水平定向钻穿越施工及风险管控路径研究

水平定向钻穿越施工及风险管控路径研究

黄海亭

中国电建集团湖北工程有限公司 湖北省武汉市 430000

摘要：近年来，我国的工程建设越来越多，工程的施工水平也在不断提升。水平定向钻穿越施工属于非开挖项目，可以在保护环境和不破坏原本地貌的基础上进行施工。论文通过分析水平定向钻穿越施工的内容，探究穿越施工的实际风险管控途径，优化施工质量，提升施工安全性。

关键词：水平定向钻；穿越施工；风险管控

引言

水平定向钻法是常见的非开挖管道施工方法之一。该方法具有施工速度快、精度高，可最大限度地降低对地面的影响等优点，目前已广泛应用于石油、燃气、电力等不同的专业领域。随着我国施工技术的不断发展，国内定向钻穿越纪录也在不断刷新，主要体现在管道的口径尺寸以及定向钻穿越距离等。目前，水平定向钻施工及验收尚无统一的国家标准。随着管道口径及穿越距离的不断扩大，以及受管道穿越的地质条件复杂程度等影响，水平定向钻穿越施工面临较大的安全风险。因此，对大口径长距离水平定向钻穿越项目施工安全进行风险评价与管理十分必要。

一、施工工艺

地质勘探→下管线探测→穿越轨迹设计→钻机选型→泥浆配制→导向施工（先导孔钻进）→回扩施工(扩孔钻进)→管道回拖→沉降处理

二、设计及施工常见的问题

（一）设计问题。设计过程中的风险因素主要来源于方案的科学性、技术的准确性、资料的全面性。因此，在水平定向钻穿越施工时，需要保证资料的准确性，科学选择防腐材料和管材，明确泥浆类型和配比。结合DBJ13-102—2008《水平定向钻进管线铺设工程技术规程》、CECS382—2014《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》等标准科学选择最佳设计方案。

（二） 在定向钻铺管施工过程中，经常发生一些生产事故，给施工单位、建设单位及业主带来严重的经济损失。

1、钻杆方面

1) 钻杆丝扣扭损

钻杆的倾角远大于了钻机塔架的倾角，加钻杆时由于两根钻杆的夹角不同，丝扣不能对正，斜着往上拧，丝扣严重受损；

2）钻杆磨损

定期对钻杆进行检查，如磨损，钻杆损伤、严重弯曲等，并做相应标记，

3）擅自加大动力头丝锥强度

动力头丝锥强度提高，那薄弱环节就不在该处而在孔内的钻杆上了，动力头丝锥保住了，却把孔中的钻杆扭断了

2、导向方面

导向工作是定向钻铺管中的一个重点。虽然从施工流程来看只是一个施工环节，但是整个工程从扩孔、清孔、拖管都无一不受导向轨迹的影响。所以事先要计划好所需的轨迹数值，使整个轨迹尽量形成一条平滑的曲线，不宜猛纠硬调。

3、拖管中断

拖管时由于客观原因限制，中途需要停顿，这时要隔一段时间向孔中送一次冲洗液，不能使孔内壁的残留钻屑失水后抱死管材。

4、钻机的固定方面

回拉管材时，钻机是不能移动的，而回拖管径较大时，钻机的自重无法与铺管的回拉力相抗衡，因此钻机必须用地锚固定住。如果回拉力很大，在必要情况下，采用钢丝绳套住钻机大梁，然后埋后地锚将钻机拉住。

5、钻具方面

扩孔器与分动器连接处有起固定作用的螺母，螺母一端专门设有插销孔，组装钻具时必须在插销孔中穿入铁丝作为插销，以防止螺母在回拉铺管过程中松动脱落。 U形环属易损件，U形环上的固定螺母要用扳手拧紧，并且要插上插销，防止松动脱落。

上述两处是很容易被忽略的，要特别引起重视，否则可能会造成严重的事故导致拉管失败。

6、扩孔方面

扩孔施工可以将钻进液、钻屑相互融合，拓展施工空间、降低钻进阻力，便于后续管道回拖工作的开展。依据穿越施工的地质、管径、阻力等因素确定扩孔的孔径、次数，确保穿越管径和孔径的协调性。建议每次扩孔时，增加100~150mm的直径，科学选择扩孔器。

（1）孔内的清洁状况

如果没有清孔或清孔不彻底，拉管时会带出大量的残余泥土，影响施工场地，并且会大大增加拉管的回拖阻力。拉管时，拉力和扭矩都会很大，必须再次清孔，直到孔内残留物较少为止，然后才能进行回拉铺管作业。清孔时，用挤压式扩孔钻头，操作钻机慢拉快转。利用扩孔器的结构形状使钻孔得到径向挤密，既能形成完好的孔壁，也对孔壁有一定的保护和巩固作用，多余的土体被挤压或拉出孔外。

（2）孔内的畅通情况

如果没有返浆现象，可能会导致拉管失败，要分析实际原因。如果孔内不畅通，泥浆中水也漏失，则剩下钻屑越积越厚，管线易被“抱住”，给拉管造成很大的阻力。一般是开始返浆发生在尾部，当回拉到只剩下三四根钻杆时，前面才会出现返浆。在砂层中拉管，返浆中携带有大量残存的砂粒等钻屑冒出。而在粘土层中，返回的泥浆比原冲洗液泥浆更浓。

7、泥浆方面

（1）铺管过程中孔内要始终充满足够的泥浆。

泥浆不仅可以保持孔壁稳定，防止坍塌，还可以对铺管起到很好的润滑作用，大大减小管线与孔壁之间的摩擦阻力。

（2）关于泥浆的配比

非开挖泥浆的PH值一般应该保持在9～11。根据砂层、粘土层等各种不同的土层情况，应采用不同的配合比。

8、塌孔

（1）塌孔的原因

地质因素：非开挖施工在不稳定地层中施工时，当泥浆压力不能平衡地层压力时，就会发生塌孔。土层被钻具钻开时，孔壁被挤压产生的应力与泥浆液柱压力产生压差，当压差大于岩土屈服强度时就会产生剥落、塌孔，泥浆侵泡下这些现象会更加严重。

物理因素：扩孔速度过快，泥浆泵压力过大，钻孔内泥浆压力骤增；导向孔曲率半径过小，钻杆或扩孔器旋转挤压孔壁，带动泥浆冲蚀孔壁；导向孔上部地层漏失，层压力释放，孔内泥浆液柱压力降低，导致塌孔。

（2）塌孔的预防

塌孔的预防措施应首先满足两个条件：泥浆液柱压力大于等于岩土孔隙压力；尽量减少水渗入岩土或孔壁四周的水渗入。

对于地质因素造成的塌孔预防措施有：

1）增大泥浆密度，提高泥浆液柱压力以平衡地层压力；2）使用较大动塑比值的泥浆来保护孔壁。

对于物理因素造成的塌孔预防措施有：

1）开关泵避免过快，让钻杆尽量保持在恒定张力下工作，以避免液柱压力骤增以及钻具对孔壁的猛烈撞击。

2）根据地下障碍物分布情况做好钻孔轨迹设计和扩孔程序，以避免因导向孔曲率过大引起的钻具回转挤压孔壁；

3）合理控制泥浆密度和流变性能，使泥浆具有一定的液柱压力，保持泥浆的低返速，呈平板流型的状态。

4）提高钻进速度，减少泥浆侵泡冲蚀的时间，同时保持泥浆均匀、性能稳定，严禁出现泥浆性能大幅度变化的情况。

5）塌孔应急处理当塌孔不严重时，适当增大泥浆的密度，将增大的泥浆注满孔道，分析塌孔原因，制定处理意见及后续施工方案，得到许可后方可继续施工。当塌孔情况较为严重时，首先将高粘度泥浆（100s以上）注满孔道，立刻停止施工，封闭孔口，并上报有关部门，制定后续处理方案。

为了避免塌孔事故，对路面造成损坏，在非开挖施工前应做好以下几点：

1）施工点地层地质详细勘察；2）优化设计导向轨迹；3）针对地层科学配制泥浆；4）合理选择钻机、钻具；5）耐心操作，精心施工。

9、地面沉降

PE管道拉通后，为避免地面沉降，需要进行注浆加固。移动拉管机到接收坑，和Φ25钢管连接并回拽。每拽入6.0m，把钢管和拉管机的连接取消，并换成和高压注浆泵连接。注入1：1水泥、粉煤灰浆液（0.4Mpa），从而置换触变泥浆，补充PE管周围的空隙。然后反复进行直至把钢管全部拉出接收坑。

在注浆施工时应注意：

（1）根据实际情况每3～6m注浆一次，注浆时尽量保持不要间断。（2）当花钢管拖入地面时一定要用堵头堵死，防止浆液从花管前端流出。

结语

综上所述，鉴于水平定向钻施工对于边坡稳定性的影响因素种类非常多，且各因素之间的作用关系也是极为复杂，因此，有必要在施工过程中熟练掌握水平定向钻施工工艺，基于施工标准灵活选择该技术，缩减项目施工任务量，避免管道被周围土质环境干扰，防止管道变形，降低项目施工过程中安全事故的发生率。

参考文献

［1］陈杨，费晓炜，赵涛，等.德胜河定向钻穿越燃气管道施工风险控制［J］.城市燃气，2019(1):20-27.