南水北调输水管线水平定向钻地面冒浆成因分析

袁玉石

（河南省周口市南水北调工程建设管理领导小组办公室，河南 周口 466000）

1 工程概况

水平定向钻穿越沙颍河工程，起点位于周口市东环路与七一路交叉口北约600m处，紧邻东环路与沙河大桥平行布置，起点桩号为140+596.15 ，终点桩号为141+153.21 。设计为双管定向钻（两道涂塑复合钢管DN1000，壁厚16mm，内EP，外PE），两管间距20.20m（外壁-外壁），曲线段的曲率半径为1800D，定向钻入土角与出土角的角度为7°，入土点与出土点的水平距离为523.32m。河底最低点管道中心线高程为23.33m，管道水平段埋深14m。

2 轨迹设计

2.1 入、出土点及层位选择

水平定向钻管道穿越路线选择应遵循的原则包括：①输送可燃介质的管道应远离车站、桥梁及重要构筑物；②穿越河流宜选择在河流顺直、水流平缓、河床和坡岸稳定、两岸有足够施工场地的有利位置；③应避开高压电塔、电站、变电站等高压危险区；④应避开不良地质和不利于施工的地形、地貌；⑤应避开电磁干扰信号比较强的区域；⑥保护生态环境，少占农田、绿地等。

综合考虑以上原则，沙颍河穿越工程的入土点选在北岸，出土点选在南岸，原因是南岸场地较空旷，能够摆放得下500多米长的管道。另外，该穿越路线的选择还有以下优点：①入、出土点旁都有沟槽状地貌，可稍经改造直接变为泥浆池。②施工场地紧邻沙河大桥，方便两岸运送设备。缺点是部分穿越路线上方有输电线，距出土点西向约100m处有电视发射塔，有可能对钻进导向孔时的控向信号造成干扰。除此之外，施工场地附近没有高压危险区，也没有不利于施工的地形地貌，总体而言，该穿越路线的选择合情合理。

2.2 穿越轨迹设计

水平定向钻穿越轨迹的优化不仅可以有效降低工程投入，提高施工效率，而且能减小工程施工风险，增加安全可靠性。关于水平定向钻穿越轨迹的设计，国内研究成果主要有3种设计方法：垂直平面法、斜平面法和动态规划法。

3 最大泥浆泵送压力计算模型

3.1 Delft公式计算孔底最大泥浆压力

现在多数领域仍然在使用Delft公式来计算水平定向钻施工过程中最大允许泥浆压力：

式（1）（2）（3）中：u—初始孔隙水压力，kPa；—第一次出现塑性变形时的泥浆压力，kPa；φ—土体的内摩擦角；—钻孔顶部的有效土压力，kPa；c—土体的内聚力，kPa；R0—钻孔孔径，m；Rp，max—最大塑性区半径，m，一般可以取钻孔轴线距离地表高度H的2/3，即Rp，max=（2/3）H；G—土体的剪切模量，MPa。

3.2 圆管内流动阻力计算模型

3.2.1 牛顿流体

当泥浆的黏土含量较少，颗粒细小并比较分散时，其比较符合牛顿流型的特点，其流变曲线为一条通过原点的直线。通常用动力黏度来描述其性能，在流变学中，可用流变方程来表示剪切力和剪切速率之间的关系。

牛顿流体在圆管内的流动阻力计算模型为：

式（4）中：η—绝对黏度，即旋转黏度计300转读数，mPa·s；Q—泥浆泵流量，m3/s；R—钻杆内半径，m；l—流经距离，m。

3.2.2 宾汉流体

塑性流体可称为宾汉流体，理想的宾汉塑性流体，一般是一些含较高固相且颗粒均匀的悬浮体，通常用表观黏度、塑性黏度、动切力、静切力等流变参数来进行描述。理想的塑性流体的流变曲线是一条不通过原点的直线，它表示这种流体具有一定的颗粒浓度，在静止状态下形成颗粒之间的内部结构，加外力进行剪切时，要破坏结构后才能开始流动。当固相颗粒不均匀性较高时，易形成粘塑性流体，在低剪切速率下其流变曲线往往偏离直线，形成曲线变化，当剪切速率增加至层流段时才变成直线变化。

宾汉流体在圆管内流动阻力计算模型为：

式（5）中：ηP—塑性粘度，mPa·s，ηP=R600-R300，R600、R300分别是旋转黏度计600转读数和300转读数；—动切力，Pa，=0.511（2R300-R600）。

3.2.3 幂律流体

幂律流体的流变曲线为通过坐标原点的曲线，用幂律关系来描述线形高聚物或类似油微粒的可变形物质含量较高，并且结构力很低的泥浆。这种流型的切应力随剪切速率的变化不是线性关系，而是由快到慢呈幂指数关系。幂律流体分为假塑流体与膨胀流体两种，常用流性指数K或稠度系数n来表示。当n〈1时为假塑流体；当n=1时为牛顿流体；当n〉1时为膨胀流体。

幂律流体在圆管内流动阻力计算模型为：

式（6）中：n—流性指数，n=3.322 lg（R600/R300）；K—稠度指数，（Pa·s）n，K=0.511 R600/（511）n。

3.2.4 卡森流体

卡森模式能根据低剪切速率和中剪切速率的变化，较准确地预测高或极高剪切速率下的黏度变化。一些泥浆化合物成分中既存在着黏土颗粒的空间网架，又有线形高聚物或类似物质存在，此时既存在结构力，又有剪切稀释作用，用卡森流型来反映其流变关系比较合适。卡森流型在较大剪切速率范围内把塞流、层流和紊流状态用直线连在一起，并引入了屈服值（或卡森动切力）来描述泥浆的剪切稀释性。

卡森流体在圆管内流动阻力计算模型为：

式（7）中：η∞—极限高剪黏度，mPa·s，（η∞）0.5=1.195 ［（R600）0.5 ］；—卡森动切力，。

4 结语

防治冒浆的两项措施：①合理优化施工设计参数：避开易冒浆不良地层——裂隙发育地层、松软地层、断裂带等；若在不良地层穿越，可采用重物堆载、土体加固、套管隔离等方法；优化导向孔轨迹参数；优选扩孔器类型和钻进速度。②防冒浆泥浆体系优选：黏性密闭地层，泥浆须满足高剪切稀释性；漏失地层应采用堵漏泥浆体系；列举了不同钻遇地层的典型防冒浆泥浆配方。

以沙颍河穿越工程2号管导向孔为例，使用Delft孔底最大泥浆压力计算模型和圆管内泥浆阻力模型计算出钻进过程中泥浆泵的最大泵送压力，并与现场记录泥浆压力相比较，绘制出对比图，图中所反映出的记录泥浆压力大于允许最大泵送压力的位置与实际发生冒浆位置相符。