定向鉆穿越施工中的常見(jiàn)事故及處理

朱文秀

(安徽兩淮建設(shè)第四工程處，安徽 宿州 342000)

本工程屬于燃?xì)夤芫W(wǎng)改造，全長(zhǎng)135 km，設(shè)計(jì)壓力屬高壓管，管徑Φ400 mm～Φ1100 mm。管材采用直縫埋弧鋼管。施工地點(diǎn)位于郊區(qū)，施工條件較好，施工開(kāi)始于2009年3月，2011年6月結(jié)束，投入機(jī)械七臺(tái)，共完成道路、河流、建筑等穿越20余條，出現(xiàn)定向鉆事故多次，最終都保質(zhì)保量的完成。盡管事故出現(xiàn)的原因不盡相同，但我們可以通過(guò)總結(jié)其中的典型案例經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，防微杜見(jiàn)。

1 穿越中的斷鉆具事故

1.1 現(xiàn)場(chǎng)情況描述

穿越場(chǎng)地的局限和地質(zhì)地層的復(fù)雜性，以及泥漿使用的不夠完善，或者投入設(shè)備的保養(yǎng)和檢修不到位，操作人員的技術(shù)和設(shè)計(jì)不夠精確都是造成事故的根本原因。而實(shí)際施工中出現(xiàn)事故的原因都有其綜合因素，不能單一的進(jìn)行歸結(jié)。在施工點(diǎn)穿越京淮大運(yùn)河過(guò)程中，穿越施工長(zhǎng)度1.3 km，穿越要經(jīng)過(guò)兩側(cè)道路三條，河流四處，施工機(jī)具為100T設(shè)備。拖管管材Φ600 mm，擴(kuò)孔孔徑終孔800 mm。

1.2 工程勘測(cè)地層

依據(jù)工勘報(bào)告上層為雜填土1.35m。粘土5.5m，下層為粉質(zhì)粘土，粉砂，流質(zhì)砂層。穿越主要位于流質(zhì)砂層，含水率高，標(biāo)高15m，承載力120 KN，成孔難度大。設(shè)計(jì)曲率半徑(1500D)900m。

1.3 穿越中出現(xiàn)的事故和問(wèn)題

穿越工程施工，導(dǎo)航于2009年4月12日7時(shí)07分開(kāi)鉆，2009年4月12日9時(shí)34分當(dāng)鉆進(jìn)第54根鉆桿時(shí)，機(jī)具出現(xiàn)巨大異響，同時(shí)儀表顯示扭矩降至2 000 KN以下，頂力增加至5000 KN，控向信號(hào)原地不動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)研究后，推斷為鉆桿出現(xiàn)故障。為進(jìn)一步判定是否鉆桿斷裂，采取回抽鉆具的方法進(jìn)行確定，12時(shí)10分當(dāng)抽回第15根鉆桿時(shí)(以入土點(diǎn)為基準(zhǔn))，抽至第16根鉆桿發(fā)現(xiàn)距母扣端約0.60m處出現(xiàn)斷裂。

1.4 事故點(diǎn)的確定

分析斷裂原因，鉆具使用前已經(jīng)進(jìn)行檢查，只能是地質(zhì)地層的突然改變，導(dǎo)向鉆頭受力不均。(工勘報(bào)告中也顯示該地層有不均布砂礫，出現(xiàn)砂巖的可能很大)斷裂處為第16根鉆桿，角度－7.2%，每根鉆具長(zhǎng)9m，距入土點(diǎn)水平距離距入土點(diǎn)水平距離=鉆桿數(shù)×單根長(zhǎng)度×入土角+0.60m。根據(jù)導(dǎo)航記錄計(jì)算每根鉆具的靜距，然后疊加，進(jìn)行修正，得出盡量準(zhǔn)確的距離數(shù)據(jù)。根據(jù)第15根的記錄和16根的角度測(cè)算斷裂點(diǎn)的深度，(必須考慮地表的高差)最后確定為距離入土點(diǎn)156m，深度10.54m。

1.5 處理方案的編制和實(shí)施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工條件，考慮到成本預(yù)算制約，制定切實(shí)有效的處理方案。采用上部開(kāi)挖，下部倒掛井施工作業(yè)找到斷點(diǎn)，然后用焊接法連接斷裂鉆具，抽出并更換斷裂的鉆具，繼續(xù)實(shí)施穿越施工。

在這以施工過(guò)程中提醒我們幾個(gè)必須考慮的因素:首先是隱蔽工程施工中的施工方案的編制。必須依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際施工條件，然后是工程勘測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，放樁，測(cè)量。最后是施工過(guò)程中的施工記錄，操作板報(bào)都必須真實(shí)細(xì)致可靠。在出現(xiàn)事故時(shí)能夠得到處理的依據(jù)。

2 定向鉆穿越導(dǎo)航施工

2.1 工程概況

在定向鉆施工過(guò)程中，最重要的一個(gè)施工工序就是導(dǎo)航施工。而實(shí)際施工過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題和事故的機(jī)會(huì)最多。在施工通揚(yáng)河段時(shí)，穿越兩條道路，一條河流。管線入土點(diǎn)高程 16.45m，路寬 15.50m 左右;出土點(diǎn)高程 16.95m，路寬15.70m左右。河床最低處高程6.01m左右，河水面寬506.00m左右;管線穿越位置河段順直，河床與岸坡穩(wěn)定，水流急速。定向鉆穿越段水平長(zhǎng)度為765.0m。

2.2 地質(zhì)地層結(jié)構(gòu)

工程勘測(cè)報(bào)告顯示:①－1素填土、①－2素填土、①－3素填土、②粉質(zhì)粘土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土④粉質(zhì)粘土、⑤粉質(zhì)粘土、⑥粉質(zhì)粘土夾粉土、⑦粉質(zhì)粘土、⑧粉質(zhì)粘土夾碎石(殘積土)、⑨中等風(fēng)化灰?guī)r，地層含水率高，靜水位5.3m，承載力124 KN。

2.3 穿越層位

依據(jù)穿越處上下游兩地質(zhì)剖面推算斷面資料，設(shè)計(jì)以較大入土角度及穿越曲率半徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，避開(kāi)不適合定向鉆穿越的① －1、① －2、① －3 層，最終確定第①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧層為定向鉆通過(guò)層位，以地質(zhì)剖面最淺處的河床埋深，計(jì)算穿越水平段穿越⑧層，河心段最低點(diǎn)管頂覆土厚度約14.3m。

2.4 事故描述

(1)導(dǎo)航鉆進(jìn)至120m遇到地下不明物，無(wú)法鉆進(jìn)，穿越處位置為⑤層，標(biāo)高7.5m.

(2)通過(guò)調(diào)整鉆進(jìn)角度，太高2m，出現(xiàn)類(lèi)似情況。反之降低2m情況相同。

(3)重新調(diào)整入土點(diǎn)軸線位置，平移1.5m，鉆進(jìn)150m受阻。

(4)經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理和甲方溝通，決定重新選擇鉆孔位置，平移軸線30m開(kāi)始鉆進(jìn)，出現(xiàn)類(lèi)似情況。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)分析

由于場(chǎng)地地質(zhì)情況復(fù)雜，遇阻處原地質(zhì)分析為粉質(zhì)粘土:黃褐色，硬塑N=19.4擊，局部可能出現(xiàn)突起基巖。由于規(guī)范要求探孔間距為雙側(cè)100m交錯(cuò)布孔，在100m范圍內(nèi)出現(xiàn)了突起的基巖，后來(lái)的地質(zhì)勘測(cè)補(bǔ)測(cè)也證實(shí)了這一點(diǎn)。

2.6 事故處理

如果繼續(xù)采用定向鉆穿越需使用巖石鉆機(jī)，施工周期延長(zhǎng)，施工風(fēng)險(xiǎn)大投資較高，根據(jù)專(zhuān)家會(huì)審建議采用大開(kāi)挖穿越漢陽(yáng)河，后施工單位用1個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成了大開(kāi)挖穿越。

通過(guò)該工程施工我們覺(jué)得在隱蔽工程施工過(guò)程中遇到很多未知的突發(fā)事件，如何在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)有效更改施工方案，吸納和聽(tīng)取專(zhuān)家建議意見(jiàn)，通過(guò)論證確立最簡(jiǎn)單有效的施工工藝，建立良好的施工思想可能是最為關(guān)鍵的。

3 管道安裝過(guò)程中的事故

3.1 工程概況

管道安裝是定向鉆穿越施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)系施工的成敗。老通揚(yáng)河Φ1 100鋼管1 435m的施工就遇到了這一難題。該工程地處國(guó)道復(fù)線，施工場(chǎng)地位于兩側(cè)稻田，地質(zhì)條件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，①素填土;②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土;③粉質(zhì)粘土;④粘土;⑤粉質(zhì)粘土;⑥粘土混礫砂;⑦粘土;⑧粘土;⑨粉砂;下部流砂砂粒特細(xì)，地層含水率大，有管涌出現(xiàn)。泥漿容易被稀釋?zhuān)痈叻肿雍笠搽y成孔。

3.2 穿越層位

穿越選擇第⑦粘土;⑧粘土;⑨粉砂做施工地層。穿越施工入土角為－4.5%，出土角+5.5%。最深點(diǎn)管頂覆土厚度15m，穿越曲率半徑1 650m(1 500D)

3.3 事故情況

由于管材管徑徑大，長(zhǎng)度長(zhǎng)，場(chǎng)地局限，無(wú)法完成一次性焊接。而且管材與安裝軸線不能在同一直線，出土點(diǎn)距離有不能滿足設(shè)計(jì)長(zhǎng)度要求，不能后延，出土角偏大。在拖管過(guò)程中，雖然也增加了很多補(bǔ)救措施，如機(jī)械配合，管道內(nèi)注水增加管道重量，減少摩擦力等。可是拖管依然出現(xiàn)回拖到1 075m拖力不夠的問(wèn)題，回拖失敗。

3.4 事故原因分析

.由于穿越距離長(zhǎng)，中間要進(jìn)行幾次焊接，流砂層水量大，泥漿被稀釋?zhuān)醉敾《入y以形成，在回拖過(guò)程中出現(xiàn)阻力增加的情況，遇阻點(diǎn)的位置為回拖抬頭段，造成穿越回拖遇阻的可能情況是塌孔或者清孔不凈。

3.5 事故處理

根據(jù)計(jì)算遇阻點(diǎn)位置為穿越抬頭段點(diǎn)，此處為60×200m的藕塘，藕塘深度約4m，管道在此處深度約22m，根據(jù)專(zhuān)家討論的結(jié)果采取先開(kāi)挖14m后下8m深的沉井方案，利用設(shè)備探測(cè)管道回拖端部，找到遇阻管道后將剩余管道重新清孔回拖，然后進(jìn)行焊接完成穿越工程。

通過(guò)本次施工我們認(rèn)識(shí)到在施工條件不具備或者直接制約施工成敗的因素得不到解決時(shí)，不能盲目施工或者心存僥幸，任何施工前的小問(wèn)題在以后的施工中都會(huì)形成隱患，造成很大的后果。

4 定向鉆施工中的擴(kuò)孔卡鉆事故

4.1 工程概述

定向鉆施工中的擴(kuò)孔工序，是銜接導(dǎo)航和回拖中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而擴(kuò)孔中的卡鉆又是一個(gè)最難處理的事故。在施工二號(hào)河時(shí)就出現(xiàn)了那驚險(xiǎn)的一幕。穿越河流水面寬350m。最深處12m，穿越長(zhǎng)度986m。地質(zhì)結(jié)構(gòu)為①素填土層;②粉質(zhì)粘土層;③粉質(zhì)粘土層;④中、粗砂層;⑤碎石土層;⑥－1全風(fēng)化千枚巖層;⑥－2微風(fēng)化千枚巖層;⑦－1強(qiáng)風(fēng)化角礫巖層;

4.2 穿越層位

設(shè)計(jì)層位為第⑥層中風(fēng)化千枚巖，該層強(qiáng)度低(其飽和單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)r=13.02 MPa)，易成孔，孔壁穩(wěn)定，管線宜利用該層通過(guò)。穿越入土角－12%，出土角+7.89%。(土角度，減少管道在卵石層中穿越的長(zhǎng)度，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，均符合規(guī)范要求)。穿越河床最低點(diǎn)處管道埋深約22.0m。穿越曲率半徑為730m(1200D)。入土點(diǎn)卵礫石層厚度約5m，尋找含卵石層含量最少，厚度最薄的地方作為入土點(diǎn)，采取夯管錘夯鋼套管Φ1 220 d=20 mm措施穿越含卵礫石層;出土點(diǎn)適當(dāng)調(diào)整出土角度和出土點(diǎn)，可使管線避開(kāi)卵礫石層和角礫巖層。

4.3 事故情況描述

2009年11初，完成光纜(硅芯管)套管定向鉆穿越。2009年11初－20011年5月底，完成第一遍及第二遍擴(kuò)孔。2011年5月底－2011年6月初，開(kāi)始第三遍，6月3日擴(kuò)孔受阻。卡鉆處距離套管末端不遠(yuǎn)處，卡鉆點(diǎn)距地面深度16m。

4.4 事故原因分析

根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)專(zhuān)家介紹，該區(qū)域大約7 km2范圍內(nèi)全部為變質(zhì)巖，地質(zhì)復(fù)雜、裂隙發(fā)育。由于采取夯管錘夯鋼套管Φ1 220 d=20 mm措施穿越含卵礫石層，套管與孔交接處泥漿壓力存在變化，在擴(kuò)孔2遍后碎石大量聚積在套管端部造成卡鉆事故。

4.5 事故處理

根據(jù)計(jì)算卡鉆處距離套管末端不遠(yuǎn)處，此處卡鉆點(diǎn)距地面深度16m，根據(jù)專(zhuān)家討論的結(jié)果采取開(kāi)挖找到卡鉆點(diǎn)后，再進(jìn)行擴(kuò)孔、回拖。根據(jù)確定的方案進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖到預(yù)定位置發(fā)現(xiàn)地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)基本相同，經(jīng)過(guò)1個(gè)多月的施工完成了穿越工作。

5 結(jié)論與建議

(1)長(zhǎng)距離定向鉆穿越的設(shè)計(jì)，擴(kuò)孔的次數(shù)應(yīng)跟穿越的地質(zhì)情況相緊密結(jié)合，比如穿越的地質(zhì)情況為膠結(jié)的粘土層和中砂層，成孔性很好，孔不易塌陷，要求的擴(kuò)孔次數(shù)可以多些;穿越的地質(zhì)情況為松散的砂層，孔很容易塌陷，若擴(kuò)孔次數(shù)太多，對(duì)造成孔徑太大，進(jìn)而影響到地面的沉陷。

(2)對(duì)于施工過(guò)程中泥漿的選用和配比，盡量在現(xiàn)場(chǎng)取樣，然后進(jìn)行配合比實(shí)驗(yàn)。盡量加入小比重高粘度泥漿，加入適合地質(zhì)結(jié)構(gòu)的泥漿處理劑和管孔潤(rùn)滑劑等措施以減少回拖時(shí)的阻力，減小鉆機(jī)工做負(fù)載。尤其在施工擴(kuò)孔中要注意調(diào)節(jié)好孔內(nèi)泥漿的壓力，以利于弧頂?shù)男纬珊涂變?nèi)的攜帶、潤(rùn)滑、護(hù)壁。

(3在設(shè)計(jì)階段應(yīng)提出鉆機(jī)的能力要求，應(yīng)比總摩擦阻力大2.5～3倍。同時(shí)時(shí)，宜提出鉆桿使用前應(yīng)經(jīng)檢查合格才能施工的要求。

(4)設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮各種因素，盡量使設(shè)計(jì)完美，不要為業(yè)主的傾向性意見(jiàn)所左右，要從大局出發(fā)，考慮設(shè)計(jì)、施工的可行性，盡量以節(jié)省投資、節(jié)約工期為原則。

［1］輸油輸氣管道線路工程施工及驗(yàn)收規(guī)范.SY0401—98.

［2］水平定向鉆進(jìn)管線鋪設(shè)工程技術(shù)規(guī)范.CSTT.

［3］石油天然氣管道穿越工程施工及驗(yàn)收規(guī)范.SY/T4079—2003.

［4］長(zhǎng)輸管道線路工程施工及驗(yàn)收規(guī)范.SYJ4001—98.

［5］原油和天然氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范穿越工程.SY/170015.1—98.

［6］輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范.GB50251—94.