定向钻探
Directional drilling technologys
应用背景
川藏铁路雅安至林芝段新建正线长度约1 011 km，新建车站24座（不含雅安站、林芝站），分布隧道72座长约838 km，占线路长度约83%，线路经过的地面最大高程约5200 m，隧道最大埋深超过2000 m，最大长度达46.25 km；桥梁87座长约114 km，占线路长度约11%；路基长约59 km，占线路长度约6%。
受强烈的新构造运动影响，高地应力大变形及岩爆、活动断裂及高烈度地震、高地温及高温热水等隧道工程地质问题极为突出，超长深埋极复杂隧道勘察是全线工程勘察的重点和难点，而地质钻探又是制约川藏铁路地质勘察的瓶颈。深孔勘探采用超深定向钻探技术能够克服地形困难，弥补陡倾岩层竖向钻探技术的缺点，能够直接模拟隧道施工阶段洞身前沿隧道地质情况，改变过去垂直“点”勘察为“线”勘察，提高勘察效率，为隧道勘察设计施工提出合理建议。
钻探装备与器具
钻机必须具备足够的动力，以处理在钻进断层、软弱夹层、破碎带、节理发育层可能出现的垮孔、卡钻和抱钻等孔内事故。
钻具、仪器等应能够在钻杆内被水力输送。基本原理是：输入高压泥浆，由于密封部件的作用，泥浆无法与井下泥浆液连通，则在泥浆泵的作用下，被输送的钻具的上端形成高压腔，下端相对是个低压腔，形成一定的压差，在压力的作用下输送固定机构被送到孔底。
钻探技术与工艺
钻孔防斜与测斜工艺
为防止钻孔偏斜，主要采用以下技术：1）固定钻机，把好开孔关。2）加长粗径钻具，以刚保直。3）减小环空间隙，以满保直。4）换径导向钻具防斜。5）合适的钻进参数。6）采用大直径钻杆防斜，钻杆直径越大，刚性好，防斜效果越好。7）取心钻头选用高胎体、胎体硬度低的钻头。8）必须保证孔内钻具的刚度和垂直度，不得将弯曲的钻具下入孔内。9）在500 m 以上的位置，每50 m 测斜一次，并将结果记录在班报表上。
涌水封隔导流工艺
为解决涌水问题，主要采用以下技术：1）水泥固井工艺。2）套管封隔工艺。3）优化钻头尺寸，减小钻杆与孔壁间的环空间隙，保持孔壁相对稳定。4）根据钻头与地层适应性分析，优选金刚石钻头。5）优选高压泵，平衡孔内涌水压力。6）孔口分离导流。
超长绳索取心定向勘探模式
根据高原高寒高山峡谷地区铁路的地形地貌、地质构造、地层岩性产状，查明隧道洞身情况和地质勘察目的，开展超长水平定向钻探、斜向定向钻探和仰斜定向钻探3种勘探模式研究，构建高山峡谷地区隧道勘察设计特殊地质因子，获取地质新模型。
超长水平定向钻探
针对铁路隧道洞口山坡陡峭，钻机难以搬迁到山顶；或临近环境敏感区，不允许进入钻探施工，且洞口地质构造复杂，岩层产状陡倾的情况，为查明洞口复杂地质构造情况，可采用超深水平定向钻探。
超长斜向定向钻探
当隧道埋深较深，山高坡陡，钻机无法到达隧道顶部，竖向钻探难以实施，或洞身地质构造复杂，岩层产状陡倾，为查明洞身复杂地质构造情况，可在半山腰上开挖平台，采用下斜向定向钻探，揭穿隧道洞身地质结构。
超长仰斜定向钻探
当隧道洞口地势陡峭，钻机无法到达隧道洞口；洞口地质构造复杂，岩层较陡，产状反倾时，可采用上仰斜定向钻探，揭露隧道洞身情况。
示范工程
2019年1月17日，川藏铁路第1 个全孔取心水平孔在康定2 号隧道完成，终孔深度230.21 m；
2019年6月12日，郭达山隧道进口水平孔取得突破，全孔取心钻进深度达到637.65 m，终孔直径75 mm；
2020 年1月4日，迎金山一号隧道全孔取心水平孔又取得新的突破，深度达到903.28 m，终孔直径75 mm；
2020 年8月25日，中国铁路史上第1 个全孔取心上仰孔在宝灵山隧道诞生，孔深335.7m；
2020年8月27日，在格聂山隧道进口诞生全孔取心水平孔深度新纪录，达到1616.8 m，终孔直径75 mm，月进尺高达735 m；
2020年12月1日，在卡子拉山一号隧道完成水平孔达1212m，终孔直径75 mm，月进尺350 m；
2021年4月28日，采用超长绳索取心定向钻探技术与工艺，在川藏铁路孜拉山隧道出口TBM 施工段完成了中国铁路史上最深的全孔取心水平孔的钻探，孔深达到1888.88 m，终孔直径78 mm，月进尺约120 m。
川藏铁路3000 m水平定向钻井技术方案
1. 技术难点
(1)近水平开孔，且长距离水平钻井，建立钻井液循环时对钻井设备和固控设备有特殊要求，需要对相关设备进行适当改装。
(2)作业区地层破碎，涌水严重，全井段水平井，不能靠钻井液密度平衡地层压力，钻井护壁难度大，有井内掉块、坍塌的风险。
(3)全井段水平井，不能靠井底加重钻具施加钻压，且井内钻具与井壁摩阻大，钻机施加的钻压很难传递到钻头上，特别是使用牙轮钻头，没有足够的钻压会严重影响钻进效率。
(4)长距离水平井，套管作业时，套管与井壁摩阻大，套管下入困难。
(5)花岗岩研磨性强，可钻性差，机械钻速低，直井常规钻进时效1.0～1.5 m／h，水平井效率更低，钻井周期将大幅度增加，提高工程成本。
2 施工方案
2.1 钻井设备
川藏铁路地层复杂，欲完成3000 m水平钻井，对钻井设备有一定要求：
(1)川藏铁路施工环境复杂，3000 m级的钻机设备体积、自重大，应采用模块化设计，满足运输要求，同时还应易于现场组装。
(2)考虑高原地区氧气稀薄，设备动力应充足，钻机动力头转速、扭矩、提升力、给进力等要满足高原地区3000 m级水平定向取心及全面钻进需求。
(3)钻机设备应具备高效施工能力，结合施工实际，针对不同的工况实现顶进(提升)能力与速度的最优功率匹配，即实现非工作状态下的高速提升或高速顶进，从而大大减少起下钻时问。同时设计行程满足使用长钻杆要求，节省上、卸扣频次，提高钻进效率。
(4)具有较高的机械化、自动化水平，易于操作和维修，在川藏铁路恶劣的自然环境条件下能降低工人劳动强度，节省人工成本。
(5)应具有较强的事故处理能力，具备全地层钻进能力，且满足水平下套管等作业要求。
基于上述要求，拟采用我所针对川藏铁路长距离水平井研制的大功率水平定向钻机作为此项目的工程施工设备，如图所示。
该设备能力强大，钻机顶进、提升功能采用马达一减速机驱动齿轮／齿条结构；钻机动力头回转功能采用马达一减速机驱动回转齿轮箱结构。性能参数详见表1。施工中也可选择类似或更优性能的其它钻机。
2.2 井身结构及施工程序
根据工区地层特点、地层压力情况及钻井工艺技术状况，依据有利于安全、优质、高效钻井和取准、取全地质资料的原则进行井身结构设计。本井采用二开完井井身结构，如下图，孔口管下至基岩以下5m，一开D215.9 mm，封割主要破碎带，二开D 1 5 2.4 mm钻至完井井深。若D1 5 2.4 mm井段钻遇涌水、强破碎等复杂地层，则使用膨胀套管封割等技术处理。
钻井施工程序：
(1)开孔D311.2 mm的牙轮钻头钻至井深20～30 m，D244．5 mm×7．92 mm孔口管下至井底。
(2)一开D215.9 mm的钻头钻至1800 m(钻穿复杂井段)设计井深，并按勘察要求取心。
方案1：D215.9 mm牙轮钻头全面钻进90 m，提钻更换取心钻具，取心钻进10 m，依次循环，完成本开次钻井工作。
方案2：D215.9 mm牙轮钻头全面钻进(软地层)，钻遇坚硬地层，换长钻程取心钻具取心钻进，获取更多岩心资料的同时，提高机械钻速。下D177．8 mm×9.19 mm直连套管，封割主破碎带。
(3)二开D152.4 mm的钻头钻至设计井深3000 m完井，并按勘察要求取心。
方案1：D152.4mm牙轮钻头全面钻进90 m，提钻更换取心钻具，取心钻进10 m，依次循环，完成本开次钻井工作。
方案2：D152.4 mm牙轮钻头全面钻进(软地层)，钻遇坚硬地层，换长钻程取心钻具取心钻进，获取更多岩心资料的同时，提高机械钻速。
(4)二开D152．4 mm井段钻遇复杂地层，用膨胀套管技术或旋喷技术处理，直至完井。
2.3 钻井工艺
2.3.1 钻井工艺选择
目前为达到地质勘察的目的，对于取心而言有2种方法：全孔取心和间断取心。全孔取心最能直接反映地质情况，所获取的地质信息最全。但在本工程中采取间断取心和岩屑录井相结合的方法也能满足工程需要，设计取心问距为100 m，也可根据项目要求及物探的异常进行加密及加大间距。
工程以全面钻进为主，并根据施工中的具体情况来决定采取具体取心间隔。全面钻进以井底动力(螺杆钻具)驱动牙轮钻头复合钻进为主。钻遇极坚硬地层时采用“涡轮钻具驱动金刚石钻头”复合钻进，利用涡轮钻具的高转速特性进行高效碎岩；或采用“螺杆钻具+液动锤”二合一复合钻进，增加冲击载荷，提高碎岩效率。取心钻进以大直径长钻程取心为主，一般地层采用“螺杆钻具+顶驱”复合驱动取心钻具，极坚硬地层采用“涡轮钻具+顶驱”复合驱动取心钻具。取心钻具岩心容纳量应尽可能长。
2.3.2 全面钻进
硬岩钻进中，“井段动力+顶驱(或转盘)”复合钻进是被证明了的有效的碎岩方式。在青海共和干热岩钻井中，花岗岩地层，螺杆钻具+转盘驱动牙轮钻头可获得3 m／h以上的机械钻速，复合钻进井底动力工具选择小角度单弯螺杆。单弯螺杆为动力的复合钻进，是有效的防斜打直工艺措施，同时配套定向仪器使用，可随时纠斜，有效控制井眼轨迹。弯螺杆复合钻进可获得较大的井眼扩大率，有效降低因缩径造成的摩阻增大、卡钻等风险。钻具组合如下，具体可根据现场使用情况进行调整。
开孔：D311．2 mm钻头+D127 mm外平钻杆；
一开：D215．9 mm钻头+D212 mm稳定器+D172 mm单弯螺杆+D165 mm水力加压器+D212 mm稳定器+D127 mm外平钻杆；
二开：D152．4 mm钻头+D148 mm稳定器+D127 mm单弯螺杆+D121 mm水力加压器+D148 mm稳定器+D127 mm外平钻杆。
2.3.3 取心钻进
大直径长钻程取心技术是在松科二井成熟应用的一种高效提钻取心方式，配以合适的取心钻头和井底动力工具可以获得较理想的钻进效率。本工程延续该技术思路，采用长钻程取心技术完成取心工作，钻具结构如图所示。
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