文/梁王學(xué) 何少煒 陸鵬州

管道水平定向鉆穿越技術(shù)屬于管道非開挖施工技術(shù)之一，是目前管道穿越首選的施工技術(shù)。粉細(xì)砂地層定向鉆穿越具有控向、鉆進(jìn)、泥漿工藝復(fù)雜的特點(diǎn)，具有較高的工程風(fēng)險(xiǎn)，論文分析了油氣管道定向鉆長(zhǎng)距離穿越粉細(xì)砂地層時(shí)的工程特點(diǎn)，提出了安全控制措施及應(yīng)急預(yù)案，為工程實(shí)施提供了重要參考。

概述。

管道水平定向鉆穿越技術(shù)屬于管道非開挖施工技術(shù)之一，不僅施工周期短、效益高、投資少，而且不影響道路、河流交通，有利于環(huán)境保護(hù)和管道的安全運(yùn)行，免于管道的維護(hù)，是目前管道穿越首選的施工技術(shù)。由于穿越施工受地質(zhì)條件、穿越長(zhǎng)度、管徑的制約，要求不僅有先進(jìn)的穿越設(shè)備，而且有先進(jìn)的施工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。所以它是一項(xiàng)高科技、高風(fēng)險(xiǎn)、高效益的管線施工技術(shù)項(xiàng)目[1-3]。

1.工程特點(diǎn)。

水平定向鉆穿越主要有導(dǎo)向孔、預(yù)擴(kuò)孔、回拖三個(gè)階段，與普通軟地層定向鉆穿越相比，油氣管道穿越長(zhǎng)距離砂層具有以下特點(diǎn)。(1)鉆具要求高。大口徑輸氣管道穿越長(zhǎng)距離砂層導(dǎo)向孔需要鉆頭、5'鉆桿、6 5/8''高強(qiáng)度鉆桿；預(yù)擴(kuò)孔施工需要專用擴(kuò)孔器。同時(shí)為降低穿越風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)向孔、單次預(yù)擴(kuò)孔的鉆具壽命應(yīng)達(dá)到中途不更換的目的。(2)施工工藝復(fù)雜。①控向工藝復(fù)雜：一方面由于砂層中導(dǎo)向孔施工，地層的承載能力差，鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過(guò)程中，傾角變化較大，同時(shí)長(zhǎng)距離穿越，鉆具不能有效的進(jìn)行力量傳遞，增加了控向操作復(fù)雜程度。另一方面，大范圍江面段施工時(shí)無(wú)法布設(shè)Trutrack地面信標(biāo)系統(tǒng)，只能在微弱的、不穩(wěn)定的地球磁場(chǎng)作為參考的條件下鉆進(jìn)，降低了定向工具的精確度。再者，由于穿越管徑大，為保證成品管的順利回拖，對(duì)保持砂層導(dǎo)向孔圓滑的控向工藝提出了更高的要求。②鉆進(jìn)工藝復(fù)雜：在砂層導(dǎo)向孔、預(yù)擴(kuò)孔施工期間，卡鉆的危險(xiǎn)隨時(shí)都有可能存在。③泥漿工藝復(fù)雜：與普通軟地層穿越相比，砂層穿越的泥漿需用量會(huì)成倍地增長(zhǎng)(增長(zhǎng)量與砂層的長(zhǎng)度及擴(kuò)孔孔徑有關(guān))，其原因是砂層中泥漿的漏失量將大大增加，同時(shí)砂層中穿越，成孔困難，易塌孔，需要的泥漿流量和粘度就相應(yīng)增加。(3)施工周期長(zhǎng)。根據(jù)砂層長(zhǎng)度及擴(kuò)孔孔徑不同，砂層穿越施工的施工周期是普通軟地層穿越的1.5～2倍。

2.工程難點(diǎn)。

定向鉆長(zhǎng)距離穿越粉細(xì)砂地層難度較大，同時(shí)也具有極大的工程挑戰(zhàn)性，存在的主要技術(shù)難點(diǎn)如下：（1）控向技術(shù)難點(diǎn)。穿越距離長(zhǎng)，控向精度要求高，江面頻繁通航的船只對(duì)信號(hào)棒測(cè)量數(shù)據(jù)的采集將產(chǎn)生磁干擾，大范圍水域無(wú)法布置Trutrack地面信標(biāo)系統(tǒng)，準(zhǔn)確控向難度很大。砂層中地層承載能力較差，在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)施工過(guò)程中傾角變化較大，同時(shí)長(zhǎng)距離穿越，鉆具不能有效的進(jìn)行力量傳遞，大大增加了準(zhǔn)確控向的難度。（2）泥漿技術(shù)難點(diǎn)。長(zhǎng)距離穿越出入土點(diǎn)附近軟地層穿越要求泥漿的固壁性能要好，防止泥漿漏失和塌孔；砂層穿越要求泥漿的懸浮、攜屑性能強(qiáng)，保證鉆屑的順利排出，對(duì)泥漿的性能要求很高。砂層穿越施工各階段均需要大排量的泥漿，對(duì)大量高性能泥漿的及時(shí)供應(yīng)要求高。（3）司鉆及鉆進(jìn)工藝技術(shù)難點(diǎn)。穿越存在軟、砂層的結(jié)合，從軟地層到砂層過(guò)渡穿越技術(shù)要求高。長(zhǎng)距離砂層穿越，尤其是主河道穿越，需要克服鉆機(jī)扭矩大的難題，特別是在進(jìn)行最后一次大口徑預(yù)擴(kuò)孔階段(擴(kuò)孔直徑為穿越管徑的1.5倍)，對(duì)鉆機(jī)能力和施工工藝提出了很高的要求。穿越地質(zhì)條件復(fù)雜，如何保證導(dǎo)向孔曲線的圓滑過(guò)渡是關(guān)鍵，以預(yù)防擴(kuò)孔和回拖期間卡鉆事故的發(fā)生。砂層的承載力較差，對(duì)出土側(cè)鉆頭“抬頭”時(shí)鉆桿推力的傳遞影響較大，勢(shì)必會(huì)造成“抬頭”難的問(wèn)題。穿越需要鉆頭、鉆桿、擴(kuò)孔器等特殊鉆具，而更換鉆具的風(fēng)險(xiǎn)很大，尤其在砂層中很難找到原孔。使用普通5″S-135等級(jí)的鉆桿鉆進(jìn)1500 m以上的導(dǎo)向孔強(qiáng)度不夠，主要表現(xiàn)為推力的傳遞受限制。

3 .安全控制技術(shù)措施。

針對(duì)粉細(xì)砂層定向穿越施工的特點(diǎn)，工程中應(yīng)采取以下安全措施：（1）控向技術(shù)在開鉆前利用信號(hào)棒和全站儀找出穿越中心線準(zhǔn)確的大地磁方位角，以此為基準(zhǔn)控制導(dǎo)向孔的左右偏差，以彌補(bǔ)因河面大范圍水域無(wú)法布置Trutrack地面信標(biāo)系統(tǒng)而可能產(chǎn)生的控向偏差。鉆導(dǎo)向孔使用1.75°造斜短節(jié)，減小造斜角度，有利于導(dǎo)向孔曲線的圓滑過(guò)度，預(yù)防擴(kuò)孔和回拖期間卡鉆事故的發(fā)生。在入土側(cè)和出土側(cè)陸域，盡可能長(zhǎng)地布置Trutrack地面信標(biāo)系統(tǒng)，以精確測(cè)量地下鉆頭的位置。砂層中穿越時(shí)，增加信號(hào)測(cè)量頻率，每鉆進(jìn)2～3 m測(cè)量一次，以保證導(dǎo)向孔曲線符合設(shè)計(jì)曲線的要求。（2）泥漿技術(shù)。根據(jù)穿越地層條件的變化，采用復(fù)合泥漿配比技術(shù)，將使用定向鉆膨潤(rùn)土按8～10%重量比加入淡水配出基漿，使用的主要泥漿添加劑有：固壁劑、增粘劑、清屑劑和潤(rùn)滑劑等，保證泥漿性能符合穿越地層的要求。施工過(guò)程泥漿性能調(diào)整要求如下：a、普通軟土層穿越段：控制泥漿的失水，防止塌孔，需增大固壁劑含量；b、砂層：增加降濾失劑、膠凝強(qiáng)調(diào)和懸浮性提升劑用量，達(dá)到固孔和浮流粉砂、清潔孔道的目的，同時(shí)為保證鉆屑攜帶和孔眼清潔，要及時(shí)提高清屑劑和潤(rùn)滑劑劑量，保證泥漿的流變性能良好，使鉆屑順利返出地面，同時(shí)增強(qiáng)泥漿的潤(rùn)滑性，減小鉆具與地層的摩擦力。為進(jìn)一步保證長(zhǎng)江穿越砂層穿越大流量泥漿的供應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)配備泥漿回收處理系統(tǒng)，使泥漿循環(huán)使用，以減輕現(xiàn)場(chǎng)配置大量泥漿的壓力，同時(shí)可減少環(huán)境污染?，F(xiàn)場(chǎng)配備高壓泥漿泵，泵送能力不小于3 m3/min，以保證長(zhǎng)距離長(zhǎng)江穿越的泥漿壓力和流量滿足施工要求。（3）司鉆與鉆進(jìn)工藝。針對(duì)軟、砂層結(jié)合的特點(diǎn)，從軟地層到砂層過(guò)渡穿越采用的施工方法應(yīng)為：首先放慢鉆進(jìn)速度，減小鉆進(jìn)推力(或拉力)，調(diào)低鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，待鉆頭(或擴(kuò)孔器)進(jìn)入砂層1～1.5 m后，在加大鉆進(jìn)推力(或拉力)，調(diào)整鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，防止速度過(guò)快造成鉆進(jìn)曲線偏離預(yù)定的目標(biāo)。選用大扭矩鉆機(jī)，最大扭矩可達(dá)136 kN·m；選用低扭矩的擴(kuò)孔器，以克服大口徑、長(zhǎng)距離砂層穿越預(yù)擴(kuò)孔扭矩大的難題。由于粉砂不易被鉆頭切削及被泥漿攜帶至地表，就造成了鉆機(jī)的扭矩和推力過(guò)大，致使鉆桿彎曲。于是在鉆桿兩邊加樁固定，防止鉆桿彎曲，以增加力量，并增加了泥漿的排量及配比性。在對(duì)于方位角及傾角的難操控上，在保證與設(shè)計(jì)曲線相近似的前提下，采用了快速鉆進(jìn)，少頂推，每根鉆桿的傾角都提前上抬，當(dāng)頂推不動(dòng)時(shí)，就旋進(jìn)，使得鉆頭向下自然施降在設(shè)計(jì)曲線范圍內(nèi)?？ㄣ@的預(yù)防措施：嚴(yán)格鉆進(jìn)工藝，精心組織施工，保證導(dǎo)向孔曲線的圓滑過(guò)渡，預(yù)防擴(kuò)孔和回拖期間卡鉆事故的發(fā)生；預(yù)擴(kuò)孔階段使用比上一級(jí)孔徑校1 1/2″～2″中心扶正器；主管線最后一次擴(kuò)孔完成后，用比回拖管徑大、比成孔直徑小的桶式擴(kuò)孔器再清孔兩次，最后用同直徑桶式擴(kuò)孔器進(jìn)行回拖。針對(duì)地層特點(diǎn)，在導(dǎo)向孔施工階段，入土側(cè)斜孔段采取下套管的施工方法，防止淺地層軟土長(zhǎng)時(shí)間受泥漿浸泡后塌陷堵孔，同時(shí)解決長(zhǎng)距離穿越“抬頭”難，鉆機(jī)推力傳遞難的問(wèn)題。下套管時(shí)控制好鉆進(jìn)速度和泥漿壓力，保證將套管和鉆桿間的鉆削清理出來(lái)，保持導(dǎo)向孔的暢通。

4.工程應(yīng)急預(yù)案。

(1)導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時(shí)卡鉆應(yīng)急預(yù)案①導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭一旦卡鉆，表現(xiàn)為泥漿壓力劇增，或伴隨鉆機(jī)扭矩瞬間的增大(旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí))，此時(shí)，鉆機(jī)產(chǎn)生的扭矩?zé)o法克服砂層作用于鉆具上的扭矩，鉆頭停止轉(zhuǎn)動(dòng)。處理的方法有二種：一是當(dāng)泥漿壓力表顯示的壓差能保持在設(shè)計(jì)的最大壓降范圍內(nèi)時(shí)，可采取立即停止鉆桿的推進(jìn)，改為往鉆機(jī)方向拉鉆桿，使鉆頭迅速離開作業(yè)面，降低泥漿的壓差，然后用更慢的推力和推進(jìn)速度鉆進(jìn)；二是當(dāng)泥漿壓力表顯示的壓差能超過(guò)設(shè)計(jì)的最大壓降范圍時(shí)，應(yīng)立即關(guān)停泥漿泵，停止泥漿的泵送，同時(shí)往鉆機(jī)方向回撤鉆桿。②導(dǎo)向孔施工過(guò)程中，在更換鉆具或其它特殊情況回抽鉆桿時(shí)卡鉆。主要原因是個(gè)別地段造斜過(guò)大，清孔不徹底，鉆屑過(guò)量堆積引起“縮孔”，造成卡鉆。處理方法：首先應(yīng)使鉆機(jī)的正常工作，有足夠的泥漿往孔內(nèi)泵送，此時(shí)鉆桿切不可簡(jiǎn)單地繼續(xù)往回拉，否則很容易將鉆頭卡死。應(yīng)在泵送泥漿的前提下繼續(xù)往前進(jìn)，耐心進(jìn)行清孔，同時(shí)調(diào)整鉆頭的傾角至首次鉆進(jìn)該地層時(shí)的傾角，停止鉆桿的旋轉(zhuǎn)往回抽，注意控制好鉆機(jī)的拉力，然后旋轉(zhuǎn)鉆桿前進(jìn)、清孔，多次反復(fù)，直到順利通過(guò)“縮孔”地段。(2)砂層擴(kuò)孔時(shí)卡鉆應(yīng)急預(yù)案?？刹捎脵C(jī)械回拉擴(kuò)孔器的辦法解決擴(kuò)孔卡鉆的問(wèn)題，具體辦法如下：①機(jī)具、材料準(zhǔn)備：在出土側(cè)準(zhǔn)備旋轉(zhuǎn)接頭1套、U型環(huán)1套、練級(jí)擴(kuò)孔鉆桿和旋轉(zhuǎn)接頭用短節(jié)1個(gè)，φ22 mm以上鋼絲繩4根(等長(zhǎng))，履帶爬行設(shè)備(吊管機(jī)、推土機(jī)或挖掘機(jī))2臺(tái)以上。②施工步驟：a.卡鉆后鉆機(jī)立即停止旋轉(zhuǎn)；b.出土側(cè)連接(擴(kuò)孔鉆桿+短節(jié)+旋轉(zhuǎn)接頭+U型環(huán)+鋼絲繩+履帶設(shè)備)；c.多臺(tái)設(shè)備同步回拉，同時(shí)鉆機(jī)給予適當(dāng)?shù)耐屏?，使擴(kuò)孔器離開切削面；d.鉆機(jī)恢復(fù)旋轉(zhuǎn)；e.出土側(cè)卸下應(yīng)急鉆具；f.繼續(xù)擴(kuò)孔。③司鉆手應(yīng)隨時(shí)密切關(guān)注擴(kuò)孔扭矩的變化，防止卡鉆后扭矩過(guò)大，損壞鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)及鉆桿絲扣。(3)管道回拖受阻時(shí)應(yīng)急預(yù)案。應(yīng)根據(jù)受阻位置和實(shí)際情況區(qū)別對(duì)待。當(dāng)管線回拖進(jìn)距離相對(duì)較短時(shí)，可采取往出土側(cè)回拉的方式；當(dāng)管線回拖至接近出土?xí)r，可采取往鉆機(jī)側(cè)助推的方式；當(dāng)回拖管線位置處于中間段，兩個(gè)方向均可考慮。在軟地層受阻時(shí)，用助推方式成功的機(jī)率較大，砂層受阻時(shí)，盡可能考慮往出土側(cè)回拉的方式，以免損壞防腐層甚至鋼管?；乩蛑频姆绞接袃煞N：①機(jī)械設(shè)備操作方式。利用挖掘機(jī)、履帶拖拉機(jī)、吊管機(jī)等爬行設(shè)備，先在回拖管道尾部的兩側(cè)對(duì)稱地分別焊上一個(gè)拉環(huán)，再用鋼絲繩連接協(xié)同鉆機(jī)進(jìn)行回拉或助推。次方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備和卡具準(zhǔn)備簡(jiǎn)單，操作平穩(wěn)，與鉆機(jī)的配合施工好；缺點(diǎn)是提供的推拉力有限。②夯管錘操作方式：準(zhǔn)備一臺(tái)套夯管錘，在回拖管道尾部安裝事先加工好的卡具，利用夯管錘的瞬間、高頻沖擊力進(jìn)行回拉或助推。此方式的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需后背力，提供的沖擊力很大，其沖擊力可調(diào)節(jié)，夯管錘可以和管線、鉆桿等相連接，前進(jìn)和后退方向均可調(diào)整，解決受阻問(wèn)題的能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是設(shè)備租用、運(yùn)輸，卡具加工等時(shí)間較長(zhǎng)，與鉆機(jī)的配合施工同步性較差，需精心策劃、組織。

5.結(jié)語(yǔ)。

論文基于定向鉆穿越粉細(xì)砂地層的工程難點(diǎn)，從控向、泥漿配置與供給、司鉆與鉆進(jìn)工藝等方面提出了工程安全控制措施，并建立了工程應(yīng)急預(yù)案，為工程的實(shí)施提供了重要參考。