定向鉆技術(shù)在燃?xì)夤芫€穿越河流中的應(yīng)用

中國石油大學(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°），控向過程中要嚴(yán)格按照設(shè)計曲線施工。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，穿越長度長，穿越深度深，施工安全性好的特點，作為一項高效安全的新技術(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，定向穿越水平長度608m，實際拖管長度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)勘測設(shè)計資料及現(xiàn)場勘察情況，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，成孔條件良好。

1 測量放線

在現(xiàn)場進(jìn)行控制(轉(zhuǎn)角)樁的交接后，應(yīng)進(jìn)行測量放線，將樁移到施工作業(yè)帶邊緣，對已經(jīng)丟失的樁應(yīng)復(fù)測補(bǔ)樁。對于平面圖、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)有地下管線不會發(fā)生沖撞。

2 施工作業(yè)帶清理及場地平整

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

挖地錨坑長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程中地錨的穩(wěn)固。

3 水平定向鉆的實施

3.1 管線回拖力計算

定向鉆穿越回拖力的計算，對于鉆機(jī)的選擇至關(guān)重要。本工程穿越管線為?813 mm×16mm鋼管，在回拖過程中，回拖力主要由管道浮力對孔壁造成的摩阻力和管道在孔內(nèi)移動過程中與泥漿產(chǎn)生的摩擦力構(gòu)成。為降低管道因浮力對孔壁造成的摩阻力，在施工過程中采用管道內(nèi)注水的方法。為保守計算，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，在實施拖管過程中若管內(nèi)注水合適時，可將摩阻力降到零，也就是說理論上管道在洞內(nèi)因自重產(chǎn)生的摩擦阻力完全可以消除。

在施工過程當(dāng)中保持好泥漿的性能以及成孔后洗孔時孔內(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)運行情況無誤后進(jìn)行試鉆。試鉆過程中應(yīng)同時檢查系統(tǒng)的運行狀況，無誤后開始鉆進(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)場具備條件后，按設(shè)計規(guī)范要求進(jìn)行鉆進(jìn)，保證鉆孔曲線偏差符合設(shè)計要求。鉆進(jìn)曲線以設(shè)計的曲率半徑進(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)儀表上的每項參數(shù)，緊密配合以便鉆出合格的導(dǎo)向孔。鉆導(dǎo)向孔時必須時時對照勘察報告的地質(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)到出土點位置準(zhǔn)確，確保成孔良好。為確保出土位置準(zhǔn)確無誤，曲線平滑，鉆進(jìn)過程中在磁場干擾較大的地方需要布線圈來滿足MGS定向系統(tǒng)磁場的穩(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)對照設(shè)計要求和施工規(guī)范對管線進(jìn)行檢漏，檢漏應(yīng)使用電火花計，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，管線入溝時需要注意避免劃傷，保護(hù)好防腐層；同時檢查擴(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?；赝线^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；同時要認(rèn)真觀察泥漿循環(huán)系統(tǒng)的運行情況，保證泥漿的順利供應(yīng)。管道施工完畢回拖出土后，應(yīng)及時卸下鉆桿、萬向節(jié)等機(jī)具，并按照預(yù)留長度割掉回拖頭，用盲板將焊接封閉，至此回拖施工完畢。

4 施工中應(yīng)注意的問題

（1）防止定向鉆在鉆孔時呈現(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程中相鄰幾根鉆桿的角度過大而造成的整個穿越曲線的變形，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°），控向過程中要嚴(yán)格按照設(shè)計曲線施工，如發(fā)生偏離原設(shè)計曲線，要及時做出調(diào)整，進(jìn)行水平糾偏時每兩根鉆桿之間變化一般不超過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)計曲率半徑，并避免出現(xiàn)“S”型；同時對鉆機(jī)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，對鉆具進(jìn)行定期檢查，確保設(shè)備及鉆具完好，防止回拖過程中停車?；赝锨罢{(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，泥漿配比前需對水質(zhì)進(jìn)行取樣化驗并做泥漿配比實驗，符合要求后方可使用。施工過程中，派專人在出、入土點隨時觀察從洞口流出的泥漿及固體顆粒含量（泥、砂等），以便及時調(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

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，穿越長度長，穿越深度深，施工安全性好的特點，作為一項高效安全的新技術(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