《连续取心定向钻探》是我国工程勘察领域**部关于连续取心定向钻探技术的专著。《连续取心定向钻探》以极端地质条件下深部工程高能地质环境为背景，以大*率定向钻探破岩机理与轨迹控制、高能环境成孔工艺、随钻地质信息智能感知与综合测井、定向钻机设备研发为技术主线，详细而系统地阐述连续取心定向钻探成套技术的*新研发成果与技术实施过程，并提供多个典型工程应用案例，为我国深地领域工程钻探尤其是大*率定向钻探的精准实施提供理论和技术依据。

目录
第1章绪论1
1.1钻探技术1
1.1.1超长定向孔钻进技术1
1.1.2轨迹控制技术1
1.1.3绳索取心技术2
1.1.4综合测试技术2
1.2地质钻探技术发展历程2
1.3国内外定向钻探技术现状3
1.3.1非开挖铺设管线领域的应用4
1.3.2油气钻井领域的应用4
1.3.3矿产勘探领域的应用5
1.3.4工程勘察领域的应用6
1.4工程勘察定向钻探技术问题8
1.4.1超长定向孔钻进技术8
1.4.2轨迹控制技术8
1.4.3绳索取心技术8
1.4.4随钻测试技术9
1.4.5综合测井技术9
第2章工程勘察地质环境10
2.1重大工程建设概况10
2.2西部重大工程地质环境10
2.2.1地形地貌10
2.2.2区域地质背景12
2.2.3工程岩组类型及分布14
2.2.4水文地质条件16
2.3深部工程地质环境特征18
2.3.1高地应力18
2.3.2高地温23
2.3.3高水压24
2.4工程钻探工作难点与挑战25
2.4.1地质勘察工作特点与难点25
2.4.2地质勘察工作挑战27
第3章定向钻进与*线连续取心技术29
3.1定向钻进破岩机理29
3.1.1钻齿侵入破岩力学特性分析29
3.1.2取心钻头破岩特性分析30
3.1.3钻头简化运动模型及求解32
3.1.4复合冲击破岩模型及破岩机制研究35
3.1.5复合冲击破岩效果分析46
3.2定向钻孔随钻轨迹控制50
3.2.1钻孔轨迹防斜技术50
3.2.2钻孔轨迹测量技术52
3.2.3有缆随钻定向技术53
3.2.4水平绳索随钻定向技术57
3.2.5无缆随钻定向技术60
3.3大*率钻进连续取心技术63
3.3.1高强度绳索取心钻杆63
3.3.2柔性导向取心钻具65
3.3.3绳索取心钻进工艺66
3.3.4定向强造斜与绳索取心同步技术70
3.4薄壁空心螺杆马达取心钻具研发71
3.4.1空心螺杆马达取心钻具71
3.4.2中空螺杆钻具特性分析及方法设计72
3.4.3等壁厚螺杆钻具及转子线型优化技术73
3.4.4强造斜定向滑块伸缩定向系统75
第4章高能环境复杂地层成孔工艺77
4.1高地应力钻探成孔工艺77
4.1.1双级单动绳索取心钻具研制77
4.1.2复杂地层同步跟管技术78
4.2强涌水地层钻进综合处置及监测技术80
4.3超硬岩体快速钻进工艺82
4.3.1复合基孕镶金刚石钻头82
4.3.2打滑地层液动冲击回转钻进技术86
4.4护壁堵漏特种材料研发89
4.4.1环保型防塌冲洗液体系89
4.4.2深孔纳米复合水泥基护壁堵漏材料95
4.4.3凝胶堵漏材料101
4.4.4微生物护壁技术106
第5章随钻地质信息智能感知与综合测井技术109
5.1基于声振特征信号的岩性智能识别109
5.1.1基于声音与振动特征的岩性智能实时识别试验109
5.1.2声振信号的特征分析110
5.1.3基于深度学习的岩性识别模型研究114
5.1.4集成学习下的岩性智能识别及性能评估117
5.2岩体随钻响应特征119
5.2.1内聚力模型细观参数标定方法119
5.2.2内聚力模型119
5.2.3单轴压缩模型建模思想125
5.2.4CZM-FEM参数标定126
5.3岩体可钻性评价方法133
5.3.1单齿破岩钻进响应变化规律研究133
5.3.2单钻齿破岩钻进响应影响规律研究138
5.4深孔综合测井技术157
5.4.1综合测井仪器研发157
5.4.2测井仪器推送技术163
第6章定向取心钻机研发167
6.1总体方案的设计研究167
6.2钻塔升降平台设计169
6.3变幅机构优化设计170
6.4动力头设计171
6.5液压系统设计172
6.6钻机应用及效果175
6.6.1钻机操作方法175
6.6.2钻机使用情况176
第7章工程应用案例179
7.1定向钻进随钻轨迹控制应用案例179
7.1.1项目概况179
7.1.2随钻定向纠斜设计180
7.1.3随钻定向纠斜过程180
7.1.4随钻定向纠斜效果181
7.2大*率钻进连续取心应用案例181
7.2.1项目概况181
7.2.2大角度定向孔设计181
7.2.3定向钻进与孔内测试182
7.2.4大角度定向孔应用效果184
7.3强涌水钻孔钻进应用案例185
7.3.1项目概况185
7.3.2钻孔结构设计185
7.3.3取心钻进施工186
7.3.4应用效果189
7.4超硬地层钻进应用案例192
7.4.1项目概况192
7.4.2金刚石钻头选择192
7.4.3钻进工艺选择192
7.4.4应用效果193
7.5高地应力地层钻进应用案例194
7.5.1项目概况194
7.5.2设备及机具选择194
7.5.3钻孔结构设计195
7.5.4钻进工艺196
7.5.5应用效果196
7.6垮塌漏失地层护壁堵漏应用案例197
7.6.1项目概况197
7.6.2工艺需求及配方设计197
7.6.3注水泥护壁施工及应用效果199
第8章结论与展望201
参考文献206

第1章　绪论
　　1.1　钻探技术
　　深地开发与深空、深海开发并重为国家的“三深”战略，向地球深部进军是必须解决的战略科技问题。国家“十四五”规划实施的藏东南一体化能源基地建设等重大工程中需要实施大量埋深超2000m的隧洞、厂房等深地工程。在青藏高原极其复杂的地质背景下和极端恶劣的勘察工作环境下，定向精准钻探和钻孔综合信息感知是高效、经济、绿色探识深地工程地质条件的较佳手段。2000m级以上深度的钻探往往遭遇高应力、高地温、高水压等高能复杂地质环境，常规钻探设备和技术面临大角度轨迹控制及*线连续取心难、极端环境成孔难、深部信息获取难以及钻探智能施工难等技术瓶颈。
　　1.1.1　超长定向孔钻进技术
　　长大深埋复杂隧道(洞)勘察是当今工程地质勘察的重点和难点，取心钻探是工程勘察的关键。超长定向孔钻进技术是一种高效、精准的钻探方法，该技术通过优化钻孔设计和优选钻进装备，结合先进的钻进技术，实现对钻孔深度和轨迹的精确控制。在超长定向孔钻进中，钻孔轨迹会出现弯*段、水平段和垂直段在不同情况下的组合形式，对于弯*段，存在连续取心困难、轨迹控制不易等问题；在超长定向钻孔水平段中，钻杆和钻具整体贴在钻孔的底部，由于钻孔较深，钻进时钻杆与孔壁之间的摩擦力很大。在钻进断层、软弱夹层、破碎带、节理发育层时，如果钻机动力不足，将无法处理可能出现的卡钻、垮塌等孔内复杂情况。因此，针对超长水平定向钻孔高效施工要求，钻机必须具备足够的动力，动力头转速、扭矩等能够满足施工需要。同时，随着钻孔长度逐渐加大，钻孔轨迹控制的难度急剧增大，对钻杆、钻具等的要求也更高，钻孔完成后综合测试也更难。
　　1.1.2　轨迹控制技术
　　定向钻探钻具的回转轴线与自身重力方向一般不在一条直线上，受坚硬地层或岩层产状影响，钻具在孔口压力作用下，一般产生向上偏斜，在地层较软或钻遇断层破碎带时，一般产生向下偏斜。地质系统小直径水平定向钻进国内常用的主要方法有：偏心楔纠斜法，定向困难，不适用于纠斜工作量大的钻孔；连续造斜器法，定向不精确、误差大，定向仪器无法水平投送，且不适用于深孔造斜；采用小直径弯螺杆马达/有线随钻定向钻进，定向精确、钻孔轨迹可控且可连续造斜，泵量小，为2～3L/s，能够满足Φ96mm、Φ76mm口径随钻定向钻进需求。
　　1.1.3　绳索取心技术
　　绳索取心钻进是指在取心钻进过程中，当岩心充满岩心管后，不需提钻取岩心，而是以钻杆内孔为通道，借助绳索和专用打捞工具，把钻进过程中贮存于内岩心管中的岩心提升到孔外的取心钻进方法。在水电、铁路工程地质钻探成孔过程中，经常会遇到不良地质岩层，当钻具钻穿破碎地层后，如采用普通钻杆，钻杆与孔壁间隙过大，孔壁容易出现掉块，为此，经常因孔壁掉块导致卡钻；改用绳索取心钻进技术之后，由于钻头与钻杆外径尺寸相差很小，直径较大的破碎岩石难以掉入孔内，大大降低了发生孔内卡钻事故的概率。采用绳索取心钻杆，钻杆和孔壁之间间隙较小，改善了钻杆的受力状态，钻杆不容易被折断，避免了断钻杆等孔内事故的发生。而且，钻机在加压传递钻压过程中，钻杆受力也不容易弯*，从而提高了钻进稳定性和保证了钻孔孔径。只要金刚石钻头没有达到使用寿命就可以连续钻进，起大钻次数减少，可以大大增加纯钻时间，提高钻进工效，同时，减轻劳动强度和减少钻探成本。此外，在取心钻进时还常采用半合管取心钻具，主要用于卵石地层、砂泥层等松散地层取心，可以大大提高岩心采取率。所谓半合管，就是将传统的取心内管切割成两个半圆管，取心钻进时两个半圆管合并为密闭的圆形管，并置于取心钻具外管内，回次钻进结束取心时取下上下两个连接头拆开成两个半圆管，确保岩心样从半合管中取出时不被破坏。相对于传统取心钻探工艺，采用半合管取心具有组装和拆卸便捷、岩心原状性保存完好等优势。
　　1.1.4　综合测试技术
　　将地球物理测井技术与数据存储技术、多参数的物理测井方法与可视化的成像技术相结合，通过钻杆将相关传感器输送到大斜度及水平孔内目的层，把地层内的相关物理参数及孔内孔壁的真实影像视频存储记录。再通过相关解释处理分析软件，将地层的温度/压力/测斜方位/自然伽马/波(声)速等物理参数进行快速分析，得出地层岩性/孔隙度/裂隙等相关物理参数，形成综合解释成果图。与此同时，根据钻孔孔壁的真实影像视频，测量出任意全方位倾角的钻孔结构产状角度，并实现钻孔全景图像及其平面展开图的实时同步显示，提供相关的空间形状和位置信息，记录钻孔孔壁岩体结构特征和岩层信息，为相关工程建设提供准确的计算数据及技术支撑。
　　1.2　地质钻探技术发展历程
　　伴随着中华人民共和国的建立和发展壮大，我国的探矿工程事业从无到有，从小到大，从弱到强。70多年来，通过几代探矿人的坚持不懈和努力奋斗，目前我国地质钻探技术水平基本与世界同步，在许多方面达到世界先进水平，有些钻探技术、装备已处于****地位。回顾我国探矿工程70多年的发展历程，大致划分为四个阶段：中华人民共和国成立初期创建起步阶段(20世纪50～60年代)，技术稳步快速发展阶段(20世纪70～80年代)，扩大服务领域阶段(大致为20世纪*后15年)，钻探工程技术全面、深入发展，逐步进入世界一流的阶段(21世纪以来)。70多年来钻探工程为国家经济建设、为我国成为至今世界上唯一制造业体系*完整的国家做出了重要贡献。
　　1953年，地质部颁发了《钻探操作规程》(草案)等相关操作规范。与此同步，地质部探矿司印发了《钻探工程手册》，书内列举了苏联、日本、美国、瑞典四国各型钻机及配套设备的规格、性能等技术参数，还有各种野外钻探生产常用表。1958年10月，地质部根据“一五”期间的钻探工程技术经验，制定、颁发了第二部《钻探操作规程》。1961年10月，地质部颁发了《钻探技术操作安全规程》(试行草案)。1963年，地质部根据1949年以来14年的生产、技术经验，制定了符合国情的《岩心钻探规程》(简称《规程》)。《规程》明确规定：岩心钻探是地质勘探工作的重要方法之一，以多快好省地取得地质成果。
　　20世纪60年代后期至70年代，在探矿工程专业研究机构被迫疏散、研发工作难以正常进行的困难条件下，探矿工程人员仍尽力争取条件坚守工作岗位，排除各种困难，做好本职工作，探矿工程取得了重要进展和系列成果。20世纪70～80年代，探矿工程技术进入稳步快速发展阶段。
　　随之，以绳索取心为主的多工艺钻探技术逐步完善，以金刚石钻探为代表的新技术开始起步，小口径金刚石钻探配套技术的研究和成功应用，使其成为我国机械岩心钻探的主要方法，带动了钻探全行业的发展，进而达到了国际先进水平。以绳索取心钻进为主的小口径金刚石钻进技术成为地质岩心钻探主体。液动冲击回转钻进技术得到推广应用。受控定向钻进技术研究应用成果斐然。受控定向钻进是现代先进钻探技术之一。以反循环为主体的多工艺空气钻探技术体系获推广应用。
　　工程地质钻探同样起步较早，但相比资源勘查钻探，覆盖层是勘察的主要内容之一且一般需要全孔取心，钻孔深度相对较浅。在地质钻探基础上建立的以小口径金刚石钻探为代表的技术体系，使我国工程地质钻探取得重大的科技进步，是我国工程地质岩心钻探技术质的飞跃。其中，小口径金刚石钻探配套技术体系，使我国广泛实施的工程地质岩心钻探在钻探效率、钻进质量等方面有十分显著的提高，并大为改善劳动强度。近年来，随着国家重大工程建设发展，受限于极端复杂的地质条件以及高海拔深切割地形极端恶劣的勘探环境，钻探的深度越来越深，难度越来越大。绳索取心技术、定向钻探技术已成为现阶段工程勘察主要的勘探技术，进一步加速了我国工程勘察的步伐，从而满足重大工程建设需要。
　　1.3　国内外定向钻探技术现状
　　定向钻探技术在国内各行业已经进行了大量的应用，基本形成了一套较为完整的技术装备体系，尤其在非开挖领域、油气钻井领域以及矿产勘查领域的应用已经非常成熟，绝大多数为不取心或点状取心。随着各项重大工程的逐步开展，布置了大量的长大深埋隧道(洞)，需采用定向钻探技术进行勘探。因此，定向钻探技术在工程勘察领域的应用也在逐步推广，但工程勘察对取心的要求较严，多为全孔取心且对取心率要求较高。
　　1.3.1　非开挖铺设管线领域的应用
　　定向钻探技术应用*广泛的领域之一就是非开挖铺设管线，非开挖铺设管线是在不开挖地表的条件下完成地下管线铺设施工的方法。与传统的开槽铺管施工相比，非开挖铺设管线具有不影响交通、不污染环境等优点，并在许多场合比开挖法施工周期短、成本低、安全性好。非开挖铺设管线可广泛用于自来水、煤气、排污、通信、电力、石油和天然气等各种地下管线铺设施工。非开挖管线铺设定向钻进施工，大部分是在软土层钻进，不需要取心，钻孔轨迹是下倾—水平—上倾，一般情况下钻孔直径比工程勘察钻孔大，有时需要通过多级扩孔完成，在地面通过导向仪器进行探测并引导钻孔沿设计轨迹延伸，或是在钻孔中通过随钻测量仪器定向钻进。1900年美国采用顶管法成功地实现了非开挖铺设管线的技术突破，该技术经历60年的发展，先后出现了螺旋钻进法和冲击矛法。1970年美国加利福尼亚州率先使用“水平导向钻进法”穿过河流铺设管道。随着非开挖技术的不断成熟，针对不同的管网情况，1980年发明了“胀管法”(爆管法)，此技术随后也逐步推行开来。我国*次应用是20世纪80年代从国外引进定向钻进技术用于输油管道穿越黄河的施工。河北省地质矿产勘查开发局于1994年成功研制了非开挖导向孔探测仪。1994年，中国地质科学院勘探技术研究所率先利用国产钻机采用非开挖技术在河北省廊坊市完成一个燃气管线的铺设工程，并于1995年研制出国内**台导向钻进非开挖铺管钻机，此后非开挖铺设管线技术在全国各城市逐步推广应用，彻底解决了城市建设中铺设地下管线时开挖马路形成马路“拉链”的问题。国内水平定向钻进铺设管线*长的工程是香港国际机场第3跑道航油管道改线工程，在海平面以下约130m处水平钻孔长度达到了5200m。
　　1.3.2　油气钻井领域的应用
　　近年来，石油钻井定向井技术的发展，使得石油钻井事业得到了前所未有的发展机会，定向井新工艺、新技术的出现，大大提高了石油钻井机械钻速，缩短了传统石油钻井的施工时间。先进的石油钻井并行技术，更是保证了井筒的质量，提高了定向井井眼轨迹精确控制的水平，保证了井眼轨迹符合施工设计要求，满足了现代油田勘探开发的技术要求，提高了钻井的效率和质量。石油勘探定向钻进主要包含以下几个大类。
　　(1)超薄油层水平井钻井技术。这项技术主要是针对水平井的缺点而进行研究的，在采油工程中运用这项技术，可以很有效地开采超薄油层，而且这项技术随着采油工程的实践也变得越来越成熟。
　　(2)大位移井钻井技术。这项技术主要是通过在大陆上钻井来开采蕴藏在海底的石油。同时使用较多的轨道设计，能够控制设备在轨道上进行工作，可以更有效地保证施工的顺利性，目前这项技术也是非常高效的。
　　(3)分支井钻井技术。该技术已经运用了多年，带来了非常好的经济效益，经过多次的研究以及实践，这项技术如今变得越来越成熟，能够攻克一定方面的采油难题。
　　(4)丛式水平井钻井技术。这项技术可以很轻松地进行采油钻井并有效地提取石油，国内大部分油田都采用这项技术，能够带来*直观的经济效益。
　　(5)其他技术。除此之外，还有其他类的采油技术、钻井技术，其暂时不能够满足开采的需求，仍处于发展阶段，但是这些技术可以辅助其他技术进行工作。根据近几年的油田开采情况来看，这些技术如今变得越来越重要。
　　世界上**口有记录的定向井于1932年在美国加利福尼亚州亨延滩油田完成，而我国的**口定向井于1956年在玉门油田钻成。世界上*长的油气水平井钻井长度达到了15240m，是2022年10月由阿联酋阿布扎比国家石油公司利用中国东方电气集团宏华集团有限公司制造的3000HP钻机施工的，*长水平段长度超过10000m。国内