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摘要：水平定向钻进（Horizontal Directional Drilling）,即HDD,是应用于非开挖领域的一项重要施工技术。HDD在不同地层的施工工艺也有所不同，文章从几种复杂地层的特点入手，分析了在适用于这些复杂地层的施工工艺，在HDD工程应用中，要合理的结合地层的特点选择施工工艺，减小施工难度，顺利完成工程。
关键词：
水平定向钻进（HDD） 钻进工艺钻井液淤泥层卵石层岩石层
中图分类号：F407.1 文献标识码：A 文章编号：
水平定向钻进（Horizontal Directional Drilling）,即HDD,是应用于非开挖领域的一项重要施工技术，大多应用于穿越河流、铁路、公路、建筑物等场地的各种管线铺设。小口径的管线铺设，也称之为导向钻进，但其施工工艺与HDD基本相同，在非开挖技术领域也没有明显的区分界限。由于施工场地的地质等因素，定向钻进的施工要穿越各种地层，粘土层是比较理想的土层，施工过程相对简单，而砂层、卵石层、岩层等地层的施工工艺根据各地层的性质有明显的不同，在这些地层的施工过程中要合理的选择施工工艺，优化资源配置，以求最高效率的完成工程。
砂层
砂层根据其颗粒级配大致可分为粉砂、细砂、中砂、粗砂和砾砂等。由于HDD的钻空轨迹的特殊性，在砂层中钻进存在的最大问题是孔壁的不稳定易坍塌，对于疏松的砂层来说，钻孔导向也存在一定的难度。在这类地层进行非开挖施工时，要合理的选择钻进工艺，选择优质钻井液护壁。
1.1 钻进工艺
在砂层施工，可选用常规的导向钻进，钻孔轨迹要尽量降低入射角和出射角，避免在砂层出现太大的钻孔弯曲弧度。钻头选用硬质合金导向钻头。
导向钻头尖端部位的高压钻井液射流射入砂层,松散的砂层受冲刷后呈现流沙状态,砂层稳定性减弱。导向钻头前端具有造斜和纠斜功能的斜掌从砂层中得到的反作用力也随着减弱,造成导向钻孔施工工程中造斜和纠斜困难。因此，可以把斜掌的宽度加大，增加导向钻头斜掌和流砂的接触面积,改善斜掌造斜和纠斜功能,从而达到导向钻头沿预期设定的钻孔轨迹延伸,保证了导向精度。
在导向孔施工完毕以后，要尽快开始扩孔，砂层的内聚力小，在扩孔时要尽量减少扩孔级数，减少钻具在孔内
的震动次数，有效的防治孔壁坍塌。
1.2 钻井液
钻井液主要用于稳定孔壁、降低回转扭矩和拉管阻力、冷却钻具、清除钻渣等作用。在砂层中钻进，结合砂层的特点，适当提高钻井液的密度,增大粘度和降低失水,而且要考虑其可泵性。在泥浆体系的配比中，一般选用在钠基膨润土的泥浆加少量润滑剂。当然，在具体的应用中，要结合地层的特点，采用不同的配合比。对于极不稳定的流沙层，可选用化学浆液堵漏材料，如：丙稀酰胺、水玻璃、硅酸盐和各种合成乳胶。这类化学材料可以提高孔壁的力学稳定性，但是其价格较高。
卵石层
卵石层的结构极其不稳定，属于机械分散地层，颗粒之间缺乏胶结。在导向孔施工时，会出现塌孔、钻进轨迹难控制、钻渣排除困难、卵石难破碎、钻井液漏失等情况。在扩孔施工时，还会出现扩孔器卡死，甚至埋钻的现象。因此，在该地层进行非开挖施工时，要详细了解卵石层的密实情况、粒径级配、层厚度等，合理的设计钻孔轨迹、选择合理的钻具、优质的泥浆以及扩孔器，以提高钻进效率和方向控制。
1.1 钻进工艺
在卵石层施工，可选用硬质合金钻头回转挤压的顶进方法，对卵石进行挤压，形成致密的孔壁。在钻头结构的设计上，要考虑卵石难破碎、难排出等缺点，选择聚拢压碎和劈裂大直径卵砾石的功能的钻头。在回转钻进时,由于卵砾石的活动,卵砾石不断垫入钻具之下,使钻具角度在回转过程中越来越大,因此要少转多顶的钻进工艺,保持钻头楔面向下造斜的位置上顶进,当顶进困难时,实施回转，以保证钻孔轨迹不偏离设计方向。
在导向孔施工完毕以后，要尽快进行扩孔，避免因裸孔时间过长而出现塌孔现象，扩孔可选用镶有硬质合金齿的圆锥形钻头分级进行扩孔，分级扩孔钻头的直径要根据实际情况而定，各级之间的钻头直径差一般控制在50mm。扩孔钻头的另外一个作用是将钻井泥浆挤压进周边的孔壁中，以达到泥浆的护壁效果。
气动冲击的方法在卵石层中也有应用，就目前的技术来讲，这种方法可以有效的破碎岩石，提高钻进效率。但是这类工艺对孔壁的震动较大，不利于孔壁的稳定，而且也不利于钻渣的排出。但是在技术不断更新的时代，经过不断的创新和尝试，以气动冲击来完成卵石层的钻进工艺一定会有新的突破。
1.2 泥浆护壁
对于卵石层来说，泥浆护壁是很大的难点。卵石层结构一般很松散，容易坍塌，孔隙大，耗费泥浆，所以在卵石层中进行施工的时候，关键的问题是解决要优化泥浆配比，选择高粘度的泥浆，但是也要充分考虑因为泥浆粘度太高而影响钻进效率的弊端。在利用泥浆护壁的同时，还要做好防止漏失的准备，在有必要时要定期向孔内灌注堵漏浆材。
增加泥浆泥浆的粘度可以利用纤维素来实现，在膨润土和清水配比的泥浆中加入一定比例的纤维素，如Na-CMC(钠羧甲基纤维素)，可以增加泥浆的粘度，降低泥浆的失水，以加强泥浆的护壁功能。如果高粘度的泥浆还不能阻止孔壁坍塌，那只能选择化学注浆，稳定孔壁，如水泥浆、丙稀酰胺、水玻璃、硅酸盐等都是比较理想的堵漏材料，可根据工程的实际情况选择注浆材料。
1.3 拖管
最后一道工序拖管工艺，是整个工程成败的最后一个关键因素，扩孔完毕以后，立即进行拖管，在卵石层中拖管，管壁与孔壁的卵石棱角发生摩擦，容易破坏管道。或者掉落在孔内的个别卵石卡在管壁与孔壁之间，对孔壁造成破坏，如果孔壁的稳定性不好，甚至会造成孔壁坍塌，导致埋管，给施工带来很大的麻烦。
因此为了保证拖管的顺利进行，一定要做好孔壁的稳定，在扩孔结束以后，要尽量清除孔内残留的卵石块，扩孔时要预留足够的空间，减少管壁与孔壁的摩擦。
岩石层
在岩石层中进行非开挖钻进，是近年来国内非开挖技术的一项突破，中国地质勘探研究所作为中国钻探的研究开发主力军，在不断的创新和尝试中，最近几年为在岩层中进行非开挖作出了卓越的贡献，研发了以冲击回转破碎岩石在岩层中进行非开挖的施工技术。
岩石层的结构比较稳定，孔壁较稳定，但是存在钻进效率低、造斜难度大、扩孔缓慢等缺点。在普通的非开挖钻进中，钻具的回转速度慢，主要依靠顶进给力完成钻孔的施工，而对于岩层而言，转速是影响效率的最为关键的因素。我们可以结合国内多年来积累的岩心钻探和石油钻井技术和经验，在岩层中进行钻进，要采取“高转速、低压力”原则，才能取得较高的效率。显然，水平定向钻进的模式限制了在钻进过程中转速始终无法提高。因此，我们可以借鉴岩心钻探和石油钻井的经验，采用冲击回转钻进的方法，高效率破碎岩石。
3.1 钻进工艺
冲击回转钻进的工艺冲击回转导向法具有效率高,易操作,适应地层广,适于城市施工等特点。以勘探研究所研发的一种组合冲击回转钻具为例，介绍其性能特点。
在冲击回转钻进中所使用的钻头有2种形式:一种是斜掌式钻头,主要用于软岩造斜钻进，另一种是圆形阶梯式钻头导向靠其后部连接的弯接头,主要用于硬巖造斜钻进。钻头上镶嵌有硬质合金。当钻具连续回转钻进时,钻孔沿直线方向前进；当钻具围绕设定的方向以60°左右的扇面角摆动钻进时,钻孔就会朝设定的方向偏转,达到造斜转向的目的。
1.导向柔杆2.仪器仓
3.冲击器4.导向锤头.
图1 冲击回转钻进钻具组合
钻头的后方是一风动潜孔锤。在空压机的驱动下,可产生高频冲击。钻头在潜孔锤的冲击下,以冲击回转的方式作用于岩石上,使岩石产生体积破碎,因而该钻进方式的钻进效率极高,通常其钻速可达每小时十几米甚至几十米,远远高于其他钻进方式的钻速,这也是冲击回转导向法的突出优点之一。
钻具的后部接有导向仪安装筒,其内部装有导向仪的信号发生器,可提供深度、斜度、工具面向角和仪器温度等参数。安装筒内部有特殊的缓冲装置,以缓解振动对信号发生器的冲击,确保其安全。
3.2 扩孔工艺
岩石层的扩孔不同于其它地层，岩石的破碎难度大，分级扩孔级数多，施工缓慢。因此，要选用耐磨型扩孔钻头，勘探研究所研发的非开挖回扩（滚刀）钻头就是专门在岩层中进行扩孔的钻头，不同直径级别的扩孔钻头按照其直径均匀分布一定数量的牙轮，在扩孔过程中，主要依靠牙轮的回转来破碎岩石，效果很好，为了提高施工效率,扩孔级数应尽可能少,但受到以下几个方面的限制:(1)每级孔径半径的增加值不能超过牙掌或滚刀的有效工作宽度；(2)钻机应能对每组刀具施加足够的正压力，保证刀具在破碎岩石时的效率；(3)钻机有足够大的扭矩。
3.3 钻井液
在常规的岩心钻探和石油钻井中，应用于岩层的钻井液的作用主要在于润滑钻具，冷却钻具，排除钻渣等功能。而对于以冲击回转为钻进模式的非开挖钻进，与常规钻探不同，主要不同点在于冲击回转钻进对岩石的破碎属于体积破碎，岩屑体积大，因此要求钻井液有较高的悬浮能力。
在大口径的非开挖钻进中，清孔工艺必不可少。由于提高泥浆的性能和增加泵量都有一定的限制,当孔径增加到较大尺寸时(如大于200 mm) ,孔内泥浆的流速会降得很低,以至不能将孔内的岩屑清出孔外。因此,靠提高泥浆的性能和增加泵量不能解决大口径岩石非开挖的清孔问题。为了解决大口径岩石非开挖的清孔问题,可以选用反循环清渣技术,有效地解决岩石非开挖施工中的清渣难题。
结论
经过对水平定向钻进（HDD）在砂层、卵石层、岩层的施工工艺探讨，可以得出如下结论：
（1）非开挖钻进是在岩心钻探和石油钻井技术的基础上发展起来的一种新型钻进工艺，是钻探工艺的一种领域拓宽。因此，在进行非开挖钻进中，要充分利用在岩心钻探和石油钻井所积累的技术经验，结合水平钻进的特点，选择合理的施工技术，不断的拓展和开发新型的非开挖钻进工艺。
（2）地质因素是影响非开挖工程的最关键的因素，在工艺的选择中，要充分考虑地层的特点，在多种钻进工艺中选择适用于该地层的工艺，选择适用的钻进机械，优化钻具组合，合理配比钻井泥浆。
（3）鉆孔泥浆在水平定向钻孔（HDD）中发挥巨大的作用，是决定工程成败的关键因素。在钻孔液的设计配比中，要充分考虑泥浆的比重、固相含量、流变性、虑失性能以及钻孔液的润滑性、胶体率和PH值等。在不同的地层，建立适用于该地层的泥浆体系，选择合理的泥浆处理剂，提高钻孔泥浆的功能，提高钻进效率。
参考文献：
乌效明，等，《钻井液与岩土工程浆液》中国地质大学出版社；
将国胜，等，《非开挖铺设地下管线施工技术与实践》；
刘强，等，岩石非开挖铺管施工工艺的研究，探矿工程，2005年第7期。
关键词：
水平定向钻进（HDD） 钻进工艺钻井液淤泥层卵石层岩石层
中图分类号：F407.1 文献标识码：A 文章编号：
水平定向钻进（Horizontal Directional Drilling）,即HDD,是应用于非开挖领域的一项重要施工技术，大多应用于穿越河流、铁路、公路、建筑物等场地的各种管线铺设。小口径的管线铺设，也称之为导向钻进，但其施工工艺与HDD基本相同，在非开挖技术领域也没有明显的区分界限。由于施工场地的地质等因素，定向钻进的施工要穿越各种地层，粘土层是比较理想的土层，施工过程相对简单，而砂层、卵石层、岩层等地层的施工工艺根据各地层的性质有明显的不同，在这些地层的施工过程中要合理的选择施工工艺，优化资源配置，以求最高效率的完成工程。
砂层
砂层根据其颗粒级配大致可分为粉砂、细砂、中砂、粗砂和砾砂等。由于HDD的钻空轨迹的特殊性，在砂层中钻进存在的最大问题是孔壁的不稳定易坍塌，对于疏松的砂层来说，钻孔导向也存在一定的难度。在这类地层进行非开挖施工时，要合理的选择钻进工艺，选择优质钻井液护壁。
1.1 钻进工艺
在砂层施工，可选用常规的导向钻进，钻孔轨迹要尽量降低入射角和出射角，避免在砂层出现太大的钻孔弯曲弧度。钻头选用硬质合金导向钻头。
导向钻头尖端部位的高压钻井液射流射入砂层,松散的砂层受冲刷后呈现流沙状态,砂层稳定性减弱。导向钻头前端具有造斜和纠斜功能的斜掌从砂层中得到的反作用力也随着减弱,造成导向钻孔施工工程中造斜和纠斜困难。因此，可以把斜掌的宽度加大，增加导向钻头斜掌和流砂的接触面积,改善斜掌造斜和纠斜功能,从而达到导向钻头沿预期设定的钻孔轨迹延伸,保证了导向精度。
在导向孔施工完毕以后，要尽快开始扩孔，砂层的内聚力小，在扩孔时要尽量减少扩孔级数，减少钻具在孔内
的震动次数，有效的防治孔壁坍塌。
1.2 钻井液
钻井液主要用于稳定孔壁、降低回转扭矩和拉管阻力、冷却钻具、清除钻渣等作用。在砂层中钻进，结合砂层的特点，适当提高钻井液的密度,增大粘度和降低失水,而且要考虑其可泵性。在泥浆体系的配比中，一般选用在钠基膨润土的泥浆加少量润滑剂。当然，在具体的应用中，要结合地层的特点，采用不同的配合比。对于极不稳定的流沙层，可选用化学浆液堵漏材料，如：丙稀酰胺、水玻璃、硅酸盐和各种合成乳胶。这类化学材料可以提高孔壁的力学稳定性，但是其价格较高。
卵石层
卵石层的结构极其不稳定，属于机械分散地层，颗粒之间缺乏胶结。在导向孔施工时，会出现塌孔、钻进轨迹难控制、钻渣排除困难、卵石难破碎、钻井液漏失等情况。在扩孔施工时，还会出现扩孔器卡死，甚至埋钻的现象。因此，在该地层进行非开挖施工时，要详细了解卵石层的密实情况、粒径级配、层厚度等，合理的设计钻孔轨迹、选择合理的钻具、优质的泥浆以及扩孔器，以提高钻进效率和方向控制。
1.1 钻进工艺
在卵石层施工，可选用硬质合金钻头回转挤压的顶进方法，对卵石进行挤压，形成致密的孔壁。在钻头结构的设计上，要考虑卵石难破碎、难排出等缺点，选择聚拢压碎和劈裂大直径卵砾石的功能的钻头。在回转钻进时,由于卵砾石的活动,卵砾石不断垫入钻具之下,使钻具角度在回转过程中越来越大,因此要少转多顶的钻进工艺,保持钻头楔面向下造斜的位置上顶进,当顶进困难时,实施回转，以保证钻孔轨迹不偏离设计方向。
在导向孔施工完毕以后，要尽快进行扩孔，避免因裸孔时间过长而出现塌孔现象，扩孔可选用镶有硬质合金齿的圆锥形钻头分级进行扩孔，分级扩孔钻头的直径要根据实际情况而定，各级之间的钻头直径差一般控制在50mm。扩孔钻头的另外一个作用是将钻井泥浆挤压进周边的孔壁中，以达到泥浆的护壁效果。
气动冲击的方法在卵石层中也有应用，就目前的技术来讲，这种方法可以有效的破碎岩石，提高钻进效率。但是这类工艺对孔壁的震动较大，不利于孔壁的稳定，而且也不利于钻渣的排出。但是在技术不断更新的时代，经过不断的创新和尝试，以气动冲击来完成卵石层的钻进工艺一定会有新的突破。
1.2 泥浆护壁
对于卵石层来说，泥浆护壁是很大的难点。卵石层结构一般很松散，容易坍塌，孔隙大，耗费泥浆，所以在卵石层中进行施工的时候，关键的问题是解决要优化泥浆配比，选择高粘度的泥浆，但是也要充分考虑因为泥浆粘度太高而影响钻进效率的弊端。在利用泥浆护壁的同时，还要做好防止漏失的准备，在有必要时要定期向孔内灌注堵漏浆材。
增加泥浆泥浆的粘度可以利用纤维素来实现，在膨润土和清水配比的泥浆中加入一定比例的纤维素，如Na-CMC(钠羧甲基纤维素)，可以增加泥浆的粘度，降低泥浆的失水，以加强泥浆的护壁功能。如果高粘度的泥浆还不能阻止孔壁坍塌，那只能选择化学注浆，稳定孔壁，如水泥浆、丙稀酰胺、水玻璃、硅酸盐等都是比较理想的堵漏材料，可根据工程的实际情况选择注浆材料。
1.3 拖管
最后一道工序拖管工艺，是整个工程成败的最后一个关键因素，扩孔完毕以后，立即进行拖管，在卵石层中拖管，管壁与孔壁的卵石棱角发生摩擦，容易破坏管道。或者掉落在孔内的个别卵石卡在管壁与孔壁之间，对孔壁造成破坏，如果孔壁的稳定性不好，甚至会造成孔壁坍塌，导致埋管，给施工带来很大的麻烦。
因此为了保证拖管的顺利进行，一定要做好孔壁的稳定，在扩孔结束以后，要尽量清除孔内残留的卵石块，扩孔时要预留足够的空间，减少管壁与孔壁的摩擦。
岩石层
在岩石层中进行非开挖钻进，是近年来国内非开挖技术的一项突破，中国地质勘探研究所作为中国钻探的研究开发主力军，在不断的创新和尝试中，最近几年为在岩层中进行非开挖作出了卓越的贡献，研发了以冲击回转破碎岩石在岩层中进行非开挖的施工技术。
岩石层的结构比较稳定，孔壁较稳定，但是存在钻进效率低、造斜难度大、扩孔缓慢等缺点。在普通的非开挖钻进中，钻具的回转速度慢，主要依靠顶进给力完成钻孔的施工，而对于岩层而言，转速是影响效率的最为关键的因素。我们可以结合国内多年来积累的岩心钻探和石油钻井技术和经验，在岩层中进行钻进，要采取“高转速、低压力”原则，才能取得较高的效率。显然，水平定向钻进的模式限制了在钻进过程中转速始终无法提高。因此，我们可以借鉴岩心钻探和石油钻井的经验，采用冲击回转钻进的方法，高效率破碎岩石。
3.1 钻进工艺
冲击回转钻进的工艺冲击回转导向法具有效率高,易操作,适应地层广,适于城市施工等特点。以勘探研究所研发的一种组合冲击回转钻具为例，介绍其性能特点。
在冲击回转钻进中所使用的钻头有2种形式:一种是斜掌式钻头,主要用于软岩造斜钻进，另一种是圆形阶梯式钻头导向靠其后部连接的弯接头,主要用于硬巖造斜钻进。钻头上镶嵌有硬质合金。当钻具连续回转钻进时,钻孔沿直线方向前进；当钻具围绕设定的方向以60°左右的扇面角摆动钻进时,钻孔就会朝设定的方向偏转,达到造斜转向的目的。
1.导向柔杆2.仪器仓
3.冲击器4.导向锤头.
图1 冲击回转钻进钻具组合
钻头的后方是一风动潜孔锤。在空压机的驱动下,可产生高频冲击。钻头在潜孔锤的冲击下,以冲击回转的方式作用于岩石上,使岩石产生体积破碎,因而该钻进方式的钻进效率极高,通常其钻速可达每小时十几米甚至几十米,远远高于其他钻进方式的钻速,这也是冲击回转导向法的突出优点之一。
钻具的后部接有导向仪安装筒,其内部装有导向仪的信号发生器,可提供深度、斜度、工具面向角和仪器温度等参数。安装筒内部有特殊的缓冲装置,以缓解振动对信号发生器的冲击,确保其安全。
3.2 扩孔工艺
岩石层的扩孔不同于其它地层，岩石的破碎难度大，分级扩孔级数多，施工缓慢。因此，要选用耐磨型扩孔钻头，勘探研究所研发的非开挖回扩（滚刀）钻头就是专门在岩层中进行扩孔的钻头，不同直径级别的扩孔钻头按照其直径均匀分布一定数量的牙轮，在扩孔过程中，主要依靠牙轮的回转来破碎岩石，效果很好，为了提高施工效率,扩孔级数应尽可能少,但受到以下几个方面的限制:(1)每级孔径半径的增加值不能超过牙掌或滚刀的有效工作宽度；(2)钻机应能对每组刀具施加足够的正压力，保证刀具在破碎岩石时的效率；(3)钻机有足够大的扭矩。
3.3 钻井液
在常规的岩心钻探和石油钻井中，应用于岩层的钻井液的作用主要在于润滑钻具，冷却钻具，排除钻渣等功能。而对于以冲击回转为钻进模式的非开挖钻进，与常规钻探不同，主要不同点在于冲击回转钻进对岩石的破碎属于体积破碎，岩屑体积大，因此要求钻井液有较高的悬浮能力。
在大口径的非开挖钻进中，清孔工艺必不可少。由于提高泥浆的性能和增加泵量都有一定的限制,当孔径增加到较大尺寸时(如大于200 mm) ,孔内泥浆的流速会降得很低,以至不能将孔内的岩屑清出孔外。因此,靠提高泥浆的性能和增加泵量不能解决大口径岩石非开挖的清孔问题。为了解决大口径岩石非开挖的清孔问题,可以选用反循环清渣技术,有效地解决岩石非开挖施工中的清渣难题。
结论
经过对水平定向钻进（HDD）在砂层、卵石层、岩层的施工工艺探讨，可以得出如下结论：
（1）非开挖钻进是在岩心钻探和石油钻井技术的基础上发展起来的一种新型钻进工艺，是钻探工艺的一种领域拓宽。因此，在进行非开挖钻进中，要充分利用在岩心钻探和石油钻井所积累的技术经验，结合水平钻进的特点，选择合理的施工技术，不断的拓展和开发新型的非开挖钻进工艺。
（2）地质因素是影响非开挖工程的最关键的因素，在工艺的选择中，要充分考虑地层的特点，在多种钻进工艺中选择适用于该地层的工艺，选择适用的钻进机械，优化钻具组合，合理配比钻井泥浆。
（3）鉆孔泥浆在水平定向钻孔（HDD）中发挥巨大的作用，是决定工程成败的关键因素。在钻孔液的设计配比中，要充分考虑泥浆的比重、固相含量、流变性、虑失性能以及钻孔液的润滑性、胶体率和PH值等。在不同的地层，建立适用于该地层的泥浆体系，选择合理的泥浆处理剂，提高钻孔泥浆的功能，提高钻进效率。
参考文献：
乌效明，等，《钻井液与岩土工程浆液》中国地质大学出版社；
将国胜，等，《非开挖铺设地下管线施工技术与实践》；
刘强，等，岩石非开挖铺管施工工艺的研究，探矿工程，2005年第7期。