作者：李术才，李利平，孙子正，刘知辉，李梦天，潘东东，屠文锋
作者单位：山东大学岩土与结构工程研究中心；山东大学齐鲁交通学院
定向钻技术起源于石油钻井工业，经多年发展已拓展至隧道工程地质勘察及灾害处置、煤矿底板含水层改造、蓄能电站抽水通道施工、市政管道铺设等多个领域。地面注浆技术结合定向钻长距离精准穿越的优势，可实现地下工程不良地质高效预加固与灾害安全处置，具有广阔的应用前景。
文章系统综述了定向钻注装备技术的发展历程、研究现状和待突破关键技术。首先，介绍了定向钻与地面注浆技术的发展历程；其次从重大科研项目、学术论文、授权专利以及工程实践等方面进行了分析与总结。
结果表明：我国现阶段定向钻注技术总体已达到自主化、实用化的国际先进水平，但在千米级长距离快速钻进、复杂地质条件精准导向、地下工程精准注浆处置等核心技术方面仍存在“卡脖子”难题。面向战略性重大工程建设需求，提出了超长距离定向钻注一体化装备“预报、钻进、注浆、检测”四大功能模块，围绕随钻感知预报、快速钻进与卡钻预测、精准导向技术、远距离凝胶可控注浆材料、稳压控制分段注浆工艺、随钻检测系统六方面，开展了分析与讨论，可为我国定向钻注一体化装备技术发展和地下工程灾害防控提供参考。
亮点论述：
地面钻注一体化待突破关键技术
定向钻注技术通过地面注浆，在地下空间灾害处置领域具有广泛的应用前景。依托定向钻注技术的地面注浆需具备“预报、钻进、注浆、检测”四方面的功能。预报功能通过在钻头位置安装探测系统，在定向钻进的同时探测不良地质段，明确需要开展治理的区域；钻进是其他功能实现的基础，通过新型破岩方式的应用、卡钻问题的预报及解决、精确测斜和导向，实现超长距离的快速钻进和灾害治理区域的精准中靶；注浆功能在预报及钻进的基础上开展，通过在地面上远距离对地下灾害区域进行注浆，实现不良地质段的改性和处置；检测功能服务于注浆，通过搭载的检测设备，实现注浆效果的实时评价，从而有效指导注浆参数、注浆工艺的调整优化。
3.1智能化高效钻具组合
智能化高效钻具组合涵盖智能钻杆、智能钻机等智能钻进设备及长距离信息传输系统等。通过建立地面与地下钻孔信息的传输通道，使用钻孔信息采集系统对钻进过程中的钻孔情况进行实时探测、感知和数据传输。通过反馈的数据，进一步开展智能分析和决策，进而对钻进装备下发执行命令，实现钻进过程的智能化控制[180-181]。
高效钻具组合的智能化是实现智能钻注一体化的重要一环，钻孔数据采集技术及装备、长距离数据传输系统及装备、智能决策调控系统等将是当前研究的重点，目前已研发出了智能钻机、智能钻头、钻柱、智能导向、防黏滑钻具以及钻孔信息采集和传输、远程智能决策系统等。因此，围绕大数据、物联网、深度学习、机器视觉等技术，高效分析和解译钻进过程中的海量数据，提升人机交互和决策能力，降低施工成本将是未来重要的研究方向。
3.2复杂地层快速钻进
在轴向冲击钻进方面，轴向冲击钻进技术通过对岩石作用高频的冲击荷载，达到快速破岩的目的。轴向冲击钻进技术经过长时间的发展已进入相对成熟阶段，但该技术在应用过程中仍存在钻头故障、经济效益不确定的问题。因此，进一步优化冲击参数(冲击能量、冲击频率等)提高钻头寿命、减少冲击钻进引发的振动问题、与定向钻进技术紧密结合等是该技术未来发展的趋势。在扭转冲钻进方面，扭转冲击钻进技术通过给钻头施加周向冲击荷载，可以使钻头不用积蓄能量，直接进行冲击和剪切破岩，大大减少了钻头的黏滑效应，显著提高了钻进速度。延长钻具寿命、解决钻头拖压、提升在软塑性泥土中的钻进效率等是扭转冲击钻进技术未来需解决的问题。在多元复合冲方面，多元复合冲击钻进技术可以达到“立体破岩”效果。尽管该技术的提出及应用相对较晚，但通过对已有成果的调研发现，多元复合冲击钻进技术在提高钻进效率方面具有显著的优势。因此，围绕多元复合冲击钻进技术，进一步研发新型冲击钻具、研究多元复合冲击破岩机制、优化冲击钻进参数、延长钻具使用寿命等将是未来重要的研究方向。
3.3随钻感知及预报
从现有研究工作看，在岩性预测方面，针对随钻参数反演岩石单轴抗压强度的研究较多。而对于其他岩石力学参数与随钻参数的关系研究较少，缺少随钻参数反演三轴抗压、单轴抗拉、内聚力、内摩擦角、弹性模量和泊松比等岩石力学参数的研究。
在岩体结构预测方面，相关研究极少，亟需开展随钻参数反演空腔、断层、裂隙、岩层界面等岩体结构的研究。
现有的研究工作大都基于模型试验，试验条件理想，与实际工况差别大。应开发适配于工业钻机的随钻参数采集系统，基于实际工况开展随钻参数与地质信息匹配关系的研究。
现有的随钻感知主要基于工艺参数反演，工艺参数易受施工影响，噪声大，而在石油测井领域，随钻伽马、随钻密度、随钻声波、随钻中子、随钻电磁波等运用地球物理性质的测井技术可获取岩性信息，受施工影响较小。可开展工艺参数反演与随钻测井技术相结合的随钻感知技术，拓展数据来源，实现多元数据融合的随钻感知。
3.4卡钻预测及解除
目前的卡钻预测技术可有2个突破方向：一是基于不同施工参数的卡钻预测技术，如可通过钻头转速降低、泵压升高、钻具扭矩增大、钻时延长等多种参数对卡钻的可能性进行预测。二是可通过在针对上述多种施工参数对于卡钻不同影响程度的分析基础上，设计模型结构并调整参数，将试验样本在不同参数下进行模拟试验，可基于神经网络研发卡钻预测软件，识别钻进过程的异常参数变化情况，实现对卡钻事故的预测。
3.5精准导向技术
国内外均高度重视导向技术的研究，但目前斯伦贝谢等国外厂商的技术仍具有较大优势。在未来的钻探行业中，我国导向钻进技术还需更深入的研究，努力缩短与国际领先技术的差距。对于复杂环境下的钻进作业，钻探过程中面临数据采集难、地面与地下通讯不稳定的问题，目前亟需完善导向钻进系统，加强关键参数的采集并保障数据链接传输的稳定。发展精准导向钻进技术，改进钻进控制机制亦是重中之重，应重点推动相关理论突破，优化指令、控制偏差、缩短滞后性，并发展自主导向及全闭环导向系统。
随着技术水平的不断升级及全自动钻机的应用，未来将逐渐解放人力，实现自动化、少人化钻进，提高生产质量及效率，促进行业发展。另外，开展几何导向技术的研究及应用，可以利用三维空间来对钻孔轨迹进行几何判定，使钻进的导向及控制更加精准。
3.6远距离凝胶可控注浆材料
传统浆液流动性、可注性难以满足超长距离泵送要求，胶凝时间难以调节，千米级超长距离泵送浆液扩散难以精细化控制。同时，需要针对不同的工程需求选择特定适合的超长距离定向注浆材料。例如，针对富水断层破碎带注浆治理，需要堵水加固一体化材料；针对大型管道、空腔等，需要低成本的固废基材料；针对碎粉岩致密地层，需要高渗−劈裂复合注浆材料。
基于定向钻注技术的地面注浆处置结合定制化注浆材料，可发挥更大效用，特别是能满足远距离凝胶可控需求。目前，超长距离注浆材料仍有以下方面亟待突破。
首先，注浆材料需要凝结时间可控。在实际操作中，千米级泵送过程中输送长度跨度大，需要达到工程中注浆的时间要求，输送至指定位置根据地层信息反馈随时调节初凝时间。
其次，注浆固结体强度高。浆液结石强度与浆材的成分成型压力、水泥标号、浆液浓度及搅拌时间等因素有关，对于帷幕灌浆，要求结石密实性强，渗透性低，耐久性好；对固结灌浆，要求更高的抗压强度和黏结强度。
再其次，浆液可注性好。黏度是评价可注性的主要参数，浆液可注性好可有效降低注浆施工难度，并且对于空隙、裂隙较小的地层，提升可注性能够提升有效加固圈范围。
最后，浆液需要具有较高的稳定性，为方便施工，浆液要求具有较长储存时间，搅拌后析水率低，浆液化学反应可控，受环境影响低。
因此，针对不同的超长距离注浆需求，亟需研发系列凝塑可控的水泥基、多源固废基、黏土水泥浆等新型注浆材料，满足长距离泵送、流动性好、胶凝可控、强度高、动水抗分散、环保性能好的要求。
3.7超长距离注浆控制
现有注浆工艺在超长距离成孔技术措施方面考虑不足，针对滇中引水工程，面向深埋高应力隧道和高压大流量涌水，要全面考虑钻孔保证措施以及长距离钻孔成孔技术要求，钻孔技术要求一般包括孔径、孔斜、钻孔精确度，需要结合具体地质情况进行确定；此外，传统工艺在注浆效果检测以及监控量测方面仍存在缺陷，地面传统物探在大埋深隧道检测方面存在明显技术不足，如瞬变电磁在1000m埋深上，精度大于50m，显然无法指导注浆检测，而传统扫孔注水检测在超长距离注浆上适用性差，无法有效表征注浆区域治理效果。因此，需综合地面物探手段、地下工程隧洞检测和注浆过程数据分析与检测。
在注浆工艺方面，需要突破超远距离定向钻孔注浆出浆口压力实时监测与闭环控制技术，考虑浆岩耦合作用的复杂地层超远距离定域注浆多级压力监测物理模拟试验技术，并研发考虑水头差−全孔沿程损失的高压大流量大功率智能化注浆装备。此外，基于“决策方案−模型驱动−控制参数”的稳压注浆控制系统也已成为未来超长距离注浆控制的必要发展方向。
