文/梁王學(xué) 何少煒 陸鵬州

管道水平定向鉆穿越技術(shù)屬于管道非開挖施工技術(shù)之一，是目前管道穿越首選的施工技術(shù)。粉細(xì)砂地層定向鉆穿越具有控向、鉆進(jìn)、泥漿工藝復(fù)雜的特點，具有較高的工程風(fēng)險，論文分析了油氣管道定向鉆長距離穿越粉細(xì)砂地層時的工程特點，提出了安全控制措施及應(yīng)急預(yù)案，為工程實施提供了重要參考。

概述。

管道水平定向鉆穿越技術(shù)屬于管道非開挖施工技術(shù)之一，不僅施工周期短、效益高、投資少，而且不影響道路、河流交通，有利于環(huán)境保護(hù)和管道的安全運行，免于管道的維護(hù)，是目前管道穿越首選的施工技術(shù)。由于穿越施工受地質(zhì)條件、穿越長度、管徑的制約，要求不僅有先進(jìn)的穿越設(shè)備，而且有先進(jìn)的施工技術(shù)和經(jīng)驗。所以它是一項高科技、高風(fēng)險、高效益的管線施工技術(shù)項目[1-3]。

1.工程特點。

水平定向鉆穿越主要有導(dǎo)向孔、預(yù)擴孔、回拖三個階段，與普通軟地層定向鉆穿越相比，油氣管道穿越長距離砂層具有以下特點。(1)鉆具要求高。大口徑輸氣管道穿越長距離砂層導(dǎo)向孔需要鉆頭、5'鉆桿、6 5/8''高強度鉆桿；預(yù)擴孔施工需要專用擴孔器。同時為降低穿越風(fēng)險，導(dǎo)向孔、單次預(yù)擴孔的鉆具壽命應(yīng)達(dá)到中途不更換的目的。(2)施工工藝復(fù)雜。①控向工藝復(fù)雜：一方面由于砂層中導(dǎo)向孔施工，地層的承載能力差，鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中，傾角變化較大，同時長距離穿越，鉆具不能有效的進(jìn)行力量傳遞，增加了控向操作復(fù)雜程度。另一方面，大范圍江面段施工時無法布設(shè)Trutrack地面信標(biāo)系統(tǒng)，只能在微弱的、不穩(wěn)定的地球磁場作為參考的條件下鉆進(jìn)，降低了定向工具的精確度。再者，由于穿越管徑大，為保證成品管的順利回拖，對保持砂層導(dǎo)向孔圓滑的控向工藝提出了更高的要求。②鉆進(jìn)工藝復(fù)雜：在砂層導(dǎo)向孔、預(yù)擴孔施工期間，卡鉆的危險隨時都有可能存在。③泥漿工藝復(fù)雜：與普通軟地層穿越相比，砂層穿越的泥漿需用量會成倍地增長(增長量與砂層的長度及擴孔孔徑有關(guān))，其原因是砂層中泥漿的漏失量將大大增加，同時砂層中穿越，成孔困難，易塌孔，需要的泥漿流量和粘度就相應(yīng)增加。(3)施工周期長。根據(jù)砂層長度及擴孔孔徑不同，砂層穿越施工的施工周期是普通軟地層穿越的1.5～2倍。

2.工程難點。

定向鉆長距離穿越粉細(xì)砂地層難度較大，同時也具有極大的工程挑戰(zhàn)性，存在的主要技術(shù)難點如下：（1）控向技術(shù)難點。穿越距離長，控向精度要求高，江面頻繁通航的船只對信號棒測量數(shù)據(jù)的采集將產(chǎn)生磁干擾，大范圍水域無法布置Trutrack地面信標(biāo)系統(tǒng)，準(zhǔn)確控向難度很大。砂層中地層承載能力較差，在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)施工過程中傾角變化較大，同時長距離穿越，鉆具不能有效的進(jìn)行力量傳遞，大大增加了準(zhǔn)確控向的難度。（2）泥漿技術(shù)難點。長距離穿越出入土點附近軟地層穿越要求泥漿的固壁性能要好，防止泥漿漏失和塌孔；砂層穿越要求泥漿的懸浮、攜屑性能強，保證鉆屑的順利排出，對泥漿的性能要求很高。砂層穿越施工各階段均需要大排量的泥漿，對大量高性能泥漿的及時供應(yīng)要求高。（3）司鉆及鉆進(jìn)工藝技術(shù)難點。穿越存在軟、砂層的結(jié)合，從軟地層到砂層過渡穿越技術(shù)要求高。長距離砂層穿越，尤其是主河道穿越，需要克服鉆機扭矩大的難題，特別是在進(jìn)行最后一次大口徑預(yù)擴孔階段(擴孔直徑為穿越管徑的1.5倍)，對鉆機能力和施工工藝提出了很高的要求。穿越地質(zhì)條件復(fù)雜，如何保證導(dǎo)向孔曲線的圓滑過渡是關(guān)鍵，以預(yù)防擴孔和回拖期間卡鉆事故的發(fā)生。砂層的承載力較差，對出土側(cè)鉆頭“抬頭”時鉆桿推力的傳遞影響較大，勢必會造成“抬頭”難的問題。穿越需要鉆頭、鉆桿、擴孔器等特殊鉆具，而更換鉆具的風(fēng)險很大，尤其在砂層中很難找到原孔。使用普通5″S-135等級的鉆桿鉆進(jìn)1500 m以上的導(dǎo)向孔強度不夠，主要表現(xiàn)為推力的傳遞受限制。

3 .安全控制技術(shù)措施。

針對粉細(xì)砂層定向穿越施工的特點，工程中應(yīng)采取以下安全措施：（1）控向技術(shù)在開鉆前利用信號棒和全站儀找出穿越中心線準(zhǔn)確的大地磁方位角，以此為基準(zhǔn)控制導(dǎo)向孔的左右偏差，以彌補因河面大范圍水域無法布置Trutrack地面信標(biāo)系統(tǒng)而可能產(chǎn)生的控向偏差。鉆導(dǎo)向孔使用1.75°造斜短節(jié)，減小造斜角度，有利于導(dǎo)向孔曲線的圓滑過度，預(yù)防擴孔和回拖期間卡鉆事故的發(fā)生。在入土側(cè)和出土側(cè)陸域，盡可能長地布置Trutrack地面信標(biāo)系統(tǒng)，以精確測量地下鉆頭的位置。砂層中穿越時，增加信號測量頻率，每鉆進(jìn)2～3 m測量一次，以保證導(dǎo)向孔曲線符合設(shè)計曲線的要求。（2）泥漿技術(shù)。根據(jù)穿越地層條件的變化，采用復(fù)合泥漿配比技術(shù)，將使用定向鉆膨潤土按8～10%重量比加入淡水配出基漿，使用的主要泥漿添加劑有：固壁劑、增粘劑、清屑劑和潤滑劑等，保證泥漿性能符合穿越地層的要求。施工過程泥漿性能調(diào)整要求如下：a、普通軟土層穿越段：控制泥漿的失水，防止塌孔，需增大固壁劑含量；b、砂層：增加降濾失劑、膠凝強調(diào)和懸浮性提升劑用量，達(dá)到固孔和浮流粉砂、清潔孔道的目的，同時為保證鉆屑攜帶和孔眼清潔，要及時提高清屑劑和潤滑劑劑量，保證泥漿的流變性能良好，使鉆屑順利返出地面，同時增強泥漿的潤滑性，減小鉆具與地層的摩擦力。為進(jìn)一步保證長江穿越砂層穿越大流量泥漿的供應(yīng)，現(xiàn)場配備泥漿回收處理系統(tǒng)，使泥漿循環(huán)使用，以減輕現(xiàn)場配置大量泥漿的壓力，同時可減少環(huán)境污染?，F(xiàn)場配備高壓泥漿泵，泵送能力不小于3 m3/min，以保證長距離長江穿越的泥漿壓力和流量滿足施工要求。（3）司鉆與鉆進(jìn)工藝。針對軟、砂層結(jié)合的特點，從軟地層到砂層過渡穿越采用的施工方法應(yīng)為：首先放慢鉆進(jìn)速度，減小鉆進(jìn)推力(或拉力)，調(diào)低鉆機的旋轉(zhuǎn)速度，待鉆頭(或擴孔器)進(jìn)入砂層1～1.5 m后，在加大鉆進(jìn)推力(或拉力)，調(diào)整鉆機的旋轉(zhuǎn)速度，防止速度過快造成鉆進(jìn)曲線偏離預(yù)定的目標(biāo)。選用大扭矩鉆機，最大扭矩可達(dá)136 kN·m；選用低扭矩的擴孔器，以克服大口徑、長距離砂層穿越預(yù)擴孔扭矩大的難題。由于粉砂不易被鉆頭切削及被泥漿攜帶至地表，就造成了鉆機的扭矩和推力過大，致使鉆桿彎曲。于是在鉆桿兩邊加樁固定，防止鉆桿彎曲，以增加力量，并增加了泥漿的排量及配比性。在對于方位角及傾角的難操控上，在保證與設(shè)計曲線相近似的前提下，采用了快速鉆進(jìn)，少頂推，每根鉆桿的傾角都提前上抬，當(dāng)頂推不動時，就旋進(jìn)，使得鉆頭向下自然施降在設(shè)計曲線范圍內(nèi)?？ㄣ@的預(yù)防措施：嚴(yán)格鉆進(jìn)工藝，精心組織施工，保證導(dǎo)向孔曲線的圓滑過渡，預(yù)防擴孔和回拖期間卡鉆事故的發(fā)生；預(yù)擴孔階段使用比上一級孔徑校1 1/2″～2″中心扶正器；主管線最后一次擴孔完成后，用比回拖管徑大、比成孔直徑小的桶式擴孔器再清孔兩次，最后用同直徑桶式擴孔器進(jìn)行回拖。針對地層特點，在導(dǎo)向孔施工階段，入土側(cè)斜孔段采取下套管的施工方法，防止淺地層軟土長時間受泥漿浸泡后塌陷堵孔，同時解決長距離穿越“抬頭”難，鉆機推力傳遞難的問題。下套管時控制好鉆進(jìn)速度和泥漿壓力，保證將套管和鉆桿間的鉆削清理出來，保持導(dǎo)向孔的暢通。

4.工程應(yīng)急預(yù)案。

(1)導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時卡鉆應(yīng)急預(yù)案①導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程中，鉆頭一旦卡鉆，表現(xiàn)為泥漿壓力劇增，或伴隨鉆機扭矩瞬間的增大(旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時)，此時，鉆機產(chǎn)生的扭矩?zé)o法克服砂層作用于鉆具上的扭矩，鉆頭停止轉(zhuǎn)動。處理的方法有二種：一是當(dāng)泥漿壓力表顯示的壓差能保持在設(shè)計的最大壓降范圍內(nèi)時，可采取立即停止鉆桿的推進(jìn)，改為往鉆機方向拉鉆桿，使鉆頭迅速離開作業(yè)面，降低泥漿的壓差，然后用更慢的推力和推進(jìn)速度鉆進(jìn)；二是當(dāng)泥漿壓力表顯示的壓差能超過設(shè)計的最大壓降范圍時，應(yīng)立即關(guān)停泥漿泵，停止泥漿的泵送，同時往鉆機方向回撤鉆桿。②導(dǎo)向孔施工過程中，在更換鉆具或其它特殊情況回抽鉆桿時卡鉆。主要原因是個別地段造斜過大，清孔不徹底，鉆屑過量堆積引起“縮孔”，造成卡鉆。處理方法：首先應(yīng)使鉆機的正常工作，有足夠的泥漿往孔內(nèi)泵送，此時鉆桿切不可簡單地繼續(xù)往回拉，否則很容易將鉆頭卡死。應(yīng)在泵送泥漿的前提下繼續(xù)往前進(jìn)，耐心進(jìn)行清孔，同時調(diào)整鉆頭的傾角至首次鉆進(jìn)該地層時的傾角，停止鉆桿的旋轉(zhuǎn)往回抽，注意控制好鉆機的拉力，然后旋轉(zhuǎn)鉆桿前進(jìn)、清孔，多次反復(fù)，直到順利通過“縮孔”地段。(2)砂層擴孔時卡鉆應(yīng)急預(yù)案?？刹捎脵C械回拉擴孔器的辦法解決擴孔卡鉆的問題，具體辦法如下：①機具、材料準(zhǔn)備：在出土側(cè)準(zhǔn)備旋轉(zhuǎn)接頭1套、U型環(huán)1套、練級擴孔鉆桿和旋轉(zhuǎn)接頭用短節(jié)1個，φ22 mm以上鋼絲繩4根(等長)，履帶爬行設(shè)備(吊管機、推土機或挖掘機)2臺以上。②施工步驟：a.卡鉆后鉆機立即停止旋轉(zhuǎn)；b.出土側(cè)連接(擴孔鉆桿+短節(jié)+旋轉(zhuǎn)接頭+U型環(huán)+鋼絲繩+履帶設(shè)備)；c.多臺設(shè)備同步回拉，同時鉆機給予適當(dāng)?shù)耐屏Γ箶U孔器離開切削面；d.鉆機恢復(fù)旋轉(zhuǎn)；e.出土側(cè)卸下應(yīng)急鉆具；f.繼續(xù)擴孔。③司鉆手應(yīng)隨時密切關(guān)注擴孔扭矩的變化，防止卡鉆后扭矩過大，損壞鉆機旋轉(zhuǎn)馬達(dá)及鉆桿絲扣。(3)管道回拖受阻時應(yīng)急預(yù)案。應(yīng)根據(jù)受阻位置和實際情況區(qū)別對待。當(dāng)管線回拖進(jìn)距離相對較短時，可采取往出土側(cè)回拉的方式；當(dāng)管線回拖至接近出土?xí)r，可采取往鉆機側(cè)助推的方式；當(dāng)回拖管線位置處于中間段，兩個方向均可考慮。在軟地層受阻時，用助推方式成功的機率較大，砂層受阻時，盡可能考慮往出土側(cè)回拉的方式，以免損壞防腐層甚至鋼管?；乩蛑频姆绞接袃煞N：①機械設(shè)備操作方式。利用挖掘機、履帶拖拉機、吊管機等爬行設(shè)備，先在回拖管道尾部的兩側(cè)對稱地分別焊上一個拉環(huán)，再用鋼絲繩連接協(xié)同鉆機進(jìn)行回拉或助推。次方式的優(yōu)點是設(shè)備和卡具準(zhǔn)備簡單，操作平穩(wěn)，與鉆機的配合施工好；缺點是提供的推拉力有限。②夯管錘操作方式：準(zhǔn)備一臺套夯管錘，在回拖管道尾部安裝事先加工好的卡具，利用夯管錘的瞬間、高頻沖擊力進(jìn)行回拉或助推。此方式的優(yōu)點：無需后背力，提供的沖擊力很大，其沖擊力可調(diào)節(jié)，夯管錘可以和管線、鉆桿等相連接，前進(jìn)和后退方向均可調(diào)整，解決受阻問題的能力強。缺點是設(shè)備租用、運輸，卡具加工等時間較長，與鉆機的配合施工同步性較差，需精心策劃、組織。

5.結(jié)語。

論文基于定向鉆穿越粉細(xì)砂地層的工程難點，從控向、泥漿配置與供給、司鉆與鉆進(jìn)工藝等方面提出了工程安全控制措施，并建立了工程應(yīng)急預(yù)案，為工程的實施提供了重要參考。