水平定向鉆施工在軟硬分層地質(zhì)中的風(fēng)險(xiǎn)控制

上海煤氣第二管線工程有限公司 宋強(qiáng)銀 倪增炎 馬志明

在沿海沖積平原地區(qū)由于土質(zhì)超松軟、軟硬分層明顯，水平定向鉆穿越施工中會(huì)出現(xiàn)拖管實(shí)際孔道軌跡嚴(yán)重偏離原導(dǎo)向孔鉆進(jìn)軌跡，導(dǎo)致鉆桿斷裂、抱管和卡管等事故時(shí)有發(fā)生。

本文以“上海市金山漕廊公路次高壓天然氣管過沫瀝港、秦灣路穿越工程”為例，分析了導(dǎo)致鉆桿斷裂、卡管發(fā)生的原因，并通過對(duì)施工工藝技術(shù)、鉆具配置的改進(jìn)以及施工過程中采取了預(yù)防措施，有效控制水平定向鉆在軟硬分層地質(zhì)中的施工風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況

上海市漕廊公路次高壓天然氣管穿越工程共有11條定向鉆穿越，過沫瀝港、秦灣路穿越工程是其中一條重點(diǎn)穿越工程，施工地質(zhì)條件最為復(fù)雜、最具代表性。該工程中間穿越沫瀝港河以及秦灣路，主要敷設(shè)D529×10 mm天然氣鋼管，穿越長度為316 m，穿越最大深度為11 m。

該工程我司使用威猛D80×120鉆機(jī)施工，該型號(hào)鉆機(jī)回拖力、扭矩等參數(shù)見表1。

表1 鉆機(jī)主要性能

2 工程施工

本工程實(shí)施歷時(shí)15 d，期間共進(jìn)行了2次鉆進(jìn)和拖管，第1次實(shí)施失敗，第2次順利完成拖管。

2.1 第1次穿越施工

導(dǎo)向孔鉆進(jìn):該工程設(shè)計(jì)穿越深度較淺(最大埋深為11 m)，施工區(qū)域影響范圍內(nèi)干擾較小，施工中采用手持式無線控向方法控制鉆進(jìn)，有效地提升了施工速度。施工過程中把曲率半徑控制在設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定范圍內(nèi)，做到“平滑圓緩”，每根鉆桿的角度變化范圍滿足鉆桿、鋼管的曲率半徑要求和規(guī)范要求。

鉆孔預(yù)擴(kuò)孔:導(dǎo)向孔完成后，按規(guī)范要求，根據(jù)該工程的管徑及地質(zhì)條件，將鉆孔分3級(jí)回?cái)U(kuò)，依次為D350 mm擠擴(kuò)、D500 mm擠擴(kuò)和D800 mm擠擴(kuò)，外加1次D750 mm筒式洗孔。

回拖管道:穿越回拖是將預(yù)制完成的管道回拖到預(yù)擴(kuò)完成的孔道中，從而完成管道的敷設(shè)工作。在洗孔工序完畢后，采用D750 mm擠擴(kuò)器掛管回拖。管道回拖至15根鉆桿時(shí)(原導(dǎo)向測量深度約7 m處)，末端鉆桿與回?cái)U(kuò)器之間的絲扣連接處發(fā)生斷裂。把管道從出土點(diǎn)向后拉出后，我們用電火花測試儀對(duì)管道外防腐進(jìn)行了全面檢測并補(bǔ)傷。

2.2 原因分析及改進(jìn)的措施

2.2.1 原因分析

2.2.1.1 地質(zhì)分析

根據(jù)金山地區(qū)其他市政工程的地質(zhì)勘察報(bào)告以及司鉆的操作參數(shù)判斷，該地區(qū)穿越深度范圍內(nèi)土質(zhì)分為2層，第1層:0～6 m為較硬的粘土層；第2層:6～13 m為飽和淤泥質(zhì)軟土。本工程施工穿越段地質(zhì)主要涉及較硬的粘土層和飽和淤泥質(zhì)軟土。穿越孔道出(入)土處直線段軌跡位于較硬的粘土層中，成孔較好，正常擴(kuò)孔時(shí)，孔道下沉較小，利于施工；穿越孔道的弧線段及水平段軌跡位于飽和淤泥質(zhì)軟土層中，該地層鉆孔逐級(jí)回?cái)U(kuò)時(shí)，因回?cái)U(kuò)器的自重、旋轉(zhuǎn)和兩側(cè)鉆桿的重力作用下，下方切削量較大，孔道產(chǎn)生較大的下沉，不利管道的正?；赝?。

2.2.1.2 斷裂位置分析

從鉆桿與回?cái)U(kuò)器斷裂的位置，我們可以看出，斷裂地點(diǎn)深度大約在7 m左右，剛好位于上層硬粘土層與下層軟弱淤泥土層交界處附近，在鉆桿工作狀況良好的情形下，初步分析可能由于原導(dǎo)向鉆進(jìn)孔洞經(jīng)過幾次逐級(jí)回?cái)U(kuò)后，位于淤泥軟土層中的部分孔道產(chǎn)生較大的沉降，以致在軟硬土層交界面附近產(chǎn)生較大的折角。拖管過程中，當(dāng)拉管至軟硬交界面附近時(shí)，由于D529×10 mm鋼管本身剛度大，在折角區(qū)域附近管頭與末端鉆桿處產(chǎn)生較大的剪力，從而使鉆桿接口斷裂。

2.2.2 改進(jìn)措施

2.2.2.1 合理選擇鉆具，增加連接剛度

施工進(jìn)場之前，認(rèn)真檢查鉆桿及機(jī)具設(shè)備的完好性，合理有效的選擇鉆具，不符合要求的堅(jiān)決不使用。在軟硬分層地質(zhì)中施工，除選用鉆機(jī)滿足施工要求外，盡量選用加厚加粗鉆桿，鉆桿直徑越大其承載力的穩(wěn)定性也越好。提高絲扣連接處的剛度，避免因剛度不足引起的折斷、剪斷；縮短筒式擴(kuò)孔器筒體的徑向長度，既能保證筒式擴(kuò)孔器起到擠壓作用，同時(shí)又能降低回拖過程中的扭矩。

2.2.2.2 優(yōu)化導(dǎo)向孔鉆進(jìn)軌跡

為了減小回?cái)U(kuò)孔道時(shí)在軟硬分層區(qū)域附近因沉降產(chǎn)生的折角，在滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求的前提下，根據(jù)地質(zhì)分層情況，進(jìn)一步優(yōu)化導(dǎo)向控制參數(shù)，減小鉆進(jìn)角度和深度的變化。導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時(shí)在較硬粘土層與淤泥層交界區(qū)域附近應(yīng)保持鉆進(jìn)較小的角度，使導(dǎo)向孔軌跡平滑、平緩，以減小回?cái)U(kuò)時(shí)分層交界面處產(chǎn)生的折角。同時(shí)在淤泥質(zhì)軟土層中應(yīng)該控制鉆進(jìn)速度，確保泥漿形成穩(wěn)定的護(hù)壁，保證孔洞安全。

2.2.2.3 適當(dāng)減少逐級(jí)回?cái)U(kuò)次數(shù)

鉆孔進(jìn)行回?cái)U(kuò)時(shí)，由于回?cái)U(kuò)器的自重和旋轉(zhuǎn)切削，回?cái)U(kuò)次數(shù)越多，造成較硬粘土層處的孔道與軟弱淤泥土層處的孔道出現(xiàn)嚴(yán)重偏心，從而導(dǎo)致兩土層交界處形成死折，在軟弱土層中的孔道不利回拖施工。故在有條件的情況下，應(yīng)適當(dāng)選用高一等級(jí)的鉆機(jī)，在滿足鉆機(jī)工作性能情況下盡可能減少回?cái)U(kuò)次數(shù)，以其減少回?cái)U(kuò)對(duì)孔道下沉的影響；同時(shí)對(duì)于大口徑、長距離管道施工也提升了鉆機(jī)的能力儲(chǔ)備，提高了施工安全可靠性并減少了對(duì)土層的多次擾動(dòng)，有利于孔道的穩(wěn)定性。

2.2.2.4 回?cái)U(kuò)時(shí)加扶正器

回?cái)U(kuò)施工時(shí)，為預(yù)防前部回?cái)U(kuò)器產(chǎn)生較大的下沉，減小產(chǎn)生的折角，可在回?cái)U(kuò)器后方加1段扶正器。扶正器可用鋼管制作，長度不少于1根鉆桿長度，直徑略小于回?cái)U(kuò)器直徑(以利于返漿)。利用后方扶正器的整體剛性，在軟硬層交界面可有效控制前方回?cái)U(kuò)器的旋轉(zhuǎn)下沉。

2.2.2.5 合理選擇管道牽引頭與分動(dòng)器間的連接

管道回拖時(shí)，管道牽引頭與分動(dòng)器之間采用適宜的軟連接過渡。盡量加長軟連接，軟連接越長，管道與鉆桿形成的夾角越小，回拖時(shí)，在軟硬土質(zhì)交界處，鉆桿所受彎矩越小，鉆桿越不容易斷裂。

2.2.2.6 泥漿控制

泥漿的配置和參數(shù)確定直接關(guān)系到成孔質(zhì)量和拖管的順利實(shí)施。在淤泥土層中，成孔困難，經(jīng)常由于泥漿配置太稀、比重太小而沒有形成孔道，或因泥漿工作性能不佳而引起塌孔縮孔。施工時(shí)要根據(jù)地質(zhì)情況合理選配泥漿，提高泥漿性能。除了保證泥漿用量外，適當(dāng)提高泥漿比重和粘度，使其有足夠的壓力支撐孔洞，防止孔道坍塌和縮徑。

2.3 第2次穿越施工

針對(duì)第1次穿越施工失敗原因進(jìn)行分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，吸取教訓(xùn)，第2次穿越施工之前，我們進(jìn)行了周密的部署和安排，施工中采取了一系列有效的控制措施:鉆桿選用加厚加粗鉆桿；依據(jù)地質(zhì)分層情況，優(yōu)化導(dǎo)向孔鉆進(jìn)控制參數(shù)，使孔道在軟硬分層界面附近更平滑、平緩；發(fā)送溝開挖長度進(jìn)一步延長，使其管道入洞進(jìn)一步平緩；減少了回?cái)U(kuò)次數(shù)(只進(jìn)行了D500 mm擠擴(kuò)和D800 mm擠擴(kuò))，利用D750 mm擠擴(kuò)器直接掛管回拖；通過分層界面附近區(qū)域時(shí)，降低回拖速度，保證應(yīng)力傳遞平穩(wěn)；適當(dāng)增加膨潤土添加比重，提高泥漿的工作性能。由于控制措施實(shí)施得當(dāng)，第2次穿越施工僅歷時(shí)4天，順利完成管道回拖工作。

3 結(jié)語

上海市金山漕廊公路次高壓天然氣管定向鉆穿越工程的成功完成，說明在水平定向鉆穿越施工中要做到鉆具選擇合理、技術(shù)措施先進(jìn)可行。同時(shí)，通過對(duì)施工工藝技術(shù)和鉆具配置的改進(jìn)，解決了軟硬分層土質(zhì)中水平定向鉆穿越施工的難題，為穿越施工積累了寶貴施工經(jīng)驗(yàn)。