复杂地层下定向钻穿越技术的探讨

1 工程概况

S306穿越项目是洋浦-马村成品油管道工程的线路部分，该项目位于海南省临高县博厚镇，穿越管道为管径Φ323.9×7.9（主管）+Φ114×6.4（光缆管），主管材质L360，设计压力为9.5MPa。设计输量为250×104t/a，起输量为180×104t/a，管道最大输送量为330×104t/a。全线采用密闭工艺顺序输送0#柴油、97#汽油、93#汽油、航空煤油4个品种。本定向穿越工程线路路由YM157-YM158穿越S306省道，原设计为顶管穿越，因S306省道改造，路面下降，因高差发生变化，无法完成顶管穿越，经业主、设计、监理单位同意，变更为定向钻穿越。

2 工程地质状况及难点分析

按照规范设计要求管道穿越层距路面垂直距离为7m，主要穿越层为风化玄武岩石层；根据地勘资料显示，本工程穿越地层为“汉堡包”状结构，即“黏土层——玄武岩石层——黏土层”。根据地勘资料和对周边地貌进行的调查显示：玄武岩石层多裂隙、碎块石，出入土造斜段的穿越的黏土层中则多漂石、孤石等。

该项目定向穿越施工的难点主要有：①穿越深度增大，造斜曲线增长，对后续施工和回拖有极为不利的影响，施工风险性高。②岩石层多裂隙和碎块石，易造成卡钻、卡管、孔洞坍塌、碎石对防护层的划伤等影响，施工难度大，风险性极高，极易造成定向钻施工的失败。③本穿越地层中“粘土层-玄武岩层-粘土层”地质结构极易在土石交接处形成“台阶”，即从入土到出土，施工机具将经历四道障碍，造成孔洞“缩颈”导致回拖卡管，造成施工失败。

3 技术方案的确定

针对以上地层状况和穿越要求，采取以下技术方案。

①由于穿越深度需要保证路面下7m，但路面下岩石层厚度为5m（地勘显示），岩石层下为黏土层（本穿越地层自上而下依次为：粘土层-玄武岩层-粘土层），按照原设计深度计算，在水平段后的出土造斜段的入岩角度为5度，根据以往施工经验，这一角度会造成钻头沿岩石面的水平方向滑移，无法顺利进入岩石层即无法顺利出土造斜，为保证导向钻头能顺利的自粘土层进入岩石层，需要在进入岩石层时有较大的入岩角度（加大顶推的竖向力，预防钻头沿岩石层面滑移），根据经验，本项目采用8度入岩角度，由此计算的导向深度比设计深度需增加3m（实际增加为4.2m），曲线长度也比设计需要延长。

②在施工过程中，通过加大泥浆粘度、调整添加剂的用量来保证孔洞的的稳定、增强携渣清空能力和回拖时的润滑度来保证施工的顺利完成。

③在正常的扩孔完成后，使用三个扩孔器串联在一起进行修孔、洗孔施工，借助于三个扩孔器相互的校正作用对“台阶”进行修正和切削，以使孔洞平顺，减小“台阶”造成的“缩颈”影响，以便于顺利回拖。

4 定向钻穿越工序

4.1 施工前准备

①出、入土点选择。

出入土点选择见穿越平面图1。

②穿越底层选择。

按照规范设计要求管道穿越层距路面垂直距离为7m，穿越层为风化玄武岩石层，岩石多裂隙碎块。

③穿越曲线设计。

穿越管段的出、入土角应根据穿越地形、地质条件和穿越管径的大小确定，入土角控制在12°，出土角控制在8°。穿越管段的曲率半径以1500D为宜（D为穿越管段外径）。

④钻机选型。

钻机设备的能力按设计穿越长度计算，故对穿越长度为281m的穿越进行钻机回拖力核算。

根据国内以往的施工经验，一般设计时取回拖力的值为计算回拖力的1.5～3倍，本工程取2倍的安全系数，设计回拖力取值为不小于294kN，即选取回拖力大于294kN的钻机即可进行本次穿越。

本穿越工程安排施工钻机为68T，最大回拖力为680kN，满足施工需要。

⑤光缆穿越。

本工程与管道同沟敷设有一条通信硅管。在定向钻穿越河流时，为保证通信光缆顺利、安全通过，光缆采用加套管进行穿越，光缆在套管内通过。光缆套管采用Ф114×6.4 20#无缝钢管，3PE防腐层。本次穿越硅管与线路一同采用定向钻穿越。

4.2 定向钻穿越

4.2.1 定向钻施工工艺流程

使用水平定向钻机进行管线穿越施工，一般分为二个阶段：第一阶段是按照设计曲线尽可能准确的钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔，并将产品管线沿着扩大了的导向孔回拖到导向孔中，完成管线穿越工作。

4.2.2 钻导向孔

①制定详细周密的导向计划，曲线半径要大于钢管的弯曲半径。经计算，管道穿越管段曲率半径以1500D为宜（D为穿越段管道外径）。

②把好控向关。在导向孔钻进过程中使用无线控向系统，在出入土两侧和沿途做好标记，每根钻杆至少要测量一次数据以保证在整个控向过程中及时纠偏，从而达到曲线要求。

③导向孔钻进精度目标：导向孔曲线与设计曲线的偏移差半径不大于0.3m；出土点沿设计曲线应不大于0.3m，最大不超过0.5m；横向偏差应不大于0.3m，最大0.5m。

④导向施工周期：2015/1/15—2015/1/19，长度300m。

4.3 分级扩孔

因管道穿越段有黏土层和玄武岩石层，所以根据穿越管线的管径大小（Φ323.9×7.9 mm）选用了Φ400 mm、Φ500 mm和Φ600 mm三种回扩器对导向孔进行三级反向扩孔，既各回扩器各扩孔一次。每一级扩孔采用均匀旋转回拉和高压水射流相结合的方法，这样既能保证扩孔壁的厚度，又能排除过多的泥土；既能达到顺利拉管的目的，又能保证穿越之后被挤压的泥土在应力作用下自然回弹，使孔内不留下孔隙，地面不发生沉降。

①扩孔的具体操作顺序如下：

导向孔施工完成→Φ400 mm扩孔器扩孔→Φ500 mm扩孔器扩孔→Φ600 mm扩孔器扩孔。

在实际施工时，可以根据施工现场的情况酌情增加扩孔的次数，但必须满足工程技术规范的要求。

②回扩钻孔时流量计算与速率控制。

回扩钻孔时，泥浆流量的大小是保证钻头在孔内充分破碎地层和排屑的前提，在计算时考虑钻孔的大小，回扩头的直径，回扩的速度来控制，在钻进过程中，泥浆流量与钻进速率成正比。

③钻孔回扩时的泥浆控制。

在回扩钻进是时钻孔内泥浆的返流情况一直我们应注意的问题，泥浆返流是反映钻孔内成孔与清淤的好坏的唯一标准，回扩时我们应注意以下几点：

1）在配制泥浆时，一定要按照泥浆的指标进行配制，并派专人进行监管。

2）返出的泥浆要及时排出，保障孔内泥浆的流出通道，并且及时清理流动过程中的淤泥。

3）在钻进过程中，不断根据钻孔中泥浆的返流情况来确定泥浆量的大小，避免在钻进过程中出现液压锁。

4.4 扩孔周期：2015/1/20-2015/2/1

4.5 修孔、洗孔施工

因管道穿越段有黏土层和玄武岩石层，且属于“汉堡包”层状结构，易出现交接出的“台阶”现象，为减小“台阶”对孔洞的影响，便于顺利回拖，本工程在三级扩孔完成后，根据需要增加了修孔和洗孔施工。修孔使用的扩孔直径分别为Φ500 mm、Φ600 mm和Φ600 mm，将此三个扩孔器进行连接，扩孔器之间使用钻铤或连接短截加长连接，间距分别为2.5m、 3.5m，三个串联扩孔器总长达8m。如图3所示。

利用扩孔器之间的相互校正作用对孔洞中可能出现的“台阶”、“探头石”等影响孔洞直径的地方进行修正和清理。修孔过程中采用均匀旋转回拉和高压水射流相结合的方法，这样既能保证孔洞平顺光滑、扩孔壁的厚度，又能排除过多的泥土；既能达到顺利拉管的目的，又能保证穿越之后被挤压的泥土在应力作用下自然回弹，使孔内不留下孔隙，地面不发生沉降

4.6 主管线预制

①在预制场上进行穿越管段预制，用外对口器组对，焊条手工电弧焊焊接工艺。穿越段管道的组焊要求与主线路管道焊接工艺相同。

②焊接完成后，应立即联系检测单位进行100%的超声波探伤和100%射线探伤检查，无损检测标准与主线路相同。

4.7 主管线单体试压

按照设计文件及施工标准规范的要求，穿越管段应进行单体试压。

①穿越段强度试验压力为1.5倍设计压力，即14.25MPa，稳压时间4h，以无异常变形、无泄漏为合格；严密性试验压力为1.1倍设计压力，即10.45MPa，稳压时间24h，以压降不大于1%试验压力值，且不大于0.1MPa为合格；介质为无腐蚀性的清洁水。

②管道试压完成后，按施工技术要求进行补口、补伤，防腐层经15kV电火花检验合格后方可进行主管道的回拖作业。

③在定向钻穿越施工完成后，应再进行一次严密性试压，以压降不大于1%试验压力值，且不大于0.1MPa为合格。经检查试压合格后，用海绵球推出管内的水，撤除试压设施。

4.8 管线回拖

①管线回拖应在扩孔结束后立即进行，防止孔内陆层发生松动而产生塌孔。在扩孔完成后，在出土点依次尽快将钻杆、Φ600mm扩孔器、分动器和焊接好的循环水管道上的回拖头连接好，开始进行回拖施工。

②出土侧需开挖发送沟，管线回拖时，需用挖机和钻机配合，将管线吊起并向前推进，以保护防腐层和减少回拖力。

③一切准备工作就绪后开始回拖，回拖时应一气呵成，中间不得长时间停顿，直至成品管线拖至预定位置为止。

④管线回拖前要仔细检查各连接部位的牢固。为保证回拖的顺利将采取以下措施：

连管回拖前，保证预制管线（至少出土点附近的200米管线）和穿越轴线的一致性，减少管线进入孔洞时的侧向摩擦力，确保防腐层完好进入孔洞。管道放置在装有土的麻袋上，离地0.4m，在麻袋上涂上润滑油（黄油等），以减小管线底部与地面的摩擦力。

⑤在回拖过程中即要控制回拖速度，又要严密观察出土点和入土点的出浆情况，以确保顺利回拖。将管线回拉到预定位置后，卸下扩孔器及分动器，取出剩余钻杆，穿越工程完成。

⑥在回拖过程中所用的泥浆液应适当减小其粘度，以减小对管材的浮力，流量不变；对孔内返出的泥浆应及时清理，以减小泥浆返出时的阻力，出、入土点的泥浆应始终保持在洞口；管线回拖时的速率与泥浆流量和最后一遍扩孔时的速率及流量一致；施工时应准确计算钻杆长度，确保回拖后的管线两端均在设计所规定的范围内。

5 施工结果

S306定向钻施工的各项作业均按施工计划和措施有效进行，回拖拉力在150-180kN之间，在2015年2月4日顺利完成回拖施工。

6 结论

本项目中采用的施工综合技术在穿越多重土石结合层、大粒径碎石堆积层中，成功解决了该类复杂土层中穿越常遇到的钻进、回拖困难、卡管和塌孔等问题。该技术的成功应用拓宽了水平定向钻穿越施工技术的应用领域，可为今后应用水平定向钻穿越台阶状地层及大粒径碎石层施工提供借鉴。