我國是水平定向鉆裝備的最大生產(chǎn)國，行業(yè)集中度較高，低端市場產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，價格競爭較為激烈。隨著我國地下管網(wǎng)里程和投入增加，水平定向鉆進(jìn)的發(fā)展也面臨很多新的機遇和挑戰(zhàn)。
一、水平定向鉆裝備
水平定向鉆機
國內(nèi)鉆機不僅實現(xiàn)系列化、超大型化、個性化等，也緊緊跟蹤工程機械國際化發(fā)展趨勢，不斷研發(fā)出電動直驅(qū)、自動化、數(shù)字化等先進(jìn)鉆機。隨著我國大型和超大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)開工建設(shè)，為了解決穿越復(fù)雜地層、大口徑、超長距離等非開挖工程施工難題，先后開發(fā)了回拖能力超過千噸系列的1100t、1200t、1500t等鉆機，同時電氣化、自動化、智能化程度也有所提高。
鉆頭、鉆具與鉆桿
鉆頭與擴(kuò)孔器
水平定向鉆發(fā)展前期，大多在土層施工，因此多采用鉆機驅(qū)動導(dǎo)向板鉆頭實現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。在導(dǎo)向板鉆頭基礎(chǔ)上，發(fā)展了適用于相對較硬地層的鷹爪導(dǎo)向鉆頭，可通過左右擺動頂進(jìn)實現(xiàn)較硬地層的導(dǎo)向鉆進(jìn)。隨著水平定向鉆進(jìn)推廣應(yīng)用，硬巖水平定向鉆進(jìn)穿越工程越來越多，需克服碎巖慢、易阻卡等難題，巖石鉆進(jìn)的碎巖工具也日益多樣化，不僅研發(fā)了適用堅硬巖石鉆進(jìn)的雙回轉(zhuǎn)動力頭鉆機，為了提高硬地層的鉆進(jìn)效率，多采用螺桿鉆具驅(qū)動牙輪鉆頭/PDC鉆頭或采用潛孔錘鉆進(jìn)。
水平定向鉆鉆頭
擴(kuò)孔器多樣化，可根據(jù)地質(zhì)條件采用不同形式的擴(kuò)孔器及組合形式。適用于粉砂、黏土等軟地層輕量化擴(kuò)孔器研究也越來越多，利用“浮筒效應(yīng)”，既能切削，又能減輕擴(kuò)孔的“梨形”孔洞。
螺桿鉆具
螺桿鉆具的輸出轉(zhuǎn)速高，一般100~400 r/min，因此可以大幅提升鉆進(jìn)效率，已成為水平定向鉆的常規(guī)鉆具。適用于非開挖工程的螺桿鉆具，除了提高扭矩，還需要減少擴(kuò)孔次數(shù)，以保證井壁的穩(wěn)定性。為了提高常規(guī)螺桿鉆具的扭矩和功率，通常采用增加螺桿級數(shù)、優(yōu)化定轉(zhuǎn)子的頭數(shù)或采用等壁厚螺桿等技術(shù)措施，但增扭有限且弊端較多。針對增扭和減少擴(kuò)孔次數(shù)，研制了大口徑大扭矩組合螺桿鉆具，將多個獨立的螺桿鉆具組裝在一起，通過分流接頭將鉆井液均勻分配至各獨立螺桿鉆具，實現(xiàn)大扭矩輸出，避免了多次擴(kuò)孔施工，實現(xiàn)了一次鉆進(jìn)形成大口徑鉆孔。
大扭矩組合螺桿鉆具結(jié)構(gòu)示意圖
鉆桿
目前，我國HDD鉆桿產(chǎn)能居世界首位，并大量出口。水平定向鉆進(jìn)鉆桿鉆具技術(shù)日趨成熟，系列化、標(biāo)準(zhǔn)化日趨完善，輕質(zhì)鉆桿、高強度鈦合金鉆桿日漸成熟。為了實現(xiàn)隨鉆測量信號的傳輸，配套水平定向鉆向自動化、智能化升級，目前研制了雙通道鉆桿，由外管和中心纜等構(gòu)成，可實現(xiàn)隨鉆測量信號傳輸、螺桿馬達(dá)動力介質(zhì)傳輸及鉆機動力傳遞等功能，最大扭矩12kN·m，最大拉力732kN。
二、水平定向鉆技術(shù)進(jìn)展
水平定向鉆主要包括鉆孔軌跡測控、硬巖潛孔錘鉆進(jìn)、大口徑長距離水平定向鉆進(jìn)等集成應(yīng)用技術(shù)。其中導(dǎo)向孔鉆進(jìn)，可以借鑒成熟的資源鉆探領(lǐng)域的水平井理論技術(shù)。
1、軌跡控制技術(shù)
目前，軌跡控制主要分為滑動導(dǎo)向和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向兩類。水平定向鉆采用滑動導(dǎo)向，即回轉(zhuǎn)正常鉆進(jìn)，不回轉(zhuǎn)頂進(jìn)造斜，常用步行式導(dǎo)向鉆進(jìn)和彎螺桿定向鉆進(jìn)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向是資源鉆探領(lǐng)域新興導(dǎo)向技術(shù)，具有易調(diào)控、軌跡平滑、摩阻小、鉆速高等特點，是導(dǎo)向技術(shù)的發(fā)展方向。
2、步行式導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)
步行式導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)是由步行式導(dǎo)向儀實現(xiàn)鉆孔軌跡測量和導(dǎo)向，利用鉆機驅(qū)動斜掌導(dǎo)向鉆頭實現(xiàn)定向，是一種滑動導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)。鉆桿停止回轉(zhuǎn)并頂進(jìn)鉆頭時，鉆頭斜掌與土體接觸擠壓而受到徑向分力，開始造斜。
斜掌導(dǎo)向鉆頭造斜原理
導(dǎo)向儀有電磁導(dǎo)向和地磁導(dǎo)向2種。電磁導(dǎo)向主要由探頭、手持式接收儀和遙顯儀組成，向多頻、大深度、有線發(fā)展，其精度易受到高壓線、信號塔等因素干擾，無線傳輸長度受限，適合短距離穿越。地磁導(dǎo)向不易環(huán)境因素干擾，且不受長度限制，適合大型穿越工程，其研發(fā)側(cè)重于無線、光纖、陀螺等方向。
導(dǎo)向儀的研究重點集中在開展頻率優(yōu)化和糾偏以消除干擾，創(chuàng)新應(yīng)用新的測量方法，提高軌跡測量精度，增加探測深度等方面。目前，導(dǎo)向儀主要測量方式有TruTracker導(dǎo)向系統(tǒng)采用直流線圈輔助定位、ParaTrack導(dǎo)向系統(tǒng)采用交流線圈或磁靶輔助定位、GST陀螺導(dǎo)向系統(tǒng)陀螺儀定位。其中，GST陀螺導(dǎo)向系統(tǒng)，不受環(huán)境干擾，井斜測試精度0.01°，方位角測試精度0.04°。步行式導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)適用管徑400mm以內(nèi)，長度為400~500m的鋪管施工。
彎螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)
3、彎螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)
彎螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)是指采用牙輪鉆頭或PDC鉆頭+彎螺桿鉆具+隨鉆測量儀器(MWD)的滑動導(dǎo)向的鉆進(jìn)方式。其中，螺桿鉆具設(shè)置有彎接頭，分為固定角度的單彎螺桿鉆具和可調(diào)角度的螺桿鉆具；隨鉆測量儀器可實時測量井斜和方位角，并通過泥漿脈沖傳輸至地表。其定原理是鉆桿與彎螺桿鉆具同時轉(zhuǎn)動驅(qū)動鉆頭實現(xiàn)保持現(xiàn)有軌跡方向的復(fù)合鉆進(jìn)；調(diào)整工具面，保持鉆桿不轉(zhuǎn)，由螺桿鉆具驅(qū)動鉆頭實現(xiàn)改變軌跡的定向鉆進(jìn)。該技術(shù)多用于長跨越孔，適用范圍廣，在硬巖或礫石層中也可施工，采用隨鉆測量鉆孔軌跡，深度較淺時用步行式導(dǎo)航儀。適用管徑300一1500mm，施工長度500m以上。
4、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)
與滑動導(dǎo)向不同，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)可在鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時，隨鉆實時完成導(dǎo)向功能的一種導(dǎo)向式鉆井系統(tǒng)，具有阻力小、鉆速高、成本低、建井周期短、井眼軌跡平滑、易調(diào)控并可延長水平段長度等特點，甚至可以讓直徑0.2m的鉆頭在 0.7m的薄油層中橫向或斜向精準(zhǔn)制導(dǎo)，實現(xiàn)一趟鉆“橫向”移動1000m的長距離作業(yè)。現(xiàn)在比較成熟的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)有哈里伯頓的Geo-Pilot系統(tǒng)，貝克休斯的Au-toTrack系統(tǒng)和斯倫貝謝的PowerDrive系統(tǒng)。該技術(shù)對非開挖水平定向鉆也有重要的借鑒意義。
5、硬巖沖擊鉆進(jìn)技術(shù)
潛孔錘是一種針對硬巖研發(fā)的沖擊鉆進(jìn)工具，已經(jīng)逐步應(yīng)用于水平定向鉆施工。根據(jù)循環(huán)介質(zhì)可分液動潛孔錘和氣動潛孔錘。針對堅硬地層水平定向鉆進(jìn)技術(shù)難題，首次提出了將射流式液動沖擊鉆具配合螺桿馬達(dá)應(yīng)用于硬巖水平定向鉆井領(lǐng)域，研制具有大沖擊功、長使用壽命、高工作穩(wěn)定性的水平定向鉆用射流式液動沖擊鉆具，并開展沖擊鉆具工作原理分析及缸體前后腔壓力動態(tài)變化規(guī)律理論研究，設(shè)計了GSC-203型硬巖水平定向鉆用射流式液動沖擊鉆具。
6、大口徑、長距離水平定向鉆進(jìn)技術(shù)
應(yīng)用現(xiàn)狀
水平定向鉆進(jìn)長距離、大口徑鋪設(shè)工程越來越多，以及巖石和山體穿越工程，多采用對接導(dǎo)向技術(shù)，同時須克服超長距離粉砂、卵礫石等特殊地層，摩阻大、攜屑難、鉆桿抱死和折斷事故易發(fā)等施工難題，施工風(fēng)險極高。但是隨著水平定向鉆進(jìn)技術(shù)與工藝的不斷進(jìn)步和完善，水平定向鉆進(jìn)工程施工技術(shù)水平不斷得到提高，應(yīng)用場景越來越廣，HDD穿越世界紀(jì)錄不斷被打破。
例如，中國最長海域水平定向鉆穿越于2019年1月完成導(dǎo)向孔對接，穿越長度4060m；2023年，中俄東線天然氣管道工程(永清-上海)通過7次擴(kuò)孔，完成鉆孔直徑1850mm，長1558.16m的水平定向鉆工程施工。除此之外，國內(nèi)非開挖工程還體現(xiàn)出諸多新技術(shù)特征，包括水平定向鉆進(jìn)勘察取心、高落差多裂隙巖石地層定向鉆進(jìn)及對接、山體穿越陀螺儀十旋轉(zhuǎn)磁矩測量導(dǎo)向技術(shù)等。
雙向?qū)铀蕉ㄏ蜚@進(jìn)技術(shù)
為了解決長距離水平定向鉆進(jìn)時鉆桿屈曲變形、定向控制困難、托壓嚴(yán)重、鉆進(jìn)效率低等問題，采用雙向?qū)蛹夹g(shù)，即在人、出土點各安裝一臺鉆機，兩臺鉆機同時按設(shè)計穿越軌跡進(jìn)行導(dǎo)向孔施工，當(dāng)兩臺鉆機的鉆頭鉆進(jìn)至規(guī)定好的的對接區(qū)域內(nèi)時，由人土點鉆機的探頭感應(yīng)到出土點鉆機鉆頭發(fā)出的磁信號后，出土點鉆機逐漸回退，同時，人土點鉆機一邊感應(yīng)出土點鉆機發(fā)出的磁信號，一邊利用接收到的磁信號控制鉆進(jìn)方向，使之逐步向出土點鉆機已形成的導(dǎo)向孔平緩趨進(jìn)，直至沿出土點鉆機已完成的導(dǎo)向孔出土，完成整個導(dǎo)向孔施工。
雙向?qū)铀蕉ㄏ蜚@原理示意圖
大口徑水平定向鉆進(jìn)技術(shù)
大口徑HDD工程施工難度大，存在回拖力不足、管段浮力過大等難題，對鉆機能力、泥漿工藝和鉆具強度提出了更高的要求。針對回拖力不足，一方面通過托管架發(fā)送法與管溝發(fā)送法減小回拖阻力，另一方面提高泥漿潤滑性能，合理設(shè)置管道回拖參數(shù)，潤滑減阻。針對泥漿浮力使管段與孔頂部緊密貼合而產(chǎn)生較大的摩阻和擴(kuò)孔形成“鴨梨狀”斷面的鉆孔下部形成巖屑床產(chǎn)生的摩阻，采用管道內(nèi)充水配重，克服泥漿浮力，降低回拖力，研發(fā)了注水平衡技術(shù)。
7、管線探測技術(shù)
由于地下管線的材質(zhì)、規(guī)格及傳輸物質(zhì)各不相同，其物性與周圍介質(zhì)存在明顯差異，因此利用地球物理方法探測地下管線成為一種行之有效的技術(shù)，其中尤以探地雷達(dá)法、電磁法和人工地震法應(yīng)用最為普遍。
探地雷達(dá)工作時通過發(fā)射天線向地下發(fā)射系列高頻電磁波，當(dāng)電磁波向地下傳播時遇到金屬、塑料、土壤等不同導(dǎo)電性能的介質(zhì)時會發(fā)生不同程度的衰減和反射，根據(jù)接收的反射波到達(dá)時間、振幅相位、波長等信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖像分析來達(dá)到探測地下管線的目的。
電磁法主要包括電磁感應(yīng)法和高密度電阻率法。其中，高密度電阻率法和探地雷達(dá)法主要應(yīng)用于非金屬管線探測；而電磁感應(yīng)法則在金屬管線探測中獨樹一幟，例如在追蹤小口徑電力、通信電纜都能保證較高的精度。除此之外，以慣性陀螺儀定位法、聲學(xué)探測法和標(biāo)識法等為代表的非地球物理方法也飛快發(fā)展，成為新型管線探測技術(shù)的代表。
隨著勘探目標(biāo)要求的提高，二維剖面測量所能給出剖面上異常目標(biāo)的埋深、范圍等信息已不能滿足業(yè)界對探測目標(biāo)延伸走向、空間變化等詳細(xì)信息的要求，因此各種探測方法均向三維勘探迭代升級。如瑞典MALA公司、意大利IDS公司、美國三維雷達(dá)公司相繼推出了三維探地雷達(dá)系統(tǒng)；Bachrach和Tapan研究并評價了利用三維超淺層地震反射法實現(xiàn)對高分辨率近地表成像的有效性，證明近地表三維地震成像是一種速度快且效率高的物探方法，這在地下管線探測中具有巨大應(yīng)用潛力。
三、結(jié)語
在日漸飽和的行業(yè)形勢下，設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)堅持“走出去”戰(zhàn)略，加大出口設(shè)備出口。工程承包商，應(yīng)從專業(yè)技術(shù)人員的引人或培訓(xùn)人手，提質(zhì)增效；做好長距離、大口徑、硬巖等穿越工程和綠色工程所需要的技術(shù)儲備。另外，可積極向工程勘察、煤礦注漿等領(lǐng)域拓展業(yè)務(wù)。
網(wǎng)址：www.cscottphotography.com
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