超长水平孔绳索取心定向纠斜钻进及测井技术研究示范-USB迷|专注于互联网分享

2024年5月23日发(作者：磨涵蕾)

第50卷增刊

2023年9月

钻探工程

Drilling Engineering

Vol. 50 Sup.

Sep. 2023：211

217

超长水平孔绳索取心定向纠斜钻进及

测井技术研究示范

张小平

，石绍云

*2，

，梁俊俊

，李正前

2，

，何定池

，杨

栋

2，

，张海锋

，唐治建

（1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州510600； 2.成都华建地质工程科技有限公司，四川成都611734；

3.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都611734）

摘要：在千米级绳索取心水平孔钻进中，开展水平孔定向纠斜及测井技术研究示范，创新形成超深水平定向钻孔绳

索取心纠斜工艺技术，实现了千米级深孔的钻孔轨迹精准控制；采用钻杆内水力投送物探测试设备和钻孔电视设

备的工艺，有效解决了超长水平钻孔投送难、测试难、提出难三大难题，形成了小口径超长水平钻孔综合测井技术

体系；成功完成孔深925 m的水平定向钻探孔钻进任务，精准进入地质目标靶区，实现了勘察目的。

关键词：超长水平孔；水平定向钻探；绳索取心；定向纠斜；测井技术；水力输送；钻孔电视

中图分类号：P634；TE243 文献标识码：B 文章编号：2096-9686（2023）S1-0211-07

Research and demonstration of wire⁃line coring directional deviation

correction drilling and logging technology for ultra⁃long horizontal hole

ZHANG Xiaoping

，SHI Shaoyun

*2,3

，LIANG Junjun

，LI Zhengqian

2,3

，

HE Dingchi

，YANG Dong

2,3

，ZHANG Haifeng

，TANG Zhijian

(1. China Water Resources Pearl River Planning， Surveying & Designing Co., Ltd.， Guangzhou Guangdong 510600， China；

2. Chengdu Huajian Geological Engineering Technology Co., Ltd.， Chengdu Sichuan 611734， China；

Abstract： In the drilling of kilometer level wire line coring horizontal holes， the research and demonstration of

directional deviation correction and logging technology for horizontal holes are carried out. The technology of full hole

wire line coring deviation correction for deep horizontal directional drilling was innovated and formed， and the precise

control of the drilling track was realized. Using hydraulic transmission of geophysical testing equipment and drilling

television equipment inside the drill pipe has effectively solved the three major problems of difficulty in delivering，

testing， and proposing ultra‑long horizontal boreholes， forming a comprehensive logging technology system for small

caliber and ultra‑long horizontal boreholes. The drilling task of 925m deep horizontal directional drilling hole was

successfully completed， accurately entering the geological target area and realizing the exploration purpose.

Key words： ultra‑long horizontal hole; horizontal directional drilling; wire‑line coring technology; directional deviation

correction; logging technology; hydraulic transportation; borehole TV

3. Institute of Exploration Technology， CAGS, Chengdu Sichuan 611734， China)

0　概述

环北部湾广东水资源配置工程是广东省迄今

为止投资规模最大、输水线路最长、建设条件最复

杂、影响面最广的水利项目，属于国内居前、行业瞩

收稿日期：2023-05-22；修回日期：2023-08-13 DOI：10.12143/.2023.S1.031

第一作者：张小平，男，汉族，1981年生，高级工程师，工程地质专业，长期从事水利水电勘察工作，广东省广州市天河区沾益直街19号中水珠江

设计大厦，****************

通信作者：石绍云，男，汉族，1966年生，高级工程师，探矿工程专业，长期从事探矿工艺技术研究和探矿科研成果转化工作，四川省成都市郫都

区现代工业港（北区）港华路139号，****************。

引用格式：张小平，石绍云，梁俊俊，等.超长水平孔绳索取心定向纠斜钻进及测井技术研究示范［J］.钻探工程，2023，50（S1）：211-217.

ZHANG Xiaoping， SHI Shaoyun， LIANG Junjun， et al. Research and demonstration of wire‑line coring directional deviation correction

drilling and logging technology for ultra‑long horizontal hole［J］. Drilling Engineering， 2023，50（S1）：211-217.

212

钻探工程

2023年9月

目的国家重大水利工程；整个线路要穿越复杂地质

条件下长距离深埋隧洞，在前期勘查过程中，为了减

少钻探设备运输搬迁、钻进施工造成对生态环境的

破坏，沿隧道方向设计了一个千米级的超长定向取

心水平孔，要求精准查明隧道沿线以及地下厂房的

地质情况，实现高效、绿色钻探的环保理念，为工程

建设提供可靠的地质资料

［1］

。

钻孔设计孔深960 m，顶角82°，近似水平孔，将

穿越多条断层和破碎带，施工地点植被茂盛、山路狭

窄，运输车辆无法到达现场，采用轻便模块化钻机和

水平绳索取心定向钻进的技术方案，在钻进过程中，

进行了12次定向纠斜，成功地使钻孔进入了设计靶

区；该孔还实现了水力输送测井仪器和孔内电视到

达孔底，利用内置的存储式测井仪器，通过匀速提钻

方式测井，圆满完成各项测试任务。

1　工程概况

1.1　地层情况

地层以变质砂岩为主，中粗颗粒，夹杂石英和氧

化铁，呈淡褐色和灰色；钻孔要钻遇多个断层。地层

陡倾，倾角60~70°，岩石软硬互层，以硬地层居多，岩

石可钻性8级以上，钻孔需穿越多条含水量高的水

沟；地层裂隙发育，岩石破碎，会遇到涌水的情况。

1.2　孔身结构

在设计超长水平孔的孔身结构时，首先要考虑的

是在钻机能力允许的情况下，每一级口径的深度尽量

钻进到设备的极限，确保任务的顺利实施。根据厂家

提供的钻机技术指标和地层情况，该钻孔设计的孔身

结构为：Ø150 mm孔口管钻进15 m，Ø122 mm口径

钻进200 m，Ø96 mm口径钻进至600 m，Ø76 mm口

径钻进至终孔960 m。钻孔孔身结构设计见图1。

1.3　设备、仪器、钻具配置

钻孔的地理位置在山区，考虑搬迁方便，选择

1000型便携全液压模块式钻机，钻机动力由4台柴

油机提供，总功率132 kW；泥浆泵除了钻机配备的

小功率泥浆泵外，还配备了1台BW300/16型泥浆

泵，以便在造斜钻进时使用；此外还配备绳索取心钻

杆和钻具、螺杆钻具、测井仪器、定向仪器等。详见

表1所示。

钻杆

水平绳索

取心钻具

螺杆钻具

序号

名称

钻机

泥浆泵

测斜仪

定向仪

物探测井

仪

孔内电视

1000

BW300/16

CAV-1存储式测斜仪

KXT-CG-1型轨迹测量仪

LHE-2115有缆随钻测斜仪

（MWD）

钻孔多参数存储式综合测井

仪（I型）

存储式全方位智能钻孔电视

5LZ73*7.0/1.25DW

5LZ73*7.0/0.75DW

5LZ73*7.0直螺杆

HTW

NTW

HTW

NTW

1套

2套

200 m

600 m

1000 m

1套

表1　设备、仪器、钻具配置

型号数量

1台

1套

图1　设计钻孔孔身结构

2　水平钻孔定向纠斜钻进

2.1　水平孔钻孔偏斜原因分析

当钻进到570 m处时，测斜发现钻孔孔底单点

顶角已经达到97°，孔口至孔底的顶角为88.17°，与

设计偏斜6.17°，方位角无变化。顶角虽然满足《地

质岩心钻探规程》（DZ/T0227—2010）16.1.2.2条的

要求：“通常情况下，在直孔施工中每100 m顶角偏

［2］

斜不应超过2°，在斜孔施工中顶角不应超过3°”。

但与设计孔斜方向发生了变化，往上偏斜的趋势越

来越明显，测斜数据如表2所示，钻孔轨迹图如图2

第50卷增刊

张小平等：超长水平孔绳索取心定向纠斜钻进及测井技术研究示范

213

所示。为了更为精准地达到勘察目的，决定采取纠

斜技术措施。

表2　纠斜前测斜数据

序号

孔深/m

100

140

200

260

280

300

320

340

400

460

500

540

555

顶角/°

81.24

83.12

82.92

83.36

83.88

87.56

88.19

88.75

89.48

90.00

90.15

92.09

94.77

96.21

97.05

96.66

垂深/m

0.00

-7.60

-10.00

-12.31

-16.76

-21.04

-23.59

-24.03

-24.21

-24.16

-22.94

-17.32

-13.19

-8.60

-6.12

与设计偏差值/m

0.00

0.64

1.13

1.61

2.72

6.79

12.60

14.94

17.54

20.33

23.16

32.73

46.70

56.40

66.55

71.12

液的压力等

［4］

。

2.2　水平孔定向钻进架桥灌浆技术

从图2可以看出，钻孔偏斜出现拐点的位置在

280~300 m孔段，因此确定造斜起点在280 m处，水

泥架桥封孔段为250~330 m。使用NTW钻杆对钻

孔进行灌浆，建造人工孔底。

2.2.1　灌浆前的准备工作

涌水水平孔的架桥灌浆难度大，将会出现的问

题有以下几方面：一是水泥浆容易被涌水稀释，造成

水泥强度不够；二是钻孔的上半圆灌浆不饱满；三是

替浆不彻底，钻杆里的浆液不会像垂直孔那样靠水

泥浆的自重全部流出钻杆；四是上漂的钻孔灌浆后

浆液会回流到低处。必须充分做好准备工作，精确

计算水泥量和替浆量，严格按照规程操作，保证灌浆

架桥质量。

（1）测斜。采用KXT-CG-1型陀螺钻孔轨迹测

量仪精确测量钻孔顶角和方位角。

（2）提出孔内钻杆和套管。灌浆前提出孔内

HTW钻杆和PQ套管，并清洗钻孔。

（3）加工木楔子。木楔子外径比钻孔尺寸小1

mm，如果尺寸过大，木楔子下放过程中遇阻，将下

不到指定位置，如果尺寸过小，木楔子会受涌水压力

影响而不能固定。

（4）盛水容器准备。准备3 m

和5 m

的两个塑

料水桶，在桶的外沿做好刻度线，便于准确掌握搅拌

水泥浆的用水量和顶替水的用量。

（5）连接泥浆泵管路。连接好BW300/16型泥

浆泵的高压管和吸水管并运行试机，确认设备正常。

（6）计算水泥量和用水量水泥浆量计算：HTW

钻孔灌浆长度80 m的体积为580 L，孔内损失和孔

内涌水的稀释损耗按经验数据1.2倍计算，因此一

共要配置696 L的水泥浆。

采用P.O42.5水泥，水灰比为0.5（质量比），按

在水平孔钻进中，钻机通过钻杆向钻头施加

钻压，钻杆一直处于压应力状态，这是造成钻孔偏

斜的主要原因，相对来说，水平孔比垂直孔钻进更

容易偏斜；据不完全统计，岩心钻探水平孔钻进中

的方位角变化很小，但大多数的钻孔顶角要往上

翘

［3］

。钻杆在孔内的运动状态是受钻孔孔身结构、

钻杆钻具的组合形式、地层的稳定性、钻进的工艺

技术参数（包括泥浆泵压力、流量、流速，钻的机压

力、转速）等相互作用的结果。水平孔钻进中，钻

具除承受重力外，还承受回转扭矩、压力、弯曲应

力、离心力、涡动力、孔壁的摩擦力、孔底的碎岩阻

力、岩屑偏心力、摩擦力、反作用力和反扭矩、冲洗

图2　钻孔偏斜轨迹

214

钻探工程

2023年9月

照水的密度为1 kg/L，水泥的密度为3.15 kg/L，水

泥浆的密度是1.835 kg/L计算，水泥用量0.852 t，用

水量0.427 t。

2.2.2　灌浆过程

连接NTW钻杆把木楔子下到330 m位置，提

离钻杆至300 m处，开始试泵和试压水，检查设备运

行情况。

计算顶替水量：把696 L水泥浆全部压出钻杆，

需要注入顶替水1110 L（300 m NTW钻杆柱内体积

980 L+高压管路体积50 L+泄漏量80 L）。

（1）在300 m处开始灌注水泥浆量696 L，然后

注水50 L（50 L是地面高压管路的体积，注入50 L

水是让高压管路的水泥浆全部进入钻杆里）。

（2）迅速拆卸主动钻杆，在钻杆里放入事先加

工好的橡胶活塞，目的是加入顶替水时，水泥浆在活

塞的作用下全部泵出钻杆，同时水泥浆也不被顶替

水稀释，如果不加橡胶活塞，部分水泥浆会停留在钻

杆里的底部，造成灌浆质量差、灌浆量不够、钻杆被

水泥浆凝固等事故。

（3）合上钻杆，灌注顶替水721 L，让钻杆内外

水泥浆基本达到平衡。

（4）迅速提离钻杆至250 m处，再次注水339 L。

让钻杆里的水泥浆全部被替换。共注水量1110 L。

（5）提出钻杆，清洗钻杆、泥浆泵和高压管路。

搅拌水泥浆时间控制在10 min以内，灌注和顶

替水过程不超过30 min。

通过扫水泥心检验钻孔灌浆质量，钻孔架桥灌

浆水泥心如图3所示，可见灌浆质量较好，完成架桥

灌浆任务。

就会被破坏，冲洗液流量也不宜超过指定的范围。

5LZ73型螺杆钻推荐钻压15 kN，最大钻压20 kN，

流量120~240 L/min；马达压降2.4 MPa

［6］

。

定向仪器使用LHE-2115型有缆随钻测量仪，

通过水力输送至定向接头的键上并成功坐键，钻机

在螺杆钻进中虽然不回转，不提供回转动力，但要提

供钻进压力。

严格控制冲洗液的含砂量<0.5%，颗粒直径<

0.3 mm

［7］

。

钻具组合：96 mm金刚石定向钻头+5LZ73*

7.0/1.25DW螺杆钻具（或者5LZ73*7.0/0.75DW螺

杆钻具）+Ø73 mm定向接头+Ø73 mm无磁钻杆

+NTW绳索钻杆+变径接头+主动钻杆。

安装角：为降顶角设计初始安装角180°，测定定

向母线顺时针超前定向键的工具装合差为30°，预计

反扭转角20°，因此实际安装角读数为170°。因为每

次的装合差都不一样，所以每次定向钻进前都要测

量定向键的工具装合差，随时调整安装角。

使用BW300/16泥浆泵，水泵排量100~160 L/

min，泵压为4~6 MPa，纠斜前泵压4 MPa，螺杆钻

具到达孔底后开始纠斜的工作泵压6 MPa。

2.3.1　定向纠斜过程

方位角保持不变，顶角上漂严重，确定从280 m

处架桥纠斜，只纠顶角，不纠方位角。当螺杆钻具的

弯曲凸面安装在钻孔上帮时，母线处于探棒外径圆

周的最低点，此时工具面向角（安装角）的读数为

180°，钻孔向下弯曲，顶角下垂

［8］

。

前3次纠斜，顶角从88.42°降到86.73°，降顶角

1.69°，起到了稳斜降斜效果；但从第4次开始，在

306.4~486.52 m之间进行了6次纠斜钻进，由于变

质砂岩的硬度太高，每次造斜进尺很短，造斜时效非

常慢，最长的第8次造斜进尺了2.71 m，由于岩石坚

硬，修孔效果不好；这6次造斜钻进虽然顶角没有降

图3　钻孔架桥灌浆水泥心

下来，但一直维持在89°左右，控制了继续向上翘的

趋势，为造斜打下了坚实的基础。从513.49 m开

始，地层开始变软，造斜效果越来越好，铣孔修孔难

度降低，至孔深580.8 m，顶角从89.51°下降到

83.31°，整个钻孔趋势向设计趋势发展，纠斜成功。

共造斜12次，造斜进尺42.89 m，顶角下降了5.11°。

造斜后钻进轨迹与设计轨迹偏差值见表3。从

表3中可以看出，最大的偏差距离在孔深600 m处

达到了43.15 m的最高值，至终孔924.9 m处偏差距

2.3　水平孔定向纠斜技术

采用螺杆马达定向造斜，螺杆钻具的型号有3

种：5LZ73*7.0/1.25DW，5LZ73*7.0/0.75DW，5LZ73*

7.0直螺杆；一般情况下，软地层使用0.75°的螺杆钻

具，硬地层使用1.25°的螺杆钻具，直螺杆钻具使用

在修孔铣孔过程中。

螺杆马达的工作压降超过允许值后，螺杆马达

第50卷增刊

张小平等：超长水平孔绳索取心定向纠斜钻进及测井技术研究示范

215

离已经降到7.95 m的理想距离。

表3　造斜后钻孔与设计靶区的相差距离

序号孔深/m设计垂/m实际垂深/m与靶区距离/m

100

200

300

400

500

600

700

800

900

924.9

0.00

6.96

12.52

26.42

40.32

54.22

68.12

82.02

95.92

109.82

123.72

128.72

0.00

6.80

12.84

22.21

26.22

29.74

31.25

38.87

58.23

84.23

113.35

120.77

0.00

0.16

-0.32

4.21

14.10

24.48

36.87

43.15

37.69

25.59

10.37

7.95

修孔铣孔钻头形状如图7所示。

3　水平孔测井技术

超长水平孔孔内物探测试包括：声波（VP）测

试、水压力测试、地温测试等。

传统的水平孔输送测井仪器方法是用钻杆直接

连接测井仪器，随同钻杆一起推送到孔内，这种方法

由于仪器裸露在钻杆的最前端，在推进过程中仪器

容易被孔内掉块阻挡，造成仪器损坏等孔内事故，钻

杆也无法加压和回转，经常是仪器下不到孔底，从而

不能完成测井任务。针对以上难题，项目组首次采

用水力输送存储式测井仪器的工艺，把绳索取心钻

杆留在孔内保护钻孔不垮塌，当测井仪器到达孔底

后，被钻杆的底部设计的限位装置准确固定，测试仪

器露出钻杆2 m，然后通过提钻方式测试所有测井

项目。提钻速度控制在2~3 m/min范围内。

利用井下大容量的存储器，蓄电池供电，无需电

缆，一次下井可完成孔斜、方位、井温、压力、声波、岩

性、孔隙度、裂隙等测井项目

［12］

。地面系统进行时

间与深度记录，下井仪器存储测井数据，钻具上提测

井，下井仪器状态可控，保证作业安全。存储式水力

输送测井方法优势突出，操作简便

［13］

。

将地球物理测井技术与数据存储技术相结合，

通过相关解释处理分析软件，将各项物理参数快速

分析，形成综合解释成果图，为相关工程建设提供技

术支撑。利用测井曲线实现岩性识别、划分地层，确

定地层的深度和厚度，进行地层对比；在分析岩心、

岩屑等资料的基础上，掌握不同性质的地层

［14］

。

综合测井设备见图8，钻孔电视分析解译图见

图9。综合测试技术的应用，可以配合水平钻探所

取得的岩心，提高勘察成果的精度，甚至可以减少取

心孔段长度以提高勘察速度、降低勘察成本

［15］

。

钻孔实际轨迹与设计轨迹图见图4。造斜定向

取心段取出的岩心见图5。

2.3.2　铣孔技术措施

造斜过程就是从造斜点开始强制钻头偏离原来

方向向设计方位增斜钻进的过程。水平孔由于方

位角没有变化，相对来说纠顶角比纠方位角更容易

一些；造斜后要对造斜起点前后5 m的孔段进行修

孔，修孔质量的好坏是直接影响到后续钻进能否成

功的关键，对于方位角没有变化、顶角上漂的水平孔

采用滑动铣孔方式效果最好。实践证明，复合铣孔

和直螺杆铣孔对水平孔来说是不成功的，特别是对

硬岩层更是不起作用

［10］

［9］

。

针对硬岩层，研制的定向钻头如图6所示，钻头

底唇外圆形状加工成90°，利于定向尅取岩石，切削

齿形状设计为放射状结构的水槽，胎体硬度

HRC5~8、金刚石胎体高度8~10 mm，金刚石粒度

以80目细颗粒为主

［11］

，适应于6~8级地层。

图4　钻孔轨迹剖面

216

钻探工程

2023年9月

4　问题与不足

4.1　钻机的选择不合理

选择的1000型轻便式钻机能力偏小，动力不

图5　定向取心段岩心

够，处理孔内事故能力不强，因此选择钻机时，动力

选择应大于理论钻深能力的1/4比较合理。

4.2　钻具的选择不合理

在保证钻杆质量的前提下，选择薄壁钻杆和薄

壁钻头是提高钻进效率的方法之一，但是钻头壁厚

越薄，卡簧径向和轴向尺寸可调整范围越小，卡簧在

卡簧座里面的活动空间就越小，岩心稍微有点破碎，

就会造成岩心堵塞、不进尺的现象，甚至有时会造成

弹卡钳在弹卡室里被卡死，无法回收内管，钢丝绳也

无法脱卡，只能边提钻边锯钢丝绳。因此，在破碎的

水平孔绳索取心钻进中最好使用NQ钻具，尽量不

使用NTW钻具。

图6　定向钻头设计

4.3　对地层情况了解不够

没有对现场情况做充分了解，按常规设计方案

设计的开孔顶角和方位角，由于实际地层岩石偏硬，

钻压加大，造成钻孔偏斜，纠斜工作花费了大量的

时间。

施工前应调查该地区以往钻孔弯曲趋势和岩层

走向，设计钻孔开孔角度，向容易偏斜的反方向安装

一定角度，有利于利用自然偏斜规律完成钻探

施工

［16］.

。

图7　修孔、铣孔钻头

图8　多参数全方位无缆测井系统装配

第50卷增刊

张小平等：超长水平孔绳索取心定向纠斜钻进及测井技术研究示范

217

参考文献：

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和打捞技术［J］.钻探工程，2021，48（11）：1-7.

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[3] 吴金生，张统得，李晓晨，等.小直径深孔随钻定向纠斜技术在

地质钻探中的应用［C］//中国地质学会探矿工程专业委员会.

第二十届全国探矿工程（岩土钻掘工程）学术交流年会论文集.

北京：地质出版社，2019：73-80.

[4] 赵大军，吴金发.隧道工程勘察水平孔钻进钻具的运动与受力

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图9　钻孔电视分析解译

4.4　定向仪读数滞后于孔底

有缆定向仪是装在无磁钻杆里，距离钻孔底部

有4 m以上的距离，从定向仪读出的数据不是造斜

孔底数据，会出现孔底测量数据滞后现象

［17］

，因此

不能直观的在第一时间掌握判断造斜效果的实时

数据。

5　结论

该项目钻探施工单位发挥钻探技术优势，支撑

国家重大工程建设，组织实施水资源配置工程地下

泵房水平定向钻孔勘察与测试项目，取得了显著

成效。

（1）完成水平定向钻探925 m，钻孔顶角82.46°，

与设计顶角82°相差0.46°，岩心采取率（98%以上）、

钻孔弯曲、水文观测等指标均达到或超过规范要求，

精准进入地质目标靶区，达到了勘察目的；

（2）创新性采用小口径金刚石水平绳索取心随

钻定向控制技术，形成了超长水平定向钻孔全孔绳

索取心防斜、纠斜工艺技术体系，实现了千米级深孔

的钻孔轨迹精准控制、全孔绳索取心和地质目标靶

区精准勘察，解决了国内绳索取心钻进定向勘探技

术的关键难题；

（3）创新性采用钻杆内水力投送物探测试设备

和钻孔电视设备的工艺，有效解决了超长水平钻孔

投送难、测试难、提出难三大难题，形成了小口径超

长水平钻孔综合测井技术体系。（编辑王文）