水平定向鉆技術(shù)在高壓燃?xì)夤艿朗┕ぶ械膽?yīng)用

黃福想 （中國電建市政建設(shè)集團有限公司，天津 300000）

1 引言

在市政工程的建設(shè)工作當(dāng)中，水平定向鉆技術(shù)在其中起到了至關(guān)重要的作用，能夠規(guī)避原先傳統(tǒng)開挖技術(shù)的弊端，很大程度上提高燃?xì)夤艿冷佋O(shè)的安全性和施工效率，并且還不會對周圍的自然環(huán)境造成損傷，對于降低燃?xì)夤茕佋O(shè)難度、節(jié)約施工成本能夠產(chǎn)生很大的積極影響[1]。

2 水平定向鉆技術(shù)的優(yōu)缺點

水平定向鉆技術(shù)是一項新的非開挖技術(shù)，它的工作原理是在已有的鋪設(shè)軌道上鉆入一個小直徑的導(dǎo)孔，然后在導(dǎo)孔的出口處，鉆桿頭上安裝一個擴孔裝置，使其回拉。在膨脹孔徑滿足要求時，將旋轉(zhuǎn)接頭、拉管頭和管子連接在擴孔機的后端，然后回拖鋪設(shè)地下管線[2]。

2.1 水平定向鉆技術(shù)優(yōu)點

水平定向鉆技術(shù)是一項很好的技術(shù)。在不同的水文地質(zhì)情況下，采用定向鉆技術(shù)穿越河道，無需考慮流速、深度，且不受汛期的影響[3-5]，能夠高精度地鋪設(shè)管道。當(dāng)河道有較大的沖刷、下切趨勢或水流湍急時，難以截流或圍堰，該技術(shù)能保證管線埋于穩(wěn)定層之下，對環(huán)境的影響很小[6]。定向鉆大多數(shù)工作都在地下進行，對地表的影響不大。

2.2 水平定向鉆技術(shù)缺點

在砂質(zhì)巖性和堅硬的巖石層中，水平定向鉆井技術(shù)很難進行，穿越的裝備成本較高，地形、地理環(huán)境等因素都有限制，泥漿的處置必須慎重，危險性更高，而且至今國內(nèi)尚無統(tǒng)一的設(shè)計與施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3 工程案例

本文以某城市天然氣高壓輸配系統(tǒng)為例，結(jié)合技術(shù)特點、地質(zhì)資料和設(shè)計要求，要求加快施工進度，保證項目如期完工。根據(jù)施工規(guī)程和以前的施工經(jīng)驗，參考設(shè)計圖中所示的土層，確定了管道工程穿越水平長度483m。本項目建成后，將利用變頻選頻法和管內(nèi)電流法對防腐鋼管的絕緣電阻Rg進行檢測，為今后的防腐蝕管理與決策提供技術(shù)參考。

3.1 施工方法的選擇

①實地勘察

對入土點、出土點標(biāo)高、水平距離進行測量，對施工場地周圍的建筑物、地形、道路狀況進行調(diào)查，并對土壤狀況、水源狀況等進行調(diào)查，對通過鉆機等裝置所設(shè)的場地面積進行測量，以確定其是否合格。經(jīng)實地考察，入土點土坡有很大的傾角，需要對施工場地進行120m 的平整。經(jīng)過現(xiàn)場勘察，附近工程建設(shè)用水不足，需要挖掘水庫，利用槽車進行運輸，確保工程使用。

②找出地下設(shè)備和管道

根據(jù)業(yè)主或監(jiān)理、甲方提供的地下管道數(shù)據(jù)，了解各相關(guān)單位在通過中線時有無電訊、電力、供水、輸油、天然氣等地下管線設(shè)備，均采用探頭在整個線路上進行檢測。編制施工方案，依據(jù)施工場地的具體條件及施工特征，編制周密可靠的穿越施工方案、進場方案、施工場地布局方案。

③設(shè)備選擇

盡管采用卸荷拱土壓力計的計算結(jié)果是三種方法中最大的，但是由于場地地質(zhì)條件復(fù)雜、巖層變化大、施工時間緊迫，因此選擇了最大回拖力的1.5 倍。鑒于上述條件，本次工程擬選用美國Vermeer 公司生產(chǎn)的D300X500 型定向鉆井設(shè)備。根據(jù)施工方案，將鉆機和輔助設(shè)備安裝到指定的位置。同時負(fù)責(zé)系統(tǒng)的連接和試運轉(zhuǎn)，確保系統(tǒng)正常運行。在挖水庫和地錨的同時，開挖排漿坑和錨坑，應(yīng)預(yù)留一定角度的邊坡。根據(jù)技術(shù)規(guī)定，在入土點上挖一個地錨，在穿過主管中線處，挖出排水槽和地錨坑時，應(yīng)預(yù)留斜率為1:0.67 的斜坡。地錨挖好后，首先將地錨插入穿過的地錨坑，并安裝擋板，并將地錨、擋板、管樁和鉆機下的鋼板用槽鋼連接起來，以確保在回拖管道中地錨的穩(wěn)固。地錨形式如圖1 所示。

圖1 地錨形式

3.2 測量放線

依據(jù)穿越施工特點、現(xiàn)場實際情況、設(shè)備平面布置圖，用石灰標(biāo)出鉆機作業(yè)區(qū)、入土點及出土點作業(yè)區(qū)，對設(shè)備進行方位定位，利用經(jīng)緯儀對設(shè)備進行精確定位。根據(jù)鉆桿、鉆桿的曲率半徑、工作場地、地質(zhì)條件和設(shè)計需要，編制鉆探路線，并計算出出入土點、出入土傾角、坡向。通過對曲線等技術(shù)參數(shù)的分析，得到了定向鉆井的軌道?？刂品较蜓b置的是英國DCI 公司的DIGITARK 定位裝置，通過坡度、埋深和三點一線技術(shù)，保證了井眼的垂直誤差小于10m，水平誤差小于2m。上述方法可以保證導(dǎo)流孔不是“S”型的。

3.3 導(dǎo)向孔施工

該項目在穿越工程中使用了165 形齒輪鉆，鉆手嚴(yán)格遵守D300X500 司鉆作業(yè)程序，并時刻關(guān)注每一儀器的讀數(shù)，對井底狀況有全面了解，并及時進行參數(shù)的調(diào)節(jié)。導(dǎo)引人員嚴(yán)格按方向進行作業(yè)，嚴(yán)密監(jiān)視定位器的讀數(shù)，并將所需資料與司鉆手進行即時匯報，與司鉆人員緊密合作，做好鉆井作業(yè)。為了正確地判別鉆井作業(yè)中的地層條件，鉆井工會密切關(guān)注鉆井液回流狀況，從而確定鉆井液的進漿比例和輸注，保證鉆孔一次鉆出，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)向孔施工示意圖

3.4 逐級預(yù)擴孔

逐級預(yù)擴孔是確保管線安全回填的有效措施，該項目將導(dǎo)孔直徑擴展到管徑1.3～1.5 倍，其中100m 內(nèi)的風(fēng)化花崗巖和擬拖管均需采用回擴器。安裝直徑為927mm（主管φ813mm+φ114mm）的鋼管，要求進行九次預(yù)擴、一次清孔。在鉆探作業(yè)中，司鉆員要時刻關(guān)注司鉆臺各個儀器的讀數(shù)，充分了解地下鉆井條件，并及時調(diào)整鉆井參數(shù)。泥漿工程師通過對井筒內(nèi)的泥漿返流進行監(jiān)測，從而對鉆井作業(yè)的地質(zhì)狀況做出正確的判斷，進一步?jīng)Q定鉆進比例和注水。同時，鉆探人員要相互保持聯(lián)絡(luò)，保證鉆孔的順利進行，如圖3所示。

圖3 擴孔示意圖

4 管道防腐檢測報告

在定向鉆井施工中，由于巖石段回拖等惡劣的環(huán)境條件，往往會給管線防腐帶來劃痕，從而使其成為管線防護的一個薄弱環(huán)節(jié)。在管線投入運行之前，應(yīng)按國家及行業(yè)規(guī)范的規(guī)定，對管線進行防腐處理。

4.1 檢測內(nèi)容及評價指標(biāo)

此次測試的主要內(nèi)容是燃?xì)夤艿婪栏慕^緣電阻Rg，在非開挖情況下，對燃?xì)夥栏繉拥男阅苓M行評估，為防腐管理與決策提供技術(shù)支持。埋地管線防腐層的絕緣電阻是指每單位面積內(nèi)的絕緣層（表面）電阻，其數(shù)值取決于絕緣層漏點的數(shù)量和尺寸[7]，所以用Ω·m2來表示防腐層的質(zhì)量。表1 是對絕緣電阻進行評估的方法。

表1 管道外防腐層絕緣電阻值的評價指標(biāo)

4.2 現(xiàn)場檢測

該試驗采用了變頻選頻法對管線腐蝕表面的電阻進行了測量。在野外進行的測試設(shè)備是AY508 IV 型鋼管防腐阻值計。本測試儀包括1 個頻率源和2 個頻率選擇指標(biāo)。如圖4 所示，啟動后，電源和指示燈即可正常工作。將兩個終端的接收和接收的頻率保持一致，在低于（或超過）23dB 的情況下，將該輸入信號的頻率提高（減小），直到兩個終端的指示器水平差略超過23dB，然后將該頻率和測量水平的數(shù)值記錄下來。

圖4 變頻選頻法接線示意圖

4.3 檢測數(shù)據(jù)處理及評價

采用“頻率法測定防腐涂層的絕緣電阻”專用計算機程序，對介質(zhì)常數(shù)及野外試驗的各項指標(biāo)進行了計算，測試結(jié)果如表2及圖5所示。

表2 定向鉆變頻選頻法檢測結(jié)果

圖5 管道絕緣電阻軟件計算

用變頻選頻法對該區(qū)段防腐層面的電阻進行了檢測，其耐蝕性最大值為77744Ω·m2，根據(jù)鋼管外部防腐層的絕緣電阻值來評定，該區(qū)段的防腐層等級為良，符合設(shè)計的需要。

4.4 關(guān)于水平定向鉆施工的幾點改良

4.4.1 預(yù)制管道防腐層的改進

水平定向鉆井是長輸管線工程中的重要一環(huán)，在投資中占有相當(dāng)大的比例，同時又具有不可恢復(fù)的特性，定向鉆具通過的管線深度較大，并在地下長期浸漬，具有耐水汽隔離、陰極保護、耐腐蝕等特點，對其耐老化性能有較高的要求。此外，在管道回拉時，由于存在著許多不可預(yù)見的因素，對鋼管、主防腐層和補口條的磨擦和沖擊都有一定的影響，對抗剪力等指標(biāo)有較高的要求，特別是補口膠條，由于它要與主防腐層搭接，所以要高于主防腐層，并且要在工地上進行修補，所以對其性能指標(biāo)的要求就更高了。基于上述特性，美國瑞侃公司在傳統(tǒng)補口熱收縮帶的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了一種特殊的用于定向鉆孔的補口熱收縮膠帶，并已在全球范圍內(nèi)推廣使用。

4.4.2 增加輔助機具保證回拖順利

盡管此次定向鉆鉆機選擇較為保守，回拖之前的最后擴孔直徑De=1067mm，但為了確保一次成功，此次回拖增加了5 臺25T 規(guī)格的吊車，每臺吊車相隔約80～100m，管道回拖時，吊車將管道吊起，隨著回拖轉(zhuǎn)桿勻速將管道送進孔內(nèi)，最小化管內(nèi)的摩擦，提高回拉速度。

4.4.3 回拖管增加膨潤土墊層

由于定向鉆孔預(yù)埋管放置在原有的天然地表上，其土層存在很大的波動，如果按原有的地表進行回拉，必然會對防腐效果造成一定的損害。所以，在回拖之前，在回拖區(qū)內(nèi)每10m 放置一袋膨脹土塊作為襯墊，這樣不僅可以起到防護作用，而且可以降低回拉過程中的摩擦力。

5 結(jié)論

當(dāng)前，某城市的燃?xì)飧邏狠斉湎到y(tǒng)工程和西氣東輸二期工程已經(jīng)全面展開，各個施工單位都會出現(xiàn)高壓管線貫通的情況，由于該地區(qū)施工比較早期，所以本論文的工作對其它管線施工項目的鉆機選擇和現(xiàn)場施工指導(dǎo)具有重要的參考意義。

經(jīng)防腐處理后，發(fā)現(xiàn)定向鉆進經(jīng)過的部分，防腐鋼管的總體性能是很好的。采用變頻選頻法、多頻管中電流法測定的絕緣電阻Rg 值均高于10000Ω·m2的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并對防腐層進行了評定。同時，在回采過程中，添加膨潤土墊層、增設(shè)附屬吊具，使管線回采后的防腐涂層性能保持良好，防腐層的相關(guān)性能符合設(shè)計要求，該定向鉆穿越管段的防腐層完整性符合設(shè)計要求。