向勘察鉆進的關鍵技術與裝備的攻關研究。

3 結論

（1）依托水平定向鉆探技術、取心技術和測試技術的水平定向勘察方法將在城市地鐵隧洞、鐵路隧道等工程建設，特別是定向孔超前探測方面發(fā)揮重要作用。

（2）坑道定向鉆進系統(tǒng)在定向鉆進方面成熟度高，在鉆桿體系、定向儀器體系、鉆具組合上具有先進性，在地表水平定向勘察工程中也將占據(jù)主導地位，但需要根據(jù)小口徑水平孔取心的技術要求，進行適應性改造。

（3）水平勘探鉆機應具備的功能包括強規(guī)程大扭矩能力、多工藝適應能力、高效鉆進能力、高效起下鉆和取心的能力，優(yōu)化的動力頭結構形式，以及便于實現(xiàn)機械化、自動化和智能化等。

（4）工程勘察水平定向鉆機的信息化過程參數(shù)包括：鉆機運行狀態(tài)與維保參數(shù)、鉆進規(guī)程參數(shù)、孔底軌跡和地層物性信息參數(shù)以及司鉆控制參數(shù)等。