定向钻工艺管道穿沁施工关键技术参数选控

刘树利 李凯 王书宁

摘要：为确保某大型定向钻工艺管道穿越沁河工程顺利施工，对施工技术难点进行了研究，合理选取并严格控制最大泥浆压力、扩孔速度、泥浆黏度与容重等关键技术参数，有针对性地制定防冒浆施工措施，對穿越路线的薄弱地带进行预加固，严格控制导向孔施工轨迹以及入土角和出土角精度，钻进过程中泥浆压力、钻进轨迹、泥浆循环所反映的实际地质情况与设计出现差异时，随时修正泥浆压力、钻进速度等控制参数，实现了定向钻顺利钻进、施工全过程不冒浆以及管道精确就位，创造了定向钻工艺双管穿越河道工程、管道直径达1016mm、穿越长度1750m及最大埋深超过33m等多项国内施工纪录。

关键词：技术参数；定向钻工艺；管道；沁河

中图分类号：TV672

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.027

定向钻穿越施工是一种新兴的地下非开挖管道施工技术，具有施工简便、快速、对自然环境影响小等诸多优点，在我国石油、天然气、电信等基础产业建设过程中应用广泛，采用定向钻工艺穿越河流及堤防施工也越来越普遍。由于施工所需泥浆压力较大、土质软弱及施工人为控制技术等因素影响，因此常发生施工冒浆现象。近年来，先后有多处管道工程采用大型定向钻工艺穿越沁河下游河道与堤防。由于定向钻工艺施工质量控制难度大，以及沁河下游河道地质条件的特殊性与复杂性，因此施工过程中也时常出现冒浆等意外情况，对沁河下游防洪安全造成了一定影响。

某引黄供水管道双管定向钻工艺穿越沁河工程位于沁河下游河段，该河段左岸堤防是国务院明确的黄河防洪确保堤段，防洪安全至关重要。该穿越工程一旦发生冒浆等现象，将对沁河下游防洪安全造成严重影响。鉴于河道管理机关对穿越沁河工程实施最严格要求和管理，参建单位合理选取与严格控制最大泥浆压力、扩孔速度、泥浆黏度与容重等关键技术参数，制定科学的施工技术方案并严格按方案实施，实现了定向钻顺利钻进、施工全过程不冒浆以及管道精确就位的预期目标，并创造了采用定向钻工艺双管穿越河道工程、管道直径达1016mm、穿越长度1750m及最大埋深超过33m等多项国内施工纪录。经建成4a来的运行观测，穿越断面处堤防保护范围内未出现异常，管道工程运行正常。

1概述

某引黄供水管道穿越沁河工程是某引黄灌区重要的节点工程，采用双管定向钻工艺穿越沁河河道。压力管管身采用L485直缝埋弧焊钢管，外径1016mm，管壁厚20.6mm。两管间距为15m，定向钻敷设长度1750m。管道最大埋深为沁河河床下33.5m。定向钻人土点位于沁河左堤背河，距堤外坡脚373m，在沁河左堤下管顶距大堤坡脚地面33.19m。定向钻出土点位于沁河有堤背河距堤外坡脚290m处，在沁河右堤下管顶距该堤坡脚地面32.79m。穿越沁河断面见图1。穿越工程于2013年6月23日开工，10月24日完成管道回拖就位。导向孔直径0.4m，采取有线和无线导向控制，扩孔最大孔径1.5m，采取注水加配重方法进行管道回拖。

2定向钻工艺施工技术难点

鉴于国内尚无相同规模工程（同直径、同长度、同埋深）穿越河道的成功经验，且冒浆风险较大，同时鉴于沁河下游防洪的重要性，参建单位就导向技术方案、导向孔及扩孔施工时的最大泥浆压力、扩孔级数、钻进速度、清孔方案、拖管方案、管道两端开挖回填处理方案等，组织相关专家进行技术研讨，确定了定向钻工艺穿越沁河的施工技术难点。

2.1压裂和冒浆

地层压裂和冒浆是水平定向钻常见的工程问题，严重的冒浆不仅会导致钻孔泥浆漏失破坏泥浆循环，而且会造成严重的防汛隐患。为了保证孔内泥浆的流动性，须增加泥浆的返浆速度，使水平定向钻的泥浆压力保持高位运行，以确保顺利返浆。当泥浆压力超过地层强度极限时，泥浆就会压裂地层，并沿着地层裂缝冲出地层，造成泥浆漏失，不仅会耗费大量钻进时间、损失泥浆，而且还可能引起塌孔、卡钻等一系列事故，甚至导致整个工程的失败。一旦冒浆，将必然导致在冒浆处沿管道形成贯通过水通道，成为防洪安全“明患”，对沁河防洪安全构成极大威胁。

2.2软弱地层，孔壁失稳

水平定向钻导向孔施工完毕后开始扩孔。针对大直径管道，为了达到所需孔径，需要多级扩孔。在扩孔过程中，由于孔壁一直暴露于泥浆中，因此很可能因地层不稳而发生孔壁坍塌。孔径越大，地层的自然拱作用越小，越容易发生孔壁坍塌。若扩孔时发生孔壁坍塌，则会造成埋钻、卡钻事故；若孔壁坍塌发生在管线回拖时，则会造成管线回拖困难，严重时导致T程失败。

2.3对泥浆质量要求高

大型水平定向钻在多级扩孔后，钻孔直径变得很大，由于钻杆直径较小，因此环形空间也变得很大。如果泥浆泵量无法继续增加，那么此时环形空间中的泥浆流速将会变得很慢，泥浆携带的钻屑就会发生沉降、聚集，最终可能导致发生卡钻等一系列事故。因此，大型水平定向钻对泥浆质量要求很高，要具有很好的触变性和很强的携带钻屑能力。

2.4拖管难度大

由于管道直径较大且长度较长，管道质量达880余t，因此采取封闭式注水托管所需回拖力较大，一次拖管工艺具有一定技术难度。受场地限制，一次最大管道焊接长度为1500m，即1750m的管道在回拖过程中需要暂停拖管，焊接剩余管道，然后继续回拖，这样更增大了施工难度。

3定向钻施工关键技术参数选取

3.1穿越断面处的地质条件

3.1.1穿越断面处的地质概况

根据工程地质勘察报告，所穿越的土层主要为③重粉质壤土、③-1轻粉质壤土、④重粉质壤土、④一1轻粉质壤土和层内粉细砂透镜体等，黏性土一般为可塑一硬塑状，含少量小钙质结核，粉细砂为中密一密实。参照《油气田及管道岩土工程勘察规范》（GB50568-2010），管线穿越土层土石等级为Ⅱ级，场地未发现碎石土、膨胀土、分散性土等特殊类土，适宜采用定向钻施工。

3.1.2穿越断面处定向钻施工可能诱发的环境岩土问题

由于管道施工时泥浆循环液的压力较高，因此在管道上覆土层较薄、白重土压力较小的出 、人土点部位容易产生冒浆，沿管道形成滲水通道，给沁河下游防洪带来安全隐患。在定向钻管道施工完成后，在出、入土点管道周围设置黏土截渗环进行加固处理。

3.1.3穿越断面处特殊地形地貌预处置

根据施工 资料及观测分析，已建定向钻工艺管道穿越沁河工程的施工冒浆位置距离穿越管线的水平距离一般在5m内。距管线较近的水井等构筑物施工时破坏了原土层结构，使得定向钻施工中极易形成冒浆通道；距管线较近的低洼地、水塘将减小定向钻施T时覆盖土体的厚度，当覆盖土体重力小于泥浆压力时易出现冒浆。该工程设计报告中管线地质勘察资料对土质及地下水等情况描述较多，对地形、地面附着物描述较少，根据专家咨询意见，参建单位在设计管线上下游各15m范围内对地面情况开展徒步拉网式普查，重点普查坑塘、低洼地、水井等。根据普查结果，对距管线约5m的一眼水井进行了回填处理。

3.2施工关键技术参数选定

施工关键技术参数的选定原则是在满足大型定向钻穿越施工技术要求的同时，实现穿越施工不发生冒浆、凹陷等问题，保证施工安全和沁河防汛安全。主要内容是确定适合地质条件的最大泥浆压力、扩孔速度及配置适宜的泥浆。

3.2.1 最大泥浆压力

最大泥浆压力应为孔底最大泥浆压力与泥浆在钻杆内的沿程和局部水头损失之和。孔底最大泥浆压力采用Delft公式计算：

根据该穿越工程地质勘察资料，计算出 的各孔位允许最大泥浆压力为0.927～2.315MPa。

3.2.2扩孔速度

扩孔速度和效率与生产成本和铺管是否成功直接相关。扩孔速度低，则效率低，耗材多，钻孔裸露时间长，容易造成塌孔等后果；扩孔速度太快，则碎屑无法与泥浆充分混合，无法排除泥浆。在覆盖层深度有限的情况下，过快的速度会造成地面隆起或冒浆。

扩孔速度计算公式为式中：Q为理论泵量；η为泵的容积效率；Qη 为实际泵量；S为被切削的面积；k为流量系数，取值范围为1～5，具体取值取决于地层状况、碎屑尺寸和碎屑流出孔口的距离，砂土取1.0～1.5，高塑性（水胀性）黏土、坚硬致密黏土取较大值；kS为该次所需钻孔泥浆体积，该体积是基本保证排除碎屑而孔内不产生沉淀的经验值。

3.2.3泥浆配置

泥浆被称作水平定向钻钻进的“血液”，泥浆停止循环时钻进工作无法进行，其功能是携带和悬浮钻屑、稳定孔壁、冷却和冲洗钻头。泥浆由水、纯碱、膨润土、泥浆添加剂（降滤失剂、孔壁稳定剂、悬浮促进剂、表面活性剂、堵漏材料）组成，根据地层土质情况及时调整比例。泥浆黏度选取见表1。

3.3关键工序的施工控制指标

定向钻穿越施工关键工序包括导向孔、分级扩孔及管道回拖等。定向钻导向孔及扩孔施工中，孔底最大泥浆压力目前尚不能简便测定，只能在泥浆泵出口处安设压力表，所观测到的压力值为泥浆泵出口压力，由此反推孔底压力。

导向孔施工：采取鸭掌钻头，控制孔底最大泥浆压力不超过2.5 MPa，并根据各孔位允许最大泥浆压力随时调整。采取有线导向技术，钻进速度为1.0～2.5m/min。

分级扩孔：分直径0.90、1.25、1.50m三级，扩孔速度为0.6～1.5m/min，扩孔施工泥浆压力不超过3.0MPa。

管道回拖：扩孔结束后开始进行清孔，孔道内泥浆容重1.28t/m^3时定向钻与地面待拖管道连接，开始向孔道内回拖。

受场地限制，管道难以按设计长度一次焊接1800m，需要分两节进行焊接及防腐处理，第一节焊接长度为1500m，第二节焊接长度为300m；当第一节拖进孔内900m时，停止拖管，将第二节与第一节管道焊接在一起，对接头进行防腐处理后再进行拖管，焊接防腐作业时间不得超过15h。拖管采取封闭式，即拖管接头与钢管焊接在一起，此时钢管在水中的浮力远远大于白重，为减小摩擦阻力，采取在管道内注水加配重的办法，注水量要确保钢管重力加水的重力略大于钢管浮力。

4定向钻穿越沁河施工过程

4.1关键工序

4.1.1导向孔施工

导向孔施工是按照设计的穿越曲线从人土点开始连续钻一个小孔，使钻杆连通到出土点。连接钻杆的鸭掌钻头有两个泥浆喷嘴，在钻机产生的推力和扭矩带动钻杆转动前进的同时，由喷嘴喷 出高压泥浆先冲切周围土体，以便于钻头前进，同时泥浆渗入周围土壤，增强土体结构。通过泥浆循环，把切削的土体排出孔道。整个钻进过程由计算机辅助完成钻头空间位置测定、造斜和纠偏3项动态控制，使钻头按设计方向前进，形成一条曲线。

导向设备是导向孔施工的关键配套仪器，一般情况下当管道埋深小于20m时采用无线导向仪，当埋置深度大于20m时采用有线导向仪。钻进导向孔时，采用无线和有线导向仪随时分析和记录定位数据，确定钻头位置，通过获取的坐标、方位角等定位数据与预先设定的基准线和轨迹进行比较，随时调整钻进轨迹。

4.1.2分级扩孔

导向孔完成后，在出土点卸掉钻头及导向仪器，在钻杆上连接合适的扩孔器，扩孔器在旋转扩孔的同时，喷出一定配比的泥浆，其目的既是泥浆固壁，也是通过泥浆循环把扩孔切削的土体排至孔外。扩孔时，在钻机端每卸一根钻杆，在出土端就接上一根钻杆，以保证在任何时刻钻孔中保持完整的钻杆。按此方法钻扩直至钻孔达到要求的直径为止。一般成孔的直径为管道直径的1.2～1.5倍。

4.1.3管道回拖

扩孔完成后进行管道回拖。管道回拖时扩孔器呈旋转状态，一边喷泥浆一边向钻机一侧回拖，使管道随扩孔器回到钻机前的人土坑。当管道回拖完工后，泥浆充满管壁和孔壁之间。

4.2施工过程

施工严格按照施工技术方案中的导向技术、钻进速度、扩孔速度及最大泥浆压力进行。同时，沿设计穿越线路加大人土点、 出土点之间地面、水面及工程的巡查力度，重点巡查地面有无裂缝、塌陷、冒浆，河水有无变色等异常情况。为及时了解钻孔过程中钻头处的压力，曾两次在钻头处安设传感器，但都因泥浆压力较大而损坏。

水平定向钻施工设备型号为FDP -1000T，推力为1000t。第一道孔于2013年6月23日开始钻进，7月15导向孔钻通，因临近主汛期而暂停施工。第一道孔又于8月12日开始二次钻进，8月20日导向孔再次钻通；扩孔于8月20日开始，8月31日结束，按直径0.90、1.25、1.50m三级扩孔；管道回拖于9月1日开始，9月3日完成。在接头焊接防腐施工过程中，为防止孔内泥沙沉淀，不停地进行泥浆循环，并在管道焊接后适当拖动管道。因接头处理达19h，故在第二次拖管时出现卡管现象，钻机前移0.3m，未出现冒浆现象。

第二道管道导向孔于9月11日开始钻进，9月28日钻通；扩孔于9月29日开始，10月22日结束。参建单位根据第一道孔的施工 经验，在第二道孔施工中将计划的三级扩孔改为直径0.9、1.5m两级扩孔，且未按常规的操作程序“在钻机端每卸一根钻杆，在出土端就接上一根钻杆，以保证在任何时刻钻孔中保持完整的钻杆”作业，而是采取在钻机端接、卸钻杆，导致在10月8日进行直径1.5m扩孔时（钻机推扩孔器），钻头偏离导向孔轨道，又遇到坚硬土层，造成扩孔难以进行。后从出土点用另一台小钻机将钻杆送到原钻机端，连接扩孔器进而完成扩孔。管道回拖于10月22日开始，10月24日管道回拖到位。

5管道通水运行情况

5.1管道通水试运行情况

2014年1月3日进行通水试验，试验中在有岸压力水箱内穿越的两根管道伸缩节均被拉开，其中一根被拉开距离达10cm。主要原因是拖管施工中为减小管道與管孔的摩擦力注水较少，管道就位后管壁与孔壁之间的环状空间充满泥浆，管道充满水后受力变形所致，后接长管道再次通水试验，穿越工程运行正常。

5.2管道通水运行情况

2014年至今没有再出现管道拉裂等现象，管道运行处于稳定状态，通水正常。2016年7月，右岸管道出土点以北约20m处的村庄道路路肩低洼处出现地面塌陷现象。发生地面塌陷的原因：穿越管道回拖到位后，管壁环形空间充满泥浆，穿越管道出土点斜坡段管道环形空间离地面较近，管线处地面低洼，雨水下渗，致使管道上方土体强度降低，自然拱作用减小，导致地面塌陷。采用开挖、分层回填方式进行地面塌陷处理，并解决了管道穿越处地面积水问题。2016年至今未发现任何异常，工程运行正常。

6经验与建议

（1）穿越工程施工前要探测河道主槽水深，以复核最大泥浆压力。要沿设计穿越管线上下游各15m范围普查地形地貌情况，对影响范围内的机井及低洼地应予以回填；定向钻钻进施工过程中要加强沿管线巡查，发现异常应立即停工处理。

（2）对于大型定向钻穿越施工，中间停止拖管进行二次焊接的风险较大，应尽可能一次完成管道回拖。对于穿越的供水管道，在拖管结束后应先往管道内二次充水，待管道充分变形与孔壁完全吻合后再进行两端连接段施工。

（3）鉴于定向钻穿越施工时高压泥浆易对堤基产生不利影响，建议采取反循环的施工工艺，即泥浆循环方式为泥浆池一钻孔环状空间—钻头—钻杆—泥浆泵—泥浆池，避免高压泥浆破坏堤基，保证堤防工程安全。

（4）大型定向钻穿越涉及防汛任务重、靠近主要建筑物及居民区的重要河段时，应在“管道回拖”工序后增加“充沙回填”工序。

为保证管道回拖顺利，扩孔直径一般为管道直径的1.2～1.5倍。以该T程为例，管道直径1016mm，扩孔直径为1500mm。管道就位后，管道外环状空间充满泥浆。若不采取回填措施，则在地下静态水位以下的管道周围泥浆将长期存在，地下静态水位以上、动态水位以下的管道周围以及动态水位以上的管道周围的泥浆将部分或全部沉淀固结在管道两侧，在管道上部形成清水层或孔洞，对河道防洪及附近建筑物的安全极为不利。若仅对人土点和出土点进行开挖处理，则难以消除隐患。在项目防洪影响评价阶段，应根据穿越河道的防洪任务及管道直径，论证管道穿越全线充沙回填的必要性，参建单位应开展大型定向钻穿越后充沙回填施工工艺研究。

7结语

为确保大型定向钻工艺管道穿越大型河道工程顺利施工，参建单位要认真研究施工技术难点，合理选取并严格控制最大泥浆压力、扩孔速度、泥浆黏度与容重等关键技术参数，有针对性地制定防冒浆施工措施，对穿越路线的薄弱地带进行预加固，严格控制导向孔施工轨迹以及入土角和出土角精度。钻进过程中泥浆压力、钻进轨迹、泥浆循环所反映的实际地质情况与设计出现差异时，应随时修正泥浆压力、钻进速度等控制参数，从而实现定向钻顺利钻进、施工全过程不冒浆以及管道精确就位的目标。