软弱地层交叉管道定向钻穿越施工技术研究

一、工程概况

设计压力4.0MPa，压力管道类别为 GB1，本标段主管管径为 DN800，管材和弯管均采用直缝埋弧焊或下向焊钢管，管材均为 PSL2 系列，材质为 L360M，3PE 加强级防腐层。施工图纸范围内全部内容，主管管径B820，长度3600米范围内土方开挖回填、管线安装、焊口探伤、吹扫、防腐、定向钻穿越、试压、干燥等。

二、技术难点

本标段穿越工程地质条件苛刻， 对控向、钻杆、扩孔、回拖和泥浆技都都提出了较高的要求。

控向难度大：钻孔轨迹的实时测量是进行管道穿越施工的关键技术之一。管道穿越施工条件恶劣， 地质地理条件复杂， 而且穿越距离较长，穿越深度较大， 致使准确控向难度很大。

钻杆变形问题：本标段定向钻单次穿越最大曲线长度为700m，累计有2400m 处在软弱地层交叉土层中，特别是桩号 B5+332 至 B5+850的518 m为塑性粘土。在进行长距离定向钻施工时， 钻杆会发生一定程度的变形， 当推力负荷增大， 孔壁内钻杆的“边缘荷载” 也相应增加。在较软的粘土层施工时， 钻杆将不受限制的继续变形， 出现失稳，钻头失去控制等问题。此外， 由于钻进输出的旋转力会使钻杆折断， 因此，采用传统的施工方法（即一台钻机钻孔）， 无法满足钻杆强度与稳定性的要求。

扩孔难题多：本标段工程定向钻穿越有长度约370 m 的岩石段， 岩石的最高硬度为140 MPa ， 在这种地层扩孔极为困难， 目前在国内尚无先例。在施工过程中，岩石层与粘土层扩孔难易度相差很大， 容易在岩石和粘土段的结合面产生一定程度的沉降， 导致整个孔道产生台阶， 影响管道回拖。由于穿越距离较长， 管道的管径偏大， 并且穿越路由要通过淤泥层， 扩孔施工中很可能出现“抱杆”、塌孔等危险。

回拖易造成管道损坏：本工程管道定向钻穿越曲线长度达700m，如此长距离的管道回拖， 在国内外穿越史上尚无先例。主要存在的问题是， 回拖时， 管道长度很长， 自身的重量较大， 管道与孔壁之间的摩阻增大， 所需的拉力很大， 回拖过程易造成管道损坏。同时， 钻机基础可能出现滑移、失稳等现象。

三、定向钻穿越施工流程

1、 钻机设备的安装、调试、试钻

（1）钻机设备安装

钻机及配套设备就位：钻机就位完成后，进行系统连接、试运转，保证设备正常工作。检查定向钻机各连接管路、接头是否连接稳当。所有设备检查完后进行设备试运转。

（2）钻机设备调试

测量控向参数：根据设计入土点、出土点，严格按照控向系统调校程序进行调校。按操作规程标定控向参数，为保证数据准确，在中心线的五个不同位置测取，且每个位置至少测四次，进行对比，并做好记录。对所有钻杆进行测量编号，做好统计，为钻导向提供基础数据。

2、泥浆系统及用料准备

施工用淡水放入水罐，经沉淀过滤后利用;膨润土及必要的添加剂及时运到;调试泥浆搅拌系统，检查泥浆搅拌系统各搅拌仓是否工作正常;检查各连接管路是否有泥浆泄漏情况，发现问题及时解决;检查定向钻机各连接管路、接头是否连接稳当; 检查调试泥浆泵工作是否正常，泥浆泵压力表是否正常工作。

（1）泥浆配制及施工工程中的控制

泥浆的配制

泥浆配置在钻导向孔、预扩孔及回拖中采取不同的措施，除保证传统配比外，再按一定比例加大泥浆材料用量，从而达到提高泥浆粘度，保证孔壁。

强化各施工过程泥浆性能调整

斜孔段：泥浆的流动性能要好，结构性要强，保证钻屑携带和孔眼清洁;控制泥浆的失水，防止塌孔。需增大固壁剂、降失水剂剂量。

水平孔段：及时提高润滑剂剂量，适当降低粘度和切力，保证泥浆的流变性能良好，使钻屑顺利返出地面;增强泥浆的润滑性，减小钻机旋转及推进阻力。

扩孔段：提高泥浆的携带性能，提高泥浆的黏度、控制泥浆的密度，降低泥浆的失水率。

回拖段：提高泥浆的润滑性，降低摩擦阻力，增强携屑效果;需提高润滑剂剂量。

泥浆回收及处理

由于本工程泥浆的用量大，不但增加了泥浆的成本和征地成本，更严重的问题是穿越完成后废弃泥浆若不有效处理，污染农田和水源，将造成生态问题。随着人们环保意识的增强，泥浆回收再利用在本工程中必须采用。一方面减少泥浆用量，减少对环境的污染，减少废弃物的处理量;另一方面，由于回收泥浆属于“熟泥浆”，性能比较稳定，可减少因性能不稳定而出现的井下事故，保证穿越工程的顺利进行。

3、出入土点挖发送沟施工法

在钻机入土点挖设一个长 3m 的发送沟，用于储存孔洞内多余的泥浆， 便于泥浆收集。

在钻机出土点挖设一条长 20m 的斜坡，减少管道回拖时的摩擦阻力和顺直管道方便管道回拖。

钻导向孔：设备和仪器准备就绪，钻杆和钻头清扫完毕后进行试钻，启动控向仪器，信号电缆将产生交流磁信号，此时启动钻机并钻进，当钻进 1-2 根钻杆后检查各部位运行情况，各种参数正常后正常钻进。

导向钻进：结合使用控向系统和磁信号电缆1-3=1-1*9/10+2*9-7=3，将施工钻机沿着设计穿越曲线钻进，如果在钻进过程中钻进的力量增大可在入钻点处沿鉆进方向加钻杆定位管。利用钻机沿钻杆方向推入地下，采用手工焊接，定位管打入的长度视地层情况而定。使用定位管后，钻机的推力更容易向钻头传递，防止产生过多地侧向分力而导致的钻杆失稳，能够良好地克服地层的阻力，连续而又准确地完成导向动作。

导向控制：施工钻机的钻头在每完成一根钻杆后利用人工磁场产生的磁场检查穿越的方向和深度，判断是否符合轨迹要求。导向员和司钻密切配合1-3=1-1*9/10+2*9-7=3，利用采集的磁信号控制钻进方向，使之按穿越轨迹要求，逐步平缓钻进，直至导向出土，完成整个导向孔施工。在导向孔穿越过程中，为保证钻头在穿越地层中顺利的钻进，避免岩层坚硬出现卡钻现象。

导向孔曲线要求：定向钻施工应严格按《城镇燃气管道穿越工程技术规程》CJJ/T250-2016 执行， 定向钻钻进曲线应严格按照穿越施工规范和设计图纸曲线要求，其中导向孔实际曲线与设计曲线的偏差不应大于 1%。

导向孔曲线与设计曲线偏差控制措施：钻导向孔是定向钻穿越施工过程中重点控制的关键工序，导向孔质量的好坏直接影响钻机回拖时回拖扭矩与拉力的大小，因此，导向孔与设计穿越曲线是否重合是关系到管道最后回拖成功的关键。