摘要
粤港澳大湾区狮子洋主航道地质勘察无法采用垂直点状钻探勘察施工，为此采用水平孔勘察方案，设计了一个特大水垂比大位移科学钻孔。该孔设计孔深940 m，取心靶点14个，靶区半径5.0 m，水平段长380 m，垂深60 m，水垂比14，是国内单孔作业靶点最多、水垂比最大的钻孔之一。研究制定了一套多靶点定向钻进、水平螺杆马达原状性取心、地质录井和存储式钻杆输送测井的综合勘察技术，在水利水电勘察中首次应用，取得了良好的效果。该孔完钻孔深936.20 m，中靶率85.71%，其中，取心进尺81.70 m，机械钻速2.38 m/h，岩心采取率89.84%，精准实现了洋底主航道的地质超前预报，大幅度减少了勘察孔数量，降低了环境破坏，提高了勘察效率，保证了地质资料的连续性和可靠性，是一项值得在隧道勘察中推广使用的先进技术。
珠江三角洲水资源配置工程是国务院批准《珠江流域综合规划（2012—2030年）》中提出的重要水资源配置工程，是国务院确定的172项重大节水供水工程之一，是解决珠三角洲城市群生态建设用水的重大工程。由一条干线、两条分干线、一条支线、三座泵站和四座调蓄水库组成。全长113.2 km，年供水量17.08亿
图1 狮子洋主航道定向钻探勘察示意
Fig.1 Directional drilling exploration for the Shiziyang main channel
狮子洋水道宽2.40 km，其中主航道宽约380 m，最大水深27 m，盾构隧洞设计埋深48.00 m。为查明主航道上覆地层情况，补充设计了SZYSD-1S孔。该段地质构造以断层为主，多为掩埋基底断层，广泛分布第四系地层，含水层和透水层较
SZYSD-1S孔上部地层为第四系全新统桂洲组，厚度4.90~29.20 m，岩性为淤泥质粘土、淤质粉细砂、细砂、含砾粗砂、砾砂，变化大，在两岸分布较厚，水道中间较薄或已冲蚀消失，砂层较连续，为主要含水层，强透水，与江水连通，砂层覆盖在全风化或强风化基岩上。下部地层为白垩系基岩，厚度0.70~18.70 m，产状N20°~30°W/NE∠10°~15°，岩性为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩、含砾粗砂岩、砾岩等，全风化，较薄，为可塑—硬塑状粉质粘土、粘土，透水性微弱，分布不连续，局部缺失，基岩面从右岸向水道中间和左岸逐渐降低。地层情况如
由于主航道区域无法实施垂直点状钻探勘察施工，为获取该段准确的地质勘察资料，设计采用水平孔勘察方
（1）查明主航道区域输水盾构隧道轴线段基本地层、岩性、构造等情况。
（2）查明隧道上覆基岩顶板厚度。
（3）为主航道泥水平衡盾构机施工提供换刀设计地层信息。
SZYSD-1S孔设计孔深940 m，水平距离850 m，垂深60 m，靶点为380 m主航道沿线上的14个取心勘察点，取心总进尺≥80 m，岩心采取率≥65%，中靶率≥70%，靶圈直径5.0 m，水垂比14，水平段钻孔轨迹位于隧洞顶板以上5 m。该孔属特大水垂比大位移钻孔，是国内单孔作业靶点最多、水垂比最大的钻孔之一。
（1）靶点多，靶区范围小，中靶率要求高，无相关工程经验支撑项目实施。
（2）垂深浅，采取15°倾斜开孔，定向钻孔的轨迹精度控制困难。
（3）浅软地层或卵砾石地层易垮塌，需要采取泥浆和套管护壁。
（4）水平段取心要求保持岩心原状，取心质量高。
（5）岩性和层位精准划分困难，采用的勘察技术手段具有多样性和复杂性的特点，需要水平控向进入靶点与地质录井卡层取心综合判断，并依据存储式地球物理测井验证结论。
SZYSD-1S孔于2020年10月12日进场，11月22日正式开钻，2021年1月16日完钻，完钻孔深936.20 m，终孔口径150 mm，终孔井斜97.0°，方位角277°，钻井周期48 d，完井周期56 d。钻探施工进度情况见
图2 项目施工进度
Fig.2 Project construction schedule
采用S1200型水平定向钻机、雪威MGS导向仪、BW-800型泥浆泵，CAV-1型存储式测斜仪和RD6600型存储式地球物理测井仪。钻机和主要设备参数见
该孔三开孔身结构完钻，一开Ø230 mm口径钻至孔深126.00 m，下入Ø219 mm套管固井；二开采用Ø200 mm口径定向造斜钻进，钻至孔深562.40 m，根据地层复杂情况下入Ø178 mm套管至孔深558.80 m，因钻进中岩性较稳定未下入该层技术套管；三开采用Ø150 mm口径间断取心，取心钻进1~3个回次后采用Ø171 mm口径扩孔和稳斜钻进，钻至孔深860.00 m，换Ø150 mm口径钻进至孔深936.20 m完
图3 SZYSD-1S孔完钻孔身结构
Fig.3 Completion structure of SZYSD-1S hole
施工中主要使用的钻具组合如下。
（1）套管钻进：Ø230 mm硬质合金钻头+Ø219 mm套管+Ø178 mm钻铤+Ø114 mm钻杆+通缆水龙头。
（2）定向钻进、复合钻进和滑动钻进：Ø200 mm三牙轮钻头+Ø120 mm弯螺杆马达（角度1.75°）+Ø159 mm无磁定向接头+Ø159 mm无磁钻铤+Ø114 mm钻杆+通缆水龙头。
Ø171 mm三牙轮钻头+Ø120 mm弯螺杆马达（角度1.75°）+Ø127 mm无磁定向接头+Ø127 mm无磁钻铤+Ø114 mm钻杆+通缆水龙头。
（3）取心钻进：Ø150 mm金刚石取心钻头+Ø139.7 mm岩心管（单动双管）+Ø120 mm螺杆马达+Ø114 mm钻杆+通缆水龙头。
（4）水平段稳斜复合钻进：Ø150 mm三牙轮钻头+Ø120 mm螺杆马达（角度1.00°）+Ø127 mm无磁定向接头+Ø127 mm无磁钻铤+Ø114 mm钻杆+适用通缆水龙头。
Ø171 mm三牙轮钻头+Ø120 mm直螺杆+Ø127 mm无磁钻铤（带存储式测斜仪）+Ø114 mm钻杆+通缆水龙头。
针对水平段的覆盖层、含砾泥质粉砂岩和粉砂质泥岩地层，采用高粘切、防塌水基泥浆，取心钻进和水平定向钻进过程中未发生严重坍塌掉块、卡钻和遇阻等复杂工
（1）泥浆配方：3.0%膨润土+0.05%水解聚丙烯酰胺+4.0%植物胶+0.02%烧碱+0.05%其他。
（2）性能参数：密度1.05~1.06 g/c
SZYSD-1S孔开孔至孔深126.00 m采用Ø230 mm口径套管钻进和Ø200 mm口径定向钻进，造斜至井斜角74.3°，方位角297°；孔深126.00~562.40 m采用Ø200 mm口径定向钻进和滑动钻进，造斜至井斜角90.1°，方位角270°；孔深562.40~860 m采用Ø150 mm原状取心钻具间断定深取心和Ø171 mm口径稳斜钻进，井斜稳定在85°~95°；完成目的层靶点取心后，继续钻进至孔深936.20 m终孔。
该孔共计使用了3种井斜监测方式，包括地磁有线随钻定向测斜、CAV-1型存储式测斜和地球物理测井仪测斜。其中，在定向钻进阶段，采用地磁有线定向测斜实时监测钻孔的顶角、方位角和钻具的工具面向角，垂深位移和水平位移，调整钻孔轨迹进入靶区范围；在间断取心钻进阶段，利用存储式测斜仪对该孔段进行测量记录；CAV-1型存储式测斜用于验证地磁有线随钻测量数据，确定是否进入取心靶点；地球物理测井仪测斜数据作为判定钻孔轨迹和靶点的最终依据。
钻孔设计轨迹和实际钻进轨迹见
图4 SZYSD-1S孔钻进轨迹
Fig. 4 Drilling trajectory of SZYSD-1S hole
三开Ø171 mm口径定向钻进至孔深562.40 m，进入第一个取心靶点区域，采用5LZ120×7.0L-3.3-660型螺杆马达和GC-150型半合管取心钻具，参考石油钻井和地质钻探取心钻进工艺施
图5 第1靶点562.40~567.40 m孔段岩心
Fig.5 Cores from 562.40 to 567.40m hole section at the first target
图6 第2靶点588.46~594.36 m孔段岩心
Fig.6 Cores from 588.46 to 594.36m hole section at the second target
水平段靶点取心使用的主要钻进参数为：钻压（推力）20~40 kN，转速100~115 r/min（螺杆马达），排量6.0~7.0 L/s。
水平段靶点取心使用了热压半隔水底喷式金刚石钻头（
图7 第2个取心回次钻具和钻头
Fig.7 Drill tool and the bit for the second coring run
采用RDML3CSX型存储式测井系统，通过Ø114 mm钻杆输送测井，测井参数包括自然伽马、电阻率、井温、井斜等，完成地层结构和构造划分、岩石质量评价与分级和渗透系数估算
（1）在国内水利水电勘察领域，SZYSD-1S孔首次中使用多靶点定向钻进、水平螺杆马达原状性取心、地质录井和存储式物理测井“四合一”综合勘察技术，设计了特大水垂比大位移钻孔，按要求完成了总体项目目标任务，实现了深埋长隧道（洞）的综合勘察与超前地质预报，给传统垂直点状勘察方法向水平线状超前地质预报方法体系带来重要的技术革新，验证了工艺方法的先进性和可行性。
（2）采用半合管原状性取心、地球物理测井、孔内电视、压水、原位测试、地质录井等技术手段，准确查明隧道轴线一定范围内的不良地质发育情况、地层岩性、地质构造、地层厚度等地质信息，较准确判定狮子洋主航道上覆基岩顶板厚度，为后期泥水平衡盾构机施工提供了换刀设计所需地质信息。
（3）SZYSD-1S孔是国内单孔作业靶点最多、水垂比最大的钻孔之一。通过集成转化“大直径定向钻进技术”、“半合管原状性取心技术”和“套管护壁技术”等地质调查成果，有效解决了SZYSD-1S孔的水平段孔斜精确控制、水平钻孔原状性取心和大位移钻孔不稳定地层的护壁等技术难题。
（4）拓展了“低转速、大扭矩”S1200型水平定向钻机的应用领域，采用BW-800型泥浆泵，泥浆管汇安装专用三通泄压阀调整排量，可在Ø150 mm以上口径的同一钻孔中满足全面钻进和取心钻进的施工需求，解决了垂深60 m的千米级大口径水平定向钻孔施工难题。
通过SZYSD-1S孔的工程实践，验证了多靶点定向钻进+水平螺杆马达原状性取心+地质录井+存储式物理测井“四合一”综合勘察技术的先进性、可靠性和经济性，大幅度减少了工作量，降低了环境破坏，节约了成本，提高了勘察效率和质量，保证了地质资料的连续性和可靠性，是一项值得在穿越障碍隧道勘察中推广应用的先进技术。
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