大口径管道定向钻穿越复杂地层的施工分析

　　摘要：大口径管道定向钻穿技术在很多工程施工都需要使用，例如输油管道、燃气管道、输水管道等，在现代施工当中，大口径管道定向钻穿技术的使用频率越来越高。大口径管道定向钻穿大都是长距离穿越，因此，在实际的施工过程中，会遭遇各类型复杂地层的阻碍，这就需要对此项技术进行改良，以适应各类型复杂地层，实施高效率、高质量施工。本文将对大口径管道钻穿复杂地层施工技术进行分析，提出其技术发展以及施工稳点，文章最后则以举例方式提出了大口径钻穿复杂地层施工设计与建议，分析了川气东送工程中的一个典型项目。

　　关键词：大口径管道定向钻穿技术、复杂地层、技术发展、施工要点、案例分析

　　大口径管道定向钻穿复杂地层是一种施工难度较大、施工周期较长，且变换因素较多的工程类型，而且带有一定的危险性，在施工过程中常易遭遇各类困难和阻碍，尤其是在冻土层和土层结构复杂的地区（山脉、黏土区、河流），需要灵活的对施工进行控制，调整原有的技术工艺和施工方案。本文对该项技术进行分析讨论的目的就是为了提升这项技术的适应性，推动其发展，使之能够适应现代管道工程的需求。

　　一、复杂地层条件下定向钻钻穿技术的发展趋势

　　大口径管道定向钻穿复杂地层施工技术在我国的运用时间并不长，但是随着我国各类基础设施建设需要和经济发展需要的变化和提升，大口径管道定向钻穿技术在不断的实际运用中得到了发展。无论是在工艺上、技术上，还是在设备上，该技术都有所提升。复杂地层条件下的定向钻穿技术今后将会逐步面向以下方向进行发展：

　　（一）钻井工艺、技术、设备发展多样化

　　如今的工程学科已经是多学科交叉模式下的综合性学科，在各类科学技术和专业学科的发展下，工程学科也将得到巨大的发展。复杂地层定向钻穿技术中的大位移钻井技术、欠平衡钻井技术等多个复杂、高端的技术等到了持续的发展，每一项技术背景下的机械、仪器更是在不断的更新换代，无论在工作原理上、工作效率或效果上，都有了很大的进步。

　　未来此项技术发展与创新的重要内容之一，就是发明和创新性的机械和仪器，以适应新兴技术的需求。并且，这也是大口径管道定向钻穿复杂地层的需要，这类工程更多的依赖于先进的机械设备和高端精密的仪器，如检测地层结构等工作，是离不开精密仪器的配合的，可以说，先进机械设备和仪器已经成为了此类施工工程中的主角。

　　（二）工具和作业集成化、自动化、智能化

　　集成化、自动化与智能化发展是现代仪器、工具以及各类器械、系统未来必然的发展态势，对于定向钻穿技术所施工的工具、系统来讲，亦是如此。定向钻穿技术施工复杂、而且属于地下施工，它需要一个集成化、自动化和智能化的控制管理平台，实现工具和作业的集成化、自动化与智能化。

　　（三）钻井信息数字化

　　信息是现代社会活动、经济活动、工程活动必不可少的数据资料之一。对于定向钻穿复杂地层施工来讲，它需要一系列的数据支持和辅助，例如：图层数据、工具状态、工具使用参数、施工实时监测数据、机械动作指令的输出、执行与修正等。其数据之多、变化之复杂、统计之困难可想而知。这就需要一个强大的显示和分析系统，对这些信息和数据进行分类整理、对比分析。因此，未来，定向钻穿技术将拥有一个钻井信息数字化系统，实现钻井信息数字化，实现对钻进作业的科学管理与控制。现代的三维成像技术、虚拟现实技术等都是典型的信息数字化技术，它们具有将抽象事物具体化、将无法直接观察的事物凸显化的功能，能够有效解决定向钻穿施工封闭施工的难题。

　　（四）专业分工与作业合作化

　　专业分工与作业合作化是定向钻穿复杂地层未来发展的必然趋势。专业分工能够体现各项目施工与各类型施工的差异性，让整个施工显得井井有条，精确解决复杂、高端的施工难题，也更有利于实现专业化的施工。同时，这也是未来该类型施工工程的需要。而作业合作化则是对专业分工的呼应，主要是将各类型的专业施工组合在一起，实现作业合作化与专业化，进一步刺激新型施工模式和新兴施工技术的诞生。

　　二、复杂地层条件下油气管线定向钻穿越技术控制要点

　　油气管线是大口径管道定向钻穿复杂地层施工中最为典型的施工工程。我国的川气东输以及国内、国际输油管道工程建设都使用到了此类施工技术。因此，本小节将以油气管道为例，阐述复杂地层环境下，管道定向钻穿技术的控制要点。

　　（一）定向钻进成孔方式

　　定向钻进成孔施工需要对成孔地段土层进行切割分离，对于疏松土质地区来讲，一般使用高压水射流即可。高压水射流主要是依靠组合喷嘴喷射高压水流，形成一定的力来起到成孔的作用。该技术成孔类型分为定向弧形孔和直孔两种类型。

　　对于存在硬质土壤夹层的土层来讲，高压水射流作业则一般选用牙轮钻头与弯接头组合工作，亦可选用合金钻头与弯接头组合工具。

　　高压水射流只适用于疏松土壤地带，无法在硬质岩层中起到成孔效果。当在硬质岩层进行成孔施工时，则选用钻头、弯接头和螺杆马达组合而成的钻进工具。依据岩层的坚硬层程度，可选择金刚石材质、刮刀钻头以及牙轮钻头等多种类型的钻头。

　　（二）油气管线定向钻穿越的地层土质不宜太疏松

　　疏松的土壤虽然有利于钻进和成孔，但是在进行土层选择时，还应当考虑安全和使用需要，因此，不能够选择太过疏松的土层。一般讲，地层中存在粉砂层、中砂层、亚黏土层等中和性土层的地层较为适合，而对于地层为流沙层、硬质卵石层的地层来讲，是无法进行施工的。当油气管道穿越河流、河谷地区时，则进行和开挖、套管或者固结等方式进行定向钻穿。

　　（三）泥浆控制

　　泥浆控制是定向钻穿施工中的关键环节，对泥浆成孔以及固壁性能的要求极高，泥浆控制步骤为：施工泥浆添加剂、一级钠基膨润土，按照计算好的比例进行混合加工，配比过程要严格按照相关要求执行；使用两套加料配浆系统进行配比，保障泥浆水化充分，提升泥浆的性能和循环周期；配置泥浆回收系统，以降低施工污染度，实现泥浆的循环使用；使用淡水进行膨润土水化，将泥浆的粘稠度控制在45至60s之间。

　　（四）选择人、出土点位置

　　人、出土点位置选择组要综合考虑施工需求，例如钻进机械安置、蓄水池搭建、取水点位置、管段组装、回托场地建设等，另外，还应当考虑环境保护因素和工期管理要求，尽量选择环境恢复量小、平整开阔的地区。但是，当管线穿越河流时，一般不存在合适的人和出土点位置，这就需要采取一定的措施，人为的搭建这样一个平台，亦或是调整施工。例如：合理布设回拖管道运输、辅助设备、焊接作业点，入土端根据钻机安置要求、运输、泥浆池布设要求等选择恰当的位置。

　　三、施工过程

　　下文，笔者将举例举水穿越工程施工过程，讲述上述施工方式和要点控制下的施工效果。

　　（一）首次施工概况

　　该类型工程的首次施工首先进行了导向孔成孔施工，而后使用了七级扩孔方式，一级扩孔口径达到了1524毫米，符合施工要求和国家规定。完成扩孔之后，施工队伍进行了修孔，直至四根管道畅通进出演示孔洞。连续进行4次洗孔之后，开始回拖作业，第四根钻杆进行回拖时，出现了断裂，而后技术人员修正了管道角度，再次进行回拖，二次回拖时，钻杆拖至普通地层，回拖速度大幅度下降，经多举并措后无效。而后，再次调整回拖方案，受阻，采用滑轮回拖，实现了管道拖出。

　　（二）二次施工概况

　　原计划回拖方案失败后，施工团队重新调整了方案，依据气流方向采用了顺气流回拖方式，并往右平移了10m的距离，而后将入土角度控制为9度30分，将出土角度控制为8度，调整穿越轴线开挖度等数据，使用对穿方式进行导向孔作业，而后再次进行穿越。

　　二次施工中连续七次进行了扩孔，并修订了泥浆固结处理范围，二次施工方案实施成功。

　　（三）原因分析

　　通过两次施工前后对比，笔者发现，在首次施工当中，从扩孔到修孔使用了34d的时间，这是造成回拖中断的主要原因之一，回拖中断进而导致孔壁泥浆大量失水，泥饼强度与性能有所下降，这就容易数显孔壁塌陷或变形问题。首次施工进行了三次1422.4mm的洗孔作业，但是效果欠佳，与1524mm的一级空形成了台阶式的交界处，造成回拖失败。

　　四、设计与施工建议

　　针对上述的施工分析，笔者提出了以下四点设计与施工建议，分别是：施工地区上层为覆盖土层、下层为基岩，如果将穿越基岩交界面，必须要对上部覆盖层进行处理，最好采用对穿方式进行施工；考虑覆盖层与交界面形成台阶状，造成砂石滚落堆积，可采用夯套管方式进行。若套管夯击距离较长，则对基坑开挖位置进行调整，最好设置于地下水位线以上位置，举水穿越施工难度较大，采用套管夯击存在困难，一般选用注浆加固处理疏松的覆盖层；当地质为软硬交错的图层结构时，穿越作业首先选择硅管套管，这样的做的目的是为主管道穿越做好对穿的铺垫工作。进行硅管套管穿越需在管内预留电缆线，人为搭建主管对接所需的磁场，覆盖层夯击套管前段一般选择喇叭口形状，这样可以有效的防止卷边以及套管回拖受阻问题，如上述方式均无法有效实施，则考虑使用工业蜡润滑减阻或套管壁注浆方式进行穿越，亦可选择大吨位夯管锤进行夯击；大口径管道钻穿复杂地层应当尽量缩短扩孔与修孔，直至回拖作业之间的时间，保持作业的连续性，方式泥浆、泥饼等的质量和质地发生改变，在任何情况下，回拖的终止时间都不应当超过4h，只有这样才能保障整个钻进过程的连贯性，维持建材质量与性能。

　　五、复杂地层条件下定向钻穿越技术典型案例分析

　　工程概况：川气东输工程中有一个较为典型的施工项目--东苕溪穿越工程。该工程是整个川气东输工程中的难点，其施工点位于湖州南沼区境内，土层结构复杂，包括粘性碎石以及全风化粉砂岩，粘性碎石的深度高达500m，这项工程由华东管道工程有限公司承接，这是川气东输工程的瓶颈工程。

　　东苕溪穿越工程施工点概况介绍：施工位置往东方向150m为农田，出土点则设置在东苕溪西大堤西侧的200m位置，该位置为农田。实际穿越长度为581.6m。水平长度则为579.2m。入土角度设置为9度，出土角度设置为6度。管线输送压力设置为10MPa，主管道采用直缝埋弧焊钢管，口径为1016X26.2mmX70。

　　地层勘察结果：软土层较薄，河床下部土层厚度为两米，根据此项工程的管径设计来看，这样的土层厚度并不适合施工，达不到预设的管线掩埋深度设计要求，安全度也有所下降。因而，该公司选择了让管线穿越粘性碎石层和全风化粉砂层，使管道与河流分离，形成两个系统，如此一来，安全性就得到了保障。管线穿越这样的土层难度颇高，钻穿和成孔就非常的困难，需要对施工进行合理的设计和控制。

　　效果分析：该工程钻进作业至154m时发生了“顶小动”状况，此时钻头方向的掌握出现了困难，钻头位置处于粘性碎石土层当中，经分析以后发现，由于该施工地段位置特殊，因而在采用一般方法进行钻进作业时，卵石无法被切削，并被钻头带至地表，导致钻机扭矩、推力过大，钻杆因此发生弯曲，于是施工队伍采取了钻杆两边固定的方式，预防此问题，与此同时，改变了泥浆的排量和配比比例，改善了角度操作难的问题，再次采用了快速钻进的办法。在整个钻进过程，施工队伍遭遇了严重磨损、碎石以及卵石带出等多种问题，经过方案调整以后，都颇有成效，最终以高质量完成了此次施工作业。

　　结束语：

　　综上所述，大口径管道定向钻穿技术使用于复杂地层条件下，要应对不同的技术问题，面对复杂的施工环境以及各类型地层的阻碍和考验，需要人们在原有的技术工艺基础上进行改进，更新技术实施模式，修正施工方案，使之适用于不同的地层环境。未来，还需要在工具设备、仪器和技术上进行创新和改良，全面满足未来管道施工要求，不断地发展定向钻穿技术。

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　　钟伦法、何坤鹏

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