坑道定向鉆進(jìn)系統(tǒng)在隧洞水平勘探工程中的適應(yīng)性分析

胡郁樂(lè)，趙海濱*，2，姚震桐

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），湖北 武漢 430074；2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250007）

0 引言

我國(guó)坑道定向鉆進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)40 多年的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了從常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)到穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)，再到目前普遍采用的隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)的跨越式發(fā)展，在坑道鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭、螺桿鉆具和隨鉆測(cè)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。坑道定向鉆進(jìn)技術(shù)作為最直接、最有效的手段，在礦井災(zāi)害防治、隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素探查和煤層氣資源開發(fā)等方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用［1-3］。

當(dāng)前，國(guó)家推行的綠水青山政策驅(qū)動(dòng)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(shè)的推進(jìn)，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(guān)注。相比于豎向孔施工，城市地質(zhì)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(cāng)”的水平鉆勘察方法，再結(jié)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(duì)城市的干擾［4-6］。而隨著川藏鐵路等重大工程項(xiàng)目的實(shí)施，高原及山區(qū)鐵路隧道建設(shè)新規(guī)劃也對(duì)勘察鉆探裝備及工藝提出了新的要求，如果把長(zhǎng)距離軌跡可控的定向鉆進(jìn)和取心鉆探技術(shù)相融合，對(duì)地質(zhì)勘探和超前地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)意義極大［7］。連續(xù)取心和超前探測(cè)可以提前勘察地層巖性情況和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜情況，保證隧洞施工安全。小口徑定向鉆探技術(shù)在實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡靈活調(diào)整的同時(shí)，還可以查明地層巖性與斷層構(gòu)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(cè)試（壓水試驗(yàn)、物探聲波及錄像、變形試驗(yàn)、地應(yīng)力測(cè)試等）的通道，也可以是不良地質(zhì)體的治理通道，如通過(guò)鉆孔可以進(jìn)行灌漿和排水，以達(dá)到安全掘進(jìn)的目的。此外，還可以避免鉆機(jī)遷移和安裝困難等問(wèn)題，在一定程度上能避開環(huán)境脆弱帶敏感區(qū)，以保護(hù)自然環(huán)境。

近年來(lái)，水平定向鉆進(jìn)技術(shù)與連續(xù)取心技術(shù)在地質(zhì)勘察工程中的應(yīng)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(jìn)技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)勘察，鉆進(jìn)長(zhǎng)度為2271 m，在1003 m 和1900 m 兩處進(jìn)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(zhǎng)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(cè)設(shè)計(jì)院在粵港澳大灣區(qū)獅子洋主航道地質(zhì)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(diǎn)定向取心作業(yè)［14］。這些工程實(shí)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(guò)一孔多分支方法，節(jié)省鉆探工作量，而且可以按設(shè)計(jì)鉆孔的軌跡對(duì)勘察區(qū)塊進(jìn)行多維度地層信息采集；另一方面在地表復(fù)雜擁擠或鉆場(chǎng)條件有限的條件下減少征地或鉆機(jī)遷移造成的環(huán)境干擾，實(shí)現(xiàn)綠色勘探；同時(shí)，通過(guò)融合近水平孔孔內(nèi)的原位測(cè)試技術(shù)（含孔內(nèi)物探）可以取得不同穿越區(qū)域的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)信息、物理力學(xué)、磁電反演信息等。但工程施工過(guò)程中也充分暴露了該技術(shù)的適應(yīng)性不足的問(wèn)題，如鉆機(jī)是簡(jiǎn)單的借用或代用，動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速低、起下鉆效率低、取心質(zhì)量低、孔內(nèi)測(cè)試手段不足、沒(méi)有可參考標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)等，使得水平孔定向勘察技術(shù)優(yōu)勢(shì)沒(méi)有得到充分的發(fā)揮。

總的來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)水平孔（井）鉆探技術(shù)在石油天然氣、頁(yè)巖氣、煤層氣等能源勘探與開采、非開挖管線鋪設(shè)、鹽鹵對(duì)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(yīng)用，但在地質(zhì)取心勘探和隧洞工程超前探測(cè)方面應(yīng)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(shù)研發(fā)投入和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累具有明顯優(yōu)勢(shì)。以此為背景，依托坑道定向鉆進(jìn)系統(tǒng)，進(jìn)行適應(yīng)性分析、定向工具和儀器、水平定向鉆探工藝以及超前探測(cè)等技術(shù)的研究很有必要。首先重要的工作程序是對(duì)坑道定向鉆探技術(shù)裝備的適應(yīng)性改進(jìn)升級(jí)，其次融合研究先進(jìn)的水平定向鉆進(jìn)工藝、復(fù)雜地層水平取心鉆探技術(shù)和孔內(nèi)測(cè)試方法（地層原位測(cè)試和超前勘探）等。

1 水平定向勘察的主要難點(diǎn)和技術(shù)要求

水平定向勘察技術(shù)就是定向鉆探技術(shù)、取心技術(shù)、孔內(nèi)信息測(cè)試技術(shù)的融合，采用定向工具、孔底動(dòng)力和鉆具組合來(lái)達(dá)到“一孔多效”的勘察目標(biāo)。主要強(qiáng)調(diào)軌跡的調(diào)控和連續(xù)取心，以取得實(shí)物巖心，并通過(guò)其他手段取得更多的地層信息資料。

地質(zhì)勘察工程均鄰近地表，隧道、隧洞勘察目標(biāo)地層相對(duì)較為復(fù)雜，復(fù)雜的造山帶地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，形成了多種地質(zhì)不良體，地應(yīng)力極其復(fù)雜，存在極高或高地應(yīng)力地段，多面臨硬巖巖爆、軟巖大變形、高地溫、活動(dòng)斷裂、超高壓富水、斷裂等不良地質(zhì)問(wèn)題，存在區(qū)域性大斷層組成的寬大擠壓構(gòu)造帶等［15］。近年來(lái)，隨著大埋深隧道的增加，安全風(fēng)險(xiǎn)急劇增加，嚴(yán)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(zhì)和特殊地質(zhì)現(xiàn)象，查明其成因、范圍、規(guī)模、水力聯(lián)系等問(wèn)題以及對(duì)TBM 掘進(jìn)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(zhì)時(shí)存在突涌水、塌方、卡機(jī)等災(zāi)害事故的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致TBM 掘進(jìn)效率低下、工期延誤甚至TBM 機(jī)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(jī)前方超前探，為掘進(jìn)施工提供安全保障。鉆遇地質(zhì)不良體還可以通過(guò)鉆孔通道提前治理。

水平定向勘察強(qiáng)調(diào)了軌跡的設(shè)計(jì)、靶區(qū)的定位及軌跡的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)調(diào)控。對(duì)鉆探裝備及工藝提出了新的需求，可以說(shuō)，當(dāng)前定向鉆探技術(shù)與裝備還無(wú)法滿足長(zhǎng)大隧道水平勘察施工的要求。水平定向孔的主要難點(diǎn)問(wèn)題及技術(shù)要求如下。

1.1 水平孔鉆進(jìn)難點(diǎn)

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(fù)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(yán)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(yán)重。另外，在大曲率鉆孔中起下鉆時(shí)，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(wèn)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(fēng)化、半風(fēng)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(wèn)題尤為突出。在施工過(guò)程中涌水或漏失較為常見(jiàn)，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(huì)對(duì)施工產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

1.3 水平定向鉆機(jī)

隧洞水平勘探工程面向的對(duì)象較為復(fù)雜，有堅(jiān)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(jié)地層等。因此，為保證取心率和提高鉆進(jìn)效率，鉆進(jìn)工藝方法的選擇很關(guān)鍵，如提鉆取心、繩索取心、孔底動(dòng)力提鉆取心等。這就要求鉆機(jī)的工藝適應(yīng)能力要強(qiáng)，既能適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的金剛石鉆進(jìn)，也能適應(yīng)低速大扭矩的復(fù)雜地層鉆進(jìn)。現(xiàn)有的坑道鉆機(jī)和非開挖定向鉆機(jī)都以低速大扭矩動(dòng)力頭為主，在堅(jiān)硬地層中回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)效率極低。

1.4 取心工具

勘察行業(yè)要求連續(xù)取心，對(duì)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(dòng)，難以取得高質(zhì)量保真巖心，因此，相對(duì)于常規(guī)取心鉆具，水平孔取心鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要有一定的針對(duì)性，以保證鉆具在水平狀態(tài)下的單動(dòng)性能和內(nèi)外管同軸度。

定向鉆孔在強(qiáng)造斜段進(jìn)行連續(xù)取心是難點(diǎn)問(wèn)題。目前除瑞典DeviDrill 專用取心器外，國(guó)內(nèi)應(yīng)用研究極少。

在水平孔進(jìn)行巖心定向取心，可以獲取巖心的產(chǎn)狀信息，對(duì)工程地質(zhì)勘察而言，巖心的原始產(chǎn)狀歸位是對(duì)地層信息的一個(gè)重要補(bǔ)充。因此，巖心定向技術(shù)在水平孔勘察中具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)于繩索取心鉆具，雖然常用于深孔鉆進(jìn)，但對(duì)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(yīng)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(duì)復(fù)雜地層撞擊擾動(dòng)大，容易產(chǎn)生孔內(nèi)復(fù)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(duì)定向儀器的精度和測(cè)量實(shí)時(shí)性要求更高。特別是長(zhǎng)距離鉆進(jìn)的中靶精度要求高，如果要精確控制軌跡，必須依托先進(jìn)的定向鉆進(jìn)技術(shù)以及先進(jìn)的設(shè)備、工具和儀器。

現(xiàn)階段，有線式測(cè)量系統(tǒng)需要配套價(jià)格昂貴的智能鉆桿或要有復(fù)雜的穿纜操作程序，其可靠性和性價(jià)比較差，另外，智能鉆桿由于內(nèi)腔的通纜結(jié)構(gòu)占用沖洗液通道，其鉆桿直徑相對(duì)大，剛度也相對(duì)較大，不利于變軌。無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)中，電磁波測(cè)量系統(tǒng)對(duì)地層比較敏感，其傳輸深度和距離目前有限；泥漿脈沖式無(wú)線測(cè)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(zhǎng)，泵量要求一般也大于6 L/s，不適應(yīng)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(cè)試

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

2 坑道定向鉆進(jìn)系統(tǒng)的適應(yīng)性分析

坑道定向鉆進(jìn)系統(tǒng)的主要面向?qū)ο笫强拥篮拖锏楞@探施工，目標(biāo)地層是煤系地層，鉆孔多處于頂?shù)装搴兔簩又校貙酉鄬?duì)單一，工藝上主要為全面鉆進(jìn)，循環(huán)系統(tǒng)多采用往復(fù)泵，基本不回收循環(huán)沖洗液，相比較其他鉆探現(xiàn)場(chǎng)，為避免沖洗液固相對(duì)地層的傷害，一般采用清水或空氣作為沖洗介質(zhì)。鉆機(jī)多為通孔式卡盤結(jié)構(gòu)，以便于坑道鉆進(jìn)中的加接鉆桿；鉆機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，并以S135 及以上高鋼級(jí)材料為主，截面形狀多樣化，以有利于水平孔排渣。

總的來(lái)看，坑道定向鉆進(jìn)系統(tǒng)用于隧洞水平勘探工程中，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但也需要進(jìn)行一定的適應(yīng)性改造。

2.1 鉆桿的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

坑道定向鉆進(jìn)系統(tǒng)所匹配的鉆桿體系具有顯著優(yōu)勢(shì)。為了方便鉆屑顆粒的運(yùn)移，坑道定向鉆進(jìn)系統(tǒng)在傳統(tǒng)光面鉆桿的基礎(chǔ)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(jiàn)圖1）。由于這類鉆桿的外壁帶有螺旋、刻槽或三棱結(jié)構(gòu)，鉆孔排渣時(shí)，除了能利用環(huán)空間隙中循環(huán)流動(dòng)的沖洗液外，還能利用這些異型結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的機(jī)械排渣作用?？拥蓝ㄏ蜚@進(jìn)系統(tǒng)的鉆桿體系應(yīng)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(guò)流面積大，其棱形結(jié)構(gòu)在回轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，將巖屑揚(yáng)起［17］，避免堆積，其棱邊對(duì)巖屑有切割、壓碎作用，促進(jìn)了巖屑的運(yùn)移。螺旋和刻槽鉆桿利用了機(jī)械螺旋運(yùn)輸?shù)脑恚?8］，鉆桿回轉(zhuǎn)時(shí)，刻槽與巖屑接觸，帶動(dòng)巖屑向鉆孔外運(yùn)動(dòng)，結(jié)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(jī)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(shí)時(shí)傳輸軌跡信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高效造斜。雖然鉆桿截面的變化會(huì)對(duì)鉆桿體的應(yīng)力分布和強(qiáng)度產(chǎn)生一定的不利影響，引發(fā)對(duì)鉆桿柱安全性方面的憂慮，但是在坑道鉆探中，大扭矩、高強(qiáng)度的異型截面鉆桿已經(jīng)經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的實(shí)踐檢驗(yàn)和優(yōu)化改進(jìn)，異型截面鉆桿結(jié)合孔底動(dòng)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(bǔ)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(jī)

坑道鉆機(jī)的設(shè)計(jì)理念就是滿足水平定向鉆孔的需求，目前的坑道鉆機(jī)主要以煤礦坑道鉆機(jī)為主，鉆機(jī)形式為全液壓動(dòng)力頭式，其安全性標(biāo)準(zhǔn)、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(jī)。鉆機(jī)能力上，不同于其他行業(yè)的鉆深和回拉力，煤礦坑道鉆機(jī)以扭矩為鉆機(jī)能力的標(biāo)稱值，

如ZDY4000LD（C）型鉆機(jī)，其扭矩為4000 N·m，因?yàn)樗蕉ㄏ蜚@探回轉(zhuǎn)阻力大，以其扭矩作為衡量標(biāo)準(zhǔn)是合理且符合實(shí)際的。根據(jù)鉆孔直徑和深度需要，目前我國(guó)的坑道鉆機(jī)已經(jīng)相繼開發(fā)了17000 N·m 和25000 N·m 大扭矩鉆機(jī)產(chǎn)品（見(jiàn)圖2）。

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

由于坑道鉆機(jī)動(dòng)力頭多為低轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，在小口徑完整硬巖進(jìn)行金剛石回轉(zhuǎn)取心鉆進(jìn)時(shí)，其效率極低［19］，只有匹配孔底動(dòng)力，如與螺桿馬達(dá)結(jié)合應(yīng)用，兩者轉(zhuǎn)速相疊加才能逐步接近金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)應(yīng)具備的轉(zhuǎn)速基本要求，但與理想的金剛石鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)線速度還有一定差距，其鉆進(jìn)效率會(huì)受到嚴(yán)重影響，這也是該類型鉆機(jī)目前沒(méi)有被廣泛用于工程勘察的主要原因之一。另一個(gè)原因是取心鉆探需要頻繁起下鉆來(lái)獲取巖心，對(duì)鉆機(jī)的起下鉆效率提出了要求，然而由于坑道鉆機(jī)以全面鉆進(jìn)為主，鉆機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)不以起下鉆效率為主要目標(biāo)，因此，水平孔取心鉆進(jìn)的效率難以提高。長(zhǎng)行程全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)則適合于取心工況，長(zhǎng)的給進(jìn)行程能保障維持恒定的取心鉆進(jìn)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(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速和無(wú)級(jí)改變泵量也均有利于取心作業(yè)［20］。第三個(gè)原因，多工藝鉆進(jìn)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(jìn)具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，在斜孔、水平孔開孔段高效保直鉆進(jìn)也很有優(yōu)勢(shì)，然而，由于坑道鉆機(jī)動(dòng)力頭夾持器為通孔式結(jié)構(gòu)，無(wú)法直接夾持薄壁繩索取心鉆桿，必須加上一根厚壁機(jī)上鉆桿來(lái)完成動(dòng)力傳輸，此時(shí)鉆機(jī)的起下鉆掃孔功能就喪失殆盡，失去了抗風(fēng)險(xiǎn)的能力，另外鉆機(jī)還需配套相應(yīng)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(jī)的功能基本要求為：大扭矩強(qiáng)給進(jìn)能力、多工藝適應(yīng)能力、高效鉆進(jìn)能力、高效起下鉆和取心的能力，優(yōu)化的動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)形式以及便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化等。

大扭矩強(qiáng)給進(jìn)能力是指鉆機(jī)“大馬拉小車”，其鉆進(jìn)能力強(qiáng)，具備應(yīng)對(duì)孔內(nèi)復(fù)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(zhuǎn)磨阻力大。同時(shí)水平孔“托壓”現(xiàn)象比較常見(jiàn)，甚至加不上鉆壓，特別是在長(zhǎng)距離復(fù)雜地層中進(jìn)行定向鉆進(jìn)，鉆機(jī)的大扭矩、強(qiáng)給進(jìn)能力是發(fā)展趨勢(shì)。

多工藝適應(yīng)能力是指鉆機(jī)既能實(shí)現(xiàn)地表動(dòng)力頭高速回轉(zhuǎn)提鉆取心、孔底動(dòng)力回轉(zhuǎn)提鉆取心、繩索取心、定向鉆進(jìn)工藝及其他多工藝復(fù)合技術(shù)，又能實(shí)現(xiàn)工藝之間的方便轉(zhuǎn)換。如繩索取心和提鉆取心的相互轉(zhuǎn)換，施工單位可以根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求以及施工效率和效益，能自主決策轉(zhuǎn)換。另外，設(shè)備應(yīng)能實(shí)現(xiàn)多角度的復(fù)合定向鉆進(jìn)，為實(shí)現(xiàn)“一基多孔、一孔多支、一孔多用”的綜合探測(cè)提供設(shè)備支撐。

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

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

優(yōu)化的動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)是為了方便實(shí)現(xiàn)工藝轉(zhuǎn)換?？拥楞@機(jī)通常為通孔式卡盤結(jié)構(gòu)，繩索取心鉆具和普通鉆具不能方便地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，動(dòng)力頭法蘭式連接能方便實(shí)現(xiàn)各種鉆具的連接，為了使動(dòng)力頭讓開孔口軸線，可采用側(cè)移式動(dòng)力頭。建議動(dòng)力頭內(nèi)部中軸采用空心結(jié)構(gòu)，便于通纜水龍頭的連接，以便于鉆具轉(zhuǎn)換。近年來(lái)，一種雙動(dòng)力頭復(fù)合定向鉆機(jī)問(wèn)世，有望實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地層的跟管定向鉆進(jìn)［21］。

2.3 鉆具組合和取心工具

鉆具組合方面，坑道定向鉆進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)的小口徑孔底動(dòng)力馬達(dá)及其使用經(jīng)驗(yàn)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(yīng)用非常廣泛，成為一種常規(guī)鉆具組合，通過(guò)復(fù)合鉆進(jìn)、滑動(dòng)鉆進(jìn)等工藝提高鉆進(jìn)效率和造斜效率。近年來(lái)為了滿足水平孔小口徑定向鉆進(jìn)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(dá)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(jìn)還是以全面鉆進(jìn)工藝為主，很少取心。取心工具的研究開發(fā)與應(yīng)用以地質(zhì)勘探行業(yè)見(jiàn)長(zhǎng)，工程實(shí)踐中，繩索取心雖然在深孔條件取心占有一定優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)用于大曲率鉆孔安全風(fēng)險(xiǎn)極高。在此條件下，提鉆取心鉆具有技術(shù)適應(yīng)性。地質(zhì)勘探行業(yè)的單管鉆具、雙動(dòng)雙管鉆具、單動(dòng)雙管鉆具、三重半合管鉆具、內(nèi)管超前鉆具的研究與應(yīng)用占有主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)。在孔內(nèi)提效打快工具方面，小口徑孔內(nèi)沖擊器、孔底動(dòng)力和高效鋒利鉆頭技術(shù)在地質(zhì)勘探行業(yè)具備廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。

2.4 定向鉆進(jìn)儀器

隨鉆測(cè)量MWD（Measurement While Drilling）系統(tǒng)是一種先進(jìn)的技術(shù)手段，可以間斷或不間斷測(cè)量孔內(nèi)定向鉆進(jìn)信息，并將信息即時(shí)傳送到孔口，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳輸傾角、方位、工具面向角等多項(xiàng)數(shù)據(jù)信息［22］（如圖3 所示）。隨鉆測(cè)井（LWD）（Logging While Drilling）除測(cè)量軌跡幾何參數(shù)外，還可以進(jìn)行地層巖性和物性參數(shù)的測(cè)量，如隨鉆電阻率、自然伽馬聲波、溫度、隨鉆震動(dòng)等，是水平勘探孔超前探測(cè)的主要儀器手段。目前坑道定向鉆進(jìn)采用的儀器包括有線式礦用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、無(wú)線式礦用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)以及泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)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(yīng)用中，電磁波MWD 信號(hào)傳輸距離相對(duì)于深孔還十分有限，小泵量、小尺寸，特別是短長(zhǎng)度（儀器長(zhǎng)度不超過(guò)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(cè)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(dòng)化和智能化

設(shè)備信息化是實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化的基礎(chǔ)。信息大融合和數(shù)據(jù)挖掘是水平定向勘察未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向［24-25］。這些信息包括：鉆進(jìn)中的過(guò)程參數(shù)、孔內(nèi)軌跡的幾何參數(shù)、原位測(cè)量的地層信息參數(shù)以及巖心、巖屑實(shí)物信息、地表物探信息、歷史鉆探資料和水文地質(zhì)資料等。數(shù)據(jù)信息的大融合是實(shí)現(xiàn)智能化鉆進(jìn)的必備條件。

這方面，地質(zhì)巖心勘探和工程地質(zhì)勘察的信息化進(jìn)程相對(duì)滯后，鉆探行業(yè)的信息化要求是近幾年重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。礦山行業(yè)研究較早，研究了遠(yuǎn)程操控式鉆進(jìn)系統(tǒng)，配套完善了鉆孔軌跡測(cè)量系統(tǒng)系列產(chǎn)品，鉆機(jī)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(shè)備廠家除配套了完備的測(cè)量和操控系統(tǒng)外，工程錄井、地質(zhì)錄井、巖屑錄井也是鉆探信息化的重要補(bǔ)充。

工程勘察水平定向鉆進(jìn)如何實(shí)現(xiàn)信息化需要探索。信息內(nèi)涵應(yīng)該包括鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與維保參數(shù)、鉆進(jìn)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(jī)運(yùn)行狀態(tài)與維保參數(shù)以及鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)包括主機(jī)電流、有功功率、關(guān)鍵部件的工作時(shí)長(zhǎng)、維保狀態(tài)、系統(tǒng)液壓力、液壓油的油溫、油位、鉆進(jìn)扭矩、回轉(zhuǎn)速度、泵量、泵壓、鉆壓、鉆速、鉆位、鉆桿應(yīng)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(dòng)、孔底馬達(dá)轉(zhuǎn)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(jiàn)圖4）：信息經(jīng)過(guò)采集后進(jìn)入近機(jī)工控系統(tǒng)進(jìn)行處理與顯示，以指導(dǎo)鉆探作業(yè)和安全預(yù)警，同時(shí)通過(guò)5G wifi 或光纖、有線網(wǎng)傳送到服務(wù)器，再到達(dá)監(jiān)控中心和指揮中心等，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理。

圖4 工程勘察水平定向鉆機(jī)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(rèn)為，坑道定向鉆進(jìn)系統(tǒng)在鉆桿體系、鉆具組合和定向儀器等方面技術(shù)成熟，對(duì)水平定向勘察技術(shù)有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義；坑道定向鉆機(jī)需要進(jìn)行適應(yīng)性改造；取心工具方面需要結(jié)合水平孔鉆進(jìn)特點(diǎn)，借鑒地質(zhì)勘探行業(yè)的復(fù)雜地層取心鉆具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；鉆探信息化、自動(dòng)化和智能化方面仍需要探索。

總的來(lái)看，目前基于水平定向鉆的地質(zhì)勘察相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚未制定。要構(gòu)建安全、高效、精準(zhǔn)的水平定向勘察技術(shù)體系，形成全面科學(xué)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。隧道水平勘探工程必須依托水平定向鉆進(jìn)技術(shù)、取心勘察鉆探技術(shù)和孔內(nèi)原位測(cè)試技術(shù)，進(jìn)行多行業(yè)、多種技術(shù)的融合與集成，必須提高勘察精度和鉆探技術(shù)的智能化水平，并開展水平定向勘察鉆進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)與裝備的攻關(guān)研究。

3 結(jié)論

（1）依托水平定向鉆探技術(shù)、取心技術(shù)和測(cè)試技術(shù)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(shè)，特別是定向孔超前探測(cè)方面發(fā)揮重要作用。

（2）坑道定向鉆進(jìn)系統(tǒng)在定向鉆進(jìn)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(jìn)性，在地表水平定向勘察工程中也將占據(jù)主導(dǎo)地位，但需要根據(jù)小口徑水平孔取心的技術(shù)要求，進(jìn)行適應(yīng)性改造。

（3）水平勘探鉆機(jī)應(yīng)具備的功能包括強(qiáng)規(guī)程大扭矩能力、多工藝適應(yīng)能力、高效鉆進(jìn)能力、高效起下鉆和取心的能力，優(yōu)化的動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)形式，以及便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化等。

（4）工程勘察水平定向鉆機(jī)的信息化過(guò)程參數(shù)包括：鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與維保參數(shù)、鉆進(jìn)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。