供热管道穿越岩层水平定向钻施工技术

2022-03-08闫永贵

工程建设与设计 2022年1期

关键词：滑轮组钻杆钻头

闫永贵

（太原市市政公共设施建设管理中心，太原 030027）

1 工程概况

沁县城镇集中供热工程位于山西省长治市武乡至沁县段，为沁县集中供热热源替代工程的输热管线工程，以武乡电厂为热源向沁县敷设DN800 mm 的输热干线，替代沁县现状取暖用煤粉锅炉。沁县良庄供热管道敷设需要定向钻穿越砂岩，穿越概况如下：

1）穿越管线规格及防腐方式:管道规格为DN800 mm 钢管，加保温层后φ960 mm。

2）穿越长度:定向钻穿越分2 次穿越每段出土点、入土点水平长度约700 m，计1 400 m。

3）穿越地层:在进行穿越地层的过程中，需要根据相关参数来进行一定的控制，不仅需要对管径的数据进行分析，还需要与其出、入土角具有非常大的联系，同时，需要进行曲率半径的计算，也需要对地质情况进行研究，穿越管线最深深度为-34～-36 m。根据工程地质剖面图上所揭示的地层，穿越管线两侧局部穿越粉质黏土层，山体处穿越风化砂岩层。

2 定向钻施工

2.1 地锚坑

当钻机准备好之后，需要测量人员进行测量放线工作，同时需要参照设计图纸，确保钻机轴线与穿越曲线的轴线重合。挖地锚坑1 个，地锚坑中心线在穿越中心线上，地锚坑尺寸7 m×4 m×3.5 m。调整钻机的钻进角度，使之与入土角吻合。为了能够更好地确保钻机的平稳性，应该对钻机进行一定的加固处理工作，主要是铺1 层钢板。钻机锚固装形式如图1 所示。

图1 钻机锚固安装形式

2.2 钻导向孔

所有设备安装调试好并在泥浆配制好后可以启动钻机进行试钻，检查钻头水眼是否堵塞。如果没有堵塞则可以继续钻进[1]。

本次穿越采用的钻具主要有：钻杆采用5″(抗拉995MPa，屈服855MPa)API 标准S135 内部加厚型钻杆、钻头采用8-1/2″牙轮钻头；6-1/2″无磁钻铤1 根；165 泥浆马达；控向系统采用Tru-Trucker system（有线控线系统）实时跟踪系统和MGS 系统进行跟踪定位，可以确保出土位置准确[2]。

相关钻具的使用情况：8-1/2″牙轮钻头+直径165 泥浆马达+6-1/2″无磁钻铤+5″S-135 钻杆。

在进行穿越施工的过程中，需要特别关注钻导向孔工作。钻导向孔工作应该按照设计曲线来进行施工，需要对管径的大小进行测量，从而能够更好地对每根钻杆的折角进行确定。与此同时，更需要在工作的过程中进行一定的跟踪工作，做好测量和记录作业。还需要在穿越曲线上进行数据控制点的设置，要求控制点之间的间隔约为6 m，每钻进1 m，就需要对钻头的位置数据进行记录，这样才能够更好地进行控制工作。

除此之外，还需要对钻孔的方向进行控制，要求钻孔曲线与设计穿越曲线相吻合。因此，在导向孔钻进时应对有线控线系统进行测试，测试并调校完后，进行正常钻进。

在钻进过程中，还应注意每根钻杆的折角，折角不宜过大。钻杆折角应符合表1 的要求。钻导向孔施工同时采用人工磁场校验法。

表1 钻杆折角

2.3 预扩孔

钻具连接：钻杆→扩孔器→旋转接头→钻杆。

2.4 管线回拖

管线回拖:5″S-168 钻杆+52″桶式扩孔器+200 t 万向节+穿越管线。

回拖力理论估算：

式中，FL为计算的拉力，kN；L 为穿越管段的长度，m；f 为摩擦系数，取0.3；D 为钢管的外径，m；γm为泥浆重度，kN/m3，可取10.5～12.0；γS为钢管重度，kN/m3，取78.5；δ为钢管壁厚，0.0156 m；Wf为回拖管道单位长度配重，kN/m；K 为黏滞系数，kN/m2，取0.18。

1）在回拖工作中，为了能够避免出现停工的问题，需要在工作前来进行连接部位是否牢固的检查。

2）回拖作业之前，还需要将穿越段管线安置在发送架之上，要求起吊点与管道环焊缝之间的记录不大于2 m，同时要求起吊高度约为1 m，各个起吊点之间的距离要求小于或等于16 m，吊管设备用4 台20 t 吊管机或4 台20 t 吊车等其他超重设备。

3）采取滚轮支架或其他措施降低管线回拖时管线的摩擦力。

4）回拖工作需要对表盘的读数进行关注，并且对扩孔的数据进行记录，这样才能更好地为下一次的扩孔工作做准备，有效确保扩孔回拖工作的顺利开展。

2.5 定向钻穿越的泥浆工艺

1）泥浆室内试验主要是为了解决穿越作业中的一些问题，包括河水配浆、孔壁保护、防止卡漏等。那么，需要进行泥浆体系优选工作，实现对成本的控制。泥浆各参数见表2 和表3。

表2 泥浆性能参数

表3 泥浆黏度值参考表

本次工程穿越段地质主要为岩石，导向孔钻进时，泥岩夹粉砂岩的泥浆黏度为40 s；扩孔时泥岩夹粉砂岩的泥浆黏度为45 s；洗孔时泥岩夹粉砂岩的泥浆黏度约为60 s，并可根据实际情况适当调整。

随时观察洗孔的情况，扭矩波动小或者无波动，拉力稳定时，即可达到回拖要求。

2.6 防止导向孔偏移策略

1）首先，确定正确的穿越轴线，根据图纸提供的入土点和出土点坐标利用GPS-RTK 进行测量、核实。

2）钻机就位时保证穿越方向和设计穿越轴线吻合、入土点和设计入土点吻合，并按设计入土角入土。

3）所有设备安装调试好并在泥浆配制好后可以启动钻机进行试钻，检查钻头水眼是否堵塞，如果没有堵塞则可以继续钻进。

4）合理搭配钻具，主要有：5″API 标准S135 内部加厚型钻杆、8-1/2″铣齿三牙轮钻头、6-1/2″无磁钻铤1 根。

5）严格施工过程控制。开钻前对整个控向系统进行测试、调校，一切正常后方可钻进；在进行作业时，需要进行一定的测量工作，同时需要进行一定的数据记录，需要保证每6 m 的穿越曲线就进行一次数据监测，同时需要进行钻头位置数据的记录，记录间隔为1 m。

2.7 废弃泥浆的处理

1）泥浆膨润土和添加剂的选择时，要保证其产品不存在污染的情况，符合环保标准。

2）还需要进行泥浆坑的防渗漏施工，可以防止泥浆进入地层。

3）还需要利用回收处理系统来进行泥浆的处理，处理后的材料可以继续使用，而过滤出来的泥沙需要放置在专门场地之中。

4）施工完毕之后，剩余的泥浆以及泥沙需要进行集中晒干处理，从而进行一定的回填工作，并且需要环保部门出具相关证明。

2.8 一次性穿越成功方法

1）导向孔工作

首先，要求导向孔具有“平滑圆缓”的特点。在进行导向孔工作中，需要保证信号稳定传输，需要利用专门的检测工具来进行相关信号的检测工作。然后需要凭借信号线连接技术包进行连接质量的保证。

其次，需要根据施工要求来进行钻杆的操作，并且需要满足曲率半径的要求，同时还需要保证所有的钻杆倾角以及方位角在误差范围以内。

2）扩孔

在进行扩孔工作时，需要保证扩孔直径大于或等于穿越管直径的1.5 倍，同时需要对扩孔的级差进行合理化。需要对地质情况进行研究，这样能够更好地进行泥浆配比的确定，有效保证孔洞的顺利形成，保证返浆畅通。

3）预制管线准备

在进行连管回拖工作之前，需要确保预制管线与穿越轴线具有一致性。需要利用漂浮的方式来降低管线摩擦力。还可以通过”固体泥浆”的方式进行润滑，从而实现回拖工作。

4）确保钻具完整

为了能够有效保证穿越工作的成功，需要确保钻具完好无缺。因此，需要对钻杆、扩孔器等相关设备进行检测，这样能够保证其完整。同时需要对钻具进行保养，确保其功能保持在正常的状态。

5）构建高效的泥浆体系

在进行岩石穿越工作中，需要采用高黏度和高密度的泥浆配置，这样能够更好地进行支撑，同时也能够起到悬浮和护壁作用，能够在很大程度上防止岩屑床的形成。除此之外，还需要在其中加入一定量的添加剂。在进行回拖工作时，需要进行固体润滑剂的添加。

2.9 钻进过程中可能出现问题的应对措施及方案

2.9.1 卡钻

回拖作业是管道定向钻施工中的最后一项，其工作是否成功对整个工程的质量具有非常大的影响。因此，需要在进行回拖工作前进行一定的导向孔作业，同时还需要进行一定的扩孔和洗孔作业，这样才能够保证其工作质量。

此工作还会受到地质条件的影响，在进行管道回拖前容易出现孔洞状况不好的问题，比如，孔壁坍塌、卡钻等相关问题。特别是在DN800 mm 口径管道中，更加容易出现卡钻的问题。因此，需要在回拖工作之前做好相应的应急措施。

在进行管道回拖作业的过程中，如果回拖力增加，那么就能够明确在孔洞中出现了孔壁坍塌的问题。

为了能够更好地对此问题进行解决，需要进行动滑轮组的安装，这样能够更好地将滑轮组与回拖管道末尾部分进行连接，将管道从孔洞中拖出，从而有效防止管道在孔洞中停留时间过长，造成更大的阻力。滑轮组安装使用示意图如图2 所示。

图2 滑轮组安装使用示意图

2.9.2 在拖管过程中出现管拖不动的情况

拖管出现拖不动的问题需要进行钻机的转移，与滑轮组配合，最大可产生4 000 kN（400 t）回拖力，缓慢增加回拖力将管道拖出地面。若滑轮组不能将管线拖出，可在管线尾端安装夯管锤，利用夯管锤冲击力辅助滑轮组将管线拖出。需要进行原因总结并进行改善，如采用更大的回扩器，使用组合扩孔器修孔，提高泥浆性能，增大排量，等等，完成穿越。