大直徑長(zhǎng)距離水平定向鉆施工技術(shù)分析

孫 偉

（深圳市建安（集團(tuán)）股份有限公司 深圳 518040）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，非開(kāi)挖技術(shù)水平定向鉆廣泛應(yīng)用于給水排水、電力、石油等管線的施工，其具有的效率高、成本低、對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)，日益受到工程師們的重視和青睞。但長(zhǎng)距離大直徑水平定向鉆回托阻力的大小直接影響施工的成敗，大量的學(xué)者對(duì)如何降低管道回托阻力進(jìn)行了大量的研究，在已有的研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例和有限元分析，對(duì)如何降低管道回托阻力進(jìn)行分析。

1 項(xiàng)目概況

小集段供水工程水平牽引段設(shè)計(jì)為雙排DN800焊接鋼管，單根牽引里程845 m，下穿S263、1 座小型加油站和3 處民房，民房為磚混結(jié)構(gòu)，管道最大埋深17 m。主要地質(zhì)為細(xì)砂層和粉質(zhì)粘土。

2 導(dǎo)向

根據(jù)不同地質(zhì)條件選擇導(dǎo)向鉆頭：軟-中硬地層選擇斜掌鉆頭，同時(shí)給進(jìn)和回轉(zhuǎn)鉆桿柱，鉆頭在斜面在旋轉(zhuǎn)作用下達(dá)到各向受力均勻則失去方向性，實(shí)現(xiàn)直線鉆進(jìn)；鉆頭只給進(jìn)而不回轉(zhuǎn)鉆桿柱，作用于斜面的反力使鉆頭改變方向，實(shí)現(xiàn)變向造斜鉆進(jìn)。［1］在硬巖中采用“隨鉆測(cè)量系統(tǒng)”（MWD）和孔底泥漿馬達(dá)配合彎接頭進(jìn)行導(dǎo)向。［1］

在長(zhǎng)距離鉆孔導(dǎo)向過(guò)程中，受已有地下線纜、管線的影響，司鉆儀可能受磁場(chǎng)的干擾，信號(hào)衰減，不能準(zhǔn)確確定導(dǎo)向的準(zhǔn)確方向，導(dǎo)向方向偏離，可將無(wú)線信號(hào)接受改為有線電纜傳輸方式，信號(hào)衰減減小，傳輸速度得到明顯提升。

3 擴(kuò)孔

⑵大直徑管道擴(kuò)孔再用多級(jí)擴(kuò)孔方式［2］，終孔直徑一般情況下按照式⑴進(jìn)行計(jì)算［3］：

式中：D為適合成品管鋪設(shè)的鉆孔直徑（mm）；D0為成品管外徑（mm）；K為擴(kuò)孔級(jí)配比率，一般取K=1.2～1.5。當(dāng)?shù)刭|(zhì)均勻完整時(shí)K取小值，當(dāng)?shù)貙訌?fù)雜時(shí)K取大值。在實(shí)際工程中以敷設(shè)管長(zhǎng)來(lái)確定K值：①L≤50 m，K取1.2；②50 m＜L≤100 m，K取1.3；③100 m＜L≤300 m，K取1.4；④L＞300 m，K取1.5。

本工程管道直徑為800 mm，地質(zhì)為細(xì)砂、粉質(zhì)黏土，選擇擴(kuò)孔直徑為1 200 mm，鉆頭直徑為1 200 mm。⑶膨潤(rùn)土的質(zhì)量q按式⑵進(jìn)行計(jì)算：

式中：ρ1為粘土密度（kg∕m3）；ρ2為鉆井液的密度（kg∕m3）；ρ3為水的密度（kg∕m3）；V為鉆井液的體積（m3）。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)膨潤(rùn)土含量進(jìn)行調(diào)整，鉆井液較稀時(shí)調(diào)整增加膨潤(rùn)土含量，經(jīng)對(duì)比細(xì)砂和粉質(zhì)粘土層采用含量10%膨潤(rùn)土+0.2%Na2CO3+0.1%CMC 鉆井液其攜巖能力較強(qiáng)［4］（見(jiàn)表1）。

表1 泥漿配方和主要性能參數(shù)Tab.1 Mud Formulation and Main Performance Parameters

4 擴(kuò)孔速度

長(zhǎng)距離、大直徑擴(kuò)孔施工中分級(jí)較多，鉆具本身所產(chǎn)生的扭矩極大，為保障擴(kuò)孔能滿足要求，需采取如下措施［3］：

⑴控制泥漿性能，根據(jù)勘察報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際補(bǔ)勘情況配置泥漿，當(dāng)穿越易液化的砂層和飽和粉土層時(shí)應(yīng)提高泥漿性能。

⑵選擇適宜地層的鉆具。當(dāng)穿越較硬的硬粘土?xí)r，應(yīng)采用中心定位器+飛旋切割刀+擴(kuò)孔器的組合形式。中心定位器主要為保證擴(kuò)孔的圓心度，防止出現(xiàn)橢圓孔洞。

3.統(tǒng)計(jì)學(xué)處理：結(jié)果采用華夏賽科臨床心理測(cè)評(píng)與診斷系統(tǒng)處理，SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，組間比較采用t檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

為提高巖屑運(yùn)移效率，水平定向鉆采用反循環(huán)技術(shù)清理巖石地層水平定向鉆擴(kuò)孔巖屑［5］，鉆孔完成后采用清水進(jìn)行射流反循環(huán)系統(tǒng)作業(yè)［6］，減少管道回托阻力和孔壁的穩(wěn)定。

5 回托

目前水平定向工程中的回托力計(jì)算大多采用經(jīng)驗(yàn)估算法，涉及到的規(guī)范有《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范：GB 50424—2015》、《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范：GB 50268—2008》、《Standard Guide for Use of Maxi-Horizontal Directiongal Drilling for Place?ment of Polyethylene Pipe or Conduit Under Obstacles Under Obstacles，Including River Crossings》等［7］，計(jì)算理論和公式考慮管土之間的摩檫力、絞盤(pán)效應(yīng)、彎曲效應(yīng)、流體阻力、管端阻力、卸荷拱效應(yīng)、環(huán)空間隙等因素的影響，利用數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行模擬，對(duì)各軌跡段的阻力進(jìn)行理論分析，建立力學(xué)平衡方程，推導(dǎo)出各種阻力的數(shù)學(xué)模型，然后將各個(gè)阻力計(jì)算累加，得到管道在穿越各個(gè)階段的回托荷載計(jì)算模型。

將穿越軌跡分為地面、下行、彎曲、水平、彎曲、上行六段，其中下行、水平、上行采用直線力學(xué)模型，彎曲段采用彎曲力學(xué)模型進(jìn)行分析。鉆孔實(shí)際軌跡與理論軌跡有一定偏差，特別是水平段和彎曲段，為便于分析，假設(shè)土體為剛體、管道有多節(jié)管段組成、管道為均勻體、鉆孔孔壁相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)仿真模擬和實(shí)際拉力統(tǒng)計(jì)，回托力隨回托距離的變化成非線性變化，管道在水平段內(nèi)回托力變化較小，當(dāng)管道進(jìn)入第一個(gè)彎曲段以后，回托力逐漸增大，以后回托力有下降趨勢(shì)。當(dāng)管道進(jìn)入第二個(gè)反向曲率彎曲段以后，管道與孔壁的接觸反力增大，回托力快速增加［8］。

管道入土回托屬于水平定向施工的最重要環(huán)節(jié)，如果處理不當(dāng)易造成管道與入土孔眼夾角較大［9］，回托過(guò)程承受較大阻力、彎矩以及管道應(yīng)力集中，出現(xiàn)嚴(yán)重的劃痕和管道的變形，造成回托失敗。通過(guò)仿真輔助計(jì)算技術(shù)，模擬管道入土不同角度受力情況，得出回托前應(yīng)將焊接好的管道在入口前吊起一定高度，使管道前端的軸線與回托入土眼的軸線形成的夾角越小（見(jiàn)圖1），管道入土阻力越小。

圖1 貓背吊裝示意圖Fig.1 Cat Back Lifting Schemes

有限元分析基本假設(shè)：

⑴套管在井空內(nèi)完全固定不動(dòng)，將其簡(jiǎn)化為剛體；

⑵送管臺(tái)架為一連續(xù)支撐體，將其簡(jiǎn)化為與管道摩擦的恒定剛體；

⑶吊裝和回托過(guò)程吊籃不發(fā)生擺動(dòng)，其與管道只發(fā)生滑動(dòng)；

⑷即將入套管時(shí)擴(kuò)孔器與套管重合，同時(shí)回托方向也是沿軸心線拖入。

模擬不同吊點(diǎn)與管道入口點(diǎn)的距離和起吊高度，分析得出距離入口點(diǎn)最近吊點(diǎn)距入口點(diǎn)的距離的大小和起吊高度與管道拉管過(guò)程中的最大應(yīng)力成線性變化?，F(xiàn)場(chǎng)起吊高度可根據(jù)鉆孔入口角度和首臺(tái)吊車(chē)距離進(jìn)行調(diào)整（見(jiàn)圖2）。

圖2 牽引現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Traction Scene Graph

根據(jù)仿真模擬結(jié)果，本工程再管道入口段采用貓背吊輔助牽引，經(jīng)對(duì)比采用貓背吊裝后管道回托力明顯減小。仿真數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比分析，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間差距較小在12%以?xún)?nèi)，由此說(shuō)明仿真數(shù)據(jù)能夠真實(shí)地反映管道吊裝的實(shí)際情況，可很好地輔助作業(yè)規(guī)律的推導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化。

6 回托降浮減阻

管道回托過(guò)程中，泥漿具有懸浮巖屑、攜帶巖屑和穩(wěn)定孔壁、減小摩擦阻力的作用，為了使有效發(fā)揮這些作用，不能輕易改變泥漿密度。但泥漿密度過(guò)低，穩(wěn)定孔壁作用急劇降低，具有塌孔風(fēng)險(xiǎn)，泥漿密度過(guò)高，到泥漿對(duì)管道的浮力作用大于管道的自重，使管道與孔壁擠壓接觸，增大回托力，容易出現(xiàn)卡管現(xiàn)場(chǎng)。針對(duì)浮管問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)采取在管道內(nèi)放置PE 管道［10-11］，PE管道內(nèi)注水的方法降低浮力技術(shù)。在焊接鋼管管內(nèi)敷設(shè)1 根DN400PE 管，隨著管道的回托，向PE 管道內(nèi)注水，按照造斜段、水平段、彎曲段分成3個(gè)階段進(jìn)行注水，將管道回托時(shí)的浮力降至合理區(qū)間，降低管道回托拉低，增加管道的回托成功率（見(jiàn)表2）。

表2 增加降浮措施前后管道有效重力變化Tab.2 Changes in Effective Gravity of Pipelines before and after the Addition of Lowering and Floating Measures

WS=Wpipe+WPEping+water-Wbuoyancy⑶

式中：WS為管道有效重力（kN∕m）；Wpipe為管道重力（kN∕m）；WPEping+water為PE 管道和內(nèi)部水的重力（kN∕m）；Wbuoyancy為管道的浮力（kN∕m）。

7 結(jié)論

降低回托阻力是長(zhǎng)距離大直徑水平定向鉆施工需重點(diǎn)解決和關(guān)注的問(wèn)題，通過(guò)以上案例對(duì)比分析得出如下結(jié)論：

⑴精準(zhǔn)導(dǎo)向，實(shí)際鉆孔曲線與設(shè)計(jì)吻合，避免回托阻力因軌跡變化而增大。

⑵選擇合適鉆頭、孔徑、鉆孔速度和提高泥漿性能可降低塌孔風(fēng)險(xiǎn)。

⑶利用貓背吊裝減少管道入土與造斜段夾角，降低回托阻力和提高管道施工的安全性。

⑷可采取管道內(nèi)敷設(shè)PE 管并注水的方式，減輕管道回托過(guò)程的浮力，降低管道與鉆孔上壁摩擦阻力。