水平定向钻跨河技术的应用现状与发展研究_巴万铭.pdf

Construction&DesignForProject工程建设与设计1引言水平定向钻技术提高了施工的进度和精度，降低了施工成本。基本原理是：根据设计穿越的轨迹曲线，采用安装于地表的设备钻导向孔，然后从孔洞另一侧进行扩孔作业，根据地质条件和管径的不同，合理采用扩孔方案。如今，不仅应用在管道施工方面，而且在地质勘探和资源开采，以及水库的除险加固工程中都有应用。本文总结了新的施工技术和设备，对以往水平定向钻穿越的一些案例的施工难点和解决方案进行了剖析，分析了施工中面临的风险因素，并根据不同的施工阶段，提出了风险控制的措施。2施工技术方面1）扩孔技术。（1）从传统的扩孔技术，发展到正向扩孔技术。传统的扩孔技术是采用从出土点到入土点逐级扩孔，而正向扩孔是采用从入土点到出土点的扩孔方法。（2）从常规的岩石扩孔技术，发展到硬岩动力扩孔技术。（3）从单钻机扩孔技术，发展到两台钻机同步扩孔技术。2）回拖技术。从传统的回拖技术，发展到夯管助力、推管助力、二接一（多接一）回拖等，提高了回拖施工的成功率。在回拖过程中，采用的地面减阻方法，也从传统的开挖发送沟，发展到利用托管架、轮胎等进行架空减阻和多台吊车同步发送等方式。3）泥浆技术。高效膨润土的应用，解决了加入多种添加剂时，搅拌不均匀问题；定向钻正电胶泥浆体系的开发，提高了泥浆的流变性和悬浮能力，有效解决了低流速下大颗粒钻屑携带困难的问题；泥浆对注技术的开发应用，在穿越的入、出土点同时向孔内注浆，增加了泥浆排量，提高了流速，增强了携砂能力。4）导向孔施工技术。传统的钻进技术，利用钻压和扭矩的作用，使得钻头不断地切削岩土体，同时定位系统对钻孔轨迹进行实时测量，直至钻头从出土端出土。在长距离施工中，孔壁与钻杆之间的摩擦阻力显著增加，钻机产生的钻压和扭矩无法有效传递，钻进效率低，普遍采用对接穿越技术。该技术采用两台钻机，即主钻机与辅助钻机，同时从两端钻进，在中间实现对接。5）控向技术。目前，常用的控向技术分为无线控向和有线控向两类。有线控向信号比较准确，但受控向线质量、泥浆对信号线的影响比较大；无线控向受地形和穿越深度的影响比水平定向钻跨河技术的应用现状与发展研究Research on the Application Status and Development of Horizontal DirectionalDrilling Across the River Technology巴万铭（中铁一局集团电务工程有限公司，西安 710000）BA Wan-ming(China Railway First Group Electrical Engineering Co.Ltd.,Xi an 710000,China)【摘要】水平定向钻技术具有施工费用低、受环境影响较小、周期短等优点，因此，成为许多跨河穿越工程的优选。论文从施工技术、施工设备、案例分析、施工风险和风险控制 5 个方面分析了水平定向钻技术近几年的发展现状，并对未来发展趋势做了预测。【Abstract】Horizontal directional drilling technology has the advantages of low construction cost,small environmental impact and shortcycle,so it is preferred for many cross-river crossing projects.This paper analyzes the development status of horizontal directional drillingtechnology in recent years from the five aspects of construction technology,construction equipment,case analysis,construction risk and riskmanagement,and predicts the future development trend.【关键词】水平定向钻；施工技术；施工设备；施工风险；风险控制【Keywords】horizontal directional drilling;construction technique;construction equipment;construction risk;risk management【中图分类号】TV672+.2【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）04-0172-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.04.052【作者简介】巴万铭（1984），男，陕西西安人，工程师，从事电气供电研究。172较大。为了优化控向精确度，提出了联合控向的新技术。将有线与无线相结合，提高了钻进的精确性。3施工设备方面1）钻机。2019年，新一代水平定向钻机XZ960E，运用了多项先进的控制技术和徐工特有的技术，和以往的钻机相比，具有动力头运行平稳，节能较好，操作更加舒适等技术特点。另一方面，随着长距离、大口径穿越的增多，新研发的最大回拖力达1 500 t的钻机解决了动力不足问题。2）钻杆。在钻进过程中，钻杆消耗比较多，而且工作状态恶劣，受力复杂。钻杆性能的好坏会影响工程的质量和进度。随着定向穿越技术的发展，原有的钻杆已不能满足在复杂地形穿越，新研发的钻杆，提升了抗拉、抗扭的能力。3）扩孔器。在硬岩层中进行扩孔作业，使用传统的牙轮式扩孔器，容易出现牙轮脱落和牙齿断裂等工程问题。针对这一情况，新型双极牙轮扩孔器的研发，可以分段粉碎，减小了磨损，降低了振动频率，提高了施工的可靠度。大口径扩孔时，针对碎屑难以清理问题，设计了喷射式反循环扩孔器，将会使得排屑率得到显著提升。4水平定向钻穿越案例分析4.1长距离硬岩层穿越穿越长江的韶关输气管道工程，长度为3 120 m，穿越地层为中风化泥质、砂质板岩。此工程穿越距离长，岩石层的硬度大，因此，对泥浆性能要求比较高。在扩孔方面，由于工期和钻具的限制，采用两侧同时推扩的方式进行。另外，采用大功率钻具，在钻头或者扩孔器处安装助推套管，使得推力和扭矩可以更好地传递。在实验室进行了泥浆配比实验，保证泥浆能够尽可能地携带钻屑。每2 h对返出泥浆测定，根据性能及时调整。回拖阶段，采用“二接一”的方式，第一阶段回拖完毕后，进行焊接1。在汶河穿越中，岩石的平均硬度达到了113 MPa，对于施工提出了更高的要求。入土端为卵石层，采用高压喷射的方法，通过导向孔将水泥浆喷入卵石层，将卵石层进行加固。其中旋喷压力通过现场灌浆试验测得。扩孔工艺上，采用6级扩孔，每次扩孔完毕后进行洗孔工作2。4.2砂质淤泥层穿越在福州污水管过光明港工程中，穿越长度虽然比较短，但是在回拖完成80%时，出现管道抱死现象。该工程地质分布很不均匀，并且地下水的渗透性很好，使得泥浆的护壁性能变差，进而可能出现了塌孔现象。此外，泥浆配置仅靠经验，没有根据该项工程的地质条件更新配比，最终导致回拖失败。采取了两种挽救措施：一是从减少损失的方面来考虑，运用另一台钻机，从管道另一侧回拉管材。若回拉成功，则继续进行回拖施工；否则，采用第二方案。二是从回收失败方面来考虑，从井位重新施工一段管道至驳岸，与已经回拖的管头位置对接，然后加做一个井位，使之顺利通水3。4.3大口径穿越沙颍河穿越工程，钢管规格达到了D1 016 mm16 mm。根据规范计算的回拖力为1.00MN，钻机根据回拖力的1.53.0倍选择。钻具和钻杆根据地层情况进行选择。为了保证导向的精确性，此次采用两套系统，即有线地磁控向系统和无线系统。由于扩孔的直径比较大，此次扩孔采用分级扩孔的方式，共分为7级。泥浆的配方根据实验获得，保证具有良好的携带能力和护壁能力4。在南宫干线输水管道工程中，回拖管道的直径达1200mm。在对扩孔方案的选择上，通过软件建立了孔洞开挖模型，模拟了4种扩孔方案的数据。发现随着扩孔级别的增加，孔洞位移量在减小，但是9级扩孔以后，减小趋势变缓。另一方面，扩孔超过9级以后，孔洞容易发生破坏。因此，最终选择9级扩孔方案5。5面临的施工风险1）卡钻问题。在钙质层、中粗砂、砾石地层内施工时，很容易出现卡钻问题。出现卡钻问题时，从改善泥浆配比和泵量出发，尝试将钻杆抽出。若无法解决，可以通过连接套管法、反向洗孔法和对向钻进法进行解卡。2）冒浆问题。导致冒浆的因素有很多，主要有泥浆因素、泥浆泵量、钻进、扩孔和回拖速率和地层中的天然孔隙、裂隙等。泥浆配比的不同，使得泥浆的黏稠度和流动性也存在差异。为了保证孔壁稳定性，需要增大黏稠度，流动性就会降低，因此必须增大泥浆压力使得流动性增强，进而产生冒浆。另外，如果钻进速率过快，使得泥浆的泵入量不足，无法清理干净孔内碎屑，也会出现冒浆。有些天然地层可能会有裂隙存在，在孔内泥浆压力作用之下，泥浆也会渗入裂隙中6。3）塌孔问题。根据地层情况的不同，孔壁稳定性也不同。在黏土层，孔内稳定性比较好，而在粉砂层，则较差。在一些稳Construction Technology工程施工技术173Construction&DesignForProject工程建设与设计定性较差的土层时，容易出现塌孔问题。在扩孔阶段，满足回拖要求的下，尽可能选择比较小的扩孔直径。在淤泥土层，要调整泥浆的黏度和比重，保证泥浆能够维持良好的孔壁稳定性。要控制出土位置的泥浆泵流量，避免钻具压力较高导致塌孔7。4）卡管问题。在导向孔施工时，钻孔质量不合格，可能会导致回拖时阻力增大，管道被卡住。如果没有得到有效处理，则会造成导向孔报废，穿越失败。可以采用偏心切割短管法将被卡管道切断，然后将被切断的管道拖出，进行回收，再对原来的钻孔进行清扫和修复，重新利用。6风险控制措施1）设计及施工准备阶段。在设计过程中，各专业人员要对设计方案的合理性进行评估，应对可能出现的问题做一个预判，提出补救措施。科学选择管材和防腐材料，从最大推力、拉力和输出扭矩几个方面来考虑，选择合适的钻机。按照设计出、入土角，穿越长度曲率半径等因素，定位出、入土点。将钻机定位与穿越中心线位置，做好锚固工作，调试钻机的各项参数，保证准确无误。根据配比制作好泥浆，为后续工作做好准备8。2）钻孔阶段。钻孔施工之前，分析已有的管线情况，制定合理的导向方案。安装测量定位装置，对于钻孔的方向以及偏移度，持续观测和记录。要根据设计穿越曲线进行施工，保证出入土角、曲率半径等参数的误差在允许范围内。施工中对于钻杆的角度要实时测量，一旦出现偏离，及时进行调整。在穿越软硬分层区域时，要将折角的产生控制在最小范围，可以采用优化导向控制参数的方法。要实时观测泥浆的返流情况，防止塌孔现象的发生9。3）扩孔阶段。根据工程穿越的地质情况、管径大小，以及回拖时所产生的阻力，选择合适的扩孔级别和扩孔器。在施工中，要控制好扩孔的速率；仔细观察扩孔情况，若出现扩孔不顺畅的情况，及时进行洗孔操作。每一级扩孔时要认真记录扩孔数据，合理确定下一级的扩孔尺寸。根据不同的地质条件，扩孔的孔型也不同，对于后续的回拖施工也具有重要影响10。4）回拖阶段。影响回拖成功的因素主要有设备的选型、管材的质量、钻进参数的选择以及导向孔的设计等。在进行回拖工作前，要对钻机和锚固件进行检查，防止出现松动。回拖时，要控制好回拖速率，保证平稳，连续施工，紧急情况下需要中断时，间隔时间不能超过4 h。在遇到软硬地层交界处，应使得钻杆受到最小弯矩，避免发生断裂。7发展趋势大口径扩孔工艺的研究和硬岩层穿越施工技术难题的突破，使得水平定向钻技术应用领域进一步拓展，将会向陆对海、海对海等海洋管道穿越领域延伸，并且将会在山体穿越领域和隧道地质勘察进一步应用。它在山体的穿越中，可以保护植被和减少施工弃渣对环境的污染。当前，我国致力建设美丽中国，推进生态文明，这将为定向钻技术向山体穿越领域纵深发展提供广阔的平台。8结语本文总结了水平定向钻施工设备以及技术的发展，分析了面临的施工风险，提出了相应的风险控制措施。新型的钻机、钻杆以及扩孔器的研发，使得大口径和特殊地层穿越工程增多。一些关键技术难题的解决，使得水平定向钻的应用取得了新的突破，我国水平定向钻技术迈上了一个新的台阶。【参考文献】1刘启华,李刚,陈翔,等.超长距离硬岩层水平定向钻扩孔工艺研究与应用J.化工管理,2020(4):197-201.2史志彬.汶河水平定向钻穿越施工技术研究J.石化技术,2021,28(3):81-82.3朱俊峰.水平定向钻穿越河道及砂质淤泥层的案例分析J.福建建设科技,2019(6):51-53.4薛波.南水北调沙颍河定向钻穿越技术方案J.河南水利与南水北调,2015(11):36-37.5王洪培,马辉,郑晓东,等.超大口径水平定向钻在南水北调配套工程输水管线穿越中的应用研究J.施工技术,2018,47(17):75-78.6朱海锋,李伟.长输管道水平定向钻穿越施工的冒浆风险及应对措施J.建设监理,2018(10):74-77.7王喜曼,曾天明.水平定向钻穿越施工及风险管控路径研究J.工程建设与设计,2021(11):146-148.8孙加兵.给水工程中水平定向钻穿越技术的施工控制J.居舍,2018(36):65.9冒乃兵.石油天然气管道水平定向钻穿越工程质量控制研究J.石化技术,2020,27(2):44,49.10宋利华.水平定向钻法在管道穿河工程中的应用J.山东水利,2018(7):39-40.【收稿日期】2022-02-20174