地下工程强风化岩层

水平定向钻线路和轨迹设计都需要充分了解工程区域的工程地质条件，岩土工程勘察是获取工程地质条件及岩土体性质的重要方法，因此岩土工程勘察也是水平定向钻穿越工程设计和施工的基础。

2.1.1 岩土工程勘察

岩土工程勘察工作是所有管道工程设计和施工的基础。不同类型和不同规模的工程活动会给地质环境带来不同程度的影响；反之不同的地质条件又会给工程建设带来不同的效应。岩土工程勘察的目的主要是查明工程地质条件，分析影响水平定向钻穿越铺设管道潜在的地质问题，对工程区域做出工程地质评价。岩土工程勘察按照不同勘察阶段的要求，正确反映场地的工程地质条件及岩土体性质的影响，并结合工程设计、施工条件以及地基处理等工程的具体要求，进行技术论证和评价，提交处理岩土工程问题及解决问题的决策性具体建议，为设计、施工提供依据，服务于水平定向钻穿越铺设管道工程的全过程。岩土工程勘察一般是分阶段进行，可分为可行性研究勘察（选址勘察）、初步勘察和详细勘察三阶段，其中可行性研究勘察应符合场地方案确定的要求；初步勘察应符合初步设计或扩大初步设计的要求；详细勘察应符合施工设计的要求。

岩土工程勘察的内容主要有：工程地质调查和测绘、勘探及采取土试样、原位测试、室内试验、现场检验和检测，最终根据以上几种或全部手段，对场地工程地质条件进行定性或定量分析评价，编制满足水平定向钻穿越工程各阶段所需的资料文件。

2.1.2 岩土工程问题

为避免或减轻不良地质条件对水平定向钻穿越工程带来的负面影响，线路和轨迹设计首先需要根据水平定向钻穿越工艺的特点来考虑地层岩土体的工程适应性。水平定向钻穿越是采用水平定向钻机先进行先导孔钻进，然后将钻孔扩至设计的孔径，最后将管道回拖完成管道铺设，所有不利于钻孔导向、成孔或固孔的岩土体都可能对水平定向钻穿越工程造成负面影响。学者和工程师根据已有的钻进工程理论和经验，将负面影响较大的地层定义为不适合水平定向钻工程施工地层，将有一定负面影响但可以通过其他处理方法或技术手段消除或减少其影响的地层定义为中等适应性地层，而将负面影响较小的地层定义为适应性地层。表2－1中列出了水平定向钻工艺常见地层的适应性，这些适应性关系是选择和设计线路和轨迹的重要参考。中硬—硬质粘土和淤泥、硬粘土和强风化页岩、中—致密砂层、风化岩层或强胶结地层的成孔和固孔性都比较好，因此都是理想的穿越层，在设计时应该尽量将线路和轨迹置于上述地层；而松散—密实砂砾石层，松散—密实卵砾石层，含有大量孤石、漂石或障碍物地层固孔性较差，存在较大的孔壁失稳风险，属于不利于水平定向钻穿越的地层，在设计线路和轨迹时应该尽量避开。

表2－1 水平定向钻和地层条件的适应性关系

注：“适用”意味着施工经验丰富的施工方采用合适的施工机具可以较容易完成穿越工程；“可行但有难度”意味着需要对常规的钻进过程和施工设备进行调整或改进；“困难极大”意味着不适合进行水平定向钻穿越。

地表沉积覆盖物的分布状况及其特性、高塑性粘土、膨润性页岩基岩物质、以及结构复杂的硬质或者研磨性基岩地层也可能增加水平定向钻工程施工的风险，这些地层在水平定向钻工程中可能出现的岩土工程和水文地质问题如下。

2.1.2.1 地表沉积覆盖物

地表沉积覆盖物一般包括粘土、粉砂质粘土、粉质粘性耕土、砂土、碎石、卵石等，一般来说，粘土、粉质粘土、粉质粘性耕土属于粘性土层，这些地层在成孔后都能通过自身的结构特性保持孔壁的稳定；粘质粉砂、粉砂、细砂、中粗砂都属于弱胶结地层，这些地层内部粘聚力很小，当钻头或扩孔头通过上述地层时，只要钻孔内充满泥浆，也可以很好地维持孔壁稳定。但是，如果在水平定向钻施工过程中涉及到粗的颗粒状物质（碎石、卵石、大卵石），则会导致系列的工程问题，潜在的风险包括：

（1）钻进过程中钻孔失稳或者坍塌，以及随后导致的卡钻；

（2）钻井液漏失到地层；

（3）钻井液泄漏并且在地表出现冒浆。

鉴于上述的工程风险，不宜将整个穿越管道铺设于卵石层中，若仅穿越轨迹的出入土段有一定厚度的卵石层时，可采取套管、地质改良、开挖等措施处理后进行水平定向钻管线铺设。此外，还可以根据勘察资料确定不良地层的位置，通过在钻井液中增加应急的添加剂来保证这部分地层的稳定性。

2.1.2.2 高塑性粘土及膨润性页岩

随着粘土和页岩地层的可塑性从低到中的增加，其低电位也相应增加，这是导致水平定向钻施工中渗透的风险增加的主要原因。然而，在导向孔、洗孔和管道回拉过程中高塑性粘土和膨润土页岩的膨胀会发生钻孔部分或完全缩径，从而导致钻孔压裂形成渗流通道造成地面冒浆。因此在设计线路和轨迹时应尽可能避开高塑性土层、膨润土页岩地层，保持设计钻进路径，使得接触到上述地层的可能最小。此外，高塑性粘土和膨润性页岩还会改变钻井液粘度，影响钻进速度。

2.1.2.3 基岩地层

在基岩中钻进不仅施工成本高而且效率低，但从工程地质角度来看，优质基岩是长距离大直径水平定向钻的首选穿越层。大部分工程案例分析也表明，良好的钻孔稳定性能保证孔壁在施工过程中的各个阶段维持稳定。如果基岩地层具有如下的一些特征，也可能增加水平定向钻施工的风险。

2.1.2.3.1 基岩岩体结构复杂，尤其是褶皱和断层基岩沿钻进路径分布

如果水平定向钻轨迹位于基岩结构褶皱和断层复杂的地层环境中，从层理和节理的角度来看，钻进路径中的岩体不仅不连续而且软硬相交，钻头可能在钻进过程中受到岩层的影响而偏离设计轨迹，当导向孔以低角度钻入到地层交互面时，就会产生偏离问题。因此在设计水平定向钻线路和轨迹时应该尽量避开这种复杂的基岩层，如果不可避免要穿越坚硬的基岩，则要尽可能将钻进轨迹与基岩面的夹角调整到最大，有效地减小软硬交互面对导向产生的不利影响。

2.1.2.3.2 基岩岩体不连续构造工艺（如节理和裂缝）

基岩岩体的节理和裂缝会增加钻井液的漏失量，这种影响在水平定向钻的导向孔和扩孔过程中也是不稳定的重要因素之一。钻井液漏失是这类地层需要处理的主要问题。工程实践中常采用添加剂加固岩体和减少节理及裂缝渗透性。

2.1.2.3.3 设计轨迹沿线的岩性和基岩性质变化快

如果水平定向钻的设计轨迹沿线的岩性和基岩性质变化快，会使导向孔的导向控制非常困难。此外，抗压强度高的坚硬基岩或者耐磨性高的基岩也会影响进度和成本，在某些情况下，水平定向钻可能会由于忽略上述问题而导致成本超过预期计划。因此，在设计水平定向钻线路和轨迹时应尽量避开抗压强度高的基岩或者尽量使钻进路径遇到这类地层的可能性最小。如果钻进过程中不可避免遭遇这类地层，可选用气动锤和冲击矛技术。

2.1.2.3.4 孔隙率较大的地层与岩溶地层

孔隙率较大的地层，如煤层，在很多情况下都存在节理和裂缝，因此在类似的地层中进行水平定向钻施工时泥浆循环损失是增加风险和成本的主要因素，此外，煤颗粒还可以堵塞泵和减少泥浆回收率。石灰岩和白云岩地层常常存在岩溶空洞，类似的情况也可发生在石膏、盐和钾盐组成的基岩地层中。

2.1.3 水文地质

水文地质问题主要和承压条件有关。这些问题通常发生在透水层、含碎石、砂石层之上的粘土层或页岩基岩等不透水层中，透水层会形成一个承压含水层。如果上述含水层有大容量地下水和较高的地下水压，当钻孔与承压含水层交叉并破坏不透水层进入到含水层时，地下水会进入钻孔内部并破坏孔内的泥浆体系，从而导致严重的工程事故。避免上述问题的方法通常采用套管或灌浆来隔离承压含水层。此外，泥浆与含水层交叉影响也会对整个区域的地下水环境造成严重的污染，尤其是当水平定向钻的穿越轨迹设计较深时。