水平定向钻技术在济宁南水北调续建配套工程中的应用

2017-01-20孔祥伟

治淮 2017年9期

孔祥伟

孔祥伟

一、前言

济宁市南水北调续建配套工程是发挥南水北调东线一期工程效益的一项重要工程措施，其基本任务是从南四湖取水后，沿泗河滩地铺设主管道分别向济宁市高新区、邹城市、兖州市、曲阜市供水。工程由2座泵站和77.5km供水管道组成，工程总投资56097万元，年供水量4500万m3。由于工程位于济宁经济发达区域，供水管道沿线共需穿越铁路2处、高速公路3处、主要交通公路23处、主要河流3处及城市高标准绿化带14.6km，这些特殊条件管道若采取开挖或顶管方式施工将极大提高工程成本，也会对原有专项设施造成破坏。为此，工程引用螺旋钢管水平定向钻技术，成功解决了特殊地段下的管道铺设难题。

水平定向钻穿越施工技术是在不开挖地表的情况下进行地下管线铺设的一种城市建设新技术，它以独特的技术优势得到广泛关注和发展。目前水平定向钻铺管技术在单一地层、短距离施工中，理论和施工工艺都比较成熟。但在工程地层复杂、长距离穿越、大管径管道情况下，定向钻技术还存在很多不足。随着我国建设的高速发展，加紧对特殊条件下进行定向钻技术的研究具有重要的实践意义。本文结合济宁市南水北调续建配套工程供水主管道长距离穿越泗河，具体介绍定向钻技术的应用。

二、地质情况

工程供水主管道穿越泗河是工程采取长距离定向钻拉管实施穿越的第一段，也是实验段。根据现场勘察，地质条件为：①杂填土（Q4ml）层底埋深平均1.10m；②粉质粘土（Q4al+pl）层底埋深平均4.20m；③粉质粘土（Q4al+pl）层底埋深平均7.70m；③-1中砂（Q4al+pl）层底埋深平均9.50m。根据地质情况、穿越长度、河底高程、钢管性能等指标，设计以③层及③-1层为管道主要设置层。

三、技术难点

1.控向难度大

由于地质条件复杂,大范围出现软硬不均的地层，穿越距离长、深度大，大范围水域无法布置Paratrack地面信标系统，准确控向难度大。

2.泥浆工艺要求高

工程穿越主要设置层存在砂层，为防止泥浆漏失和塌孔，要求泥浆的固壁性能好，同时要求泥浆的悬浮、携屑性能强，以保证钻屑的顺利排出。

3.司钻及钻进工艺技术要求高

穿越地质条件复杂，各地层的过渡穿越技术要求高；长距离砂层穿越，需要克服钻机扭矩大的难题，同时由于砂层在预扩孔阶段的修孔能力差，如何保证导向孔曲线的圆滑过渡是关键，以预防扩孔和回拖期间卡钻事故的发生。

四、施工准备

1.测量放线

测量放线采用全站仪、GPS等测量仪器，测算出、入土点的水平距离及高程，并在入土点标定2～3个控制点对钻机摆放控位测量，为方位角的确定提供基准线。根据需要布置人工磁场控制点24个，并记录所有控制点的坐标、高程。方位角的确定是以出入土点连线为基准，采用Paratrack2控向系统在地面确定穿越线路的方位角。具体做法是将探棒放入无磁导向钻艇内，并将无磁导向钻艇放在出入土点连线、延长线，将钻铤以0°方向与控向设备连接测出方位角、工具面向角及地磁强度，并反复取3～5组数据，然后取几组数据的平均数，作为导向中使用的方位角。在测量方位角时无磁钻艇要远离高压电线，并应与钻机、发电机等施工设备保持一定距离以减少磁场干扰，确保采集数据的准确性。

2.控向参数及轨迹设定

控向参数是定向钻导向成功的关键工序，是定向钻穿越必不可少的步骤。控向参数包括：方位角、倾角、出入土点坐标及高程、人工磁场控制桩坐标及高程等。出入土点坐标及高程、人工磁场控制桩坐标及高程应先通过专业转换软件转换后输入操作系统。在实际导向过程中，应根据测定的数据对方位角、倾角进行修正。实施前工程的各项指标设计出最优化的导向钻进轨迹，长距离砂层穿越在满足设计要求的情况下，适当地放大穿越曲线的曲率半径，以便在控向过程中有更大的空间对穿越轨迹进行校正。

3.泥浆配置

泥浆是定向钻穿越工程中非常重要的因素，一般由水、膨润土及泥浆添加剂等配成，由于工程地质情况复杂、穿越直径和长度大，穿越主要地层为砂层，为确保能够穿越成功，要求泥浆有良好的流变性，保证有较强的携带钻屑的能力；有较低的摩擦系数，良好的润滑性能；有较强的护壁作用，在孔壁形成一定力学强度的泥皮，以维护孔壁稳定，防止泥浆漏失。对此，进行了泥浆配比优化的方案为：（1）泥浆粘度不低于60s。（2）在水中加入纯碱，使水软化，改善水质，提高水的pH值。（3）膨润土采用高效土。（4）增加泥浆储存罐。（5）及时测量泥浆各项参数及返出地面泥浆的各项参数。

五、定向钻实施

1.导向孔

导向孔是定向钻穿越施工过程中重点控制的关键工序，直接影响钻机回拖时回拖扭矩与拉力的大小。因此，导向孔与设计穿越曲线是否重合是关系到管道最后回拖成功的关键。由于工程各地层地质特征差异大，钻进的过程中比较容易偏向相对较软的地层，造成与设计曲线发生偏移。对此采取了应对措施：（1）保证钻机就位方位与设计管线中心线重合。（2）采用人工布置磁场与地磁场相互结合的方法，消除外部磁场干扰。（3）在穿越过程中，对不同的地层，控向员根据扭矩、推力、推进速度等数据及时调整角度，调整范围控制在每次0.1°左右，以获得需要的倾斜角与方位角。

2.预扩孔、清孔

预扩孔前，应制定优化的扩孔方案确定最大扩孔直径和扩孔次数。（1）根据不同的穿越地层选择扩孔器的尺寸和型式，相邻两级扩孔器的为级差150～300mm，以达到最佳的扩孔效率及钻屑的顺利排出。（2）在长距离扩孔期间，一定要控制合理的拉力和扭矩。大多数砂层扩孔事故都是因为过度追求扩孔速度，施加的钻压过大造成的。（3）泥浆是扩孔时的重要因素，主要作用是冷却扩孔器和携带钻屑。正常情况下会有返浆现象出现，泥浆的实际排量应根据每级扩孔产生的钻屑量和泥浆的携带能力确定。（4）地层过渡时，操作要点是首先放慢扩孔速度，降低钻压，待扩孔器本体完全进入后再加大钻压并及时适当修整曲线。（5）在清孔的过程中要控制好泥浆的排量，最大限度地携带出钻屑。

3.管道回拖

（1）回拖管在管道发射支架均匀放置，且无悬空和管道贴地，以保护管线外防腐层；入洞发送沟开挖顺滑，能保证钢管弹敷进洞，避免硬性回拖；扩孔器旋转和回拖速度应均匀，回拖速度≤2.5m/min；保持泥浆回流。（2）管段与钻具连接顺序为管线+连结头+旋转接头+扩孔器+5 1/2″钻杆；扩孔器直径比穿越管道直径大，目的是减小拖拉力，保护防腐层；全部连接完后应送泥浆冲洗；管道回拖施工应连续进行，除发生不可抗拒的原因外，严禁在施工中无故停拖；回拖过程中，要认真观察浆泥运行情况。（3）管道回拖出土，用60″的B型大钳与单斗、人工配合卸下钻杆、φ33扩孔器、回拖万向节和“U”型环等机具，割掉回拖头，用事先准备好的盲板将回拖管管口焊接封堵。