我国是水平定向钻装备的最大生产国，行业集中度较高，低端市场产品同质化严重，价格竞争较为激烈。随着我国地下管网里程和投入增加，水平定向钻进的发展也面临很多新的机遇和挑战。
一、水平定向钻装备
水平定向钻机
国内钻机不仅实现系列化、超大型化、个性化等，也紧紧跟踪工程机械国际化发展趋势，不断研发出电动直驱、自动化、数字化等先进钻机。随着我国大型和超大型基础设施建设开工建设，为了解决穿越复杂地层、大口径、超长距离等非开挖工程施工难题，先后开发了回拖能力超过千吨系列的1100t、1200t、1500t等钻机，同时电气化、自动化、智能化程度也有所提高。
钻头、钻具与钻杆
钻头与扩孔器
水平定向钻发展前期，大多在土层施工，因此多采用钻机驱动导向板钻头实现导向钻进。在导向板钻头基础上，发展了适用于相对较硬地层的鹰爪导向钻头，可通过左右摆动顶进实现较硬地层的导向钻进。随着水平定向钻进推广应用，硬岩水平定向钻进穿越工程越来越多，需克服碎岩慢、易阻卡等难题，岩石钻进的碎岩工具也日益多样化，不仅研发了适用坚硬岩石钻进的双回转动力头钻机，为了提高硬地层的钻进效率，多采用螺杆钻具驱动牙轮钻头/PDC钻头或采用潜孔锤钻进。
水平定向钻钻头
扩孔器多样化，可根据地质条件采用不同形式的扩孔器及组合形式。适用于粉砂、黏土等软地层轻量化扩孔器研究也越来越多，利用“浮筒效应”，既能切削，又能减轻扩孔的“梨形”孔洞。
螺杆钻具
螺杆钻具的输出转速高，一般100~400 r/min，因此可以大幅提升钻进效率，已成为水平定向钻的常规钻具。适用于非开挖工程的螺杆钻具，除了提高扭矩，还需要减少扩孔次数，以保证井壁的稳定性。为了提高常规螺杆钻具的扭矩和功率，通常采用增加螺杆级数、优化定转子的头数或采用等壁厚螺杆等技术措施，但增扭有限且弊端较多。针对增扭和减少扩孔次数，研制了大口径大扭矩组合螺杆钻具，将多个独立的螺杆钻具组装在一起，通过分流接头将钻井液均匀分配至各独立螺杆钻具，实现大扭矩输出，避免了多次扩孔施工，实现了一次钻进形成大口径钻孔。
大扭矩组合螺杆钻具结构示意图
钻杆
目前，我国HDD钻杆产能居世界首位，并大量出口。水平定向钻进钻杆钻具技术日趋成熟，系列化、标准化日趋完善，轻质钻杆、高强度钛合金钻杆日渐成熟。为了实现随钻测量信号的传输，配套水平定向钻向自动化、智能化升级，目前研制了双通道钻杆，由外管和中心缆等构成，可实现随钻测量信号传输、螺杆马达动力介质传输及钻机动力传递等功能，最大扭矩12kN·m，最大拉力732kN。
二、水平定向钻技术进展
水平定向钻主要包括钻孔轨迹测控、硬岩潜孔锤钻进、大口径长距离水平定向钻进等集成应用技术。其中导向孔钻进，可以借鉴成熟的资源钻探领域的水平井理论技术。
1、轨迹控制技术
目前，轨迹控制主要分为滑动导向和旋转导向两类。水平定向钻采用滑动导向，即回转正常钻进，不回转顶进造斜，常用步行式导向钻进和弯螺杆定向钻进。旋转导向是资源钻探领域新兴导向技术，具有易调控、轨迹平滑、摩阻小、钻速高等特点，是导向技术的发展方向。
2、步行式导向钻进技术
步行式导向钻进技术是由步行式导向仪实现钻孔轨迹测量和导向，利用钻机驱动斜掌导向钻头实现定向，是一种滑动导向钻进技术。钻杆停止回转并顶进钻头时，钻头斜掌与土体接触挤压而受到径向分力，开始造斜。
斜掌导向钻头造斜原理
导向仪有电磁导向和地磁导向2种。电磁导向主要由探头、手持式接收仪和遥显仪组成，向多频、大深度、有线发展，其精度易受到高压线、信号塔等因素干扰，无线传输长度受限，适合短距离穿越。地磁导向不易环境因素干扰，且不受长度限制，适合大型穿越工程，其研发侧重于无线、光纤、陀螺等方向。
导向仪的研究重点集中在开展频率优化和纠偏以消除干扰，创新应用新的测量方法，提高轨迹测量精度，增加探测深度等方面。目前，导向仪主要测量方式有TruTracker导向系统采用直流线圈辅助定位、ParaTrack导向系统采用交流线圈或磁靶辅助定位、GST陀螺导向系统陀螺仪定位。其中，GST陀螺导向系统，不受环境干扰，井斜测试精度0.01°，方位角测试精度0.04°。步行式导向钻进技术适用管径400mm以内，长度为400~500m的铺管施工。
弯螺杆钻具定向钻进技术
3、弯螺杆钻具定向钻进技术
弯螺杆钻具定向钻进技术是指采用牙轮钻头或PDC钻头+弯螺杆钻具+随钻测量仪器(MWD)的滑动导向的钻进方式。其中，螺杆钻具设置有弯接头，分为固定角度的单弯螺杆钻具和可调角度的螺杆钻具；随钻测量仪器可实时测量井斜和方位角，并通过泥浆脉冲传输至地表。其定原理是钻杆与弯螺杆钻具同时转动驱动钻头实现保持现有轨迹方向的复合钻进；调整工具面，保持钻杆不转，由螺杆钻具驱动钻头实现改变轨迹的定向钻进。该技术多用于长跨越孔，适用范围广，在硬岩或砾石层中也可施工，采用随钻测量钻孔轨迹，深度较浅时用步行式导航仪。适用管径300一1500mm，施工长度500m以上。
4、旋转导向钻进技术
与滑动导向不同，旋转导向钻进技术可在钻柱旋转钻进时，随钻实时完成导向功能的一种导向式钻井系统，具有阻力小、钻速高、成本低、建井周期短、井眼轨迹平滑、易调控并可延长水平段长度等特点，甚至可以让直径0.2m的钻头在 0.7m的薄油层中横向或斜向精准制导，实现一趟钻“横向”移动1000m的长距离作业。现在比较成熟的旋转导向系统有哈里伯顿的Geo-Pilot系统，贝克休斯的Au-toTrack系统和斯伦贝谢的PowerDrive系统。该技术对非开挖水平定向钻也有重要的借鉴意义。
5、硬岩冲击钻进技术
潜孔锤是一种针对硬岩研发的冲击钻进工具，已经逐步应用于水平定向钻施工。根据循环介质可分液动潜孔锤和气动潜孔锤。针对坚硬地层水平定向钻进技术难题，首次提出了将射流式液动冲击钻具配合螺杆马达应用于硬岩水平定向钻井领域，研制具有大冲击功、长使用寿命、高工作稳定性的水平定向钻用射流式液动冲击钻具，并开展冲击钻具工作原理分析及缸体前后腔压力动态变化规律理论研究，设计了GSC-203型硬岩水平定向钻用射流式液动冲击钻具。
6、大口径、长距离水平定向钻进技术
应用现状
水平定向钻进长距离、大口径铺设工程越来越多，以及岩石和山体穿越工程，多采用对接导向技术，同时须克服超长距离粉砂、卵砾石等特殊地层，摩阻大、携屑难、钻杆抱死和折断事故易发等施工难题，施工风险极高。但是随着水平定向钻进技术与工艺的不断进步和完善，水平定向钻进工程施工技术水平不断得到提高，应用场景越来越广，HDD穿越世界纪录不断被打破。
例如，中国最长海域水平定向钻穿越于2019年1月完成导向孔对接，穿越长度4060m；2023年，中俄东线天然气管道工程(永清-上海)通过7次扩孔，完成钻孔直径1850mm，长1558.16m的水平定向钻工程施工。除此之外，国内非开挖工程还体现出诸多新技术特征，包括水平定向钻进勘察取心、高落差多裂隙岩石地层定向钻进及对接、山体穿越陀螺仪十旋转磁矩测量导向技术等。
双向对接水平定向钻进技术
为了解决长距离水平定向钻进时钻杆屈曲变形、定向控制困难、托压严重、钻进效率低等问题，采用双向对接技术，即在人、出土点各安装一台钻机，两台钻机同时按设计穿越轨迹进行导向孔施工，当两台钻机的钻头钻进至规定好的的对接区域内时，由人土点钻机的探头感应到出土点钻机钻头发出的磁信号后，出土点钻机逐渐回退，同时，人土点钻机一边感应出土点钻机发出的磁信号，一边利用接收到的磁信号控制钻进方向，使之逐步向出土点钻机已形成的导向孔平缓趋进，直至沿出土点钻机已完成的导向孔出土，完成整个导向孔施工。
双向对接水平定向钻原理示意图
大口径水平定向钻进技术
大口径HDD工程施工难度大，存在回拖力不足、管段浮力过大等难题，对钻机能力、泥浆工艺和钻具强度提出了更高的要求。针对回拖力不足，一方面通过托管架发送法与管沟发送法减小回拖阻力，另一方面提高泥浆润滑性能，合理设置管道回拖参数，润滑减阻。针对泥浆浮力使管段与孔顶部紧密贴合而产生较大的摩阻和扩孔形成“鸭梨状”断面的钻孔下部形成岩屑床产生的摩阻，采用管道内充水配重，克服泥浆浮力，降低回拖力，研发了注水平衡技术。
7、管线探测技术
由于地下管线的材质、规格及传输物质各不相同，其物性与周围介质存在明显差异，因此利用地球物理方法探测地下管线成为一种行之有效的技术，其中尤以探地雷达法、电磁法和人工地震法应用最为普遍。
探地雷达工作时通过发射天线向地下发射系列高频电磁波，当电磁波向地下传播时遇到金属、塑料、土壤等不同导电性能的介质时会发生不同程度的衰减和反射，根据接收的反射波到达时间、振幅相位、波长等信息，进行数据处理和图像分析来达到探测地下管线的目的。
电磁法主要包括电磁感应法和高密度电阻率法。其中，高密度电阻率法和探地雷达法主要应用于非金属管线探测；而电磁感应法则在金属管线探测中独树一帜，例如在追踪小口径电力、通信电缆都能保证较高的精度。除此之外，以惯性陀螺仪定位法、声学探测法和标识法等为代表的非地球物理方法也飞快发展，成为新型管线探测技术的代表。
随着勘探目标要求的提高，二维剖面测量所能给出剖面上异常目标的埋深、范围等信息已不能满足业界对探测目标延伸走向、空间变化等详细信息的要求，因此各种探测方法均向三维勘探迭代升级。如瑞典MALA公司、意大利IDS公司、美国三维雷达公司相继推出了三维探地雷达系统；Bachrach和Tapan研究并评价了利用三维超浅层地震反射法实现对高分辨率近地表成像的有效性，证明近地表三维地震成像是一种速度快且效率高的物探方法，这在地下管线探测中具有巨大应用潜力。
三、结语
在日渐饱和的行业形势下，设备供应商应坚持“走出去”战略，加大出口设备出口。工程承包商，应从专业技术人员的引人或培训人手，提质增效；做好长距离、大口径、硬岩等穿越工程和绿色工程所需要的技术储备。另外，可积极向工程勘察、煤矿注浆等领域拓展业务。
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