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作者：李術(shù)才，李利平，孫子正，劉知輝，李夢天，潘東東，屠文鋒

作者單位：山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心；山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院

定向鉆技術(shù)起源于石油鉆井工業(yè)，經(jīng)多年發(fā)展已拓展至隧道工程地質(zhì)勘察及災(zāi)害處置、煤礦底板含水層改造、蓄能電站抽水通道施工、市政管道鋪設(shè)等多個領(lǐng)域。地面注漿技術(shù)結(jié)合定向鉆長距離精準(zhǔn)穿越的優(yōu)勢，可實現(xiàn)地下工程不良地質(zhì)高效預(yù)加固與災(zāi)害安全處置，具有廣闊的應(yīng)用前景。

文章系統(tǒng)綜述了定向鉆注裝備技術(shù)的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀和待突破關(guān)鍵技術(shù)。首先，介紹了定向鉆與地面注漿技術(shù)的發(fā)展歷程；其次從重大科研項目、學(xué)術(shù)論文、授權(quán)專利以及工程實踐等方面進(jìn)行了分析與總結(jié)。

結(jié)果表明：我國現(xiàn)階段定向鉆注技術(shù)總體已達(dá)到自主化、實用化的國際先進(jìn)水平，但在千米級長距離快速鉆進(jìn)、復(fù)雜地質(zhì)條件精準(zhǔn)導(dǎo)向、地下工程精準(zhǔn)注漿處置等核心技術(shù)方面仍存在“卡脖子”難題。面向戰(zhàn)略性重大工程建設(shè)需求，提出了超長距離定向鉆注一體化裝備“預(yù)報、鉆進(jìn)、注漿、檢測”四大功能模塊，圍繞隨鉆感知預(yù)報、快速鉆進(jìn)與卡鉆預(yù)測、精準(zhǔn)導(dǎo)向技術(shù)、遠(yuǎn)距離凝膠可控注漿材料、穩(wěn)壓控制分段注漿工藝、隨鉆檢測系統(tǒng)六方面，開展了分析與討論，可為我國定向鉆注一體化裝備技術(shù)發(fā)展和地下工程災(zāi)害防控提供參考。

亮點論述：

　　地面鉆注一體化待突破關(guān)鍵技術(shù)

　　定向鉆注技術(shù)通過地面注漿，在地下空間災(zāi)害處置領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。依托定向鉆注技術(shù)的地面注漿需具備“預(yù)報、鉆進(jìn)、注漿、檢測”四方面的功能。預(yù)報功能通過在鉆頭位置安裝探測系統(tǒng)，在定向鉆進(jìn)的同時探測不良地質(zhì)段，明確需要開展治理的區(qū)域；鉆進(jìn)是其他功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，通過新型破巖方式的應(yīng)用、卡鉆問題的預(yù)報及解決、精確測斜和導(dǎo)向，實現(xiàn)超長距離的快速鉆進(jìn)和災(zāi)害治理區(qū)域的精準(zhǔn)中靶；注漿功能在預(yù)報及鉆進(jìn)的基礎(chǔ)上開展，通過在地面上遠(yuǎn)距離對地下災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行注漿，實現(xiàn)不良地質(zhì)段的改性和處置；檢測功能服務(wù)于注漿，通過搭載的檢測設(shè)備，實現(xiàn)注漿效果的實時評價，從而有效指導(dǎo)注漿參數(shù)、注漿工藝的調(diào)整優(yōu)化。

　　3.1智能化高效鉆具組合

　　智能化高效鉆具組合涵蓋智能鉆桿、智能鉆機(jī)等智能鉆進(jìn)設(shè)備及長距離信息傳輸系統(tǒng)等。通過建立地面與地下鉆孔信息的傳輸通道，使用鉆孔信息采集系統(tǒng)對鉆進(jìn)過程中的鉆孔情況進(jìn)行實時探測、感知和數(shù)據(jù)傳輸。通過反饋的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步開展智能分析和決策，進(jìn)而對鉆進(jìn)裝備下發(fā)執(zhí)行命令，實現(xiàn)鉆進(jìn)過程的智能化控制[180-181]。

　　高效鉆具組合的智能化是實現(xiàn)智能鉆注一體化的重要一環(huán)，鉆孔數(shù)據(jù)采集技術(shù)及裝備、長距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及裝備、智能決策調(diào)控系統(tǒng)等將是當(dāng)前研究的重點，目前已研發(fā)出了智能鉆機(jī)、智能鉆頭、鉆柱、智能導(dǎo)向、防黏滑鉆具以及鉆孔信息采集和傳輸、遠(yuǎn)程智能決策系統(tǒng)等。因此，圍繞大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、深度學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺等技術(shù)，高效分析和解譯鉆進(jìn)過程中的海量數(shù)據(jù)，提升人機(jī)交互和決策能力，降低施工成本將是未來重要的研究方向。

　　3.2復(fù)雜地層快速鉆進(jìn)

　　在軸向沖擊鉆進(jìn)方面，軸向沖擊鉆進(jìn)技術(shù)通過對巖石作用高頻的沖擊荷載，達(dá)到快速破巖的目的。軸向沖擊鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)過長時間的發(fā)展已進(jìn)入相對成熟階段，但該技術(shù)在應(yīng)用過程中仍存在鉆頭故障、經(jīng)濟(jì)效益不確定的問題。因此，進(jìn)一步優(yōu)化沖擊參數(shù)(沖擊能量、沖擊頻率等)提高鉆頭壽命、減少沖擊鉆進(jìn)引發(fā)的振動問題、與定向鉆進(jìn)技術(shù)緊密結(jié)合等是該技術(shù)未來發(fā)展的趨勢。在扭轉(zhuǎn)沖鉆進(jìn)方面，扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)技術(shù)通過給鉆頭施加周向沖擊荷載，可以使鉆頭不用積蓄能量，直接進(jìn)行沖擊和剪切破巖，大大減少了鉆頭的黏滑效應(yīng)，顯著提高了鉆進(jìn)速度。延長鉆具壽命、解決鉆頭拖壓、提升在軟塑性泥土中的鉆進(jìn)效率等是扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)技術(shù)未來需解決的問題。在多元復(fù)合沖方面，多元復(fù)合沖擊鉆進(jìn)技術(shù)可以達(dá)到“立體破巖”效果。盡管該技術(shù)的提出及應(yīng)用相對較晚，但通過對已有成果的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，多元復(fù)合沖擊鉆進(jìn)技術(shù)在提高鉆進(jìn)效率方面具有顯著的優(yōu)勢。因此，圍繞多元復(fù)合沖擊鉆進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步研發(fā)新型沖擊鉆具、研究多元復(fù)合沖擊破巖機(jī)制、優(yōu)化沖擊鉆進(jìn)參數(shù)、延長鉆具使用壽命等將是未來重要的研究方向。

　　3.3隨鉆感知及預(yù)報

　　從現(xiàn)有研究工作看，在巖性預(yù)測方面，針對隨鉆參數(shù)反演巖石單軸抗壓強(qiáng)度的研究較多。而對于其他巖石力學(xué)參數(shù)與隨鉆參數(shù)的關(guān)系研究較少，缺少隨鉆參數(shù)反演三軸抗壓、單軸抗拉、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)的研究。

　　在巖體結(jié)構(gòu)預(yù)測方面，相關(guān)研究極少，亟需開展隨鉆參數(shù)反演空腔、斷層、裂隙、巖層界面等巖體結(jié)構(gòu)的研究。

　　現(xiàn)有的研究工作大都基于模型試驗，試驗條件理想，與實際工況差別大。應(yīng)開發(fā)適配于工業(yè)鉆機(jī)的隨鉆參數(shù)采集系統(tǒng)，基于實際工況開展隨鉆參數(shù)與地質(zhì)信息匹配關(guān)系的研究。

　　現(xiàn)有的隨鉆感知主要基于工藝參數(shù)反演，工藝參數(shù)易受施工影響，噪聲大，而在石油測井領(lǐng)域，隨鉆伽馬、隨鉆密度、隨鉆聲波、隨鉆中子、隨鉆電磁波等運用地球物理性質(zhì)的測井技術(shù)可獲取巖性信息，受施工影響較小?？砷_展工藝參數(shù)反演與隨鉆測井技術(shù)相結(jié)合的隨鉆感知技術(shù)，拓展數(shù)據(jù)來源，實現(xiàn)多元數(shù)據(jù)融合的隨鉆感知。

　　3.4卡鉆預(yù)測及解除

　　目前的卡鉆預(yù)測技術(shù)可有2個突破方向：一是基于不同施工參數(shù)的卡鉆預(yù)測技術(shù)，如可通過鉆頭轉(zhuǎn)速降低、泵壓升高、鉆具扭矩增大、鉆時延長等多種參數(shù)對卡鉆的可能性進(jìn)行預(yù)測。二是可通過在針對上述多種施工參數(shù)對于卡鉆不同影響程度的分析基礎(chǔ)上，設(shè)計模型結(jié)構(gòu)并調(diào)整參數(shù)，將試驗樣本在不同參數(shù)下進(jìn)行模擬試驗，可基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研發(fā)卡鉆預(yù)測軟件，識別鉆進(jìn)過程的異常參數(shù)變化情況，實現(xiàn)對卡鉆事故的預(yù)測。

　　3.5精準(zhǔn)導(dǎo)向技術(shù)

　　國內(nèi)外均高度重視導(dǎo)向技術(shù)的研究，但目前斯倫貝謝等國外廠商的技術(shù)仍具有較大優(yōu)勢。在未來的鉆探行業(yè)中，我國導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)還需更深入的研究，努力縮短與國際領(lǐng)先技術(shù)的差距。對于復(fù)雜環(huán)境下的鉆進(jìn)作業(yè)，鉆探過程中面臨數(shù)據(jù)采集難、地面與地下通訊不穩(wěn)定的問題，目前亟需完善導(dǎo)向鉆進(jìn)系統(tǒng)，加強(qiáng)關(guān)鍵參數(shù)的采集并保障數(shù)據(jù)鏈接傳輸?shù)姆€(wěn)定。發(fā)展精準(zhǔn)導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)，改進(jìn)鉆進(jìn)控制機(jī)制亦是重中之重，應(yīng)重點推動相關(guān)理論突破，優(yōu)化指令、控制偏差、縮短滯后性，并發(fā)展自主導(dǎo)向及全閉環(huán)導(dǎo)向系統(tǒng)。

　　隨著技術(shù)水平的不斷升級及全自動鉆機(jī)的應(yīng)用，未來將逐漸解放人力，實現(xiàn)自動化、少人化鉆進(jìn)，提高生產(chǎn)質(zhì)量及效率，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。另外，開展幾何導(dǎo)向技術(shù)的研究及應(yīng)用，可以利用三維空間來對鉆孔軌跡進(jìn)行幾何判定，使鉆進(jìn)的導(dǎo)向及控制更加精準(zhǔn)。

　　3.6遠(yuǎn)距離凝膠可控注漿材料

　　傳統(tǒng)漿液流動性、可注性難以滿足超長距離泵送要求，膠凝時間難以調(diào)節(jié)，千米級超長距離泵送漿液擴(kuò)散難以精細(xì)化控制。同時，需要針對不同的工程需求選擇特定適合的超長距離定向注漿材料。例如，針對富水?dāng)鄬悠扑閹ё{治理，需要堵水加固一體化材料；針對大型管道、空腔等，需要低成本的固廢基材料；針對碎粉巖致密地層，需要高滲−劈裂復(fù)合注漿材料。

　　基于定向鉆注技術(shù)的地面注漿處置結(jié)合定制化注漿材料，可發(fā)揮更大效用，特別是能滿足遠(yuǎn)距離凝膠可控需求。目前，超長距離注漿材料仍有以下方面亟待突破。

　　首先，注漿材料需要凝結(jié)時間可控。在實際操作中，千米級泵送過程中輸送長度跨度大，需要達(dá)到工程中注漿的時間要求，輸送至指定位置根據(jù)地層信息反饋隨時調(diào)節(jié)初凝時間。

　　其次，注漿固結(jié)體強(qiáng)度高。漿液結(jié)石強(qiáng)度與漿材的成分成型壓力、水泥標(biāo)號、漿液濃度及攪拌時間等因素有關(guān)，對于帷幕灌漿，要求結(jié)石密實性強(qiáng)，滲透性低，耐久性好；對固結(jié)灌漿，要求更高的抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度。

　　再其次，漿液可注性好。黏度是評價可注性的主要參數(shù)，漿液可注性好可有效降低注漿施工難度，并且對于空隙、裂隙較小的地層，提升可注性能夠提升有效加固圈范圍。

　　最后，漿液需要具有較高的穩(wěn)定性，為方便施工，漿液要求具有較長儲存時間，攪拌后析水率低，漿液化學(xué)反應(yīng)可控，受環(huán)境影響低。

　　因此，針對不同的超長距離注漿需求，亟需研發(fā)系列凝塑可控的水泥基、多源固廢基、黏土水泥漿等新型注漿材料，滿足長距離泵送、流動性好、膠凝可控、強(qiáng)度高、動水抗分散、環(huán)保性能好的要求。

　　3.7超長距離注漿控制

　　現(xiàn)有注漿工藝在超長距離成孔技術(shù)措施方面考慮不足，針對滇中引水工程，面向深埋高應(yīng)力隧道和高壓大流量涌水，要全面考慮鉆孔保證措施以及長距離鉆孔成孔技術(shù)要求，鉆孔技術(shù)要求一般包括孔徑、孔斜、鉆孔精確度，需要結(jié)合具體地質(zhì)情況進(jìn)行確定；此外，傳統(tǒng)工藝在注漿效果檢測以及監(jiān)控量測方面仍存在缺陷，地面?zhèn)鹘y(tǒng)物探在大埋深隧道檢測方面存在明顯技術(shù)不足，如瞬變電磁在1000m埋深上，精度大于50m，顯然無法指導(dǎo)注漿檢測，而傳統(tǒng)掃孔注水檢測在超長距離注漿上適用性差，無法有效表征注漿區(qū)域治理效果。因此，需綜合地面物探手段、地下工程隧洞檢測和注漿過程數(shù)據(jù)分析與檢測。

　　在注漿工藝方面，需要突破超遠(yuǎn)距離定向鉆孔注漿出漿口壓力實時監(jiān)測與閉環(huán)控制技術(shù)，考慮漿巖耦合作用的復(fù)雜地層超遠(yuǎn)距離定域注漿多級壓力監(jiān)測物理模擬試驗技術(shù)，并研發(fā)考慮水頭差−全孔沿程損失的高壓大流量大功率智能化注漿裝備。此外，基于“決策方案−模型驅(qū)動−控制參數(shù)”的穩(wěn)壓注漿控制系統(tǒng)也已成為未來超長距離注漿控制的必要發(fā)展方向。