管道定向鉆穿越河流施工風險控制

曹洪祥

【摘 要】由于施工條件復雜，導向孔鉆進、管道擴孔及回拖過程存在不可見性，定向鉆穿越施工時經常出現冒漿、卡管、鉆機故障等作業風險，一旦控制措施失當，會對整個工程施工產生較大的負面影響。結合某成品油管道定向鉆穿越河流施工，討論了影響定向鉆施工的各種風險因素，并針對潛在的風險源，制定了詳盡的風險控制措施：主要包括：優化施工工序，優選鉆具組合，確定與其地質條件相適應的泥漿參數，嚴格進行鉆進軌跡控向，采取卡管風險削減措施等，成功穿越了地下粗砂層，避免了鉆機推拉力不足、抱管及大面積冒漿等現象的發生，保證了定向鉆施工作業的順利實施，為今后類似工程的施工提供了參考。

【關鍵詞】管道；定向鉆；穿越；施工；風險控制

水平定向鉆穿越是管道穿越河流、公路等障礙物時采用的一種施工工藝，由于其具有對地表條件要求低、對地面環境影響小、施工速度快等優勢，近年得到廣泛應用。然而，與大開挖施工相比，水平定向鉆穿越施工對設備、鉆具具有較強的依賴性，且地下鉆進過程、管道回拖過程、導向孔和擴孔存在不可見性，因此水平定向鉆穿越施工具有較高的作業風險[1]。為了將定向鉆穿越施工的風險降低到最小，要求在施工中采取一定的風險控制措施。

一、工程概況

某成品油管道規格D660×8.7mm，設計壓力8MPa，在天津市武清區穿越北運河，穿越段管道規格為D660×12.7mm，穿越管道地基以下依次是粉質黏土（1.0～5.5m）、粉土（3.2～9.0m）、粉砂（9.1～23.1m）、粉質黏土（21.8～35.0m）。根據設計方案，穿越管道出、入土點距離為992m，穿越最大深度26.5m，入土角10°，出土角8°，光纜套管與主管道平行穿越，間距10m。

二、風險因素

（一）鉆機風險

鉆機是定向鉆施工的核心設備之一，選擇鉆機時應根據地質情況、工程用管等，計算管道最大回拖力，保證最大推拉力能夠滿足回拖需求。若鉆機選型出現偏差，可能會導致導向孔鉆進困難、回拖時抱管等現象發生。另外，鉆機的發動機、液壓泵、液壓馬達等部件由于承受較大的壓力，出現故障的概率較高。一旦發生故障，會出現鉆進中斷、回拖中斷的情況，若中斷時間過長，發生孔壁坍塌和抱管的概率會大幅增加。

（二）鉆具風險

隨著使用頻次的不斷增加，鉆桿及擴孔器、卸扣、萬向節、牽引頭等鉆具的抗扭、抗拉強度不斷降低，特別是對于大口徑、長距離的定向鉆，由于鉆桿/鉆具組合承受的應力較大，出現各種風險的可能性更高。比較常見的鉆具風險有：鉆桿斷裂、脫扣、回拖萬向節斷裂和牽引頭斷裂。

（三）控向風險

導向孔鉆進過程中，因控向設備故障或人為因素影響，可能出現實際穿越曲線與設計穿越曲線偏差較大（脫離原設計地層），或者穿越軌跡存在急彎、死折等局部曲率半徑不足的情況，如果得不到及時糾偏、修孔，可能導致管道埋深不足、導向孔鉆進困難、管道回拖卡管或鉆桿斷裂等問題。

（四）施工工藝風險

擴孔級數、泥漿性能、管道發送方式等都是影響定向鉆施工順利進行的關鍵因素。擴孔級數過少，可能會因擴孔級差的增大而產生過高的鉆進扭矩，對鉆桿和鉆具帶來不利影響；擴孔級數過多，反過來會增加施工成本，延長施工時間，增大孔壁坍塌風險。泥漿在定向鉆施工過程中起護壁、攜砂、潤滑、控溫的作用，若泥漿性能物性低劣，將直接影響定向鉆成孔的效果，增大鉆進難度與管道回拖阻力。管道回拖時，管道發送方式選擇不當，不僅會對管道防腐層造成較大的破壞，還會增大管道回拖力，給管道回拖帶來額外的風險【2】。

三、風險控制措施

（一）設備及施工工序控制

水平定向鉆回拖時的最大回拖力計算公式：

Fp為計算拉力，L為穿越管段曲線長度（m）， f為摩擦系數，D為管子直徑（m），γm為泥漿重度，δ1為管子壁厚，γs：管道容重，Wb為定向鉆回拖過程中單位長度配重（KN/m），kv為粘滯系數。

最大回拖力是定向鉆施工選擇鉆機時需要考慮的主要因素之一。但式（1）主要考慮穿越管道與孔壁間的摩擦力和泥漿對管道的粘阻力，未考慮其他因素，根據實際施工經驗，其計算結果一般偏小，因此水平定向鉆鉆機應根據其計算值的1.5～3倍確定。

根據計算得到的最大回拖力約為261.4kN，回拖時還需考慮擴孔器、鉆桿等產生的摩擦力及自身重力等因素，且鉆孔內實際工況可能與理論工況存在偏差，最終確定選用GD-350型鉆機。

根據穿越點地質條件，確定施工程序為：鉆導向孔（219）→一級擴孔（400）→二級擴孔（600）→三級擴孔（800）→四級擴孔（1000）→洗孔（1000），只有洗孔過程扭矩和推拉力都正常，才能進行管道回拖。施工時采用不同的鉆具組合。鉆導向孔：泥漿馬達+三牙輪鉆頭+5″S-135鉆桿；擴孔：桶式擴孔器+5″S-135鉆桿；洗孔：擠壓式洗孔器+5″S-135 鉆桿；回拖：主管道+萬向節+桶式擴孔器+5″S-135鉆桿（1″=25.4mm）。

（二）泥漿性能控制

該工程定向鉆穿越地層大部分為地下粉土層，成孔性較好，鉆進難度小，但存在局部砂質地層，成孔性一般，須使用高粘度泥漿才能形成穩定性好的孔壁，因此采用泥漿復合配方配制工藝，并對各施工階段泥漿性能進行適當調整。

（三）鉆進軌跡控制

鉆進軌跡控制難點：①保證鉆進軌跡滿足管道最小曲率半徑要求；②避免鉆進軌跡局部產生急彎、死折等現象。采用PⅡ地磁導向儀對穿越過程進行準確跟蹤定位，保證每根鉆桿最大折角不超過0.7°，連續4根鉆桿累加折角不超過2°。一旦出現方向偏差，要通過調整鉆頭造斜面及時進行糾偏，直至鉆頭位置回到設計軌跡。若糾偏難度較大，則將鉆桿抽回重新調整鉆進軌跡。

（四）防止冒漿的控制措施

導向孔鉆進的前半段采取較大的泥漿壓力和排量，以便泥漿攜帶切削的泥土，使孔路暢通；后半段，由于從入土點反漿的難度加大，因此要適當控制泥漿壓力，避免孔壁坍塌。

要根據泥漿回返情況，鉆頭深度和泵壓變化等分析，判斷并控制泥漿排量，防止泥漿的跑冒；井泥漿必須是優質泥漿，要測試性能參數，并詳細記錄，重點是有充足的人力，保證能連續配漿。并加強孔口監測，隨時掌握變化。確保合理的粘度，和靜切值，提高懸浮能力。

（五）卡管風險控制

①采用發送溝注水工藝進行管道回拖，不僅能夠減少管道防腐層的破壞，還可有效降低鉆機的回拖力。開挖發送溝時，其中心線要與穿越軸線重合，且發送溝內不得有石塊、鐵絲等硬物，溝內注水深度至少應保證將管道從地面浮起。②認真檢查鉆桿、擴孔器、卸扣、萬向節等鉆具，清洗絲扣，確保內部無損傷，回拖前還要檢查并確保擴孔器的水眼暢通，卸扣無變形、鎖銷完好。③時間越短，鉆孔坍塌的可能性越小，因此，更換擴孔器、連接回拖管道時應在保證連接質量的前提下，盡量縮短操作時間。④人員、設備及材料等方面要確保滿足施工需要，不能影響施工進度、延誤工期。

四、結論

在定向鉆施工前必須充分分析潛在的作業風險，找出切實可行的風險控制對策。從定向鉆施工工藝、施工設備、地質條件等方面出發，深入分析影響定向鉆穿越施工的風險因素，找出施工過程潛在的風險源，對于合理制定風險控制措施具有較強的指導意義。同時為降低環境污染風險，使用的泥漿材料都要求是無毒害的，同時供貨廠商的資質情況是經有關部門審查批準。

【參考文獻】

【1】劉盛兵，向啟貴，劉坤. 水平定向鉆穿越施工及其風險控制措施探討[J].石油與天然氣化工，2008，37（4）：353-356.

【2】劉剛，徐舟. 定向鉆穿越回拖管道徑向變形原因分析[J]. 油氣儲運，2008，27（2）：60-61.