水平定向鉆在穿越水陽江工程中的應(yīng)用

中石化管道儲運公司華東管道設(shè)計研究院 胡登輝

0 工程概況

水陽江，長江下游著名支流之一，由西津河、中津河、東津河三源合流后形成，在江蘇省當涂縣金大村入長江。全長254 km，屬雨性河流，水位、流量隨降雨量變化而變化。流域面積10 300 km2，平均流量180 m3/s，上游山地，下游平原，總落差503 m.

川氣東送管道主干線在宣城市宣州區(qū)境內(nèi)由定向鉆穿越水陽江。施工期間江面寬180～300 m ，水深2.0～5.0 m，河床質(zhì)為卵石；河道中有較多心灘，心灘多呈狹窄條狀，均為人工采砂取石堆積而成；施工地點屬水陽江下游沖積地帶，地形較平坦。根據(jù)地質(zhì)報告，穿越地層自上而下為沖積粉質(zhì)粘土(厚6.0～6.4 m)、砂土(厚2.3～5.8 m)、砂夾70～75%卵石(厚4.8～8.8 m，粒徑2～10 cm)、粘土夾卵石層(厚3.2～5.0 m，粒徑2～3 cm)、白堊系泥質(zhì)粉砂風化巖(厚度 5.0～35.4 m)。水陽江定向鉆水平穿越長度為958.86 m，入土角為10°、出土角為7°、最小曲率半徑R=1 500DN。西岸防洪堤距水涯約150 m，東岸防洪堤距水涯約310 m，西岸入土端和東岸出土端地形較開闊，施工條件較好。定向鉆機采用中國華元2003年生產(chǎn)的HY—3000型鉆機和2005年生產(chǎn)的HY—2000型及HY—1300型水平定向鉆機。拖拉力為3 100 kN的HY—3000型鉆機用于管道回拖；HY—2000型及HY—1300型水平定向鉆機用于入、出土端的鉆孔和擴孔。穿越段主干線管徑為1 016 mm，管壁厚26.2 mm，材質(zhì)為X70，設(shè)計工作壓力10 MPa，高溫型三層PE加強級防腐，雙組分液體環(huán)氧內(nèi)減阻涂層。光纜管穿越長度同主管線相同，管徑D114×6.3 mm，壁厚6.3 mm，材質(zhì)為X20。光纜線路敷設(shè)于輸氣管線介質(zhì)流向的右側(cè)，與主管線定向鉆凈距離20 m。

1 定向鉆穿越計算公式

在水平定向鉆穿越施工中，導(dǎo)向孔曲率半徑是重要的設(shè)計參數(shù)之一，在穿越中對管道焊縫應(yīng)力影響很大。依據(jù)設(shè)計要求及施工經(jīng)驗確定曲率半徑是當前管道穿越工程常用的方法。在進行導(dǎo)向孔設(shè)計時，一般采用經(jīng)驗公式計算定向鉆穿越所需的最小曲率半徑。

在穿越過程中選擇最優(yōu)的泥漿壓力是工程順利施工的保證。根據(jù)穿越過程中泥漿作用原理、泥漿特性及地層影響，給出了定向鉆穿越工程最小需要泥漿壓力和最大允許泥漿壓力的計算方法。

1.1 最小需要泥漿壓力

在定向鉆施工過程中，需要一定的泥漿壓力攜帶孔內(nèi)泥流及鉆屑物。泥漿在導(dǎo)向孔環(huán)向空間內(nèi)循環(huán)流動的門限壓力值稱為最小需要泥漿壓力。在鉆孔過程中，鉆頭所處位置一般低于泥漿排出口。因此，首先須克服高度差影響產(chǎn)生的靜壓力p1。根據(jù)流體力學理論，靜壓力由泥漿單位重度與泥漿循環(huán)流動的垂直距離確定，其公式為：

式中：p1—靜壓力，kN/m2；

γ—為泥漿重度，kN/m3；

h—為鉆頭與泥漿排出口的高度差，m。在不同的施工階段(鉆孔、擴孔、回拖)，泥漿流變性是泥漿變化的一個重要特征。泥漿發(fā)生循環(huán)流動必須克服初始剪切阻力。泥漿在導(dǎo)向孔內(nèi)流經(jīng)環(huán)向空間(鉆桿或管道與孔壁之間的空間)所需的流動壓力與環(huán)空體的大小、泥漿流動特性和流速有關(guān)。由流變學理論可以得到維持泥漿在導(dǎo)向孔內(nèi)流動所需壓力p2的計算公式為：

式中：p2—泥漿流動所需壓力，kN/m2；

(dp/dz)—單位長度導(dǎo)向孔的流動摩擦阻力，kN/m3；

Lm—為泥漿流經(jīng)的距離，m。

鉆孔過程中最小泥漿壓力為：

式中：pZL—入土點需要的最小泥漿壓力，kPa；

PZr—出土點需要的最小泥漿壓力，kPa；

LL—鉆孔與入土點之間的導(dǎo)向孔長度，m；

L—導(dǎo)向孔總長度，m；

(dp/dz)z—鉆孔過程單位長度的流動摩擦阻力，kN/m3。

1.2 最大允許泥漿壓力

在實際工程中，經(jīng)常發(fā)生使用高壓泥漿而產(chǎn)生泥漿泄漏及孔壁漏塌問題。根據(jù)空腔膨脹理論，導(dǎo)向孔內(nèi)泥漿壓力存在臨界值，超過該值，孔壁就會變得不穩(wěn)定，即要保持土壤內(nèi)洞腔持續(xù)不變的最高泥漿壓力值。因此，在理論上，導(dǎo)向孔內(nèi)的泥漿壓力必定有一個上限值，即最大允許泥漿壓力。

在導(dǎo)向孔施工完成后，泥漿壓力會施加到孔壁土壤上，當泥漿壓力達到一定值時，靠近導(dǎo)向孔的土壤就會發(fā)生塑性變形，處于塑性狀態(tài)的土體在孔壁周圍形成一個塑性圈，塑性區(qū)以外的土體則處于彈性狀態(tài)。當壓力繼續(xù)增大直至超過這個值，發(fā)生塑性變形的土壤區(qū)域進一步擴大，當塑性變形區(qū)域達到一定范圍時，就會發(fā)生導(dǎo)向孔漏塌現(xiàn)象。

為了預(yù)防靠近鉆孔的土壤區(qū)域漏塌或損壞，必須將孔洞附近的塑性土壤區(qū)域穩(wěn)定在安全范圍。最大允許泥漿壓力與土層特性有關(guān)，水平定向鉆穿越不排水土層時的最大允許泥漿壓力計算公式(略)。

1.3 管道回拖計算公式

在定向鉆穿越實際施工中，定向鉆回拖最大摩擦阻力經(jīng)驗公式為：

其中：Fv=ρ2Vg

式中：Fv—浮力，kN；

ρ2—泥漿密度，kN/m3；

G—穿越管道總重量，kN；

S—管道表面積，m2；

μ2和μ3—分別為系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)條件不同，一般為0.1～0.3和0.01～0.03；

V—排水體積，m3。

在管道回拖過程中，回拖載荷與管道的摩擦阻力、流體阻力和管道靜重都有關(guān)?；赝蠒r鉆機作用于管道的拉力主要克服管道與地表面摩擦阻力、孔道內(nèi)壁的摩擦阻力、鉆孔泥漿阻力和通過彎曲段時管道變形的阻力。按照管道回拖的路徑，回拖過程的摩擦阻力可由3部分組成，即留在導(dǎo)向孔外管道與滾輪架的阻力T1、導(dǎo)向孔平孔段摩擦阻力T2和導(dǎo)向孔彎曲段摩擦阻力T3，即回拖過程的摩擦阻力為：

其中：T1＝f f1L1g

T2＝f L2(πD0f2﹢gefff3)T3＝T3a﹢T3b﹢T3cT3a＝2πqrf f3D0/λ T3b＝gtf f3LB

T3c＝πf f2LBD0

式中：f—負荷系數(shù)；

L1—留在地面上管道滾輪架的長度，m；

g—充滿水的管道重度，kN/m；

f1—滾輪架與管道之間的摩擦因數(shù)；

L2—導(dǎo)向孔右端管道長度，m；D0為管道外徑，m；

f2—泥漿與管道壁表面的剪切阻力，N/mm2；

f3—導(dǎo)向孔壁與管道間的摩擦因數(shù)；

geff—管道有效單位長度，m；

qr—土壤反力，表示為：

其中：λ表示管道土壤的剛度特性，其表達式為：

式中：kv—最大垂直基床反力系數(shù)，kN/m3；fkv—垂直基床反力系數(shù)的安全因子；

EIb—管道的抗彎剛度，kN/m2。

gt—導(dǎo)向孔彎曲產(chǎn)生的力，其表達式為：

其中：LB—管道彎曲段長度，表示為：

式中：R—管道曲率半徑，m；

φ—內(nèi)摩擦角，°。

2 水陽江定向鉆穿越計算實例

2.1 水陽江管道定向鉆穿越方案

水陽江管道定向鉆穿越工程具有穿越曲線超長、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點，其主要難點為穿越路徑地質(zhì)條件復(fù)雜，需兩次穿越卵石層。為了防止卵石層塌孔，入、出土點采取頂進套管的方案穿過卵石層，保證鉆導(dǎo)向孔、擴孔和回拖的順利進行。入土點需頂入73.52 m，出土點需頂入74.76 m，套管直徑為1 440×20 mm。采用套管鉆機，最大頂進力可達8 000 kN。

使用 DG—800型套管鉆機分別在入土段和出土段頂入外徑為1 440 mm的鋼套管穿透卵石層，如圖1所示。

圖1 卵石層頂入套管施工

施工時，先由頂管機將第一節(jié)套管按預(yù)定角度頂入地下，頂進一個行程后，油缸縮回，在頂管機上安裝管節(jié)，接著將套管向地下頂入，依次循環(huán)，直至將第一節(jié)套管全部頂入地下。然后，安裝第二節(jié)套管，第二節(jié)套管與第一節(jié)套管之間采用焊接的方式連接。

隨著套管的頂入，利用鉆機驅(qū)動“絞龍”，取出套管內(nèi)的粘土、卵石等鉆屑。直至套管達到預(yù)定安裝位置。如圖2所示。

圖2 套管內(nèi)的粘土和卵石等鉆屑排出方法

2.2 泥漿工藝設(shè)計

泥漿室內(nèi)試驗主要為解決穿越過程中，河水配漿，巖屑攜帶，巖屑懸浮，保護孔壁，防止漏、塌、卡以及潤滑等問題。選擇最佳泥漿體系，確保穿越工程安全順利進行，選擇最佳處理方案，使泥漿成本控制在低限；泥漿性能參數(shù)如表1所示。

表1 水陽江穿越工程泥漿參數(shù)

大口徑穿越由于沿程的地質(zhì)構(gòu)造軟硬不均勻，易造成預(yù)擴孔偏移，使穿越曲線成波浪形，這種偏移和波浪對管道順利回拖非常有害。采取的主要措施是選擇合理的鉆具和鉆具組合及優(yōu)良的泥漿，是穿越成功的重要保證，它不但要穩(wěn)定井壁，有效清除巖屑床減少和避免卡鉆，還需對孔眼和管道起到高效的潤滑作用以減少扭轉(zhuǎn)阻力和軸向阻力。在泥漿配比中：一是加入固壁劑，封堵劑增加濾餅的強度與韌性，穩(wěn)固孔眼；二是加入無毒害的植物油類潤滑劑降低摩擦阻力；三是控制泥漿壓力，減少泥漿總量，降低成本減少污染；四是加大排量，提高環(huán)空泥漿軸向流速；五是控制鉆進速度，降低環(huán)空顆粒濃度。

2.3 鉆導(dǎo)向孔

鉆具的連接：主、輔鉆機→鉆桿→動力鉆→牙輪鉆頭。

主管道在入、出土段采用兩臺鉆機通過頂進卵石層對套管對鉆導(dǎo)向孔，最終以輔助鉆頭引導(dǎo)主鉆頭的方式使之從出土段套管中鉆出。輔鉆機在入土點向出土點鉆進，到達水平段后等待與出土點的主鉆機向入土點鉆進的鉆頭對接，對接過程中產(chǎn)生的偏差由主鉆機進行調(diào)整消除。偏差的測量主要是依據(jù)兩鉆機的導(dǎo)向傳感器相對測得的，根據(jù)傳感器測量的參數(shù)，計算出偏差的方位和兩鉆桿的相對距離，逐漸調(diào)整，消除偏差，達到兩鉆頭對接的目的。對接后，輔鉆機后退，主鉆機沿輔鉆機的導(dǎo)向孔鉆進。邊鉆邊檢測鉆機的參數(shù)，保證主鉆機鉆頭在輔鉆機的導(dǎo)向孔內(nèi)。輔鉆機邊退，主鉆機邊進，最終主鉆機的鉆桿到達入土點完成導(dǎo)向孔的鉆進過程。

光纜在入、出土層卵石層頂進D529×10 mm鋼套管，出、入土兩側(cè)對鉆，導(dǎo)向孔地下對接，整個施工工藝完全與工藝管道的穿越相同。

2.4 預(yù)擴孔

鉆具連接：鉆桿→麻花鉆挺→巖石擴孔器→旋轉(zhuǎn)接頭→鉆桿。

管道穿越主要經(jīng)過中風化地層，該地層為紫紅色粉砂質(zhì)泥巖，巖體完好性較好，裂隙中等發(fā)育，巖芯多呈小于25 cm的短柱狀，巖石強度相對較高。為提高擴孔效率，降低卡、斷鉆風險，采用雙鉆機同步擴孔的施工工藝。即主鉆機在入土點正轉(zhuǎn)，拉動擴孔器前進；輔鉆機在出土點反轉(zhuǎn)，與主鉆機一同扭動擴孔器，同時推動鉆桿前進。如圖3所示。

圖3 雙鉆機同步擴孔施工工藝示意

為了增大環(huán)形空間的有效尺寸，減小回拖拉力，以確?；赝铣晒?，采取 10次預(yù)擴孔：分別采用D400～D1 300 mm巖石擴孔器擴孔，每次擴孔直徑增100 mm，第11次采用D1 200 mm巖石擴孔器洗孔，最終管線回拖的環(huán)型空間達到D1 300 mm，完成擴孔作業(yè)后采用D1 200 mm擴孔器帶工作管線進行回拖?，F(xiàn)場對每級擴孔參數(shù)做詳細記錄，并根據(jù)實際情況對擴孔級數(shù)等做相應(yīng)的調(diào)整。

2.5 管線的回拖

鉆具連接：鉆桿→麻花鉆挺→擴孔器→旋轉(zhuǎn)接頭→U形環(huán)→工作管線。

預(yù)擴孔完畢后要進行管線回拖。確保管線順利回拖：在回拖前要仔細檢查擴孔器的各通道及泥漿噴嘴是否暢通；在管線回拖過程中要根據(jù)鉆機顯示回拖力的大小控制好回拖的速度；根據(jù)管線回拖過程中地質(zhì)變化情況配比合理的泥漿。為了防止管線回拖過程中劃傷防腐層，將回拖管線置于發(fā)送溝內(nèi)，根據(jù)出土角和主管線的埋深，在工作管線入土點前端按一定比例放坡挖一條發(fā)送溝，清除發(fā)送溝內(nèi)硬物，以避免劃傷管道防腐層，并降低回拖拉力。在確認各項工序達到設(shè)計要求時開始回拖。

水陽江穿越工程所需的最大回拖拉力見表2。

表2 水陽江穿越工程穿越長度和最大回拖拉力

從表中可以看出；經(jīng)驗公式計算的最大摩擦阻力要小于實際測得的最大回拖拉力。這是由于在經(jīng)驗公式的工程計算中沒有考慮導(dǎo)向孔彎曲對管道回拖的阻力影響，但由于實際工程的復(fù)雜性以及回拖速度等因素的影響，導(dǎo)致理論值比實測值偏小。

2.6 最小泥漿壓力

水陽江穿越工程在不同穿越過程的最小需要泥漿壓力見表3。

表3 水陽江穿越工程最小泥漿壓力單位：kPa

在穿越工程實際鉆孔施工中，泥漿正常供應(yīng)壓力大于最小泥漿壓力，輸氣管道選擇1.9 MPa，光纜管選擇1.6 MPa.

通過采用入、出土點頂進套管穿過卵石層，主、輔鉆機對接鉆進導(dǎo)向孔，十次預(yù)擴孔的方案，以及科學合理選擇鉆進參數(shù)，實現(xiàn)了962.67 m管道回拖一次成功，施工周期縮減了5個月，大大減少了施工風險、施工設(shè)備和人員成本。

3 結(jié)論

(1)定向鉆穿越是一種高風險性的工程，所以在整個穿越施工過程中，必須保證每個環(huán)節(jié)的安全性，任何小的失誤都可能帶來嚴重的后果。對管道長、管徑大、管壁厚、地質(zhì)差的穿越工程，施工過程中可能會出現(xiàn)卡鉆、斷鉆、抱鉆和漂鉆及回拖阻力過大等風險，對此，結(jié)合工程選擇最佳方案和科學合理選擇鉆進參數(shù)是成功穿越的基本保證。

(2)導(dǎo)向孔是穿越設(shè)計路徑地下成孔貫通的基礎(chǔ)，在進行導(dǎo)向孔作業(yè)中，嚴格控制曲率半徑，及時回抽調(diào)整超調(diào)，確保穿越曲線的平滑穩(wěn)定和成孔質(zhì)量，是后續(xù)擴孔和回拖工序順利進行的根本保障。

(3)擴孔是決定管道回拖成敗的關(guān)鍵，在擴孔過程中根據(jù)導(dǎo)向孔作業(yè)經(jīng)驗，結(jié)合擴孔過程中拉力、扭矩等基礎(chǔ)參數(shù)，相應(yīng)的調(diào)節(jié)擴孔速度，防止由于擴孔速度太慢造成的塌孔、抱鉆等情況的發(fā)生，避免由于擴孔速度太快造成洞內(nèi)泥漿缺失、孔形不好。

(4)管道回拖是定向鉆穿越最后一步。在管線回拖過程中要求控制好回拖速度，使拉力、扭矩、泥漿等相關(guān)參數(shù)達到最好的結(jié)合點。

(5)泥漿是定向鉆穿越的血液。確保泥漿的粘稠適度、壓力合理、排量充足，實現(xiàn)孔內(nèi)巖屑攜帶懸浮、護壁潤滑；起到定向鉆在鉆孔、擴孔和回拖穿越過程中新陳代謝的作用。