大直径长距离水平定向钻施工技术分析

孙 伟

（深圳市建安（集团）股份有限公司 深圳 518040）

0 引言

随着国民经济的发展，非开挖技术水平定向钻广泛应用于给水排水、电力、石油等管线的施工，其具有的效率高、成本低、对周边环境影响小等优势，日益受到工程师们的重视和青睐。但长距离大直径水平定向钻回托阻力的大小直接影响施工的成败，大量的学者对如何降低管道回托阻力进行了大量的研究，在已有的研究成果的基础上，结合工程实例和有限元分析，对如何降低管道回托阻力进行分析。

1 项目概况

小集段供水工程水平牵引段设计为双排DN800焊接钢管，单根牵引里程845 m，下穿S263、1 座小型加油站和3 处民房，民房为砖混结构，管道最大埋深17 m。主要地质为细砂层和粉质粘土。

2 导向

根据不同地质条件选择导向钻头：软-中硬地层选择斜掌钻头，同时给进和回转钻杆柱，钻头在斜面在旋转作用下达到各向受力均匀则失去方向性，实现直线钻进；钻头只给进而不回转钻杆柱，作用于斜面的反力使钻头改变方向，实现变向造斜钻进。［1］在硬岩中采用“随钻测量系统”（MWD）和孔底泥浆马达配合弯接头进行导向。［1］

在长距离钻孔导向过程中，受已有地下线缆、管线的影响，司钻仪可能受磁场的干扰，信号衰减，不能准确确定导向的准确方向，导向方向偏离，可将无线信号接受改为有线电缆传输方式，信号衰减减小，传输速度得到明显提升。

3 扩孔

⑵大直径管道扩孔再用多级扩孔方式［2］，终孔直径一般情况下按照式⑴进行计算［3］：

式中：D为适合成品管铺设的钻孔直径（mm）；D0为成品管外径（mm）；K为扩孔级配比率，一般取K=1.2～1.5。当地质均匀完整时K取小值，当地层复杂时K取大值。在实际工程中以敷设管长来确定K值：①L≤50 m，K取1.2；②50 m＜L≤100 m，K取1.3；③100 m＜L≤300 m，K取1.4；④L＞300 m，K取1.5。

本工程管道直径为800 mm，地质为细砂、粉质黏土，选择扩孔直径为1 200 mm，钻头直径为1 200 mm。⑶膨润土的质量q按式⑵进行计算：

式中：ρ1为粘土密度（kg∕m³）；ρ2为钻井液的密度（kg∕m³）；ρ3为水的密度（kg∕m³）；V为钻井液的体积（m³）。

根据现场条件对膨润土含量进行调整，钻井液较稀时调整增加膨润土含量，经对比细砂和粉质粘土层采用含量10%膨润土+0.2%Na2CO3+0.1%CMC 钻井液其携岩能力较强［4］（见表1）。

表1 泥浆配方和主要性能参数Tab.1 Mud Formulation and Main Performance Parameters

4 扩孔速度

长距离、大直径扩孔施工中分级较多，钻具本身所产生的扭矩极大，为保障扩孔能满足要求，需采取如下措施［3］：

⑴控制泥浆性能，根据勘察报告和现场实际补勘情况配置泥浆，当穿越易液化的砂层和饱和粉土层时应提高泥浆性能。

⑵选择适宜地层的钻具。当穿越较硬的硬粘土时，应采用中心定位器+飞旋切割刀+扩孔器的组合形式。中心定位器主要为保证扩孔的圆心度，防止出现椭圆孔洞。

3.统计学处理：结果采用华夏赛科临床心理测评与诊断系统处理，SPSS 13.0统计软件进行统计分析。计量资料采用均数±标准差表示，组间比较采用t检验。P<0.05为差异有统计学意义。

为提高岩屑运移效率，水平定向钻采用反循环技术清理岩石地层水平定向钻扩孔岩屑［5］，钻孔完成后采用清水进行射流反循环系统作业［6］，减少管道回托阻力和孔壁的稳定。

5 回托

目前水平定向工程中的回托力计算大多采用经验估算法，涉及到的规范有《油气输送管道穿越工程施工规范：GB 50424—2015》、《给水排水管道工程施工及验收规范：GB 50268—2008》、《Standard Guide for Use of Maxi-Horizontal Directiongal Drilling for Place⁃ment of Polyethylene Pipe or Conduit Under Obstacles Under Obstacles，Including River Crossings》等［7］，计算理论和公式考虑管土之间的摩檫力、绞盘效应、弯曲效应、流体阻力、管端阻力、卸荷拱效应、环空间隙等因素的影响，利用数值仿真技术进行模拟，对各轨迹段的阻力进行理论分析，建立力学平衡方程，推导出各种阻力的数学模型，然后将各个阻力计算累加，得到管道在穿越各个阶段的回托荷载计算模型。

将穿越轨迹分为地面、下行、弯曲、水平、弯曲、上行六段，其中下行、水平、上行采用直线力学模型，弯曲段采用弯曲力学模型进行分析。钻孔实际轨迹与理论轨迹有一定偏差，特别是水平段和弯曲段，为便于分析，假设土体为刚体、管道有多节管段组成、管道为均匀体、钻孔孔壁相对稳定。通过仿真模拟和实际拉力统计，回托力随回托距离的变化成非线性变化，管道在水平段内回托力变化较小，当管道进入第一个弯曲段以后，回托力逐渐增大，以后回托力有下降趋势。当管道进入第二个反向曲率弯曲段以后，管道与孔壁的接触反力增大，回托力快速增加［8］。

管道入土回托属于水平定向施工的最重要环节，如果处理不当易造成管道与入土孔眼夹角较大［9］，回托过程承受较大阻力、弯矩以及管道应力集中，出现严重的划痕和管道的变形，造成回托失败。通过仿真辅助计算技术，模拟管道入土不同角度受力情况，得出回托前应将焊接好的管道在入口前吊起一定高度，使管道前端的轴线与回托入土眼的轴线形成的夹角越小（见图1），管道入土阻力越小。

图1 猫背吊装示意图Fig.1 Cat Back Lifting Schemes

有限元分析基本假设：

⑴套管在井空内完全固定不动，将其简化为刚体；

⑵送管台架为一连续支撑体，将其简化为与管道摩擦的恒定刚体；

⑶吊装和回托过程吊篮不发生摆动，其与管道只发生滑动；

⑷即将入套管时扩孔器与套管重合，同时回托方向也是沿轴心线拖入。

模拟不同吊点与管道入口点的距离和起吊高度，分析得出距离入口点最近吊点距入口点的距离的大小和起吊高度与管道拉管过程中的最大应力成线性变化。现场起吊高度可根据钻孔入口角度和首台吊车距离进行调整（见图2）。

图2 牵引现场Fig.2 Traction Scene Graph

根据仿真模拟结果，本工程再管道入口段采用猫背吊辅助牵引，经对比采用猫背吊装后管道回托力明显减小。仿真数据和现场实际数据对比分析，仿真数据与实际数据之间差距较小在12%以内，由此说明仿真数据能够真实地反映管道吊装的实际情况，可很好地辅助作业规律的推导，实现现场作业参数的优化。

6 回托降浮减阻

管道回托过程中，泥浆具有悬浮岩屑、携带岩屑和稳定孔壁、减小摩擦阻力的作用，为了使有效发挥这些作用，不能轻易改变泥浆密度。但泥浆密度过低，稳定孔壁作用急剧降低，具有塌孔风险，泥浆密度过高，到泥浆对管道的浮力作用大于管道的自重，使管道与孔壁挤压接触，增大回托力，容易出现卡管现场。针对浮管问题，现场采取在管道内放置PE 管道［10-11］，PE管道内注水的方法降低浮力技术。在焊接钢管管内敷设1 根DN400PE 管，随着管道的回托，向PE 管道内注水，按照造斜段、水平段、弯曲段分成3个阶段进行注水，将管道回托时的浮力降至合理区间，降低管道回托拉低，增加管道的回托成功率（见表2）。

表2 增加降浮措施前后管道有效重力变化Tab.2 Changes in Effective Gravity of Pipelines before and after the Addition of Lowering and Floating Measures

WS=Wpipe+WPEping+water-Wbuoyancy⑶

式中：WS为管道有效重力（kN∕m）；Wpipe为管道重力（kN∕m）；WPEping+water为PE 管道和内部水的重力（kN∕m）；Wbuoyancy为管道的浮力（kN∕m）。

7 结论

降低回托阻力是长距离大直径水平定向钻施工需重点解决和关注的问题，通过以上案例对比分析得出如下结论：

⑴精准导向，实际钻孔曲线与设计吻合，避免回托阻力因轨迹变化而增大。

⑵选择合适钻头、孔径、钻孔速度和提高泥浆性能可降低塌孔风险。

⑶利用猫背吊装减少管道入土与造斜段夹角，降低回托阻力和提高管道施工的安全性。

⑷可采取管道内敷设PE 管并注水的方式，减轻管道回托过程的浮力，降低管道与钻孔上壁摩擦阻力。