水平定向钻技术的研究现状

1.2.1 水平定向钻应用研究

现代水平定向钻技术由钻井技术演变而来，用于在城区内铺设底下线缆和管道。据文献记载，1971年水平定向钻技术在美国被首次应用于穿越河流施工，美国Pacific Gas和Electric Co.铺设一条直径为101.6mm、长约187.5m的钢管，穿越位于California Watsonville附近的Rajaro河。

Martin Cherrington于1971年引进了水平定向钻技术，该技术提供了一种新的管线铺设方法，可以考虑不再使用开挖法铺设管线，解决了使用开挖法不能在城区内或在大型天然障碍下铺设地下管线的问题。随着石油钻井技术、现代探测和导向技术的不断发展，今天水平定向钻工艺已成为铺设地下管线最受欢迎的方法，既可穿越河流铺设大直径管道，也可铺设小直径线缆。

早期的水平定向钻技术仅用于河流、海湾等穿越工程，后来在公路、山体和市区建设中也被广泛的采用。随着设备、工具制造、穿越技术、钻井液性能及配套装备的发展和进步，水平定向钻已经能够在粗砂、卵砾石、冰碛和岩石等复杂地层中进行铺管施工。现在水平定向钻技术已经广泛应用于穿越公路、铁路、建筑物、河流，以及在闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区等不允许或不能开挖条件下进行供水、煤气、天然气、污水、电力、热力、电信电缆、光缆等公用事业管线的铺设。

油气管道领域的应用方面，我国从1985年由中国石油天然气管道局首次从美国引进定向钻用于长输管道黄河穿越施工。近30年来，水平定向钻铺管技术在我国发展迅速。目前已经有专业的研究机构、专业化的设备制造公司、专业化的施工工程公司。在技术上日臻成熟，我国已有相关的国家设计施工规范、相应设计标准和质量验收标准。通过多项大型施工的实践，总结了较多的施工经验，发表了大量的专业论文。

我国西气东输工程一线共使用定向钻穿越河流36条，其中最长的穿越是在吴淞江的穿越，平均一次穿越长度为1150m，穿越直径为1016mm。2007年，采用对穿技术，在钱塘江穿越长度为2456m。2008年，在珠海磨刀门穿越长度达2630m。在西气东输二线几乎所有河流都采用了穿越方式进行铺管，穿越大小河流上百条。到目前为止，水平定向钻工艺已经成为铺设油气市政管道的首选方案。

1.2.2 水平定向钻孔壁稳定性研究

孔壁稳定性不仅在石油钻井工程中受到重视，在水平定向钻穿越工程中一样也受到高度重视。Westergard早在20世纪40年代就已经发表了第一篇关于井壁稳定性的文章，作者在假设液柱压力为零和水平应力等于垂直应力的情况下，描述了直井周围弹－塑性井眼的应力分布情况。在此基础上，Hubbert和Willis于1957年引入液柱压力和垂直应力与两个大小不同的水平应力的作用。Fairhurs考虑了倾斜地层、倾斜井眼、三向不均匀地应力场下的线弹性的应力状态解。Terzaghi于1943年提出了有效应力原理后，许多研究者对有效应力进行修正，并运用到井壁稳定分析中以修正孔隙压力的影响。Carroll于1980年总结了以前的各种有效应力原理，给出了统一的表达式：有效应力等于总压应力减去有效应力常数与孔隙流体压力之积。Biot于1955年提出了多孔弹性介质理论，随后人们很快将该理论用于井壁稳定的研究中。Bowen在Biot的理论基础上，采用将多孔介质等效为连续介质的方法，提出了可压缩的多孔介质模型。Lubinski则采用了热弹性相似比拟法来研究多孔介质，并给出了含有孔隙压力、孔隙度、基质压缩性和流体压缩性在内的多孔材料弹性本构方程。此后许多研究者在多孔介质的本构关系方面进行了一系列研究，建立了弹塑性、粘弹性等本构方程，并将这些本构方程引入井壁稳定性研究中。国内一些学者也对非线性弹性本构方程进行了一系列的研究。

冒浆是孔内泥浆压力过高压裂地层，连通地层中的天然孔隙和裂缝，在上覆地层中形成新的泥浆通道，泥浆从地表涌出。泥浆压裂地层的过程，即为泥浆对地层的渗透破坏过程。因此，渗流力学是研究地面冒浆原理的基础。渗流力学是研究流体在多孔介质中运动规律的科学，渗流力学是一门流体力学与岩石力学、土力学、多孔介质理论、表面物理学交叉渗透而形成的学科。渗流力学作为渗流学科的核心理论，在20世纪受到国际学术界和工程界的高度重视，随着各相关学科的不断发展和生产实践中提出的渗流问题日益广泛复杂，渗流已逐渐发展成为具有自己的理论、方法和应用范围的独立学科。1856年，法国工程师达西（Herri Darcy）通过试验提出了线性渗流理论，为渗流理论的发展奠定了坚实的基础。邵龙潭、王助贫等（2000）采用孔隙介质力学分析方法，把土体骨架、孔隙水和孔隙气分别作为独立的研究对象，结合孔隙水和孔隙气在气液交界面上满足的力学条件建立耦合方程，求解非饱和土中孔隙水的入渗和孔隙气体的排出过程。对标准砂进行了一维有压水流入渗的试验和计算，并用数值模拟方法进行对比，得出在研究水流入渗问题时，对一些导气率较低的土类，考虑气相的压缩和运动的影响是必要的结论。邓英尔、刘慈群等（2003）基于三参数非线性渗流运动定律、质量守恒定律及椭圆渗流的概念，建立了低渗透介质中两相流体椭圆非线性渗流数学模型，运用有限差分方法与外推法求解，导出了两相流体椭圆非线性渗流条件下油井见水前后开发指标的计算公式，并进行了实例分析。骆祖江、王增辉在1999年以多相渗流理论为基础，从水气两相渗流的连续性方程和达西定律出发，推导了非饱和带水气两相渗流的耦合动力学模型，讨论了模型求解方法的原理和步骤。刘昌军（2005）推导了降雨入渗下的饱和－非饱和水气两相渗流耦合数学模型，并对该模型采用了有限差分和全隐式联立求解方法进行了求解。从算例结果可以看出，采用水气两相渗流理论研究降雨入渗饱和－非饱和渗流更能反映非饱和土体渗流场的变化和入渗机理。

自20世纪80年代以来，国内在引进和发展井壁稳定性技术方面进展很快，许多油田都不同程度地开展了地层破裂压力的计算和预测方法的研究。在国内井壁稳定性研究中以黄荣搏等（1985）为代表的研究工作者做了大量而卓有成效的工作，并针对各油田实际，通过大量的实验研究了各种地层岩石的力学特性，还对地层破裂压力提出了适当的预测模型。其中比较有代表性的有冯启宁（1983）、黄荣搏（1985）、谭廷栋（1990）、姜子昂（1994）等人的研究成果及他们各自的预测模型。

1.2.3 水平定向钻孔内流场和力学研究

水平定向钻技术源于石油钻井工程，虽然该领域针对钻井液的携砂能力与排屑效率的相关研究非常多，但水平定向钻与传统石油钻井和地质钻探区别较大，特别是大直径和长距离水平定向钻穿越工程。首先，多级扩孔过程中孔内钻井液流场方向与岩屑重力方向正交（图1－4），流场在孔内垂直速度分量为零。岩屑在垂直方向只受到重力作用，因此不同比表面积的岩屑由于沉降速度不同而在孔内分层分布；其次，钻孔直径是钻杆直径的10倍以上，在泥浆泵有限的压力情况下，钻孔环空区域钻井液浓度高并且返速非常低，当孔径到1219mm时，钻井液返速仅为0.015～0.012m／s，整个水平定向钻扩孔过程中钻井液都处于层流状态。随着扩孔头与入土点距离的增加，岩屑会不断沉降并聚集在底部形成岩屑床，由于岩屑床的清洗困难，使得岩屑床的运移也出现分层现象，这在许多研究者进行的实验中都已经被观察到。如图1－5所示，岩屑床在贴近下孔壁的部分出现一层基本不移动的岩屑堆积层，称之为固定岩屑床层，固定岩屑床的存在，不仅极大地影响了扩孔过程中的排屑效率，而且增加了下一级扩孔时所需扭矩或铺管回拖力。因此，上述大直径水平定向钻工艺特征导致的钻井液携砂能力差、岩屑运移效率低成为目前大直径水平定向钻穿越技术急需解决的技术瓶颈。

图1－4 水平定向钻孔内岩屑运移与垂井的区别

图1－5 大直径水平定向钻孔内钻屑分布图

为解决上述问题，水平定向钻技术人员和研究者一直以寻求粘度高、携砂能力强、流动性好的钻井液为研究方向，通过降低岩屑在孔内的沉降速度、提高钻井液的流动性，在其完全沉降或形成固定岩屑床前排出钻孔。然而，钻井液的携砂能力和岩屑运移效率不仅与其粘度和流动性相关，而且与孔内钻井液流场的动力学特征密切相关。因此研究人员开始研究大直径水平孔内流场的动力学特征，揭示流场对岩屑运动特征的影响规律，并评价流场对水平定向钻钻孔内岩屑运移效率的影响程度，为解决大直径水平定向钻穿越技术中的技术瓶颈提供新技术途径，为研发新设备和工艺、为我国西气东输工程的顺利完成以及在市政给排水管道铺设工程中推广水平定向钻技术提供理论基础。

早在20世纪，钻井领域的专家和学者就认为大斜度井和水平井的岩屑输送是一个大难题，孔内环空清洗不干净易导致各种孔内问题的发生。石油大学、中国地质大学、中国石油天然气集团钻井研究院等研究机构一直致力于通过提高钻井液性能、泥浆泵输送能力、钻具等多种途径来解决岩屑输送问题。中小直径水平定向钻工艺借助于油气大斜度钻井和水平井方面的成熟经验和钻进技术，岩屑输送不存在技术瓶颈。然而，大直径水平孔内岩屑的运动特征与小直径水平孔和油气钻井区别较大，因此水平定向钻技术在该领域的应用和推广一直受到技术瓶颈的限制。美国土木工程协会管道分会以及欧洲的水平定向钻技术规范和标准都认为直径大于1219mm、长度大于1524m的水平定向钻穿越工程施工将会非常困难，而最大的难题就是岩屑运移和钻机动力瓶颈。刘盛兵、向启贵等（2008）对多个水平定向钻穿越工程的案例进行分析并认为大直径水平定向钻穿越在目前的技术条件下依然属于高风险工程，其中孔壁稳定、岩屑输送等技术问题是诱发风险的主要因素。李骁晔、李树雷（2010）在分析和总结了“大口径水平定向钻穿越水阳江工程”后，也将其归结为风险非常大的工程，并将钻井液配比和扩孔施工的技术难题归为产生风险的主要因素。然而水平定向钻技术以其工期短、环境扰动少、相对成本低等优点依然是目前大直径管道铺设工程中的首选方案。

针对上述的大直径水平定向钻技术岩屑运移瓶颈问题，国内外的专家认为提高钻井液性能是解决问题的有效手段，并针对钻井液的各种性能进行了大量的研究和研发。Allouche和Baumert 2005年在总结大量文献的基础上，通过室内实验对钻井液环空流体压力、摩擦角等因素进行分析，提出突破水平定向钻在直径和施工距离上的瓶颈问题不能将研究思路只停留在增加钻机吨位上，而应该综合考虑扩孔过程中其他的相关因素，如钻井液的性能、孔内压力等，才能有效地解决大直径水平定向钻的技术瓶颈，并通过理论研究和实验室测试推导出水平定向钻和扩孔过程中的排屑计算公式。此外，Allouche（2001）还结合美国多个水平定向钻工程，对水平定向钻工艺中其他影响排屑效率的因素进行了深入的分析，并认为提高钻井液性能、选择合适的孔内压力和回拖力等方面都有利于提高水平定向钻工程中的钻进和扩孔效率。我国针对水平定向钻排屑问题的研究起步较晚，20世纪石油钻井领域针对水平井段钻井液携带岩屑问题进行了相关研究，汪海阁等（1995）采用8种不同流体作为携带岩屑的介质，利用正交设计法安排实验，对水平井段同心环空和偏心环空中钻井液携带岩屑的问题进行了实验研究，全面考虑了环空流体返速、钻具旋转、钻具与井眼间的偏心度、钻进速度、岩屑粒径及泥浆性能对岩屑运移的影响，并提出在钻进一定进尺后，停钻循环一段时间，以彻底清洗井内的岩屑来提高下一阶段的钻进效率，该研究内容和结论与水平定向钻的岩屑运移规律具有一定的相关性。21世纪初，随着水平定向钻工艺在我国的迅速推广，我国对于水平定向钻工艺的相关研究不断增加，张得煊和晃东辉（2007）对现场混合泥浆的粘性、失水性和稳定性因素进行了试验，确定了在两个试验段中形成的混合泥浆的流体类型；通过泥浆性能的模型试验测定了传统泥浆和优化泥浆在不同土质中的各种性能的表现情况，但研究主要对钻进过程进行数值分析，研究不同种泥浆造成的地表沉降和孔壁稳定性，而针对排屑效率的研究内容较少。乌效鸣（2002）也一直从事非开挖钻井液方面的研究，开发了针对水平定向钻的高性能钻井液。

然而，仅靠提高钻井液性能来试图解决大直径水平定向钻孔内岩屑运移难题在实际工程应用中并不理想，甚至无法解决长距离水平定向钻施工的技术瓶颈。根据穿越现场数据以及相关工程的经验，大直径水平定向钻穿越扩孔过程中多以增加钻井液粘度、添加大量促流变剂使泥浆的粘度增加（达到70s以上）并采用“活塞效应”的方式进行排屑，这种方式虽然能解决排屑问题，但效率非常低。Ariaratnam（2003）收集美国各地的土样进行水平定向钻室内模拟试验，研究结果表明，高粘度的钻井液虽然有利于大直径水平定向钻的排屑效率，但是降低了钻井液的清孔、润滑、冷却扩孔头与钻头等功效，增加了泥浆泵压和钻机扭矩。不仅如此，高粘度钻井液需要大量的膨润土来进行调制，西气东输一线水平定向钻管道穿越工程中，平均铺设1000m的D1016mm管道需要的钻井液高达40 000m3，膨润土用量超过1000t。因此，要提高大直径水平定向钻的岩屑运移效率，突破大直径水平定向钻排屑技术瓶颈，不能只局限于钻井液性能的研究上，还应该通过研究影响岩屑的运动规律的其他因素，寻求解决问题的新方向。

钻孔内部流场不仅能改变岩屑的运移速度，而且还能改变岩屑在孔内的分布特征和扩散浓度，因此能直接影响岩屑的运移效率。然而，根据现有的文献资料，国内外对于钻孔内部流场问题的研究主要集中在石油钻井领域，目前鲜有大直径水平定向钻工艺特征的钻井液相关研究。国外20世纪中叶对石油钻井孔内的流场特征进行深入的研究，我国汪海阁（1993）也针对水平段偏心环空中非流体层流流场进行过相关研究，汪志明、张政（2004）针对水平井钻井过程中由于排屑不良而造成的钻头早期磨损、钻速降低等问题，分析了水平井段岩屑运移的主要影响因素以及岩屑床中流体流动对环空水力学的影响，总结了岩屑在石油钻井水平井内的传输规律。此外，龙芝辉等（2005）以岩屑颗粒单元为研究对象，通过分析偏心环空区域中岩屑颗粒的主要受力，预测岩屑颗粒的运移趋势，认为钻进中钻杆旋转产生的流场能提高岩屑的运移行程，并通过研究结果证明增大钻井液返速和钻杆旋转是避免岩屑下滑的主要措施。这些研究在基础流体理论和研究方法上对于研究和分析水平孔的孔壁稳定性具有一定的指导作用。