大口徑管道定向鉆穿越復(fù)雜地層的施工分析

鐘倫法 何坤鵬

摘要：大口徑管道定向鉆穿技術(shù)在很多工程施工都需要使用，例如輸油管道、燃?xì)夤艿?、輸水管道等，在現(xiàn)代施工當(dāng)中，大口徑管道定向鉆穿技術(shù)的使用頻率越來(lái)越高。大口徑管道定向鉆穿大都是長(zhǎng)距離穿越，因此，在實(shí)際的施工過(guò)程中，會(huì)遭遇各類型復(fù)雜地層的阻礙，這就需要對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行改良，以適應(yīng)各類型復(fù)雜地層，實(shí)施高效率、高質(zhì)量施工。本文將對(duì)大口徑管道鉆穿復(fù)雜地層施工技術(shù)進(jìn)行分析，提出其技術(shù)發(fā)展以及施工穩(wěn)點(diǎn)，文章最后則以舉例方式提出了大口徑鉆穿復(fù)雜地層施工設(shè)計(jì)與建議，分析了川氣東送工程中的一個(gè)典型項(xiàng)目。

關(guān)鍵詞：大口徑管道定向鉆穿技術(shù)、復(fù)雜地層、技術(shù)發(fā)展、施工要點(diǎn)、案例分析

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

一、復(fù)雜地層條件下定向鉆鉆穿技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

大口徑管道定向鉆穿復(fù)雜地層施工技術(shù)在我國(guó)的運(yùn)用時(shí)間并不長(zhǎng)，但是隨著我國(guó)各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的變化和提升，大口徑管道定向鉆穿技術(shù)在不斷的實(shí)際運(yùn)用中得到了發(fā)展。無(wú)論是在工藝上、技術(shù)上，還是在設(shè)備上，該技術(shù)都有所提升。復(fù)雜地層條件下的定向鉆穿技術(shù)今后將會(huì)逐步面向以下方向進(jìn)行發(fā)展：

（一）鉆井工藝、技術(shù)、設(shè)備發(fā)展多樣化

如今的工程學(xué)科已經(jīng)是多學(xué)科交叉模式下的綜合性學(xué)科，在各類科學(xué)技術(shù)和專業(yè)學(xué)科的發(fā)展下，工程學(xué)科也將得到巨大的發(fā)展。復(fù)雜地層定向鉆穿技術(shù)中的大位移鉆井技術(shù)、欠平衡鉆井技術(shù)等多個(gè)復(fù)雜、高端的技術(shù)等到了持續(xù)的發(fā)展，每一項(xiàng)技術(shù)背景下的機(jī)械、儀器更是在不斷的更新?lián)Q代，無(wú)論在工作原理上、工作效率或效果上，都有了很大的進(jìn)步。

未來(lái)此項(xiàng)技術(shù)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(jī)械和儀器，以適應(yīng)新興技術(shù)的需求。并且，這也是大口徑管道定向鉆穿復(fù)雜地層的需要，這類工程更多的依賴于先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備和高端精密的儀器，如檢測(cè)地層結(jié)構(gòu)等工作，是離不開精密儀器的配合的，可以說(shuō)，先進(jìn)機(jī)械設(shè)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(dòng)化、智能化

集成化、自動(dòng)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(lái)必然的發(fā)展態(tài)勢(shì)，對(duì)于定向鉆穿技術(shù)所施工的工具、系統(tǒng)來(lái)講，亦是如此。定向鉆穿技術(shù)施工復(fù)雜、而且屬于地下施工，它需要一個(gè)集成化、自動(dòng)化和智能化的控制管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工具和作業(yè)的集成化、自動(dòng)化與智能化。

（三）鉆井信息數(shù)字化

信息是現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、工程活動(dòng)必不可少的數(shù)據(jù)資料之一。對(duì)于定向鉆穿復(fù)雜地層施工來(lái)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、機(jī)械動(dòng)作指令的輸出、執(zhí)行與修正等。其數(shù)據(jù)之多、變化之復(fù)雜、統(tǒng)計(jì)之困難可想而知。這就需要一個(gè)強(qiáng)大的顯示和分析系統(tǒng)，對(duì)這些信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理、對(duì)比分析。因此，未來(lái)，定向鉆穿技術(shù)將擁有一個(gè)鉆井信息數(shù)字化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鉆井信息數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆進(jìn)作業(yè)的科學(xué)管理與控制。現(xiàn)代的三維成像技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等都是典型的信息數(shù)字化技術(shù)，它們具有將抽象事物具體化、將無(wú)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(fù)雜地層未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。專業(yè)分工能夠體現(xiàn)各項(xiàng)目施工與各類型施工的差異性，讓整個(gè)施工顯得井井有條，精確解決復(fù)雜、高端的施工難題，也更有利于實(shí)現(xiàn)專業(yè)化的施工。同時(shí)，這也是未來(lái)該類型施工工程的需要。而作業(yè)合作化則是對(duì)專業(yè)分工的呼應(yīng)，主要是將各類型的專業(yè)施工組合在一起，實(shí)現(xiàn)作業(yè)合作化與專業(yè)化，進(jìn)一步刺激新型施工模式和新興施工技術(shù)的誕生。

二、復(fù)雜地層條件下油氣管線定向鉆穿越技術(shù)控制要點(diǎn)

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

（一）定向鉆進(jìn)成孔方式

定向鉆進(jìn)成孔施工需要對(duì)成孔地段土層進(jìn)行切割分離，對(duì)于疏松土質(zhì)地區(qū)來(lái)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(lái)起到成孔的作用。該技術(shù)成孔類型分為定向弧形孔和直孔兩種類型。

對(duì)于存在硬質(zhì)土壤夾層的土層來(lái)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(wú)法在硬質(zhì)巖層中起到成孔效果。當(dāng)在硬質(zhì)巖層進(jìn)行成孔施工時(shí)，則選用鉆頭、彎接頭和螺桿馬達(dá)組合而成的鉆進(jìn)工具。依據(jù)巖層的堅(jiān)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(jìn)和成孔，但是在進(jìn)行土層選擇時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮安全和使用需要，因此，不能夠選擇太過(guò)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(duì)于地層為流沙層、硬質(zhì)卵石層的地層來(lái)講，是無(wú)法進(jìn)行施工的。當(dāng)油氣管道穿越河流、河谷地區(qū)時(shí)，則進(jìn)行和開挖、套管或者固結(jié)等方式進(jìn)行定向鉆穿。

（三）泥漿控制

泥漿控制是定向鉆穿施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)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(jí)鈉基膨潤(rùn)土，按照計(jì)算好的比例進(jìn)行混合加工，配比過(guò)程要嚴(yán)格按照相關(guān)要求執(zhí)行；使用兩套加料配漿系統(tǒng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)泥漿的循環(huán)使用；使用淡水進(jìn)行膨潤(rùn)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(diǎn)位置

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

三、施工過(guò)程

下文，筆者將舉例舉水穿越工程施工過(guò)程，講述上述施工方式和要點(diǎn)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(jìn)行了導(dǎo)向孔成孔施工，而后使用了七級(jí)擴(kuò)孔方式，一級(jí)擴(kuò)孔口徑達(dá)到了1524毫米，符合施工要求和國(guó)家規(guī)定。完成擴(kuò)孔之后，施工隊(duì)伍進(jìn)行了修孔，直至四根管道暢通進(jìn)出演示孔洞。連續(xù)進(jìn)行4次洗孔之后，開始回拖作業(yè)，第四根鉆桿進(jìn)行回拖時(shí)，出現(xiàn)了斷裂，而后技術(shù)人員修正了管道角度，再次進(jìn)行回拖，二次回拖時(shí)，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(wú)效。而后，再次調(diào)整回拖方案，受阻，采用滑輪回拖，實(shí)現(xiàn)了管道拖出。

（二）二次施工概況

原計(jì)劃回拖方案失敗后，施工團(tuán)隊(duì)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(duì)穿方式進(jìn)行導(dǎo)向孔作業(yè)，而后再次進(jìn)行穿越。

二次施工中連續(xù)七次進(jìn)行了擴(kuò)孔，并修訂了泥漿固結(jié)處理范圍，二次施工方案實(shí)施成功。

（三）原因分析

通過(guò)兩次施工前后對(duì)比，筆者發(fā)現(xiàn)，在首次施工當(dāng)中，從擴(kuò)孔到修孔使用了34d的時(shí)間，這是造成回拖中斷的主要原因之一，回拖中斷進(jìn)而導(dǎo)致孔壁泥漿大量失水，泥餅強(qiáng)度與性能有所下降，這就容易數(shù)顯孔壁塌陷或變形問(wèn)題。首次施工進(jìn)行了三次1422.4mm的洗孔作業(yè)，但是效果欠佳，與1524mm的一級(jí)空形成了臺(tái)階式的交界處，造成回拖失敗。

四、設(shè)計(jì)與施工建議

針對(duì)上述的施工分析，筆者提出了以下四點(diǎn)設(shè)計(jì)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(duì)上部覆蓋層進(jìn)行處理，最好采用對(duì)穿方式進(jìn)行施工；考慮覆蓋層與交界面形成臺(tái)階狀，造成砂石滾落堆積，可采用夯套管方式進(jìn)行。若套管夯擊距離較長(zhǎng)，則對(duì)基坑開挖位置進(jìn)行調(diào)整，最好設(shè)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(dāng)?shù)刭|(zhì)為軟硬交錯(cuò)的圖層結(jié)構(gòu)時(shí)，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(duì)穿的鋪墊工作。進(jìn)行硅管套管穿越需在管內(nèi)預(yù)留電纜線，人為搭建主管對(duì)接所需的磁場(chǎng)，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(wèn)題，如上述方式均無(wú)法有效實(shí)施，則考慮使用工業(yè)蠟潤(rùn)滑減阻或套管壁注漿方式進(jìn)行穿越，亦可選擇大噸位夯管錘進(jìn)行夯擊；大口徑管道鉆穿復(fù)雜地層應(yīng)當(dāng)盡量縮短擴(kuò)孔與修孔，直至回拖作業(yè)之間的時(shí)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(shí)間都不應(yīng)當(dāng)超過(guò)4h，只有這樣才能保障整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程的連貫性，維持建材質(zhì)量與性能。

五、復(fù)雜地層條件下定向鉆穿越技術(shù)典型案例分析

工程概況：川氣東輸工程中有一個(gè)較為典型的施工項(xiàng)目——東苕溪穿越工程。該工程是整個(gè)川氣東輸工程中的難點(diǎn)，其施工點(diǎn)位于湖州南沼區(qū)境內(nèi)，土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括粘性碎石以及全風(fēng)化粉砂巖，粘性碎石的深度高達(dá)500m，這項(xiàng)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(diǎn)概況介紹：施工位置往東方向150m為農(nóng)田，出土點(diǎn)則設(shè)置在東苕溪西大堤西側(cè)的200m位置，該位置為農(nóng)田。實(shí)際穿越長(zhǎng)度為581.6m。水平長(zhǎng)度則為579.2m。入土角度設(shè)置為9度，出土角度設(shè)置為6度。管線輸送壓力設(shè)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(jié)果：軟土層較薄，河床下部土層厚度為兩米，根據(jù)此項(xiàng)工程的管徑設(shè)計(jì)來(lái)看，這樣的土層厚度并不適合施工，達(dá)不到預(yù)設(shè)的管線掩埋深度設(shè)計(jì)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(fēng)化粉砂層，使管道與河流分離，形成兩個(gè)系統(tǒng)，如此一來(lái)，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(duì)施工進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和控制。

效果分析：該工程鉆進(jìn)作業(yè)至154m時(shí)發(fā)生了“頂小動(dòng)”狀況，此時(shí)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(dāng)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(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，卵石無(wú)法被切削，并被鉆頭帶至地表，導(dǎo)致鉆機(jī)扭矩、推力過(guò)大，鉆桿因此發(fā)生彎曲，于是施工隊(duì)伍采取了鉆桿兩邊固定的方式，預(yù)防此問(wèn)題，與此同時(shí)，改變了泥漿的排量和配比比例，改善了角度操作難的問(wèn)題，再次采用了快速鉆進(jìn)的辦法。在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程，施工隊(duì)伍遭遇了嚴(yán)重磨損、碎石以及卵石帶出等多種問(wèn)題，經(jīng)過(guò)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(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，大口徑管道定向鉆穿技術(shù)使用于復(fù)雜地層條件下，要應(yīng)對(duì)不同的技術(shù)問(wèn)題，面對(duì)復(fù)雜的施工環(huán)境以及各類型地層的阻礙和考驗(yàn)，需要人們?cè)谠械募夹g(shù)工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，更新技術(shù)實(shí)施模式，修正施工方案，使之適用于不同的地層環(huán)境。未來(lái)，還需要在工具設(shè)備、儀器和技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新和改良，全面滿足未來(lái)管道施工要求，不斷地發(fā)展定向鉆穿技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳周，冉永紅，尤偉星，張浩.大口徑管道定向鉆穿越復(fù)雜地層的設(shè)計(jì)與施工 [J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2012（01）：311-313.

[2]陳德興.燃?xì)夤艿蓝ㄏ蜚@穿越卵石層等復(fù)雜地層的實(shí)踐[J].煤氣與熱力，2012（07）：142-143.

[3]徐偉平.淺析大口徑管道水平定向鉆穿越的施工技術(shù)[J].科技與創(chuàng)新，2015（16）：1249-1251.

[4]沈平，吳云林.大口徑管道水平定向鉆穿越碎石粘土層施工技術(shù)[J].科技資訊，2013（01）：54-58.

[5]金勇.大口徑管道水平定向鉆穿越施工技術(shù)[J].中國(guó)科技信息，2014（01）：155-157.

[6]曾志華，楊威，馬紅昕，馬曉成，郭清泉，孟艷山，趙翠玲.大口徑管道定向鉆對(duì)穿工程設(shè)計(jì)優(yōu)化與施工[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011（07）：611-615.

[7]李驍曄，李樹雷.水平定向鉆在大口徑管道穿越水陽(yáng)江工程中的應(yīng)用[J].石油庫(kù)與加油站，2010（03）：259-261.