水平定向钻法在管道穿河工程中的应用

宋利华

（高密市城北水库管理站，山东 高密 261500）

高密市峡山水库向城北水库供水方式是由明渠改为管道输水，长24.28 km，设计输水流量1.16 m3/s，选用直径1 400 mm的涂塑复合钢管。管道需穿越高密市北胶新河，结合工程实际，经过方案比较最终采用水平定向钻进施工穿越北胶新河。定向钻管道总长约350 m，管道壁厚14 mm，扩孔孔径为1 850 mm，为了保护公路及河道的安全，定向钻计划最深点深度9 m（河底到管顶深度为5.2 m），曲率半径1 500D，每杆钻杆9.6 m变化不大于0.3°，计划拖管起点及终点深度为-2.0 m，拖管终点角度为-4°，起点角度为+4°。结合本工程地质条件和国内、外回拖力计算经验，取2倍的安全系数，设计回拖力为3 022 kN，最终确定DDW-4000大型水平定向钻机为本工程定向钻施工钻机，设备回拖力为4 000 kN。这项穿越河道工程经过从施工准备、钻导向孔、扩孔、回拖铺管、水压试验、工程验收等各个工序，共计20 d时间圆满完成施工任务，达到了预期设计要求。

1 施工过程

1.1 测量放线

1）准备工作：准备好放线用的木桩、钉子、喷漆、锤子、记录本。2）根据线路图纸提供的坐标由参加接桩的专业工程师操作采用GPS定下入钻点和出钻点，再用全站仪确定穿越轴线以及穿越场地的地貌图。3）根据放线情况，确定钻机位置、入钻点、回拖场地和泥浆池位置，并绘制施工场地平面布置图。

1.2 平整场地和设备就位

根据平面布置图对场地进行平整和设备就位，设备就位关键要做到钻机位于穿越中心线位置上。

1.3 泥浆配置

泥浆配比是管道穿越中的关键环节，是成孔质量的决定性因素。泥浆配比随地质条件的不同变化，根据本次穿越的地质报告，穿越地层主要是耕土、黏土内含姜石，穿越此种土层易卡钻、抱杆，使钻杆扭矩增大、推力，拉力增加，因此对泥浆的要求相当高，为克服这种不利因素采取以下措施：

1）水源采用符合泥浆配置要求的河水。2）为确保泥浆的性能本次穿越采用潍坊产特级Q7钠基膨润土，为使膨润土有足够的水化时间，使膨润土水化时间在8～12 min以内。3）本次准备的泥浆配比为：每方水加入75 kg的膨润土和25 kg预先水化好的化学泥浆黏稠剂（CMC）。搅拌均匀后用马氏漏斗测量黏度，确定其黏度在45 S以上。4）在施工各环节配比如下：导向孔阶段：基浆+0.2%～0.4%增黏剂+0.3%降滤失剂；扩孔阶段：基浆+0.3%～0.5%增黏剂+0.4%降滤失剂；管线回拖阶段：基浆+0.3%～0.5%提黏剂+0.4%降滤失剂+2%～3%的润滑剂。

1.4 钻导向孔、扩孔、洗孔

1）钻导向孔。钻孔过程中要注意以下几点：一是确定实际入钻点并测量地表变化情况，标注在控向穿越图中。控向穿越图的比例应为100∶1。二是根据出入钻点之间的实际距离、高差等确定实际入土角的角度。三是钻进过程中，要根据泥浆返流情况对钻进工作及时作出判断和调整，避免塌孔、包钻、卡钻等现象。四是控向记录要求详细、准确，对导向孔钻进过程中的任何异常都应记录。五是导向孔钻进曲线严格按照穿越施工规范和设计图纸曲线要求，根据钻孔轨迹和数据记录，确定此导向孔是否可用。

2）扩孔。在每级扩孔施工时认真记录每根钻杆的扩孔数据（时间、扭力、拖力、泥浆泵压力等），如有问题及时上报，根据地质及上级扩孔情况采集的数据，合理确定下级的扩孔尺寸和扩孔器水嘴的数量、直径。本次穿越管径为1 400 mm，进行了7级扩孔，最终扩孔孔径达到1 850D，回扩过程中密切注视钻机旋转压力、回托压力以及泥浆浓度的配比，保证切削下的钻屑随泥浆排出孔洞。

3）洗孔。扩孔完毕后，用Φ1 650 mm挤扩器进行1～2次洗孔，直至扭矩和拖力达到可以回拖的参数。

1.5 管道焊接

本次定向钻设计穿越长度为350 m，在准备以上工作的同时将实际长度360 m的管道进行焊接完成且做好焊缝、防腐等的检查工作。

1.6 发送沟的开挖

发送沟在开挖时根据管道穿越出土角的大小，在纵向上应将发送沟沟底开挖成一定弧度，以保证管道回拖时管道内顺利进入孔洞内。沟壁应光滑、没有外露的石屑和其他有可能对管道防腐层有损伤的东西。本工程发送沟开挖断面尺寸为2 m×2.5 m×2 m，管道发送沟内应注水，最小注水深度宜大于穿越管径的1/3。

1.7 回拖管道

管道回拖要做好以下准备工作：1）对钻机地锚进行检查防止回拖过程中松动，对钻机、泥浆泵等设备进行检修保养；2）对钻杆和管道的连接件进行检查，确保工作可靠；3）做好管道发送沟减阻措施；4）对管道进行长度、焊缝、防腐检查；5）管道回拖组合连接后，应进行泥浆试喷，确保泥浆通道畅通。

2 质量保证措施和质量目标

2.1 管道的质量要求

1）管道厚度。管道必须满足一定壁厚要求以确保管道在穿越工程中对刚度和截面稳定性的要求。管道壁厚需根据管道长度、管道直径、钻孔曲率、土的摩擦系数等综合确定。本工程经计算管道采用壁厚14 mm的螺旋焊钢管。2）管道焊接。管道焊接严格按照有关规范执行，确保焊接质量，保证足够焊接强度以满足回拖对管道强度的要求。3）管道防腐。本工程采用TPEP涂塑复合钢管，管道内壁采用环氧树脂，外壁采用聚乙烯防腐层。

2.2 定向钻导向孔的控制

在定向钻穿越工程中，钻导向孔是关键问题。导向孔钻进曲线严格按照穿越施工规范和设计图纸曲线要求，孔曲线要光滑，且保证曲线在折角要符合规定。导向孔实际穿越曲线与设计穿越曲线的偏差应≤1 m；出土点沿设计轴线的纵向偏差≤穿越长度的1%，且≤10 m；横向偏差≤穿越长度的1%，且≤1 m。

2.3 管道回拖和试压

管线回拖应连续施工，特殊情况需要中断时间不应超过4 h。回拖过程要保持泥浆循环稳定且回拖速度要均匀。回拖完成后要对管道两端进行封堵。管道施工完成后进行了水压试验，最高试验压力0.9 MPa，试验结果完全符合工程设计标准。

3 结语

由于施工方法的改革，工程造价大大降低，粗略估算定向钻穿越河流的造价仅为常规穿越的1/2～1/3，同时，由于不需要做工作坑和接收坑，所以不但施工设备和人员大为减少，施工工期也显著缩短。同时，减少了占地、土方开挖和土坑支护材料的使用，有利于对环境的保护，是值得大力推广的一项施工技术。