朱俊毅， 孫平賀，3， 曹 函，3， Gerhard Lang， 張紹和， 王靖源

(1.有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410083； 2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083； 3.美國亞利桑那州立大學(xué)，美國 坦佩 85282；4.德國海瑞克集團(tuán)，德國 施瓦瑙 277963)

0 引言

水平定向鉆進(jìn)技術(shù)(Horizontal Directional Drilling, HDD)是非開挖中一種被廣泛應(yīng)用于給排水、電力、通信、油氣等領(lǐng)域的新管道敷設(shè)和既有管線修復(fù)中的技術(shù)。圖1顯示了我國歷年HDD新增鉆機(jī)的數(shù)量變化情況，說明該技術(shù)在我國得到日益廣泛的應(yīng)用。在淺部地層以及上覆地層應(yīng)力較小的區(qū)域進(jìn)行HDD施工中，由于孔內(nèi)鉆井液壓力的作用，往往會導(dǎo)致鉆井液在上覆地層中發(fā)生滲透溢流，形成地表變形和“溢漿”現(xiàn)象，如圖2所示。

圖1中國歷年HDD鉆機(jī)新增量概況

圖2 非開挖HDD“溢漿”現(xiàn)象

工程實(shí)踐表明：孔內(nèi)鉆井液的壓力過高是產(chǎn)生“溢漿”現(xiàn)象的主要原因。而鉆井液壓力的變化主要是由鉆屑阻塞鉆孔和孔壁變形導(dǎo)致，尤其是在擴(kuò)孔階段，擴(kuò)孔鉆頭行進(jìn)過快、鉆屑體積過大、孔壁坍塌、由于鉆屑侵入鉆井液導(dǎo)致鉆井液粘度升高等因素都會導(dǎo)致鉆井液壓力升高。另外，鉆井液中含有大量化學(xué)物質(zhì)，大面積的地表“溢漿”還可能會給周圍環(huán)境帶來危害。因此，有效控制施工中的鉆井液壓力和孔內(nèi)鉆屑含量是減少“溢漿”發(fā)生的主要技術(shù)手段。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要是從鉆井液的配方優(yōu)化和鉆屑固控設(shè)備兩個(gè)方向進(jìn)行研究。鉆井液的配方優(yōu)化主要是從鉆井液的性能優(yōu)化角度如提高懸浮力、剪切稀釋性能、維持孔壁穩(wěn)定等對配方體系展開了研究。烏效鳴等研究發(fā)現(xiàn)生物聚合物(XC)、聚丙烯酰胺(PAM)等處理劑可以增強(qiáng)基漿的剪切稀釋效果，使鉆井液具有較好的粘度及較高懸浮鉆屑能力，減少孔壁失穩(wěn)，有效防止地層發(fā)生冒漿[1-3]。 Mehran和Jayanth等研究發(fā)現(xiàn)往鉆井液中加入TiO2/PAM納米復(fù)合材料作為添加劑，并結(jié)合了聚合物和表面活性劑在鉆進(jìn)液中的綜合作用，有效增加了剪切稀釋行為，極大減少了地層侵入和濾餅厚度[4]。孫平賀等研究發(fā)現(xiàn)的ENI溶液可以生產(chǎn)復(fù)雜材料來填充土壤顆粒之間的空間，以防止流體侵入鉆孔，保持鉆孔周圍的土壤穩(wěn)定性[6]。Samuel等研究發(fā)現(xiàn)往鉆井液中加入纖維基質(zhì)可以增強(qiáng)鉆孔的穩(wěn)定性，減少鉆井液的逸出[7]。地表主要依賴鉆井液固控設(shè)備減少無用固相的含量。T. Geehan和Bodil等研究發(fā)現(xiàn)在地表利用直線運(yùn)動泥漿振動篩和液壓驅(qū)動離心機(jī)對于鉆井液中的鉆屑進(jìn)行固化處理，可以有效地減少鉆井液無用固相的含量，降低了鉆井液對于環(huán)境的污染[8-9]。德國某公司將射流泵系統(tǒng)應(yīng)用于HDD中[10]，極大增強(qiáng)了孔內(nèi)鉆具處理鉆屑的能力，減少鉆孔環(huán)空鉆屑堵塞，從而降低“溢漿”現(xiàn)象的發(fā)生，本文將結(jié)合該系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路、系統(tǒng)組成、工作模式、工程應(yīng)用及存在的問題等方面展開論述。

1 射流泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

HDD射流泵系統(tǒng)改變傳統(tǒng)依賴鉆井液循環(huán)排出鉆屑的技術(shù)方法，利用在近鉆頭位置安裝的高壓射流泵收集前端鉆頭擴(kuò)孔后形成的鉆屑，從而減少鉆孔環(huán)狀空間的鉆屑含量，實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)鉆屑處理的技術(shù)目標(biāo)，如圖3所示?？變?nèi)高壓射流泵系統(tǒng)收集的鉆屑將通過后端鉆桿傳輸至地表進(jìn)行集中處理，減少對環(huán)境的破壞。根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，適用于孔內(nèi)的高壓射流泵需具備結(jié)構(gòu)簡單和性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，同時(shí)能夠傳遞一定的扭矩與推拉力。除此之外，射流泵必須能夠產(chǎn)生足夠的水壓力，從而實(shí)現(xiàn)對鉆屑的有效吸附收集。

圖3 設(shè)計(jì)思路效果對比

2 系統(tǒng)組成

射流泵系統(tǒng)主要包括鉆屑收集裝置、射流泵體和連接裝置3部分。鉆屑收集裝置依靠鉆桿同鉆頭相連，前端(近鉆頭位置)呈圓柱體，有利于維護(hù)鉆孔的有效直徑；后端呈圓臺狀，如圖4所示。該裝置包括篩格、側(cè)齒、旁齒、護(hù)齒等部分，實(shí)現(xiàn)對孔壁鉆屑的有效收集，其中篩格可過濾最大的鉆屑顆粒直徑為38 mm；側(cè)齒和旁齒利用收集器的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，對孔內(nèi)鉆屑產(chǎn)生刮鏟作用，使鉆屑集中于篩格過濾位置；護(hù)齒主要對鉆屑收集起到保護(hù)作用，維護(hù)有效的工作直徑，提高收集效率。

射流主泵安裝在鉆屑收集裝置的內(nèi)部，其中心位置同鉆桿中心相一致。在工作過程中，射流泵利用循環(huán)流動的鉆井液和自身噴射結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生一定的吸附力，其吸附原理如圖5所示。當(dāng)鉆屑經(jīng)過收集裝置中的篩格后，射流泵利用高壓射流作用，將鉆屑同鉆井液一同泵入收集裝置后端鉆桿中，利用鉆井液循環(huán)將其返排至地表，實(shí)現(xiàn)有效清除孔內(nèi)鉆屑的目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析可知，該射流泵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)98%左右鉆屑的清理。為了保證鉆井液在射流泵中有效循環(huán)，入口端鉆井液的性能監(jiān)測是十分必要的，尤其是無用固相含量的測定，可以減少射流泵內(nèi)淤積堵塞的發(fā)生。

圖4 鉆屑收集裝置組成和工作原理

圖5 噴射泵吸附鉆屑原理

同地質(zhì)勘探取心鉆進(jìn)方式不同的是，在HDD的擴(kuò)孔鉆進(jìn)中，地表鉆機(jī)施加的是扭矩+回拖力。因此，鉆頭前進(jìn)方向同鉆桿內(nèi)鉆井液循環(huán)流動方向是相反的，這使孔內(nèi)射流泵系統(tǒng)能夠在鉆頭后端形成有效的鉆屑清除作用。而在環(huán)狀空間中，鉆井液呈現(xiàn)雙向流動的方式，如圖6所示。鉆井液同環(huán)空中殘留的鉆屑一同返排至鉆孔軌跡兩端的接收工作坑中，再利用地表抽吸裝置實(shí)現(xiàn)凈化處理。

3 工作模式

HDD孔內(nèi)射流泵系統(tǒng)除了上述基本工作模式外，根據(jù)實(shí)際工程需要，還可以采用清孔、軟土擴(kuò)(清)孔、組合以及管道回拉等4種模式進(jìn)行工程作業(yè)。

(1)清孔模式。由于HDD鉆遇地層多為第四系土層，在多級擴(kuò)孔后，仍會存在縮徑、鉆屑床厚度大等問題，因此采用孔內(nèi)射流泵系統(tǒng)可以有效清除鉆屑床，維持鉆孔的有效直徑，減少后續(xù)管道敷設(shè)中的回拖阻力。相對于傳統(tǒng)的桶式擴(kuò)孔鉆頭清孔模式，HDD孔內(nèi)射流泵可將鉆屑有效排出孔外，解決了桶式擴(kuò)孔鉆頭單純擠壓保徑的問題，其工作原理如圖7(a)所示。

圖6孔內(nèi)射流泵工作過程

圖7典型工作模式

(2)軟土擴(kuò)(清)孔模式。該工作模式適用于多級擴(kuò)孔中，在鉆屑收集裝置的前端唇面安裝硬質(zhì)合金齒頭來實(shí)現(xiàn)切削擴(kuò)孔鉆進(jìn)，再利用射流泵和環(huán)空鉆井液將鉆屑排至地表。該模式集成了擴(kuò)孔和清孔兩個(gè)過程，可極大提高HDD施工效率和質(zhì)量，其工作原理如圖7(b)所示。

(3)組合模式。該工作模式適用于鉆屑含量大的擴(kuò)、清孔作業(yè)，利用二級射流泵系統(tǒng)，進(jìn)一步清除孔內(nèi)的鉆屑，其工作原理如圖7(c)所示。

(4)管道回拉模式。在管道回拉過程中，鉆孔內(nèi)的環(huán)狀空間急劇減小，對鉆屑含量控制提出了更高要求。在敷設(shè)管道的前端連接射流泵系統(tǒng)，不僅可以保證有效鉆孔直徑，同時(shí)可有效清除鉆屑床，減少管道回拉阻力，提高管道敷設(shè)質(zhì)量，其工作原理如圖7(d)所示。

4 工程應(yīng)用

2016年該公司首次將孔內(nèi)射流泵系統(tǒng)應(yīng)用于德國某排水管道非開挖施工中。該管道埋深為4.5 m，管道長度為120 m，采用該公司產(chǎn)生的AVN 700小型掘進(jìn)成孔設(shè)備。該設(shè)備采用封閉式全斷面掘進(jìn)工藝，設(shè)有液壓泥水環(huán)路，配備與具體地質(zhì)條件相匹配的刀盤挖掘鉆遇地層。對于軟質(zhì)土壤或混合地質(zhì)狀況，可使用標(biāo)準(zhǔn)或混合地質(zhì)刀盤式鉆頭；對于穩(wěn)定圍巖的隧道掘進(jìn)，則使用配有滾刀的硬巖刀盤式鉆頭，如圖8所示。

為了防止地層中的粘土和粉土堵塞刀盤，將高、中壓射流泵系統(tǒng)同3號AVN 700掘進(jìn)機(jī)頭相結(jié)合，高壓射流系統(tǒng)將開挖倉內(nèi)的粘砂土或粘土剝離，從而避免粘結(jié)；中壓射流系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)泥水管道口。

圖8 成孔設(shè)備

通過改變噴嘴大小，可以調(diào)整懸浮壓力，優(yōu)化渣土流動。同時(shí)還應(yīng)用了一種攝像系統(tǒng)，安裝在開挖倉內(nèi)，供地表操作員觀察機(jī)器內(nèi)部的磨損情況和實(shí)際狀況。工程應(yīng)用表明，采用了射流泵系統(tǒng)后，極大減少了鉆孔內(nèi)鉆屑含量，有效提高了頂進(jìn)施工效率，單日最長掘進(jìn)深度達(dá)到122 m，如表1所示。

表1 施工效果

5 結(jié)論

本文對德國某公司的孔內(nèi)新型射流泵系統(tǒng)在非開挖工程中的應(yīng)用進(jìn)行了論述，主要結(jié)論如下。

(1)孔內(nèi)鉆井液的壓力過高是產(chǎn)生溢漿現(xiàn)象的主要原因。鉆井液壓力的變化主要是由鉆屑的局部阻塞和孔壁的變形導(dǎo)致，尤其是在擴(kuò)孔階段，擴(kuò)孔鉆頭行進(jìn)過快、鉆屑體積過大、孔壁坍塌、由于鉆屑侵入導(dǎo)致鉆井液粘度升高等因素都可以導(dǎo)致鉆井液壓力升高。減少孔內(nèi)鉆屑含量是實(shí)際施工中應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)。

(2)利用在近鉆頭位置安裝的高壓射流泵系統(tǒng)收集前端鉆頭擴(kuò)孔后形成的鉆屑，從而減少鉆孔環(huán)狀空間的鉆屑含量。該系統(tǒng)主要包括鉆屑收集裝置、射流泵體和連接裝置3部分，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)98%左右孔內(nèi)鉆屑的清理。

(3)孔內(nèi)射流泵系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際工程需要，可采用清孔、軟土擴(kuò)(清)孔、組合以及管道回拉等4種模式進(jìn)行工程作業(yè)。工程實(shí)踐表明，采用該系統(tǒng)后單日最長掘進(jìn)深度達(dá)到122 m。

(4)由于小直徑復(fù)雜地層鉆進(jìn)中易出現(xiàn)鉆屑團(tuán)積，從而對篩格產(chǎn)生堵塞。同時(shí)，在管道回拉模式中，如何改變鉆屑返排的回路等問題仍是該系統(tǒng)在應(yīng)用中亟待解決的關(guān)鍵問題。