一些有关长距离岩石定向钻各个阶段的问题：

1. 导向孔钻进阶段

   1.1 长距离岩石水平定向钻中导向孔钻进的难点在岩石层中进行导向孔施工，一般采用泥浆马达，即动力钻具作为动力源，其工作原理是使用高压泥浆驱动泥浆马达中的涡轮高速旋转，进而带动钻头旋转破碎岩石。经过对实际施工经验和相关资料的总结，在长距离岩石层中进行导向孔钻进，所遇到的难点主要有以下几点：

　　（1）长距离岩石钻进地层变化大，造成地层情况复杂，钻进过程困难。水平定向钻进的岩石层主要为河流相沉积岩，主要是砂岩、砂砾岩、泥岩、页岩等地层，由于多数岩层都会经过多次的地壳运动，河流变迁，风化等地质作用，导致地层出现褶皱，断层，裂隙，层间角度不整合等地质构造，地层情况复杂多变，这就给水平定向钻进造成了许多困难，主要表现为：

①在细砂岩，中粗砂岩等风化程度比较小的坚硬岩石中钻进，由于此类岩石抗压强度大，且切削下来的岩屑对钻具的磨损比较大，导致钻进功效比较低。

②较软岩层中，如破碎风化程度比较大的岩层钻进，由于钻具本身自重比较大，钻头会趋向于重力方向钻进，导致钻进角度比较难调整。

③软硬交互地层，钻进趋势会趋向于软岩层，造成钻进曲线偏离设计曲线。

④裂隙、断层岩层中钻进，主要是钻井液的漏失，导致钻井液无法满足施工，钻进功效降低。

　　（2）钻井液对复杂地层的适应性不足。由于钻进距离长，可能经过的地层比较多，钻井液原则上需要根据不同的地层采取不同的配方，如切削的岩屑比较大的地层，主要考虑钻井液的携带能力。但是由于实际施工需要同时保证施工质量和进度，还要控制施工成本，如果单纯从钻井液要符合地层情况角度考虑，则付出的成本过高，且不利于施工进度。

　　（3）钻进距离长，作用于钻头上的压力不易控制。由于钻进距离长，孔中钻杆发生多次弯曲变化，钻杆应力及所受外力十分复杂，钻机操作台上的读数可能与实际情况相差比较大，这对司钻人员的施工造成了一定的困难。

　　（4）其他困难：①钻进距越长，孔内钻杆弯曲越多，马达工具面角越难调整。  ②钻杆内信号线每隔几十根钻杆需要上一个线夹进行固定，线夹越多越阻碍钻井液的通行，造成憋压。

  1.2 长距离岩石水平定向钻中导向孔钻进难点解决方案

　　针对以上提出的在长距离岩石水平定向钻导向孔钻进中遇到的困难，通过对实际施工经验的总结以及查阅相关资料，特提出以下解决方案：

　　（1）地层问题解决方案

　　针对复杂地层，首先要根据勘察资料，详细分析地层情况，主要从钻进岩石的岩性，强度，破碎程度等方面入手研究分析岩石的可钻性，主要从以下几个方面采取应对方案：

   ①坚硬地层解决方案

　　在水平定向钻进中，一般认为抗压强度达到60MPa以上的岩石属于坚硬岩石。在实际钻进施工中，经常遇到的坚硬岩层一般是风化程度比较小的细砂岩，中粗砂岩，石灰岩等岩层，此类地层钻头压入岩石困难，导致钻进十分困难，且砂岩地层在破碎后岩屑对钻具磨损十分严重。针对此类地层解决方案是：1)首先考虑使用硬质合金镶齿牙轮钻头，此类钻头的耐磨性和韧性都可以较好的适应坚硬岩石地层。2)对于微风化且石英质含量较高的砂岩层，由于其硬度较高，岩屑耐磨性高，使用牙轮钻头可能磨损较快，使用寿命较短，此类地层可以考虑使用金刚石钻头，此类钻头抗压强度高，抗磨损能力强，但也有一定的脆性，抗弯能力不足，且成本相对较高，使用时应当综合考虑。

   ②软岩地层解决方案

此类地层往往破碎程度比较大，风化程度较高，裂隙较多，且岩石中粘、粉含量较多，往往强度很低，甚至于比土层承载力都要小。在这样的岩层中钻进，由于钻具自身重量较大，钻进曲线会逐步向下弯曲，偏离设计曲线，主要解决方法是：

（1）采用小直径钻头，使马达工具面角向上，快速向上顶进；

（2）采用弯度较大的泥浆马达，快速向上顶进；

（3）如果以上两个方案无法解决问题，可以考虑在软岩地层中快速顶进，使钻进曲线尽量靠近设计曲线，等穿过此地层后，再进行角度的调整。或者在未钻进软岩层时，先将钻进曲线调高，以对冲在软岩地层中下掉的角度，此方法由于未知软岩地层的可钻性情况，采用时应慎重考虑。

   ③软硬交互地层解决方案

　　根据软硬地层的交互情况，以及岩层的岩性，在尽量接近设计曲线的原则下，采用以下方法：若软岩层抗压强度达到10MPa以上，可以考虑在软岩层中钻进。若软岩层抗压强度太小，则尽量在硬岩层中钻进。

   ④裂隙、断层地层解决方案此类地层主要问题是钻井液的漏失比较严重，可以在钻井液中加入一定量的堵漏剂进行堵漏，以解决钻井液漏失问题。

　　（2）钻井液问题解决方案

　　钻井液是水平定向钻进的“血液”，具有十分重要的地位，而钻井液是否符合地层情况，在很大程度上也决定了钻进的成功与否。根据以往施工经验和相关资料，同时考虑在长距离岩石中钻进施工，主要从以下几个方面考虑：

   ①在砾岩、石灰岩等经过切削后产生较大块碎屑（粒径一般大于20mm）的岩层中钻进，此时钻井液的携带能力成为最主要的考虑方面，主要是提高钻井液的动塑比，静切力等指标，以使得钻井液具有较大的携带能力。

   ②在砂岩等破碎后岩屑（粒径一般小于2mm）比较小的岩层中钻进，钻井液的携带能力不再是主要的考虑方面，而对钻具降温则成为主要的考虑方面，这时需要适当的降低钻井液粘度，增强其流动性，使钻井液可以更好的循环。

   ③在泥岩、页岩等粘粉类成分较多的岩层中钻进，由于此类岩石易遇水软化，出现“泥包钻”现象，而页岩又有吸水膨胀现象，在此类岩石中钻进尤其要特别注意钻井液的配制，要特别注意以下两点：1)尽量降低钻井液的滤失量，使钻井液滤失的水量尽量小，减少泥岩的水化程度。2)在页岩中钻进，可加入适量KCl，可有效抑制页岩膨胀。

   ④钻井液中的固相含量在一定程度上影响着钻进速度，一般情况下钻石随着固相含量升高而下降，所以要除去固相。在以往短距离水平定向钻施工中，一般只采用回收系统进行钻井液的回收，但是在长距离岩石钻进中，由于钻井液经过地层较多且用量比较大，考虑到更换新钻井液的成本比较大的问题，可以增加离心机除固相设备，可以较好的除去钻井液中的固相成分，提高钻速以及钻井液的携带能力。

   ⑤由于钻井液配制成本比较高，在长距离岩石钻进中使用量比较大，如果单纯为了与地层相适应，频繁的更换钻井液，则钻进成本会大幅度提高，并且会增大工期。在长距离岩石钻进中可以考虑针对主要地层确定钻井液配方，在特别重要且对钻井液要求比较高的地层（如页岩层）中钻进要专门配制与之相适应的钻井液。

　　（3）钻压问题解决方案

由于对水平定向钻进中的实际钻进压力的理论计算尚未十分成熟，在粗略计算的基础上，司钻技工可以根据以往施工经验和实际地层情况，适时调整钻进压力，以保证钻进功效。一般认为钻井液携带出的岩石碎屑较多，则成孔性较好，实际钻压接近压力表上的读数，反之，则差别较大，应适当增大钻压，以保证钻速。

（4）其它问题解决方案

①钻进距离越长，孔中钻杆弯曲情况越复杂，马达的工具面角越难调整，这时需要司钻人员根据施工经验多次调整，尽量将工具面角调整至需要的角度，如果钻进角度偏差大，则立即查找原因，排除问题。

②线夹过多导致憋压问题，可以适当减少线夹数量，也可以采用镂空比较大的线夹，尽量保持钻井液流通顺畅，减少憋压程度。

2. 扩孔阶段

2.1 长距离岩石扩孔难点长距离岩石水平定向钻进扩孔阶段所遇到的问题比打导向孔更多更难，以往在短距离岩石扩孔中的一些技术在长距离扩孔施工中将不再适用，甚至会导致比较严重的后果。通过对实际施工经验和相关资料的总结，在长距离岩石水平定向钻进扩孔施工中主要有以下几个难点：

（1）地层问题

现在地下输油输气管道直径越来越大，相应的穿越成孔的直径也越来越大，长距离岩石扩孔中遇到的地层问题比短距离扩孔要复杂得多，主要有以下几个难点：

①在细砂岩，中粗砂岩等风化程度比较小的坚硬岩石中扩孔钻进，由于此类岩石抗压强度大，而扩孔是靠钻机拉着扩孔器顶入岩石然后旋转切削岩石，所以比较难钻进，且切削下来的岩屑对钻具的磨损比较大，导致钻进功效比较低。

②较软岩层中，如破碎风化程度比较大的岩层钻进，由于钻具本身自重比较大，扩孔器会沿着重力方向逐步掉落，导致在软岩中形成比较大的陡坡或扩孔“键槽”，这对下一级扩孔和回拖管道都不利。

③一般情况下，在穿越的两岸都有土层和岩石层的交接处，当从土层扩孔进入岩石层时，由于岩石层扩孔时间长，会导致在土层和岩石层的交接处形成一个比较大的陡坎，这对下一级扩孔会造成一定困难，回拖时管道从陡坎进入岩石孔洞也是十分困难的。

④在裂隙、断层岩层中钻进，主要是钻井液的漏失，导致钻井液无法满足施工，钻进功效降低，成本增加。

 （2）钻井液问题

钻井液在扩孔施工中具有极其重要的地位，孔中的岩石碎屑需要由钻井液携带出，在长距离岩石扩孔中，钻井液方面的问题主要有以下几点：

①由于扩孔钻进距离长，高压钻井液在返流一定距离后，流速将逐步降低，导致距离扩孔器比较远的孔中的岩屑比较难以携带出，因而孔中碎屑会逐渐堆积，形成滞留层等现象，导致扩孔器退出和进入孔洞困难，对下一级扩孔和管道回拖也不利。

②钻井液对复杂地层的适应性不足。扩孔钻进可能经过的地层比较多，钻井液原则上需要根据不同的地层采取不同的配方，如切削的岩屑比较大的地层，主要考虑钻井液的携带能力。但是由于实际施工需要同时保证施工质量和进度，还要控制施工成本，如果单纯从钻井液要符合地层情况角度考虑，则付出的成本过高，且不利于施工进度。

（3）扩孔工序问题

在以往短距离钻进扩孔过程中，一般情况下只采用一台钻机进行扩孔，在推出换扩孔器的工序时，直接采用钻机推钻杆，将扩孔器推出孔后更换新扩孔器，然后进行下一次扩孔。而在长距离岩石扩孔过程中，由于扩孔距离特别长，在推扩孔器的过程中，由于扩孔器自重比较大，钻杆受力过程十分复杂，钻杆在受到推力和扭力之后，会发生旋转和弯曲，距离越长，孔中钻杆变形弯曲越复杂，钻杆所受应力越复杂，对此种情况下钻杆应力的计算虽然有一些学者有了一定的研究，但还不能完全符合实际情况，所以说在长距离岩石扩孔中如果采用钻机将扩孔器推出的方法，则孔中钻杆在复杂应力作用下，有可能经过长期的疲劳破坏，产生塑性形变或者是发生断裂的严重后果。

2.2 长距离岩石水平定向钻中扩孔难点解决方案针对以上提出的在长距离岩石扩孔钻进中遇到的困难，通过对实际施工经验的总结以及查阅相关资料，特提出以下解决方案：

（1）地层问题解决方案

针对复杂地层，首先要根据勘察资料，详细分析地层情况，主要从钻进岩石的岩性，强度，破碎程度等方面入手研究分析岩石的可钻性，同时根据导向孔钻进过程的记录和经验总结，仔细分析地层情况，确定扩孔方案，主要从以下几个方面采取应对方案：

①坚硬地层解决方案

在实际扩孔施工中，会沿着导向孔的轨迹进行扩孔，经常遇到的坚硬岩层一般是风化程度比较小的细砂岩，中粗砂岩，石灰岩等岩层，此类地层牙轮压入岩石困难，导致钻进十分困难，且砂岩地层在破碎后岩屑对钻具磨损十分严重，极大地降低了扩孔器的使用寿命。针对此类地层解决方案是：（1）首先考虑使用硬质合金镶齿牙轮扩孔器，此类扩孔器的耐磨性和韧性都可以较好的适应坚硬岩石地层。

（2）对于微风化且石英质含量较高的砂岩层，由于其硬度较高，岩屑耐磨性高，使用牙轮钻头可能磨损较快，使用寿命较短，此类地层可以考虑使用含金刚石的扩孔器，但是制成的扩孔器成本相对较高，使用时应当综合考虑。

②软岩地层解决方案

破碎程度比较大，风化程度较大，裂隙较多，且岩石中粘、粉含量较多的地层，往往强度比较下，甚至于比土层承载力都要小，在这样的岩层中钻进，由于扩孔器自身重量较大，扩孔器会在导向孔的底部扩成较大的空洞，形成扩孔“键槽”，这对下一级扩孔和管道回拖都不利，主要解决方法是：（1）扩孔过程中，加大回拖力，增加牙轮的“吃入”岩石程度，增加单次旋转切削量。（2）适当降低转速，防止出现较大的扩孔“键槽”。（3）适当降低钻井液排量，防止由于高压泥浆的作用使孔洞出现部分坍塌。

③土层和岩石层的交接处解决方案

在土层和岩石层的交接处，由于扩孔形成的陡坎会对对下一级扩孔会造成一定困难，回拖时管道从陡坎进入岩石孔洞也是十分困难的，许多次管道无法正常回拖就是由这种陡坎所造成的，所以对土层和岩石层的交接处的处理一定要特别重视，主要有以下几点方案：

（1）如果有条件在穿越两岸进行夯套管作业，将松散土层隔离开，则采用这种最有效的方法。

（2）如果无法在两岸都进行套管作业，则进行扩孔作业时，一般可以从有套管的一侧进行扩孔，从而使得在扩孔器可以从岩石层扩入土层，降低在土层中的作业时间，减小陡坎的严重程度。

（3）如果穿越两岸都无法进行夯套管作业，则可以在打导向孔的过程中调整马达的工具面角，使得与岩石交界处土层中钻孔曲线的曲率半径小于岩石孔的曲率半径，即人为的在导向孔作业时在土层中做一个梯形的“陡台”，从而在扩孔作业中可以对冲掉可能会形成的“陡坎”，但是此种方法必须计算好土层中导向孔的曲率半径，如果无法计算应该以多大的角度进行钻进，则对此方法要慎重使用。

④裂隙、断层地层解决方案

此类地层主要问题是钻井液的漏失比较严重，可以在钻井液中加入一定量的堵漏剂进行堵漏，以解决钻井液漏失问题。

（2）钻井液问题解决方案

钻井液是水平定向钻进的“血液”，在扩孔作业中具有十分重要的地位，可以说钻井液是否符合地层情况，在很大程度上直接决定了扩孔作业的成功与否。根据以往施工经验和相关资料，同时考虑在长距离岩石中扩孔施工，主要从以下几个方面考虑：

①针对由于钻井液流速不够导致孔中碎屑堆积，形成滞留层的现象，可以通过以下方法解决：（1）在不憋压的情况下，适当加大钻井液的输出压力，增大其起始流速。（2）每个几十根钻杆安装一个喷浆短接，使得孔中泥浆可以实现二次加速，可以使整个孔中都可以较快返浆。

②在砾岩、石灰岩等经过切削后产生较大块碎屑的岩层中钻进，此时钻井液的携带能力成为最主要的考虑方面，主要是提高钻井液的动塑比使得钻井液在行进过程中具有较大的携带能力，同时要适当增大钻井液的静切力，使得钻井液在不流动时，其所携带的钻屑可以悬浮在其中，保证钻井液的携带量。

③在砂岩等破碎后岩屑比较小的岩层中钻进，主要的考虑对钻具降温，这时需要适当的降低钻井液粘度，增强其流动性，使钻井液可以更好的循环。

④在泥岩、页岩等粘粉类成分较多的岩层中钻进，由于此类岩石易遇水软化，出现“泥包钻”现象，而页岩又有吸水膨胀现象，在此类岩石中扩孔钻进尤其要特别注意钻井液的配制，可以采取以下两点：（1）尽量降低钻井液的滤失量，使钻井液滤失的水量尽量小，减少泥岩的水化程度。（2）在页岩中钻进，可加入适量Kcl，可有效抑制页岩膨胀。

⑤钻井液中的固相含量在一定程度上影响着钻进速度，一般情况下钻石随着固相含量升高而下降，所以要除去固相，这一点在扩孔作业中尤为明显，在以往短距离水平定向钻施工中，一般只采用回收系统进行回收钻井液，但是在长距离岩石钻进中，由于钻井液经过地层较多且用量比较大，考虑到更换新钻井液的成本比较大的问题，可以考虑增加离心机除固相设备，可以较好的除去钻井液中的固相成分，提高钻速以及钻井液的携带能力。

⑥由于钻井液配制成本比较高，在长距离岩石扩孔中使用量比较大，如果单纯为了与地层相适应，频繁的更换钻井液，则钻进成本会大幅度提高，并且会增大工期，扩孔距离越长，更换钻井液时间越长。在长距离岩石扩孔钻进中可以考虑针对主要地层确定钻井液配方，在特别重要且对钻井液要求比较高的地层（如页岩层）中钻进要专门配制与之相适应的钻井液。

   （3）扩孔工序问题解决方案

在长距离岩石扩孔过程中，如果采用钻机直接将扩孔器推出的方式，则由于钻杆受力过程十分复杂，孔中钻杆在复杂应力作用下，有可能经过长期的疲劳破坏，产生塑性形变或者是发生断裂的严重后果。所以针对这种情况，最有效的解决方法就是在进扩孔器的一侧也安装一台钻机，辅助钻进。此钻机的主要作用就是负责将扩孔器拉出，而钻杆的抗拉强度比较高，相对于推钻杆这一过程将会安全。

3. 管道回拖阶段

3.1 长距离岩石水平定向钻进管道回拖难点管道回拖阶段一般情况下只有几十个小时，相对于打导向孔和扩孔来说十分短暂，但却是十分重要的阶段，是定向钻穿越的收尾，成败的关键。在长距离岩石水平定向钻进中，管道回拖的难点有：

（1）管道回拖力相对于短距离管道回拖力要大的多。

（2）回拖距离长，钻孔中情况复杂多变，出现异常情况的概率大。

3.2 长距离岩石定向钻进中管道回拖难点解决方案

（1）对于管道回拖力大的问题，可以在管道回拖前，采用管道发射沟，滚轮架等方法降低管道回拖的起始回拖力，使得管道顺利进入孔洞中。在钻孔中回拖时，可以在钻井液中加入润滑剂，降低管道与孔壁的摩擦力。如果孔洞过大，可以采用注水降浮的方式，使得管道不卡在孔壁上部，进一步降低摩擦力，进而降低回拖力。

（2）管道回拖距离长，孔中情况复杂多变，易出现岩屑堆积导致回拖不顺的现象，可以加大钻井液排量，将岩屑带出孔中，孔中碎屑越少回拖越顺利。

实际上，管道回拖阶段的最主要的工作在导向孔和扩孔阶段，导向孔钻进的曲线平滑，扩孔过程顺利且孔中岩屑比较少，则管道回拖相应会比较顺利。

4. 结论与讨论

本文通过对长距离岩石水平定向钻进中三个阶段的分析，总结出了各个阶段中所遇到的施工难点，并提出了相应的解决方案。主要结论有以下几点：

（1）导向孔阶段，在长距离岩石导向孔钻进过程中地层情况复杂多变，不同的地层要采取不同的钻进方法和钻具，钻井液与地层的相适应性也是十分重要的，同时要考虑钻进成本。

（2）扩孔阶段是水平定向钻进中用时最长也是最重要的阶段，一定要仔细研究岩石的可钻性，综合考虑制定最优的钻进参数组合。钻井液在岩石扩孔中具有十分重要的地位，要根据地层情况制定最优的钻井液配制方案。

（3）回拖阶段是十分关键的阶段，要采用挖发射沟，架滚轮架，注水降浮，加润滑剂等方法降低回拖力，使得回拖顺利进行。

（4）水平定向钻进施工是一个大型的综合性系统工程，各个阶段环环相扣，紧密联接，需要每个阶段都要精细施工，各工种紧密配合，尤其在长距离岩石钻进中更是如此。