水阳江水平定向钻穿越施工技术难点分析研究

【摘 要】 水阳江水平定向钻穿越工程穿越曲线长，地质条件复杂，施工难度大。通过对穿越工程特点及施工难点的分析，考虑到实际施工中的技术要求和工程要求，采取了先进的技术措施，实现了水阳江长距离、大口径、复杂地层的管道穿越，为国内外同类条件的水平定向钻穿越施工积累了宝贵的经验。

【关键词】 管道 穿越 定向钻 施工

中图分类号： TU279 文献标识码： A

川气东送管道是国家为保障长三角地区天然气供应而投资建设的一条主干管线，是国家十一五计划重点工程项目。水阳江定向钻穿越是川气东送管道关键控制性项目之一。管道起点位于水阳江西岸宣城市向阳镇北侧滩地上，止点位于水阳江东岸宣城市孙埠镇北侧扬子鳄自然保护区。穿越工程曲线长度达到962.67 m，管径1016 mm，壁厚26.2 mm。穿越段主管规格为直径1016×26.2mm，钢管材质为X70，采用三层PE加强级防腐直缝管，设计运行压力为10Mpa。距主管10米处同时穿越一根直径114×6.3 mm的光缆套管。

管道入土角10°；出土角7°。穿越管道路由河床呈不对称“U”型，最大水深达5.2m，水面宽约300m，两岸均为自然岸坡，西岸坡角约35°～40°，东岸坡角约25°～30°；两岸阶地高出河床6～7m，阶地上筑有土质防洪大堤，堤顶高出水面约9m，西岸防洪堤距水涯约150m，东岸防洪堤距水涯约310m。穿越段地质构造由洪积土和风化岩组成，洪积土的上层8～12 m为粉质粘土、砂质粉土、淤泥质粉质黏土，地层松软，下层8～15 m为卵石层，卵石粒径2～10cm，卵石层穿越长度148.48 m，穿越段基岩为白垩系风化岩地层，岩性以紫红色粉砂质泥岩为主。

1 水阳江穿越工程特点及技术难点分析

1.1 工程特点

水阳江水平定向钻穿越工程是当前国内遇到的同类别难度较大的穿越工程，具有如下特点：

（1）水平穿越距离长，回拖管道管径大。

（2）穿越地质极为复杂，穿越地层地质变化大，包括粉质粘土、砂质粉土、淤泥质粉质黏土、粘土夹卵石、卵石、中风化紫红色粉砂泥岩、强风化岩等。尤其需要穿越的长达148.48 m的卵石段，穿越长度和卵石粒径都是国内之最，对工艺提出了更高的要求。

（3）在气候上，安徽南部是多风多雨地区，有可能给穿越施工带来不可预测的影响。

（4）在施工协调上，工程施工地点接近扬子鳄自然保护区和居民区，协调难度也大大超出以往工程。

1.2 技术难点

工程要求与地质条件的苛刻，对控向、钻杆、扩孔、回拖和泥浆技术都提出了新的挑战。

（1）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。由于水阳江管道穿越施工条件恶劣、地质地理条件复杂，且穿越距离长、穿越卵石粒径大距离长，准确控向难度很大。

（2）预顶套管难

由于水阳江管道需要两次穿越卵石层。为了防止卵石层塌孔，解决钻头出土阶段控向难度，保证钻导向孔、扩孔和回拖的顺利进行。出入土点采取顶进直径为1440mm钢套管开挖置换卵石的方法穿过卵石层。入土点需顶入73.52m，出土点需顶入74.76m，预顶套管难度极大。

（3）钻杆问题

水阳江定向钻穿越曲线长度达962.67 m，且在洪积土中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”亦相应增加。在洪积土内钻进时，钻杆将不受限制的继续变形，出现失稳，钻头失去控制。此外，由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。

（4）扩孔难题多

①水阳江有长度约700 m的岩石段，岩石的最高硬度达到了70Mpa。该种地层的长距离、多次数、大口径扩孔较为困难。

② 施工过程中，岩石层与洪积土层扩孔难易度相差很大，因此易在岩石和洪积土段结合面产生一定程度的沉降，导致整个孔产生台阶，影响管线回拖。

③ 由于穿越距离较长，管线的管径大，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。

（5）长距离管线回拖的问题

水阳江管道定向钻穿越曲线长度达到962.67 m，如此长距离的管线回拖。主要的问题在于：回拖时，管道长度长，自身的重量较大，管道与孔壁之间的磨阻增大，所需的拖力很大，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。

（6）泥浆工艺要求高

泥浆是水平定向穿越的血液。水阳江管道穿越工程钻进距离长，地质条件非常复杂，穿越地层既有粘土、粉土，又有鹅卵石和风化岩石，甚至还有淤泥、砂层。因此，对泥浆有着许多特殊的要求：

①良好的流变性，保证有较强的携带钻屑的能力。

②泥浆有较低的摩擦系数，良好的性能。

③有较强的护壁作用，在孔壁形成一定力学强度的泥皮，维护孔壁稳定，防止泥浆漏失。

2 施工要点

针对水阳江管道水平定向钻穿越工程上述工程特点及施工难点，主要采取了以下措施。

2.1顶管施工工艺

针对水阳江定向钻穿越卵石层施工距离超长，需两次穿越卵石层等特点，采取了顶进套管穿过出入土点卵石层施工工艺，成功实施了出土点、入土点两端开挖置换卵石顶管作业，成功解决了长距离穿越卵石层导向孔施工中钻头漂移和扩孔塌孔等难题。

采用最大顶进力为800KN的DG—800型套管钻机，分别用1440×20mm钢套管在入土点顶入73.52m，出土点顶入74.76m。光缆管穿越用529×10mm钢套管顶进，顶进方法同主管道。

水阳江穿越工程套管钻机顶管施工工艺设计如下：

1）按照出、入土点的位置安装套管钻机的钢管桩、预制混凝土基础和靠背墙等设施。确保套管钻机工作在最大顶推力时基础的稳定性。

2）在预定位置安装好套管钻机，调整好工作角度，设备试运转。各项准备工作就绪后，先在入土段顶入卵石层套管，钻机和顶管机联合作业。

3）施工时，先由顶管机将第一节套管按预定角度顶入地下，顶进一个行程后，油缸缩回，在顶管机上安装管节，接着将套管向地下顶入，依次循环，直至将第一节套管全部顶入地下。然后，安装第二节套管，第二节套管与第一节套管之间采用焊接的方式连接。

4）随着套管的顶入，利用钻机驱动 “绞龙”取出套管内的粘土、卵石等钻屑。直至套管达到设计位置。

2.2 控向纠偏系统

在水阳江穿越工程中，使用强磁场定位传感导向系统。在进行钻头对接前，使用强磁场定位系统初步判断两钻头的相对位置。偏差的测量主要是依据两钻机的导向传感器相对测得的，根据传感器测量的参数，计算出偏差的方位和两钻杆的相对距离，逐渐调整，消除偏差，达到两钻头对接的目的。较好的解决了水阳江长距离穿越导向孔钻进中的精确控向问题。其优点是操作者可以通过计算机比较直观的了解探头的详细情况，并且没有深度限制，系统配有专业的定向系统软件。

其功能主要有：穿越轨迹计算机辅助设计（CAD）；轨迹测量自动报警；实际钻孔轨迹实时测量；抗强磁场干扰软件；轨迹纠偏参数计算；完整的历史数据处理和报表打印图形化人机界面；轨迹测量自动滤波；轨迹测量自动纠错等。

2.3 导向孔双钻机同步对接施工工艺

针对水阳江定向钻穿越施工距离长，穿越地层复杂等特点，采取了国际先进的导向孔双钻机同步对接施工工艺，成功实施了出土点、入土点两端双钻机同步协调作业，解决了长距离穿越导向孔施工中钻杆失稳和强度不足等难题。

水阳江穿越工程导向孔双钻机同步对接施工工艺设计如下：

1）将电磁线圈布置到出土点上，入土点侧辅钻机（型号HY—2000）保持低速旋转，利用控向系统将钻头向出土点钻进约450米（接近水平段），等待与出土点的主钻机（型号HY—3000）向入土点钻进的钻头进行对接。

2）将专用打捞钩安装到出土点一侧的钻机上，在控向系统的引导下将打捞钩钻入指定位置。

3）出土点和入土点钻机保持旋转，打捞钩打捞到出土点侧钻杆后，入土点侧钻机停止转动，将钻头牵引出地面。偏差的测量主要是依据两钻机的导向传感器相对测得的，根据传感器测量的参数，计算出偏差的方位和两钻杆的相对距离，逐渐调整，消除偏差，达到两钻头对接打捞。

4）对接后，辅钻机后退，主钻机沿辅钻机的导向孔钻进。边钻边检测钻机的参数，根据设计好的穿越曲线对出土点侧导向孔进行调整即进行修孔，保证主钻机钻头在辅钻机的导向孔内。辅钻机边退，主钻机边进，最终主钻机的钻杆到达入土点完成整个导向孔的钻进过程。

2.4 扩孔施工工艺

为解决水阳江长距离复杂地层定向钻穿越扩孔施工中存在的诸多难题，主要采取了如下措施：

1）双钻进协调作业。在出入土点各设一台钻机，主钻机在出土点正转，拉动扩孔器前进。辅钻机在入土点反转，与主钻机一同扭动扩孔器，同时推动钻杆前进，避免了钻杆过长造成的对扩孔器失控问题，降低了扩孔施工的风险，并提高了扩孔速度。

2）多次扩孔。在岩石段和粘土段总共进行了十次扩孔，有效减小了扩孔器阻力，缩短了扩孔周期。

3）洗孔。在每一遍扩孔施工结束以后，都使用绞笼进行洗孔，清理出孔内的碎石和杂质。

2.5 回拖施工

水阳江管道长距离穿越给管线回拖提出了全新的施工要求。为了保证回拖的顺利实施，主要采取了以下措施：

1） 钻机基础的加强、加固。对钻机基础进行了验算和设计，确保回拖钻机基础的稳定性和可靠性。

2） 降低回拖拉力。在工作管线入土点前端按一定比例放坡挖一条发送沟，将回拖管线置于发送沟内。

3）管线试拉。为试验管线回拖的阻力，验证各横、立辊轮支撑的合理性和可靠性，在管线正式回拖前，对管线进行预拖动。

2.5 钻导向孔泥浆工艺

不同地层对泥浆的性能有着具体的要求，水阳江管道穿越工程地质条件复杂，泥浆性能要求高，必需在施工中根据地层配制合乎要求的、优质高性能的专用泥浆。

采取的主要措施有：

（1）泥浆以钠膨润土为主，在粘土段导向孔钻进中和扩孔时添加1%滤饼剂，在孔壁形成质地优良的泥饼，可防止冒浆。

（2）扩孔完成后进行洗孔时，添加5%护壁剂，提高泥浆粘度，在含砾粘土层中起到护壁固壁的作用。

（3）在岩石层，泥浆中添加5%的悬浮携砂剂，提高泥浆的岩屑携带能力。

3 结论

（1）水阳江管道穿越层地质状况复杂，施工难度大。针对具体的施工难题，进行了深入研究，在长距离复杂地层顶管开挖置换卵石、导向孔钻进、扩孔工艺及泥浆控制等方面实现了创新突破。

（2）水阳江穿越工程顶管开挖置换卵石工艺和导向孔双钻机同步对接的顺利实施，创造了国内水平定向钻长距离、大口径管道穿越卵石和岩石地层史上的新纪录，对今后同类情况的穿越积累了宝贵的施工经验。

参考文献

【1】 高俊凯,陈国彬.全国油气管道穿跨越工程汇编资料[C].石油工业出版社,1990

【2】 吕明记,桑学忍.水平定向钻施工技术特点与工程一览[J],石油工程建设,1995

【3】 上海市隧道工程公司.海底1856米超长距离顶进施工技术[R],1997

作者简介：杨厚源，男，1960年生，硕士学历，油气储运专业。