鐘倫法 何坤鵬

摘要：大口徑管道定向鉆穿技術在很多工程施工都需要使用，例如輸油管道、燃氣管道、輸水管道等，在現(xiàn)代施工當中，大口徑管道定向鉆穿技術的使用頻率越來越高。大口徑管道定向鉆穿大都是長距離穿越，因此，在實際的施工過程中，會遭遇各類型復雜地層的阻礙，這就需要對此項技術進行改良，以適應各類型復雜地層，實施高效率、高質(zhì)量施工。本文將對大口徑管道鉆穿復雜地層施工技術進行分析，提出其技術發(fā)展以及施工穩(wěn)點，文章最后則以舉例方式提出了大口徑鉆穿復雜地層施工設計與建議，分析了川氣東送工程中的一個典型項目。

關鍵詞：大口徑管道定向鉆穿技術、復雜地層、技術發(fā)展、施工要點、案例分析

大口徑管道定向鉆穿復雜地層是一種施工難度較大、施工周期較長，且變換因素較多的工程類型，而且?guī)в幸欢ǖ奈ｋU性，在施工過程中常易遭遇各類困難和阻礙，尤其是在凍土層和土層結構復雜的地區(qū)（山脈、黏土區(qū)、河流），需要靈活的對施工進行控制，調(diào)整原有的技術工藝和施工方案。本文對該項技術進行分析討論的目的就是為了提升這項技術的適應性，推動其發(fā)展，使之能夠適應現(xiàn)代管道工程的需求。

一、復雜地層條件下定向鉆鉆穿技術的發(fā)展趨勢

大口徑管道定向鉆穿復雜地層施工技術在我國的運用時間并不長，但是隨著我國各類基礎設施建設需要和經(jīng)濟發(fā)展需要的變化和提升，大口徑管道定向鉆穿技術在不斷的實際運用中得到了發(fā)展。無論是在工藝上、技術上，還是在設備上，該技術都有所提升。復雜地層條件下的定向鉆穿技術今后將會逐步面向以下方向進行發(fā)展：

（一）鉆井工藝、技術、設備發(fā)展多樣化

如今的工程學科已經(jīng)是多學科交叉模式下的綜合性學科，在各類科學技術和專業(yè)學科的發(fā)展下，工程學科也將得到巨大的發(fā)展。復雜地層定向鉆穿技術中的大位移鉆井技術、欠平衡鉆井技術等多個復雜、高端的技術等到了持續(xù)的發(fā)展，每一項技術背景下的機械、儀器更是在不斷的更新?lián)Q代，無論在工作原理上、工作效率或效果上，都有了很大的進步。

未來此項技術發(fā)展與創(chuàng)新的重要內(nèi)容之一，就是發(fā)明和創(chuàng)新性的機械和儀器，以適應新興技術的需求。并且，這也是大口徑管道定向鉆穿復雜地層的需要，這類工程更多的依賴于先進的機械設備和高端精密的儀器，如檢測地層結構等工作，是離不開精密儀器的配合的，可以說，先進機械設備和儀器已經(jīng)成為了此類施工工程中的主角。

（二）工具和作業(yè)集成化、自動化、智能化

集成化、自動化與智能化發(fā)展是現(xiàn)代儀器、工具以及各類器械、系統(tǒng)未來必然的發(fā)展態(tài)勢，對于定向鉆穿技術所施工的工具、系統(tǒng)來講，亦是如此。定向鉆穿技術施工復雜、而且屬于地下施工，它需要一個集成化、自動化和智能化的控制管理平臺，實現(xiàn)工具和作業(yè)的集成化、自動化與智能化。

（三）鉆井信息數(shù)字化

信息是現(xiàn)代社會活動、經(jīng)濟活動、工程活動必不可少的數(shù)據(jù)資料之一。對于定向鉆穿復雜地層施工來講，它需要一系列的數(shù)據(jù)支持和輔助，例如：圖層數(shù)據(jù)、工具狀態(tài)、工具使用參數(shù)、施工實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、機械動作指令的輸出、執(zhí)行與修正等。其數(shù)據(jù)之多、變化之復雜、統(tǒng)計之困難可想而知。這就需要一個強大的顯示和分析系統(tǒng)，對這些信息和數(shù)據(jù)進行分類整理、對比分析。因此，未來，定向鉆穿技術將擁有一個鉆井信息數(shù)字化系統(tǒng)，實現(xiàn)鉆井信息數(shù)字化，實現(xiàn)對鉆進作業(yè)的科學管理與控制?，F(xiàn)代的三維成像技術、虛擬現(xiàn)實技術等都是典型的信息數(shù)字化技術，它們具有將抽象事物具體化、將無法直接觀察的事物凸顯化的功能，能夠有效解決定向鉆穿施工封閉施工的難題。

（四）專業(yè)分工與作業(yè)合作化

專業(yè)分工與作業(yè)合作化是定向鉆穿復雜地層未來發(fā)展的必然趨勢。專業(yè)分工能夠體現(xiàn)各項目施工與各類型施工的差異性，讓整個施工顯得井井有條，精確解決復雜、高端的施工難題，也更有利于實現(xiàn)專業(yè)化的施工。同時，這也是未來該類型施工工程的需要。而作業(yè)合作化則是對專業(yè)分工的呼應，主要是將各類型的專業(yè)施工組合在一起，實現(xiàn)作業(yè)合作化與專業(yè)化，進一步刺激新型施工模式和新興施工技術的誕生。

二、復雜地層條件下油氣管線定向鉆穿越技術控制要點

油氣管線是大口徑管道定向鉆穿復雜地層施工中最為典型的施工工程。我國的川氣東輸以及國內(nèi)、國際輸油管道工程建設都使用到了此類施工技術。因此，本小節(jié)將以油氣管道為例，闡述復雜地層環(huán)境下，管道定向鉆穿技術的控制要點。

（一）定向鉆進成孔方式

定向鉆進成孔施工需要對成孔地段土層進行切割分離，對于疏松土質(zhì)地區(qū)來講，一般使用高壓水射流即可。高壓水射流主要是依靠組合噴嘴噴射高壓水流，形成一定的力來起到成孔的作用。該技術成孔類型分為定向弧形孔和直孔兩種類型。

對于存在硬質(zhì)土壤夾層的土層來講，高壓水射流作業(yè)則一般選用牙輪鉆頭與彎接頭組合工作，亦可選用合金鉆頭與彎接頭組合工具。

高壓水射流只適用于疏松土壤地帶，無法在硬質(zhì)巖層中起到成孔效果。當在硬質(zhì)巖層進行成孔施工時，則選用鉆頭、彎接頭和螺桿馬達組合而成的鉆進工具。依據(jù)巖層的堅硬層程度，可選擇金剛石材質(zhì)、刮刀鉆頭以及牙輪鉆頭等多種類型的鉆頭。

（二）油氣管線定向鉆穿越的地層土質(zhì)不宜太疏松

疏松的土壤雖然有利于鉆進和成孔，但是在進行土層選擇時，還應當考慮安全和使用需要，因此，不能夠選擇太過疏松的土層。一般講，地層中存在粉砂層、中砂層、亞黏土層等中和性土層的地層較為適合，而對于地層為流沙層、硬質(zhì)卵石層的地層來講，是無法進行施工的。當油氣管道穿越河流、河谷地區(qū)時，則進行和開挖、套管或者固結等方式進行定向鉆穿。

（三）泥漿控制

泥漿控制是定向鉆穿施工中的關鍵環(huán)節(jié)，對泥漿成孔以及固壁性能的要求極高，泥漿控制步驟為：施工泥漿添加劑、一級鈉基膨潤土，按照計算好的比例進行混合加工，配比過程要嚴格按照相關要求執(zhí)行；使用兩套加料配漿系統(tǒng)進行配比，保障泥漿水化充分，提升泥漿的性能和循環(huán)周期；配置泥漿回收系統(tǒng)，以降低施工污染度，實現(xiàn)泥漿的循環(huán)使用；使用淡水進行膨潤土水化，將泥漿的粘稠度控制在45至60s之間。

（四）選擇人、出土點位置

人、出土點位置選擇組要綜合考慮施工需求，例如鉆進機械安置、蓄水池搭建、取水點位置、管段組裝、回托場地建設等，另外，還應當考慮環(huán)境保護因素和工期管理要求，盡量選擇環(huán)境恢復量小、平整開闊的地區(qū)。但是，當管線穿越河流時，一般不存在合適的人和出土點位置，這就需要采取一定的措施，人為的搭建這樣一個平臺，亦或是調(diào)整施工。例如：合理布設回拖管道運輸、輔助設備、焊接作業(yè)點，入土端根據(jù)鉆機安置要求、運輸、泥漿池布設要求等選擇恰當?shù)奈恢谩?/p>

三、施工過程

下文，筆者將舉例舉水穿越工程施工過程，講述上述施工方式和要點控制下的施工效果。

（一）首次施工概況

該類型工程的首次施工首先進行了導向孔成孔施工，而后使用了七級擴孔方式，一級擴孔口徑達到了1524毫米，符合施工要求和國家規(guī)定。完成擴孔之后，施工隊伍進行了修孔，直至四根管道暢通進出演示孔洞。連續(xù)進行4次洗孔之后，開始回拖作業(yè)，第四根鉆桿進行回拖時，出現(xiàn)了斷裂，而后技術人員修正了管道角度，再次進行回拖，二次回拖時，鉆桿拖至普通地層，回拖速度大幅度下降，經(jīng)多舉并措后無效。而后，再次調(diào)整回拖方案，受阻，采用滑輪回拖，實現(xiàn)了管道拖出。

（二）二次施工概況

原計劃回拖方案失敗后，施工團隊重新調(diào)整了方案，依據(jù)氣流方向采用了順氣流回拖方式，并往右平移了10m的距離，而后將入土角度控制為9度30分，將出土角度控制為8度，調(diào)整穿越軸線開挖度等數(shù)據(jù)，使用對穿方式進行導向孔作業(yè)，而后再次進行穿越。

二次施工中連續(xù)七次進行了擴孔，并修訂了泥漿固結處理范圍，二次施工方案實施成功。

（三）原因分析

通過兩次施工前后對比，筆者發(fā)現(xiàn)，在首次施工當中，從擴孔到修孔使用了34d的時間，這是造成回拖中斷的主要原因之一，回拖中斷進而導致孔壁泥漿大量失水，泥餅強度與性能有所下降，這就容易數(shù)顯孔壁塌陷或變形問題。首次施工進行了三次1422.4mm的洗孔作業(yè)，但是效果欠佳，與1524mm的一級空形成了臺階式的交界處，造成回拖失敗。

四、設計與施工建議

針對上述的施工分析，筆者提出了以下四點設計與施工建議，分別是：施工地區(qū)上層為覆蓋土層、下層為基巖，如果將穿越基巖交界面，必須要對上部覆蓋層進行處理，最好采用對穿方式進行施工；考慮覆蓋層與交界面形成臺階狀，造成砂石滾落堆積，可采用夯套管方式進行。若套管夯擊距離較長，則對基坑開挖位置進行調(diào)整，最好設置于地下水位線以上位置，舉水穿越施工難度較大，采用套管夯擊存在困難，一般選用注漿加固處理疏松的覆蓋層；當?shù)刭|(zhì)為軟硬交錯的圖層結構時，穿越作業(yè)首先選擇硅管套管，這樣的做的目的是為主管道穿越做好對穿的鋪墊工作。進行硅管套管穿越需在管內(nèi)預留電纜線，人為搭建主管對接所需的磁場，覆蓋層夯擊套管前段一般選擇喇叭口形狀，這樣可以有效的防止卷邊以及套管回拖受阻問題，如上述方式均無法有效實施，則考慮使用工業(yè)蠟潤滑減阻或套管壁注漿方式進行穿越，亦可選擇大噸位夯管錘進行夯擊；大口徑管道鉆穿復雜地層應當盡量縮短擴孔與修孔，直至回拖作業(yè)之間的時間，保持作業(yè)的連續(xù)性，方式泥漿、泥餅等的質(zhì)量和質(zhì)地發(fā)生改變，在任何情況下，回拖的終止時間都不應當超過4h，只有這樣才能保障整個鉆進過程的連貫性，維持建材質(zhì)量與性能。

五、復雜地層條件下定向鉆穿越技術典型案例分析

工程概況：川氣東輸工程中有一個較為典型的施工項目——東苕溪穿越工程。該工程是整個川氣東輸工程中的難點，其施工點位于湖州南沼區(qū)境內(nèi)，土層結構復雜，包括粘性碎石以及全風化粉砂巖，粘性碎石的深度高達500m，這項工程由華東管道工程有限公司承接，這是川氣東輸工程的瓶頸工程。

東苕溪穿越工程施工點概況介紹：施工位置往東方向150m為農(nóng)田，出土點則設置在東苕溪西大堤西側(cè)的200m位置，該位置為農(nóng)田。實際穿越長度為581.6m。水平長度則為579.2m。入土角度設置為9度，出土角度設置為6度。管線輸送壓力設置為10MPa，主管道采用直縫埋弧焊鋼管，口徑為1016 X 26.2 mm X 70。

地層勘察結果：軟土層較薄，河床下部土層厚度為兩米，根據(jù)此項工程的管徑設計來看，這樣的土層厚度并不適合施工，達不到預設的管線掩埋深度設計要求，安全度也有所下降。因而，該公司選擇了讓管線穿越粘性碎石層和全風化粉砂層，使管道與河流分離，形成兩個系統(tǒng)，如此一來，安全性就得到了保障。管線穿越這樣的土層難度頗高，鉆穿和成孔就非常的困難，需要對施工進行合理的設計和控制。

效果分析：該工程鉆進作業(yè)至154m時發(fā)生了“頂小動”狀況，此時鉆頭方向的掌握出現(xiàn)了困難，鉆頭位置處于粘性碎石土層當中，經(jīng)分析以后發(fā)現(xiàn)，由于該施工地段位置特殊，因而在采用一般方法進行鉆進作業(yè)時，卵石無法被切削，并被鉆頭帶至地表，導致鉆機扭矩、推力過大，鉆桿因此發(fā)生彎曲，于是施工隊伍采取了鉆桿兩邊固定的方式，預防此問題，與此同時，改變了泥漿的排量和配比比例，改善了角度操作難的問題，再次采用了快速鉆進的辦法。在整個鉆進過程，施工隊伍遭遇了嚴重磨損、碎石以及卵石帶出等多種問題，經(jīng)過方案調(diào)整以后，都頗有成效，最終以高質(zhì)量完成了此次施工作業(yè)。

結束語：

綜上所述，大口徑管道定向鉆穿技術使用于復雜地層條件下，要應對不同的技術問題，面對復雜的施工環(huán)境以及各類型地層的阻礙和考驗，需要人們在原有的技術工藝基礎上進行改進，更新技術實施模式，修正施工方案，使之適用于不同的地層環(huán)境。未來，還需要在工具設備、儀器和技術上進行創(chuàng)新和改良，全面滿足未來管道施工要求，不斷地發(fā)展定向鉆穿技術。

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