南水北调配套工程定向钻施工应急控制措施

2017-03-01河南省水利第一工程局

河南水利与南水北调 2017年5期

关键词：干渠南水北调定向

（河南省水利第一工程局）

南水北调配套工程定向钻施工应急控制措施

□王宇洁（河南省水利第一工程局）

文章主要介绍了穿越南水北调总干渠定向钻施工期间，各施工阶段容易出现的导向孔与设计穿越曲线偏移、导向孔卡钻、扩孔卡钻、管线回拖受阻、钻孔塌方、回拖过程中出现拖力过大，拖不动管的情况、冒浆等几种质量问题，并针对这些问题提出应急控制措施。

定向钻；施工；应急措施；穿越总干渠；南水北调

1 前言

定向钻敷管技术是一种现代非开挖敷设管道的施工新技术。随着南水北调中线工程（总干渠）建成通水，沿线输水、气、油等管道不可避免需要穿越。目前定向钻施工方式因具有不需要大面积开挖、工程造价低、保护自然环境、不受季节限制、施工周期短、受地理条件影响小、技术日益成熟等优点被广泛采用。同时，在施工过程中也会出现一些新问题。及时分析施工过程中可能出现的问题并采取应急措施，并加以有效控制，对以后管道穿越南水北调应急控制提供一定的参考。

2 工程概况

南水北调焦作供水配套工程26号分水口门向博爱县供水工程穿越南水北调总干渠1处，采用定向钻穿越总干渠，管道设计压力为1.10 MPa，穿越管径为D1000 mm，壁厚20 mm，采用直缝钢管，等级为X70，钢管防腐采用内EP，外PE涂层防腐。设计管顶距离南水北调中线总干渠渠底距离15 m。穿越南水北调总干渠采用双管定向钻施工型式。

3 定向钻施工期应急控制措施

3.1 保证钻导向孔的准备工作顺利进行

3.1.1 测量严把精确放线

导向孔能否成功出土、有无拐点，包括实际穿越曲线是否圆滑等都会影响到回拖的成功率，所以说，精确放线必须严格对待，要求对管道位置、钻机的安装位置以及具体轴线位置等做出严格详细的数据。钻机要以设计入土角度从地表钻进，每钻进一根钻杆，要确保探测两次方向，并随时记录数据，随后通过钻孔的轨迹和书籍分析并判断此导向孔能否正常使用。

3.1.2 精准测量中心线定控向磁方位角

是指通过在地表多个方位的测量，然后将这些数据进行对比分析，进而再排除由磁干扰导致错误的数据，从而确定正确可采纳的磁方位角数据。

3.1.3 布置地面信标系统（Tru-Truckersystem）

控向系统的原理是：在无磁钻挺内的探头中的加速度计和磁力计对影响它的磁场的磁通量、磁场强度进行采集、分析，从而计算出探头的位置。一般的控向系统操作，是把地球磁场作为采集、分析的对象，由于地球磁场的微弱性、不稳定性和易干扰性，导致了加速度计、磁力计采集的数据有一定的波动和误差。因此，增加磁场强度和磁通量，可以明显地改善加速度计、磁力计采集数据的准确性，从而提高控向的精度。

在穿越施工中，全面采用地面信标系统（Tru-Trucker system），即人工磁场，来改善和提高影响加速度计、磁力计的磁场强度和磁通量，从而使采集到的数据更准确。保障钻导向孔的精确。

3.1.4 检查控向仪器的精度

做好其他准备工作施工前，做好将无磁钻挺的消磁处理，以便更好的控制精度。

3.1.5 严格控制实际操作

对于曲线钻进的效果，取决于控向员的控向指令。控向指令是由预先拟定好的控向曲线和随钻测量的数据而定。将测量探头装在钻具内使在钻进过程中随时将钻进过程的一系列数据传递在地面上的技术即为“随钻测量”。采用这种技术的优点是可以随时根据所传递的数据进行控制和调整。

穿越控向必须对曲线关时刻监督审查，实际操作时，必须按照穿越设计区县进行操作。若连续三根钻杆左右偏差超过3 m，而且还有加大偏差的情况时；连续三根钻杆高低偏差超过4 m，且有加大偏差的情况时应立即停钻，将钻杆回抽，从新进展导孔。只有符合最初的设计曲线，才能钻出一条对工程最符合的曲线。

钻导向孔的工作是由控向员与司钻配合完成，需要控向员密切注意钻进的实际曲线，还要事前调查好地层的软硬程度，做好及时调整钻进的速度及方向。

3.2 牢记预扩孔的注意事项

导向孔完成后，将控向用钻具卸下，预扩孔是在钻头出土以后，扩孔钻具将钻完的孔径扩大为工程需要的尺寸，而且要保证扩完的孔径无塌方及缩径现象，保持良好的状态。要注意在每级扩孔施工中认真观察扩孔情况，若有扩孔不顺畅的情况，就要进行一次洗孔。洗孔的目的也在于保证成孔的质量。这一程序是整个工程的中间程序，根据地层差异、管径大小等一些数据进行，预扩孔的级别也较多，为提高功效降低工程成本，最关键的是要选用适合地层的扩孔钻具，并且合理组合，有终于成功完成预扩孔，增强降低扭力的效果。

司钻操作的旋转速度和工作钻压也应符合钻具的使用要求。在扩孔时，应根据不同的地层进行旋转、回应速度等方面的调整，为保证扩孔器切屑均匀，孔速≤2 m/min，在扩孔时要做方面的及时调整，尽量避免造成泥屑堆积在孔内。

3.3 迅速处理好扩孔卡钻情况

在回拖前，必须做好管道卡钻的应急措施准备，组织一套抢险设备，应选择跟穿越地质相匹配的配置，添加护壁剂，管道回拖一旦出现意外阻管（顶住）或卡管时，根据现场情况立即组织施救，进行管道回拖，为防止卡钻我们在回拖时加软连接能有效的预防卡钻。施救措施采用滑轮组或是钻机向外回拖。

3.4 保证管道回拖顺利完成

用钻具将预制完成的成品管道回拖到已经扩好的孔径中，即为回拖。此过程是整个穿越的最后工序及重要关键，缩小回拖的难度以及减小阻力是该工序的重点，一定要仔细严谨的完成。

回拖管道前要仔细检查各连接部位是否牢固，由于回拖管道口径较大，管道本身也具有一定的重量，以此在地面产生的阻力也是极大。在此，可采用发送沟的方式贮水的方式来降低回拖管道的阻力，要注意的是，在挖发送沟时，将管道进入孔洞这一段发送沟的坡度计算好，降低管道回拖时的摩擦力，保证与孔洞的阻力最小。回拖管道时要求泥浆有较强的润滑性，泥浆润滑剂是其中的重要点，能使泥浆附着于防腐层的表面，降低回拖阻力，并有效保护防腐涂层安全。在这期间，要安排专业人员进行随时监督，保证管道回拖顺利完成。

若在回拖时出现钻孔坍塌的现象，可立即在管道尾部的夯管锤锤管道后部施加夯击力，确保有足够的回拖力将管道回拉。在回拖过程中，要间歇性进行夯击，以减少管道回拉的摩擦力。如果经过上述应急操作无效，出现此种情况时，需要在管尾安装抢险钻机，实施向后回拖一定距离，加大泥浆排量，这就要在回拖的前后准备好补口、材料及器具。

3.5 减少工程中出现冒浆的情况

定向钻冒浆的主要原因是由于孔洞坍塌或钻头堵塞使浆液不能顺利上翻至地面，从而造成孔内压力急剧升高，形成孔隙水压力大于上覆土层压力形成冒浆，所以控制成孔通畅，浆液能顺利返回地面是避免冒浆的关键。

这一点主要是在钻导向孔阶段，在导向孔未钻通时，由于穿越泥浆是在孔中与入土点之间来回翻出，在导向孔的前半段，若出现堵塞的现象，则泥浆会在穿越沿线冒出，既是冒浆的现象。泥浆量的减少不利于将孔中破碎的泥土带出，会造成钻孔的不顺利，进而导致钻导向孔这一关键的工序出现错误。到了钻导向孔的后半段时，由于钻孔位置与入土点距离较远，泥浆很难再翻出返回点，因此泥浆的压力要减小，钻进过程中设专人观察返浆情况，如发现不返浆或返浆量突然减小，要及时通知钻机停止钻孔，停止压浆，及时回撤钻杆，避免孔内压力增大，造成冒浆。钻进过程中，不间断监测土层内超孔隙水压力，当监测值达到上覆土层自重应力85%时，立即降低泥浆喷嘴压力和注浆量或停止注浆，回拖钻头，疏通定向钻钻孔，使泥浆沿钻孔顺利上翻，避免孔内压力过大造成冒浆。

其次，就是在扩孔阶段，扩孔阶段由于孔洞两侧均能使浆液翻出，除非发生塌孔等堵塞孔洞的事故，一般不易出现冒浆情况。

最后就是在回拖时，由于回拖管道需要的泥浆量较大，回拖过程中成品管道与扩孔器用过旋转接头连接，随着钻杆回拖拉入扩大后的孔中，泥浆也随着管道的回拖被挤出，在这一工序中，控制管道回拖的速度边不易再出现冒浆的情况。

3.6 确保工程的完成成果

在所有工程完成后，要检测工程的完成质量，确保工程的安全及政策使用。需要进行一些必要的压力试验，此过程通常包括对拖拉管施工完毕的压力试验和拖拉管材连接完成后的压力试验。此工序对整个穿越工程的意义非常重大。

事实证明，定向钻施工作为一种新型非开挖施工方法，对社会环境也带来了一定的好处，可穿越河流及湖泊，能保护一些不可拆迁建筑物，是目前南水北调方式的最佳选择，也是一种理想的施工方案，对定向钻施工的熟练运作也逐渐成为当下南水北调的重中之重。