青泉，馮旭晗，張吉祥，姜猶燁，胡永健，王軍

(1.貴州天然氣管網(wǎng)有限責(zé)任公司，貴陽 550081；2.貴州省煤田地質(zhì)局一四二隊，貴陽 550000；3.貴州西能鎧達穿越工程有限公司，貴陽 550000)

0 引言

1971年美國人Martin首次采用水平定向鉆技術(shù)穿越哈羅河敷設(shè)管道獲得成功[1-2]，標志著非開挖時代來臨，非開挖技術(shù)包括水平定向鉆、氣動矛鋪法、頂管法、盾構(gòu)法等[3]。而水平定向鉆穿越(Horizontal directional drilling, HDD)是使用范圍最廣的一種非開挖技術(shù)，它通過不開挖地面、河流、房屋的方式，穿越地下設(shè)施或自然障礙物進行鋪設(shè)管道[4]。具有施工周期短、綜合成本低、環(huán)境影響小等優(yōu)點，但與開挖施工相比，對鉆具及設(shè)備等的依賴性強、受地質(zhì)條件限制較大、泥漿控制困難、鉆進與回拖過程的不可預(yù)見性均增加施工風(fēng)險[5-6]。因此，有必要針對實際項目的特點、難點進行研究，為水平定向鉆技術(shù)積累施工經(jīng)驗。

1 工程概況

芙蓉江定向鉆穿越工程位于貴州省遵義市正安縣格林鎮(zhèn)洋水頭村西側(cè)的芙蓉江渦流段河谷中，穿越位置處河床寬淺，設(shè)計范圍內(nèi)線路水平長386.65 m，實長403.25 m，曲率半徑1000D(D為穿越管段外徑)，入土角為20°，出土角為22°，為大型穿越工程。穿越管道規(guī)格為DN406.4 mm×7.9 mm的L360N無縫鋼管，防腐采用常溫型3LPE加強級外防腐層，設(shè)計壓力6.3 MPa，硅芯管套管不再單獨進行定向鉆穿越，與主管道同孔回拖入洞，硅芯管套管采用D114 mm×5.0 mm 的Q235焊接鋼管，硅管套管內(nèi)預(yù)穿6X7-4-1470-FC的鋼絲繩便于硅芯管的后期穿放。地區(qū)等級為二級，管道回拖采用“三接一”的方式回拖，回拖預(yù)制場地為出土點一側(cè)較為平緩地帶；入土端采用夯套管的形式規(guī)避卵石層帶來的隱患，套管規(guī)格為D1016 mm×21 mm×70 m的直縫埋弧焊，套管長度40 m。

2 施工中的主要技術(shù)難點

2.1 出入土角度大，設(shè)計曲率遠低于規(guī)范要求

穿越點兩岸起伏較大，河道兩側(cè)均有河岸，西側(cè)為陡立的石灰?guī)r岸坡，東側(cè)為泥質(zhì)岸坡，見圖1。綜合考慮其定向鉆施工條件，最終將入土角設(shè)為20°，出土角為22°，導(dǎo)向軌跡曲率為1000D(規(guī)范要求水平定向鉆鋼管敷設(shè)項目不得低于1200D)，導(dǎo)向設(shè)計軌跡本就屬于深“V”型，無水平段，導(dǎo)向鉆進過程中沒有多余孔段進行調(diào)整緩沖；由于設(shè)計的曲率半徑過小，導(dǎo)致泥漿循環(huán)不暢、攜砂效果差等問題，給整個施工造成了極大的困難。

圖1 穿越軌跡

2.2 夯管未到基巖

入土端采用夯套管的形式規(guī)避卵石層，原設(shè)計夯管長度為40 m，但鉆頭剛出鋼套管就遇蹩、卡現(xiàn)象，裸眼段一直延伸有十多米卵石層未加以封隔，活動鉆具上提遇卡，下放遇阻，推進速度極其緩慢；由于鋼套管對導(dǎo)向儀干擾較大，前三根鉆桿無法精確定位，致使前期導(dǎo)向孔相對設(shè)計曲線稍有偏離；在擴孔施工中，由于卵石層的影響，頻頻發(fā)生卵石掉落，致使泥漿無法循環(huán)及卡鉆、蹩鉆等現(xiàn)象。

2.3 人工磁場布置較少

受地形條件限制，全程只能布置兩個人工磁場，第一個人工磁場范圍為距入土點59～132 m，第二個人工磁場范圍為距入土點324～380 m，中間間隔距離過長，嚴重影響導(dǎo)向精度，使得導(dǎo)向孔鉆進過程中難以準確把握。

3 施工工藝

3.1 夯套管施工

本工程入土點采用夯管法設(shè)計施工，用大功率空壓機作為動力使夯錘動態(tài)沖擊鋼管夯入土中，采取邊夯進邊取土的方式進行施工。夯管鋼套管選用Q345管材，直徑1016 mm、壁厚21 mm的直縫焊接鋼管，單根長度12 m，夯管錘示意圖見圖2。

圖2 夯管錘示意圖

首先根據(jù)設(shè)計要求進行測量放線，進行夯管工作面開挖，工作坑長18 m，上寬6 m，下寬3 m，斜度20°。在斜面上鋪墊鋼板、安裝導(dǎo)軌，采用輕錘慢進的方式夯進，采用管內(nèi)滑車人工出土的方式進行排土。氣動夯管錘是靠低氣壓、大功率、大氣量空氣壓縮機助力，在高頻振動下產(chǎn)生大功率的沖擊力(最大頻率180 min-1)，使被夯擊的物體沿設(shè)計軌跡前行，最終達到目標。本工程采用的主要設(shè)備與材料包括：510型夯管錘1臺，空壓機(21 m3，0.7 MPa)2臺，50 kW和30 kW發(fā)電機各1臺，500 kW電焊機1臺，200型挖掘機1臺，夯環(huán)、出土器、卡瓦、風(fēng)管各1套。

3.2 導(dǎo)向孔施工

本次穿越水平長度386.65 m，設(shè)計長度403 m，軌跡主要穿越地層為泥灰?guī)r層及灰?guī)r層，所有鉆具均采用巖石鉆具。使用北京鑫宇公司自主研發(fā)的交流導(dǎo)向儀地磁有線控向系統(tǒng)進行導(dǎo)向，導(dǎo)向施工采用241 mm牙輪鉆頭+172 mm螺桿+178 mm無磁鉆鋌+140 mm鉆桿。施工中主要是控制單根鉆桿的鉆進質(zhì)量和整體曲線的質(zhì)量，確保施工曲線與設(shè)計曲線重合。

導(dǎo)向施工剛出套管就遇裸眼卵石層，鉆頭就出現(xiàn)蹩、卡、跳現(xiàn)象，逐步加大推進力時，鉆具扭矩增大，鉆機抖動，活動鉆具上提遇卡，下放遇阻，推進速度極其緩慢。強行鉆至裸眼深23.69 m處，鉆具負荷加大，蹩、扭嚴重。

因受卵石層影響，導(dǎo)向儀出套管以后的鉆進過程中一直存在磁干擾(鋼管對導(dǎo)向儀的干擾)，儀器測得磁參數(shù)變化極大，導(dǎo)致造斜率達不到設(shè)計要求，造成前期入土深度不夠，且前三根鉆桿受套管磁干擾影響，無法測定方位準確數(shù)據(jù)。進入第一個人工磁場后，測得左偏1.8 m，后糾偏趨近軸線，方位滿足設(shè)計要求，只是孔斜達不到，鉆頭過河底之后，遇到硬度較大灰?guī)r，造成在鉆進過程中有一定的偏移。由于軌跡曲率過小，無水平段可以調(diào)整，加之過河到達西岸時，為保證進入河床底部的深度不低于3.8 m，開始全力增斜，進入第二個人工磁場以后，測得右偏8 m，此時距出土點只剩80 m孔段，僅能控制偏移不再增大，盡量向左糾偏，無法控制到設(shè)計出土點位置。最終導(dǎo)向出土偏離設(shè)計出土點7.6 m，見圖3。

圖3 導(dǎo)向孔實際軌跡與設(shè)計軌跡對比

3.3 擴孔施工

本項目根據(jù)巖石類型和強度特點，擴孔計劃采取分級的方式進行，本工程管道預(yù)擴孔次數(shù)初步確定為3級，擴孔直徑分別為400 mm、600 mm和820 mm。按程序進行鉆桿、鉆具的清潔和連接。

整個擴孔施工中，因卵石層及深“V”型、低曲率的導(dǎo)向軌跡影響，全過程存在蹩、卡、跳的現(xiàn)象以及返漿困難。由于設(shè)計曲率不符合規(guī)范要求，導(dǎo)向孔剛出套管就必須開始造斜，所以在擴孔器進入套管時，均需增設(shè)中心支撐管用于扶正鉆桿。

一級擴孔時，因卵石層處垮塌，泥漿循環(huán)不暢，造成卵石段和導(dǎo)管內(nèi)沉砂堆積，中心管被沉砂抱死，多次調(diào)整泥漿性能和上拉仍無效。在孔口處采取螺紋膠管輸送、低泵壓循環(huán)，鉆桿輸送、循環(huán)，水井鉆鉆桿輸送、循環(huán)，加固鉆機地錨后進行強拉等一系列措施才成功完成一級擴孔工作。

二級擴孔時，出現(xiàn)蹩、卡、跳以及返漿困難的現(xiàn)象。為保證了擴孔的順利進行，采取措施包括：①將泥漿泵的直徑160 mm缸套更換為直徑170 mm缸套，增大泥漿排量，充分洗孔；②更換大功率振動篩；③出口處配置大功率發(fā)電機和振動篩；④增加大功率抽漿泵；⑤出、入土點之間跨江架設(shè)了一條直徑100 mm、長500 m的PE管線，以保障擴孔泥漿的有效循環(huán)。

三級擴孔時，對直徑820 mm的擴孔器進行改進，整個擴孔進程都較為順利。在擴孔器到達套管處時，擴孔器卡在套管口處無法拔出，通過在中心管內(nèi)前、后端焊接支撐，最終使得擴孔器順利進入套管，但發(fā)現(xiàn)擴孔器后端螺紋斷裂并夾帶大量卵石(圖4)，分析原因表明，是由于鉆桿被卵石層的擠壓力和扶正鉆桿的上托力相互作用，導(dǎo)致鉆桿被蹩斷。最終又采用大開挖的方式對掉落的鉆桿進行打撈并一次性解決未封隔卵石層帶來的回拖隱患。

圖4 擴孔器夾帶大塊卵石

3.4 管道回拖

3.4.1 回拖工藝

經(jīng)現(xiàn)場踏勘后，與管道安裝單位協(xié)商采取“四接一”的方式施工工藝預(yù)制，每節(jié)管道長度約為103 m，管道預(yù)制平面布置如圖5所示。

圖5 管道預(yù)制平面布置圖

本項目將直徑406.4 mm天然氣管道與直徑114 mm光纜管道同孔回拖，見圖6。連接順序如下：水平定向鉆機→鉆桿→加重鉆桿→回拖擴孔器→旋轉(zhuǎn)接頭→U形卡環(huán)→管線。

圖6 管道回拖橫斷面圖

3.4.2 回拖力計算

按《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設(shè)計規(guī)范》(SY/T 6968-2013)穿越管段回拖力按式(1)計算，且鉆機回拖力不小于計算值，并宜有1.5～3.0倍的安全系數(shù)。

(1)

式中：F為穿越管段回拖力，kN；L為穿越管段長度，m；D為穿越管段的管身外徑(包括保溫層、防腐層的厚度)，m；Ds為穿越管段的鋼管外徑，m；ds為穿越管段的鋼管內(nèi)徑，m；δ為鋼管壁厚，m；γs為鋼材重度，kN/m3；γ1為泥漿重度，取值12 kN/m3；f為摩擦系數(shù)，本工程取0.3；K為黏滯系數(shù)，本工程取值0.175。

經(jīng)計算，本穿越計算回拖力為213 kN，鉆機回拖力取計算回拖力值的3倍，考慮到本次穿越的曲率半徑較小，因此應(yīng)配備回拖力較大的鉆機。本次定向鉆穿越項目使用的水平定向鉆機為徐工XZ3600型，功率180 kW，最大回拖力3600 kN，完全可以勝任本項目涉及的穿越工程施工。

3.4.3 回拖技術(shù)措施

(1)為確保回拖過程中有效地保護玻璃鋼保護層及管墩的穩(wěn)定性，管墩采用編織袋裝土碼放，考慮預(yù)制的四段管線同時焊接，管墩長度為8 m,寬度為1 m，鋼管放上管墩后，鋼管下表面與溝底的距離不小于0.5 m，見圖7。

圖7 管墩平面布置示意圖

(2)回拖管道連接好后，檢查并確認管道設(shè)備等連接是否完好，沒有問題后啟動鉆機，進行管道試回拖，觀察鉆機回拖力的變化，如儀表數(shù)據(jù)正常，繼續(xù)回拖，如回拖力過于偏大，則暫?；赝希瑢⒃O(shè)備處于停機狀態(tài)，查看是否存在卡管現(xiàn)象。

(3)為保護管材防腐層不被破壞，應(yīng)在拖管前進行清孔，排出孔內(nèi)巖屑，并使用合適的泥漿護壁，保證孔內(nèi)光滑，盡量減小拖管摩阻。

(4)為防止管道尾端從砂土袋上前移滑落碰傷路面以及管道在轉(zhuǎn)彎處橫向外彈，在管道入孔端和該段管道尾端分別使用挖掘機將管道前后兩端進行約束防護，將管道鎖死吊起，隨著管道回拖前行拖送，挖掘機正常行進直至該段管道基本進入孔內(nèi)。

(5)泥漿黏度要求90～100 s，配方：7%～8%預(yù)水化鈉基膨潤土+0.2%～0.3%提黏劑+0.3%降濾失劑+0.4%～0.6%潤滑劑+0.2%～0.3%泥漿流變劑。回拖過程中及時補給泥漿，預(yù)計泥漿排量約為1500～2000 L/min，壓力0.5～1.0 MPa。

(6)回拖成功一根時，立刻進行組對焊接、無損檢測及防腐補口，待管道全部回拖完畢時進行管道試壓，驗證管道在回拖的過程中沒有產(chǎn)生破損。

4 施工成果

本工程于2021年7月13日開始夯套管施工，8月13日正式開始導(dǎo)向孔鉆進，期間因為協(xié)商卵石層的處理方案，致使9月5日才貫通導(dǎo)向孔。因為低曲率半徑及卵石層的影響，直至12月12日才完成三級擴孔，可因為鉆桿卡落的事件發(fā)生，不得不進行開挖打撈，最終于2022年1月6日上午十一時完成管道回拖。

5 結(jié)語

芙蓉江定向鉆穿越工程是正安至務(wù)川段天然氣輸氣項目的控制性工程，實際穿越距離409.3 m，穿越管徑406.4 mm+114 mm，由于實際穿越曲率低于1000D，屬于超規(guī)范作業(yè)，作業(yè)地帶屬于貴州喀斯特地貌溶巖地區(qū)且有堅硬的石灰?guī)r區(qū)域，加之地型崎嶇，使得穿越難度急劇增大。由于設(shè)計偏差導(dǎo)致的十多米卵石層未加以封隔，使得導(dǎo)向鉆進、擴孔施工、清孔洗孔、管道回拖過程中都帶來了巨大困難，也使得施工成本及施工周期都大大增加。通過采用適當?shù)膶?dǎo)向孔、擴孔及回拖施工工藝，最終完成施工任務(wù)，為超規(guī)范曲率半徑下水平定向鉆穿越項目提供了施工經(jīng)驗。