易坍塌地層雙管水平定向鉆進工藝研究

孔令镕， 王 瑜， 劉寶林， 王志喬， 賀 佳， 楊 博， 胡茂興

(1.中國地質(zhì)大學〈北京〉工程技術(shù)學院，北京 100083； 2.國土資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點實驗室，北京100083；3.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京 100083； 4.北京天順長城液壓科技有限公司，北京 100083)

0 引言

水平定向鉆進(horizontal directional drilling，HDD)是利用地面鉆機驅(qū)動井底鉆具進行導向鉆進和管線回拖的一種非開挖技術(shù)。與傳統(tǒng)開溝埋管相比，水平定向鉆進具有施工速度快，對地面破壞小，不會干擾已有管線正常使用等優(yōu)點[1]。

水平定向鉆進能在大多數(shù)地層中鋪設(shè)各種管線，但當遇到砂卵石、粉細砂等易坍塌地層時，常規(guī)單管鉆進技術(shù)已無法正常導向鉆進[2]。該類地層的主要特點是結(jié)構(gòu)松散、膠結(jié)度差、自穩(wěn)能力差、單塊巖石強度高，故在砂卵石地層中進行水平定向鉆進施工會有以下難題：第一，井壁穩(wěn)定性難題，當松散的砂卵石地層被鉆開后，在沖洗液沖刷和鉆具的擾動下孔壁極易發(fā)生坍塌；第二，導向難題，在軟硬交錯的砂卵石地層中用水平定向鉆進(HDD)技術(shù)鉆進，當遇到較大的漂石時鉆孔的方向難以控制；第三，碎巖難題，不同于在巖層中鉆進，在砂卵石地層中鉆進時，卵石顆粒并不會被鉆頭破碎而是會隨著鉆頭一起轉(zhuǎn)動，這會導致地面?zhèn)鱽淼哪芰坎荒苡行У赜糜谄扑閹r石[3-9]。

在常規(guī)的單鉆桿水平定向的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的雙管水平定向鉆進技術(shù)能很好地解決以上難題。雙管水平定向鉆進系統(tǒng)是由雙動力頭鉆機驅(qū)動雙層鉆桿以相反的方向回轉(zhuǎn)，內(nèi)鉆桿可連續(xù)鉆進，而外鉆桿可進行定向造斜和充當套管。

1 雙管水平定向鉆進研究現(xiàn)狀

1.1 雙管水平定向鉆進造斜原理

水平定向鉆進所用的鉆頭通常設(shè)計成斜面狀且不對稱(如圖1所示)，斜面所承受的力包括鉆機推力(P)和地層阻力(F、q)，而后者又可由垂直和平行于斜面的兩個力表示。其中，垂直于斜面的分力被鉆機推力抵消。由于鉆機推力分力大于地層阻力，最終合成沿斜面方向的造斜力，在造斜力的作用下使鉆孔朝著造斜力的方向偏轉(zhuǎn)[10-11]。

圖1 水平定向鉆進鉆頭造斜機理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the deflecting mechanismof horizontal directional drilling bits

與常規(guī)水平定向鉆進造斜原理相同，但雙管導向鉆進時使用的是雙壁鉆桿，雙壁鉆桿通過導向短節(jié)和鉆頭相連，該導向短節(jié)帶有造斜面，能保證鉆進過程中外管和鉆頭同時旋轉(zhuǎn)時鉆桿軸線和鉆頭軸線產(chǎn)生的造斜力對鉆進方向沒有影響，即此時鉆孔為直孔；當只有鉆頭旋轉(zhuǎn)時，造斜力驅(qū)使鉆頭同水平方向呈一定角度鉆進，即此時為定向造斜過程。鉆進時，鉆頭埋深、鉆孔傾斜角和造斜工具角等參數(shù)通過井底探棒發(fā)送到地面接收機，從而讓司鉆及時調(diào)整造斜工具角，使軌跡按預定方向鉆進[12]。

圖2 雙管水平定向鉆進造斜示意圖Fig.2 Deflecting schematic of dual rod horizontal directional drilling

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對雙管水平定向鉆進的理論研究比較少，一些水平定向鉆機生產(chǎn)企業(yè)通過實踐開發(fā)出了部分產(chǎn)品，歸納如下。

(1)美國溝神(Ditch Witch )公司。

20世紀90年代，美國Ditch Witch公司研發(fā)了一套能用于巖石地層導向鉆進的雙管水平定向鉆進系統(tǒng)，經(jīng)過不斷改進現(xiàn)已發(fā)展了AT系列(JT2720 AT和JT4020 AT)鉆機，已被廣泛地用于巖層、砂卵石層非開挖鋪管。其核心部件雙管導向短節(jié)結(jié)構(gòu)如圖3所示[13]。

圖3 Ditch Witch公司導向節(jié)結(jié)構(gòu)[13]Fig.3 The structure of the Ditch Witch’s guide section

導向節(jié)由內(nèi)軸和外管組成，內(nèi)軸通過前后軸承偏置懸掛于外管內(nèi)，從而使內(nèi)、外管軸線成一定角度相交。主要優(yōu)點有：(1)長度比較短，造斜時曲率半徑小，能縮短軌跡長度；(2)造斜工具面靠近鉆頭，有利于及時調(diào)整鉆進方向；(3)地層適應(yīng)性好，造斜工具面通過螺紋固定在外管上，根據(jù)不同的地層可更換不同能力的工具[14]。

(2)無錫中地公司。

該公司開發(fā)的雙管水平定向鉆進系統(tǒng)由雙回轉(zhuǎn)動力頭鉆機，雙層鉆桿，彎接頭雙管導向節(jié)和三牙輪鉆頭組成。其最大的特點是在于外鉆桿接頭處設(shè)置有臺階剛好能卡住內(nèi)鉆桿的接頭，從而使內(nèi)鉆桿只能從外鉆桿的一側(cè)插入。雙鉆桿連接方式如圖4所示，外鉆桿用螺紋連接，內(nèi)鉆桿用六方插接，內(nèi)外鉆桿可同時連接。

圖4 無錫中地公司雙鉆桿接頭實物圖Fig.4 The joints of the dual rod produced by Wuxi Zhongdi company

導向節(jié)分為3段，從左至右第一段為懸掛段，用軸承將內(nèi)桿懸掛在外管上；第二段為彎接頭段，通過調(diào)整彎接頭的方向來調(diào)節(jié)鉆孔軌跡；第三段為探棒倉段，在該段開有容納探棒的倉室。該導向節(jié)是利用第一段與第二段之間的彎接頭進行造斜，彎接頭的角度為1.5°～1.75°。

該系統(tǒng)的優(yōu)點是鉆桿連接方便，同時連接內(nèi)、外鉆桿，能減少輔助時間。但是存在以下的不足：(1)導向節(jié)長度過長，導致造斜段曲率半徑增大；(2)內(nèi)外鉆桿不能在軸向發(fā)生相對運動，內(nèi)外鉆桿必須同時給進或回拖；(3)內(nèi)鉆桿接頭為六方插接式接頭處水口小，這會導致沖洗液流量小。

(3)深圳鉆通公司。

該公司的雙管水平定向鉆進技術(shù)與無錫中地公司的導向節(jié)基本相同，整個導向節(jié)分為3段，只是將探棒倉向前移動。與無錫中地公司的導向節(jié)相比探棒更靠近鉆頭，在鉆進時探測的數(shù)據(jù)更準確。參見圖5。

圖5 深圳鉆通公司導向節(jié)實物圖Fig.5 DRILLTO Company’s guide section

通過分析發(fā)現(xiàn)國內(nèi)雙管水平定向鉆進系統(tǒng)存在的主要問題在于鉆桿連接方式和導向節(jié)結(jié)構(gòu)過長，針對這些問題開發(fā)出了一套新型的雙管水平定向鉆進系統(tǒng)。

2 新型雙管水平定向鉆進系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

雙管導向鉆進系統(tǒng)由3部分組成：動力部分、探測部分和變向部分。

2.1.1 動力部分

系統(tǒng)動力部分是天順長城公司研制的雙回轉(zhuǎn)動力頭水平定向鉆機，為鉆進提供扭矩、鉆壓和回拖力。鉆機實物如圖6所示，各項參數(shù)如表1所示。

圖6 雙回轉(zhuǎn)動力頭水平定向鉆機Fig.6 Horizontal directional drilling rig with dual-rotary power head

名 稱單 位參數(shù)發(fā)動機功率kW194發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速r/min2100動力頭最大輸出扭矩kN·m28動力頭最高轉(zhuǎn)速r/min80最大給進力kN520最大回拖力kN520給進/回拖速度m/min0～10單次最大給進行程m6.5

鉆機通過齒輪齒條機構(gòu)施加鉆壓和回拖力，圖7是該水平定向鉆機的齒輪齒條給進系統(tǒng)實物圖，4個同步液壓齒輪馬達驅(qū)動載有動力頭的小車沿鉆機大梁軸線移動實現(xiàn)給進和回拖。

圖7 雙回轉(zhuǎn)動力頭水平定向鉆機齒輪齒條給進系統(tǒng)Fig.7 Rack and pinion feeding system of the horizontal directional drilling rig with dual-rotary power head

2.1.2 探測部分

探測部分由井底探棒、地面接收機和遠程顯示器組成，本系統(tǒng)選用的是DCI公司獵鷹F2導向儀(如圖8所示)。工作時，探棒安置在井底雙管導向節(jié)的探棒倉中，能夠?qū)⒕讌?shù)通過低頻電磁波發(fā)送到地面，通過手持接收機可跟蹤井底探棒的軌跡，從而預測鉆進方向，同時可將工具面方位角和鉆孔傾角等參數(shù)傳送到遠程顯示器上。

圖8 DCI公司獵鷹F2導向儀實物圖Fig.8 DigiTrak F2TM locator system

2.1.3 變向部分

變向部分主要是指雙管導向節(jié)，可通過控制外鉆桿的旋轉(zhuǎn)與否來控制造斜，具體為：當內(nèi)外鉆桿同時旋轉(zhuǎn)時，鉆孔為直線；外鉆桿只給進不回轉(zhuǎn)時，鉆孔會朝著造斜工具面的180°方向偏轉(zhuǎn)。

2.2 井底鉆具組合

井底鉆具主要包括鉆頭、導向節(jié)和鉆桿，外鉆桿主要用來使內(nèi)鉆桿和濾水管從其中間穿過，由于現(xiàn)有的雙管導向鉆進系統(tǒng)無法達到這個目的，因此，通過進行設(shè)計和選型采用以下組合方式：?165 mm三牙輪鉆頭+?150 mm雙管導向節(jié)+?144 mm繩索取心外鉆桿+?83 mm非開挖鉆桿。

2.2.1 鉆頭

水平定向鉆進常用的鉆頭種類繁多(如圖9所示)，且不同類型的鉆頭地層適應(yīng)性不同：鴨掌式和鴨掌式單牙輪鉆頭雖然都具有造斜能力，但前者在軟土地層鉆進效果更好而后者更適用于風化地層；雙牙輪和三牙輪鉆頭均不具備造斜能力，雙牙輪鉆頭可用于較硬地層鉆進，而三牙輪鉆頭無論地層如何均具有較高的鉆進效率；硬巖鉆頭雖具有造斜能力但鉆進效率極低，通常應(yīng)用于巖層導向鉆進；鷹爪式鉆頭主要應(yīng)用小直徑硬質(zhì)地層導向鉆進。

圖9水平定向鉆進常用的各式鉆頭
Fig.9Varioustypesofbitsusedforhorizontaldirectionaldrilling

通過以上比較分析，擬采用三牙輪鉆頭進行本次鉆進試驗。該類型鉆頭由牙掌、牙輪、軸承、鎖緊元件、儲油密封裝置、噴嘴裝置等20多種零部件組成(如圖10所示)。按照密封裝置的不同可將其分為橡膠密封鉆頭和金屬密封鉆頭，前者造價較低，但密封效果不好并且容易導致軸承磨損；后者憑借其優(yōu)良的耐磨和耐高溫性能很好地避免了上述問題，但其造價較高。結(jié)合地層條件和使用壽命，本次試驗選用?165 mm金屬密封三牙輪鉆頭作為雙管導向系統(tǒng)的鉆頭，并擴大了鉆頭水口以適應(yīng)反循環(huán)排渣的需要。

2.2.2 導向節(jié)

導向節(jié)起到導向鉆進的作用，在本次試驗中需具備以下5方面的要求：(1)為防止鉆進過程出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，導向節(jié)桿體直徑應(yīng)小于鉆頭直徑；(2)為減小鉆進軌跡的曲率半徑，導向節(jié)的長度應(yīng)盡量短；(3)為避免穿過豎井護筒后鉆頭在懸空時出現(xiàn)下墜，導向節(jié)的質(zhì)量應(yīng)盡可能小；(4)為保證鉆進結(jié)束之后順利鋪設(shè)濾水管，導向節(jié)應(yīng)能在鉆進時牢固連接雙鉆桿，之后可輕易拆卸；(5)為通過電磁探棒實時了解鉆進軌跡，導向節(jié)需能儲存探棒，并且在具有良好密封效果的同時保留不妨礙電磁波傳輸?shù)耐ǖ馈?/p>

圖10 三牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure of the tricone bit

雙管導向節(jié)分為彎接頭式和直桿式。如圖11所示，彎接頭式導向節(jié)一般較長，因此適合需要較大曲率半徑的造斜鉆進且造斜過程比較穩(wěn)定。

圖11 彎接頭導向節(jié)Fig.11 Bent sub type guide section

自主開發(fā)一款直桿式導向節(jié)(圖12是設(shè)計圖)，靠軸承偏置和造斜工具面來提供造斜力，整體長度比較短，造斜時曲率半徑也較小。曲率半徑越小，造斜能力就越強，所以在可能的條件下盡可能的選用直桿式導向節(jié)。

2.2.3 鉆桿

1-轉(zhuǎn)換接頭；2-軸承擋圈；3-調(diào)心軸承；4-探棒倉；5-弧形支撐；6-異徑接頭；7-內(nèi)軸；8-外管；9-造斜工具面；10-軸承座

圖12直桿式導向節(jié)設(shè)計圖
Fig.12Straightcasingtypeguidesection

鉆進過程中，鉆桿主要起到3個方面的作用：(1)傳遞鉆壓和扭矩；(2)為沖洗液提供循環(huán)通道；(3)充當套管。

采用雙管鉆進時，若采用反循環(huán)鉆進并能順利回拖濾水管則內(nèi)外鉆桿需同時滿足以下3個要求：(1)內(nèi)鉆桿的最大外壁直徑小于外鉆桿的最小內(nèi)壁直徑；(2)外鉆桿內(nèi)壁平整光滑且接頭部分不能縮徑；(3)鉆桿抗拉強度高。根據(jù)以上要求，分別設(shè)計了內(nèi)鉆桿和外鉆桿，具體參數(shù)見表2。

表2 內(nèi)外鉆桿參數(shù)Table 2 Parameters of inner and outer drill pipe

3 沖洗液循環(huán)優(yōu)化設(shè)計

粉細砂和砂卵石地層沉積時間短、埋深淺，沒有經(jīng)歷成巖作用，是典型的不穩(wěn)定地層。在其中鉆進時井壁自穩(wěn)能力差，極易坍塌造成卡鉆、埋鉆等事故。卵石顆粒之間只充填有砂粒，沒有膠結(jié)物充填，鉆進時沖洗液把砂粒帶走后將增大卵石之間的間隙。一般用于維護巖石地層井壁穩(wěn)定的方法都不適用于此地層，現(xiàn)在常用的方法是用跟管鉆進，用外鉆桿充當套管。在粉細砂、砂卵石等不穩(wěn)定地層中鉆進時，影響鉆孔穩(wěn)定的因素除了地層自身特性外，鉆具與井壁之間的摩擦、沖洗液對井壁的沖刷都是不可忽略的。鉆具與井壁之間的摩擦可通過優(yōu)化鉆具級配和施加合適的鉆壓來減輕，可優(yōu)化沖洗液的循環(huán)通道來減小沖洗液對井壁的沖刷作用。

如圖13所示，雙管導向鉆進時共有3個沖洗液流動通道，分別是：外鉆桿與井壁之間的環(huán)空、內(nèi)外鉆桿之間的環(huán)空和內(nèi)鉆桿中心孔。各通道的尺寸分別為：外鉆桿與井壁之間的環(huán)空間隙為25.35 mm，面積為11121.6 mm2；內(nèi)外鉆桿之間的環(huán)空間隙為9.25mm，面積為2680.7mm2；內(nèi)鉆桿中心孔直徑為30 mm，面積為3318.3 mm2。對比發(fā)現(xiàn)外鉆桿與井壁之間環(huán)空面積最大，其次是內(nèi)鉆桿中心孔，內(nèi)外鉆桿環(huán)空的面積最小。在考慮正反循環(huán)的情況下一共有6種循環(huán)模式，如表3和圖14所示。

圖13 雙管導向鉆進時循環(huán)通道示意圖Fig.13 Diagram of circulation channel in dual rod guided drilling

通過對比6種循環(huán)模式發(fā)現(xiàn)，只有兩種情況下外鉆桿和井壁環(huán)空中的沖洗液是沒有流動的，分別是第2種“中心孔-內(nèi)外鉆桿環(huán)空循環(huán)”和第3種“內(nèi)外鉆桿環(huán)空-中心孔循環(huán)”。這兩種循環(huán)模式可以理解為中心孔和內(nèi)外鉆桿環(huán)空的正反循環(huán)，“中心孔-內(nèi)外鉆桿環(huán)空循環(huán)”是正循環(huán)，而“內(nèi)外鉆桿環(huán)空-中心孔循環(huán)”是反循環(huán)。進一步比較兩種循環(huán)模式可以發(fā)現(xiàn)：內(nèi)外鉆桿環(huán)空的截面為不規(guī)則的圓環(huán)，而內(nèi)鉆桿中心孔的截面為規(guī)則的等直徑的圓。規(guī)則的圓截面有利于井底鉆屑的排出，所以雙管導向鉆進選擇了第2種“中心孔-內(nèi)外鉆桿環(huán)空循環(huán)”的循環(huán)模式。

表3 6種循環(huán)模式Table 3 Six circulation patterns

圖14 6種循環(huán)模式示意圖Fig.14 Schematic diagrams of six circulation patterns

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 場地介紹

試驗的地點選擇在山東省東營市河口區(qū)孤島鎮(zhèn)，位于山東省北部的黃河三角洲地區(qū)。試驗地土壤為濱海鹽化潮土，上層是現(xiàn)代河流砂、壤質(zhì)沉積物，下層是海相沉積鹽漬母質(zhì)，地下水水位高，土壤自穩(wěn)性極差。圖15顯示的是在現(xiàn)場試鉆一個直徑為2 m水坑隨時間變化的狀況，從圖中可看出地層在鉆開1 h后就已經(jīng)坍塌很嚴重，當5 h后已經(jīng)完全坍塌，而被地下水灌滿。

圖15場地試鉆坑隨時間變化圖
Fig.15Changingchartoftestpitsovertimeatsite

4.2 工程概況

為降低土壤中的鹽堿，需要修建一口輻射半徑為50 m的輻射井，該井的覆蓋面積為7854 m2。試驗地埋深4 m以淺的地下水為淡咸水可用于灌溉，超過4 m的地下水含鹽量比較高無法使用，所以本次輻射孔設(shè)置在3～4 m的深度。輻射管選用的是外徑為75 mm，厚度為4.5 mm的高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，HDPE)管，輻射管通過水平定向鉆進的方法鋪設(shè)到地層中。由于濾水管直徑較小且包裹在外表面的土工布容易被劃破，所以采用在外鉆桿內(nèi)回拖的方式鋪設(shè)。

4.3 試驗過程

在開始鉆進前，需要對HDPE管打孔和套土工布，購買的HDPE管是盤狀，一盤長度為100 m。在管道上按5 cm的間隔布置有直徑為10 mm的濾水孔，再在其外表套有一層尼龍材質(zhì)的土工布(如圖16所示)。

在做好準備工作后就可以開始鉆進，由于地層較軟且埋深淺，所以從入土點就開始造斜，水平鉆進10 m后達到預定深度且鉆進方向呈水平。鉆進到距豎井3 m時停泵，當穿過豎井后再開泵。穿過豎井后鉆進20 m就開始反向造斜，當導向節(jié)完全露出地面后，將其擰卸下來。將濾水管與內(nèi)鉆桿固定，通過內(nèi)鉆桿將其回拖到外鉆桿中。當內(nèi)鉆桿已完全從地層中抽出后，濾水管也已鋪設(shè)到位了，最后再起拔外鉆桿，就完成了兩個輻射管的鋪設(shè)，施工過程如圖17所示。

通過本次現(xiàn)場應(yīng)用驗證了雙管水平定向鉆進系統(tǒng)能正常工作，同時也創(chuàng)新了粉細砂地層鋪設(shè)小直徑管道的方法。通過3次鉆進完成了6個輻射孔的施工，并且保證了濾水管外包裹的土工布是完好的。

圖16 濾水管處理圖Fig.16 Processing of the filter pipe

5 結(jié)論

(1)開發(fā)出了一套適用于不穩(wěn)定地層的雙管水平定向鉆進系統(tǒng)，包括雙回轉(zhuǎn)動力頭鉆機、雙壁鉆桿、雙管導向節(jié)和三牙輪鉆頭。

(2)在對比分析了6種循環(huán)模式后，發(fā)現(xiàn)“內(nèi)外鉆桿環(huán)空-中心孔循環(huán)”模式時井壁與外鉆桿間沖洗液流速最小且排渣通道為規(guī)則的圓形截面，所以該循環(huán)模式在能有效維護井壁穩(wěn)定的情況下最有利于巖屑的排除。

(3)通過現(xiàn)場試驗驗證了雙管水平定向鉆進系統(tǒng)能夠在粉細砂這樣的不穩(wěn)定地層中完成管道鋪設(shè)。

圖17 輻射孔施工過程Fig.17 The construction process of the radial hole