中國(guó)石油大學(xué)規(guī)劃建設(shè)處

定向鉆技術(shù)在燃?xì)夤芫€穿越河流中的應(yīng)用

聞濤中國(guó)石油大學(xué)規(guī)劃建設(shè)處

水平定向鉆技術(shù)施工的關(guān)鍵在于導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)、管線焊接施工及導(dǎo)向孔的擴(kuò)孔、泥漿制備、回拖管道等幾道關(guān)鍵性工序。防止定向鉆在鉆孔時(shí)呈現(xiàn)“S”形，應(yīng)嚴(yán)格控制每根鉆桿的角度（約0.4°），控向過(guò)程中要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)曲線施工。水平定向鉆施工技術(shù)具有導(dǎo)向準(zhǔn)確，施工效率高，能有效避開地下障礙物，不影響交通，而且不破壞生態(tài)環(huán)境，施工速度快，穿越長(zhǎng)度長(zhǎng)，穿越深度深，施工安全性好的特點(diǎn)，作為一項(xiàng)高效安全的新技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

穿越管線；水平定向鉆；導(dǎo)向孔；管線回拖

水平定向鉆技術(shù)的施工原理是利用地表放置的大功率鉆機(jī)，在導(dǎo)向儀的導(dǎo)向和監(jiān)控下，按預(yù)先設(shè)定的地下鋪管軌跡鉆一個(gè)小口徑先導(dǎo)孔，隨后在先導(dǎo)孔出口端的鉆桿頭部安裝擴(kuò)孔器回拉擴(kuò)孔，當(dāng)擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)尺寸要求后，在擴(kuò)孔器的后端連接旋轉(zhuǎn)接頭和管線，回拉鋪設(shè)地下管線從而完成管線施工[1]。其施工的關(guān)鍵在于導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)、管線焊接施工、導(dǎo)向孔的擴(kuò)孔、泥漿制備以及回拖管道等幾道關(guān)鍵性工序。

本工程為穿越橫河的燃?xì)夤芫€鋪設(shè)工程，定向穿越水平長(zhǎng)度608m，實(shí)際拖管長(zhǎng)度608.7m（考慮管道回拖完成后，入土、出土端管頭埋深為2m），入土角度5°，出土角度5°。定向鉆施工采用D813鋼管，壁厚16mm，采用Q345鋼。根據(jù)勘測(cè)設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，該穿越段地層為淤泥質(zhì)土、粗礫砂、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，本次穿越工程主要從淤泥質(zhì)土層中穿過(guò)，成孔條件良好。

1 測(cè)量放線

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制(轉(zhuǎn)角)樁的交接后，應(yīng)進(jìn)行測(cè)量放線，將樁移到施工作業(yè)帶邊緣，對(duì)已經(jīng)丟失的樁應(yīng)復(fù)測(cè)補(bǔ)樁。對(duì)于平面圖、斷面圖和勘查資料中標(biāo)明的地下障礙物和新發(fā)現(xiàn)的障礙物等應(yīng)進(jìn)行調(diào)查、勘測(cè)并設(shè)置標(biāo)志樁，注明障礙物的埋深和尺寸等[2]。沿穿越軸線兩邊50m派專人查看地下管線，弄清地下管線走向及埋設(shè)深度，并在出、入土點(diǎn)位置采用人工方式挖探坑（探坑尺寸為3 m×1 m× 2.5m），確保待穿越管線與現(xiàn)有地下管線不會(huì)發(fā)生沖撞。

2 施工作業(yè)帶清理及場(chǎng)地平整

鉆機(jī)入土點(diǎn)和出土點(diǎn)場(chǎng)地根據(jù)地形情況分別進(jìn)行平整，占地面積分別為60m×60m，場(chǎng)地四周挖0.5m寬、0.5m深的排水溝。鉆機(jī)場(chǎng)地平整完成后，用鋼板鋪墊，保證鉆機(jī)的進(jìn)場(chǎng)就位。

挖地錨坑長(zhǎng)7.0m、寬3.5m、深1.8m（視開挖地層情況而調(diào)整），把地錨箱放入坑內(nèi)，在土與地錨箱之間的間隙用澆注砼保證在回拖管線過(guò)程中地錨的穩(wěn)固。

3 水平定向鉆的實(shí)施

3.1 管線回拖力計(jì)算

定向鉆穿越回拖力的計(jì)算，對(duì)于鉆機(jī)的選擇至關(guān)重要。本工程穿越管線為?813 mm×16mm鋼管，在回拖過(guò)程中，回拖力主要由管道浮力對(duì)孔壁造成的摩阻力和管道在孔內(nèi)移動(dòng)過(guò)程中與泥漿產(chǎn)生的摩擦力構(gòu)成。為降低管道因浮力對(duì)孔壁造成的摩阻力，在施工過(guò)程中采用管道內(nèi)注水的方法。為保守計(jì)算，按照管道內(nèi)注滿水、孔內(nèi)充滿泥漿及孔壁保持比較完好考慮。如果管道內(nèi)注滿水后，管道的摩阻力表現(xiàn)為管道與下孔壁的摩阻力，在實(shí)施拖管過(guò)程中若管內(nèi)注水合適時(shí)，可將摩阻力降到零，也就是說(shuō)理論上管道在洞內(nèi)因自重產(chǎn)生的摩擦阻力完全可以消除。

在施工過(guò)程當(dāng)中保持好泥漿的性能以及成孔后洗孔時(shí)孔內(nèi)固體顆粒的含量，是完全可以做到降低摩擦力的，因而回拖力可以相應(yīng)降低。本次穿越施工取2倍的安全系數(shù)，需選用回拖力大于等于118 t水平穿越鉆機(jī)，故本次施工投入回拖力為160 t鉆機(jī)，滿足施工要求。

3.2 鉆導(dǎo)向孔

首先清理鉆桿和鉆頭并檢查鉆桿，應(yīng)保證每根鉆桿經(jīng)無(wú)損探傷合格后方可使用，然后檢查鉆機(jī)配電系統(tǒng)、鉆進(jìn)系統(tǒng)，檢查各系統(tǒng)運(yùn)行情況無(wú)誤后進(jìn)行試鉆。試鉆過(guò)程中應(yīng)同時(shí)檢查系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，無(wú)誤后開始鉆進(jìn)。

定向鉆施工工程的關(guān)鍵工序之一是穿越導(dǎo)向孔的施工?，F(xiàn)場(chǎng)具備條件后，按設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行鉆進(jìn)，保證鉆孔曲線偏差符合設(shè)計(jì)要求。鉆進(jìn)曲線以設(shè)計(jì)的曲率半徑進(jìn)行弧線調(diào)整，從入射角7°逐漸調(diào)整直至水平，然后再慢慢抬頭至5°，直至出土，每根鉆桿調(diào)整約0.3°～0.4°。

鉆進(jìn)過(guò)程中的控向?qū)こ痰拇┰骄燃按┰匠蓴≈陵P(guān)重要，鉆進(jìn)開始前必須認(rèn)真分析地質(zhì)勘察資料，仔細(xì)確定控向方案和鉆進(jìn)方案，必須認(rèn)真分析鉆機(jī)儀表上的每項(xiàng)參數(shù)，緊密配合以便鉆出合格的導(dǎo)向孔。鉆導(dǎo)向孔時(shí)必須時(shí)時(shí)對(duì)照勘察報(bào)告的地質(zhì)資料及儀表參數(shù)，根據(jù)土質(zhì)阻力和鉆進(jìn)速度分析成孔情況，達(dá)到出土點(diǎn)位置準(zhǔn)確，確保成孔良好。為確保出土位置準(zhǔn)確無(wú)誤，曲線平滑，鉆進(jìn)過(guò)程中在磁場(chǎng)干擾較大的地方需要布線圈來(lái)滿足MGS定向系統(tǒng)磁場(chǎng)的穩(wěn)定性。

3.3 管線回拖施工

（1）回拖施工也是穿越工程的關(guān)鍵步驟，回拖時(shí)采用的工藝設(shè)備是：鉆機(jī)鉆桿配合36″桶式擴(kuò)孔器+200T回拖萬(wàn)向節(jié)+200TU形環(huán)+?813mm正式管線。為了避免因管線回拖停滯造成阻力增大而導(dǎo)致的回拖失敗，管線施工回拖應(yīng)連續(xù)進(jìn)行。

（2）回拖前管線防腐層檢查。仔細(xì)對(duì)照設(shè)計(jì)要求和施工規(guī)范對(duì)管線進(jìn)行檢漏，檢漏應(yīng)使用電火花計(jì)，以規(guī)定的電壓不擊穿防腐層為合格，并在管道入土前設(shè)專人檢查處理，尤其應(yīng)注意管道接口處的防腐層。

（3）管線回拖準(zhǔn)備。檢查管線合格后，管線內(nèi)注水到設(shè)計(jì)水量，然后將回拖管頭與穿越管線焊接并加固，保證回拖抗拖力在180 t以上；然后將發(fā)送溝充滿水，并將回拖管段放進(jìn)發(fā)送溝中，管線入溝時(shí)需要注意避免劃傷，保護(hù)好防腐層；同時(shí)檢查擴(kuò)孔器和各泥漿噴嘴的暢通性，確認(rèn)合格后再進(jìn)行管線連接。

（4）管線回拖施工。回拖過(guò)程中，應(yīng)仔細(xì)觀察鉆機(jī)回拖參數(shù)，確?；赝狭Σ话l(fā)生突然變化；同時(shí)要認(rèn)真觀察泥漿循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，保證泥漿的順利供應(yīng)。管道施工完畢回拖出土后，應(yīng)及時(shí)卸下鉆桿、萬(wàn)向節(jié)等機(jī)具，并按照預(yù)留長(zhǎng)度割掉回拖頭，用盲板將焊接封閉，至此回拖施工完畢。

4 施工中應(yīng)注意的問(wèn)題

（1）防止定向鉆在鉆孔時(shí)呈現(xiàn)“S”形的措施。所謂穿越鉆孔出現(xiàn)“S”形是由于在控向施工過(guò)程中相鄰幾根鉆桿的角度過(guò)大而造成的整個(gè)穿越曲線的變形，所以必須要控制好每根鉆桿的角度以保證鉆孔的圓滑。為防止曲線出現(xiàn)“S”形，應(yīng)嚴(yán)格控制每根鉆桿的角度（約0.4°），控向過(guò)程中要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)曲線施工，如發(fā)生偏離原設(shè)計(jì)曲線，要及時(shí)做出調(diào)整，進(jìn)行水平糾偏時(shí)每?jī)筛@桿之間變化一般不超過(guò)0.3°。

（2）確?；赝享樌拇胧?。首先必須確保導(dǎo)向孔平滑、順暢，滿足設(shè)計(jì)曲率半徑，并避免出現(xiàn)“S”型；同時(shí)對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)鉆具進(jìn)行定期檢查，確保設(shè)備及鉆具完好，防止回拖過(guò)程中停車。回拖前調(diào)整管道的入洞角度到出土角度。由于管道的剛度大，處理不好入洞的角度和高差，容易造成回拖的失敗。通過(guò)調(diào)整泥漿性能及推進(jìn)速度保證擴(kuò)孔回拖順利完成。在擴(kuò)孔回拖過(guò)程中要根據(jù)回拖力及扭力的大小控制好回拖的速度，結(jié)合地勘資料進(jìn)行合理的泥漿配比，使泥漿能最大限度地發(fā)揮懸浮攜帶、潤(rùn)滑、固孔、堵漏等功效。

（3）泥漿配比工藝措施。穿越工程中護(hù)壁泥漿也是定向穿越中能否成功的關(guān)鍵因素，泥漿配比前需對(duì)水質(zhì)進(jìn)行取樣化驗(yàn)并做泥漿配比實(shí)驗(yàn)，符合要求后方可使用。施工過(guò)程中，派專人在出、入土點(diǎn)隨時(shí)觀察從洞口流出的泥漿及固體顆粒含量（泥、砂等），以便及時(shí)調(diào)整泥漿配比，盡可能將孔內(nèi)的泥砂攜帶出孔外，保證孔內(nèi)光滑順暢。

5 結(jié)語(yǔ)

水平定向鉆施工技術(shù)具有導(dǎo)向準(zhǔn)確，施工效率高，能有效避開地下障礙物，不影響交通，而且不破壞生態(tài)環(huán)境，施工速度快，穿越長(zhǎng)度長(zhǎng)，穿越深度深，施工安全性好的特點(diǎn)，作為一項(xiàng)高效安全的新技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。技術(shù)素質(zhì)高的工人、性能優(yōu)良的設(shè)備、科學(xué)的施工組織、有效的施工措施和合理的施工工藝是保證工程順利完成的主要因素。

[1]張宏.HDD施工技術(shù)與發(fā)展[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2004，21（1）：53.

[2]張慶征.“三接一”在定向鉆中的應(yīng)用[J].油氣田地面工程，2006，25（8）：67.

（欄目主持 焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.061