供水管道水平定向鉆穿越航道關(guān)鍵技術(shù)研究
——以閩江水平定向鉆穿越工程為例

焦廣宇，陳 楊，曹 良，閆雪峰*，馬保松

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.蘇州科藝油氣工程設(shè)備服務(wù)公司，江蘇 蘇州 215000；3.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 珠海 510275)

水平定向鉆技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，是傳統(tǒng)公路頂管穿越方法和油田定向鉆井技術(shù)的結(jié)合，其原理是采用錨固于地表的鉆孔設(shè)備，以相對(duì)于地面較小的入射角鉆入地層形成先導(dǎo)孔，然后將先導(dǎo)孔擴(kuò)徑至所需大小，并通過鉆機(jī)回拖牽引將管道(線)裝入鉆孔的一項(xiàng)非開挖管線敷設(shè)技術(shù)[1-2]。自1970年在美國加州率先使用水平定向鉆穿過河流鋪設(shè)管道后,水平定向鉆技術(shù)得到了較快的發(fā)展，其以效率高、環(huán)境友好、不影響交通、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著等一系列優(yōu)勢(shì)，在水利、電力、油氣等管網(wǎng)建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。

截至2018年，我國已建成長輸油氣管道12萬km，其中利用水平定向鉆技術(shù)鋪設(shè)管道300 km。在西氣東輸國家工程中，西氣東輸一線所穿越的河流中，有36條采用水平定向鉆工法穿越，西氣東輸二線幾乎所有河流穿越都采用了水平定向鉆技術(shù)，共計(jì)穿越大小河流上百條。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅中國石油天然氣管道局每年采用水平定向鉆技術(shù)鋪設(shè)的油氣管道便達(dá)100 km[5-7]。

隨著近年來我國管道建設(shè)的需要和水平定向鉆技術(shù)的不斷提高，南水北調(diào)、西氣東輸、中俄干線等水利、油氣管道以及城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)建設(shè)工程中，采用水平定向鉆技術(shù)鋪設(shè)的管道直徑、穿越距離不斷被突破，水平定向鉆進(jìn)逐漸向大直徑(最大管道直徑1 800 mm)、長距離(最長穿越距離5 205 m)以及復(fù)雜地質(zhì)條件的方向發(fā)展[8]。根據(jù)“十三五”規(guī)劃，2016—2020年我國共計(jì)新建天然氣管道3.4萬km，大直徑、長距離、復(fù)雜地層的水平定向鉆成為技術(shù)發(fā)展的新方向，相關(guān)工程案例越來越多，擁有良好的發(fā)展前景和經(jīng)濟(jì)效益。與此同時(shí)，穿越難度的逐漸增大，對(duì)施工機(jī)械設(shè)備、工藝技術(shù)等也提出了更高的要求[9-10]。

閩江水平定向鉆穿越工程穿越距離較長，管道直徑較大，穿越工程等級(jí)屬大型，且穿越地層為巖石與淤泥質(zhì)黏土軟硬交替復(fù)雜地層，同時(shí)面臨航道河面難以鋪設(shè)定磁場(chǎng)、扭矩與回拖力過大以及入出土點(diǎn)易冒漿等一系列工程技術(shù)難題，工程建設(shè)適宜性差，具有較高的施工難度。通過對(duì)閩江典型的長距離、復(fù)雜地層水平定向鉆穿越工程所遇難題與孔內(nèi)事故進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，提出了相應(yīng)的施工關(guān)鍵技術(shù)，并驗(yàn)證其可行性；同時(shí)，本工程為國內(nèi)外首臺(tái)電驅(qū)動(dòng)大噸位鉆機(jī)與國產(chǎn)新型磁靶導(dǎo)向定位系統(tǒng)的首次應(yīng)用，相關(guān)工程創(chuàng)新技術(shù)可有效減少定向鉆施工對(duì)環(huán)境安全的影響，該一系列工程安全事故的應(yīng)急處理技術(shù)措施以及新型設(shè)備系統(tǒng)的應(yīng)用，可為類似水平定向鉆穿越工程安全施工提供借鑒與參考。

1 工程概況

1. 1 工程背景

隨著福建省瑯岐島開發(fā)建設(shè)的不斷深入，供水矛盾日益顯現(xiàn)，塘坂引水工程瑯岐支線(馬尾段)的建設(shè)將可進(jìn)一步滿足島內(nèi)用水需求。該輸水線路總長度為6.927 km，日供水量最高可達(dá)10萬t。其中，連江縣遠(yuǎn)洋漁業(yè)公司至濱江西路段輸水管道因橫跨閩江主航道，采用水平定向鉆施工法。

閩江水平定向鉆穿越工程起點(diǎn)位于連江縣琯頭鎮(zhèn)陽岐村連江縣遠(yuǎn)洋漁業(yè)公司基地附近，輸水線路往東南方向穿越閩江長門水道，到達(dá)瑯岐島規(guī)劃濱江西路。鋪設(shè)的管道屬市政引水工程供水管道，設(shè)計(jì)穿越總長度為1 934 m，設(shè)計(jì)曲率半徑為1 830 m，設(shè)計(jì)軌跡水平段埋深為25 m，設(shè)計(jì)管徑為1 220 mm(壁厚20 mm)，管材采用Q345B鋼管，穿越工程等級(jí)為大型，主要穿越地層為巖石與淤泥質(zhì)黏土軟硬交替復(fù)雜地層。閩江水平定向鉆穿越工程平面示意圖,如圖1所示。

圖1 閩江水平定向鉆穿越工程平面示意圖

1. 2 地質(zhì)條件

經(jīng)鉆探揭露，擬建工程場(chǎng)地在揭露深度內(nèi)，其巖土層從上往下可分為4層，分別為淤泥質(zhì)黏土、黏土、(含泥)粉砂、微風(fēng)化花崗巖。依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)，確定入、出土角為8°，水平段總長為1 000 m，主要穿越淤泥質(zhì)黏土，同時(shí)伴隨穿越部分花崗巖質(zhì)地層。閩江水平定向鉆穿越工程軌跡與地質(zhì)剖面圖，見圖2。

圖2 閩江水平定向鉆穿越工程軌跡與地質(zhì)剖面圖

1. 3 導(dǎo)向孔施工與擴(kuò)孔、回拖

水平定向?qū)哟┰郊夹g(shù)由國外最早開發(fā)，于2001年首次應(yīng)用到穿越工程[8,11]。常規(guī)導(dǎo)向孔施工工藝為：鉆頭在鉆壓和扭矩作用下不斷切削巖土體，同時(shí)導(dǎo)向定位系統(tǒng)對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，直至鉆頭從出土端出土[12]。閩江水平定向鉆穿越距離近2 000 m，屬大型長距離穿越工程，為了防止鉆機(jī)扭矩、推力過大，避免鉆桿由于長度和自身重力的原因失穩(wěn)而導(dǎo)致難以精確控向所帶來的施工風(fēng)險(xiǎn)，該工程采用國內(nèi)外先進(jìn)的雙鉆機(jī)對(duì)接穿越工藝，由兩臺(tái)水平定向鉆機(jī)協(xié)同作業(yè)完成穿越施工，其中主鉆機(jī)為我國自主研發(fā)的新型2 000 t級(jí)電驅(qū)動(dòng)水平定向鉆機(jī)，輔鉆機(jī)為美國威猛D300×500鉆機(jī)，且主鉆機(jī)與輔鉆機(jī)鉆具組合均為三牙輪鉆頭+螺桿馬達(dá)+無磁鉆鋌+鉆桿，并通過新型的KY-100水平定向鉆磁靶導(dǎo)向定位系統(tǒng)實(shí)施雙鉆機(jī)對(duì)接穿越施工工藝，其原理示意圖如圖3所示。

圖3 雙鉆機(jī)對(duì)接穿越施工工藝原理示意圖

水平定向鉆雙鉆機(jī)對(duì)接穿越施工工藝具有以下優(yōu)勢(shì):

(1) 有效縮短單向?qū)蚩椎你@進(jìn)長度，提高控向能力與精度，保證穿越過程中的定向控制和鉆孔曲線的平滑。

(2) 有效避免單向鉆進(jìn)導(dǎo)致的出土點(diǎn)位置產(chǎn)生誤差的問題。本穿越工程在入出土點(diǎn)均采用了套管隔離工藝，對(duì)接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

(3) 有效避免單向鉆進(jìn)穿越過程中，因鉆桿長距離受力發(fā)生彎曲變形從而易斷裂現(xiàn)象，提高了施工安全系數(shù)。

導(dǎo)向孔施工完成后，進(jìn)行擴(kuò)孔與管道回拖作業(yè)。

閩江水平定向鉆穿越工程采用4級(jí)擴(kuò)孔+2級(jí)洗孔工藝，選用XT69型加重鉆桿(168 mm)，為了確保管道回拖作業(yè)安全，將鉆孔孔徑擴(kuò)至1 800 mm，大于相關(guān)規(guī)范對(duì)孔徑的安全要求。閩江水平定向鉆穿越工程擴(kuò)孔施工級(jí)數(shù)與鉆具組合見表1，φ900桶式擴(kuò)孔器示意圖如圖4所示。

在擴(kuò)孔過程中，按照設(shè)計(jì)要求適當(dāng)調(diào)整加大泥漿排量，保證泥漿流速達(dá)到攜帶碎屑的能力，因此配備2臺(tái)大功率泥漿泵,單泵排量在2.5 m3/min以上，同時(shí)控制管道回拖速度，嚴(yán)防憋泵、憋鉆及強(qiáng)行回?cái)U(kuò)。洗孔次數(shù)根據(jù)具體成孔情況與孔內(nèi)清潔度及時(shí)調(diào)整。

表1 閩江水平定向鉆穿越工程擴(kuò)孔施工級(jí)數(shù)與鉆具組合

圖4 φ900桶式擴(kuò)孔器示意圖

回拖鉆具組合為：φ168 mm鉆桿+φ1 800 mm桶式擴(kuò)孔器+1 500 t分動(dòng)器+“U”型環(huán)+DN1 200管道。其中，“U”型環(huán)用于避免具有較大剛性的管道在回拖時(shí)與鉆具硬連接。

在大管徑穿越的回拖過程中，巨大的浮力往往對(duì)穿越回拖產(chǎn)生非常不利的影響[13]。為了消除其影響，減少管道和擴(kuò)孔器與孔壁的接觸和摩擦，管道回拖過程中將水作為平衡介質(zhì)注入管道內(nèi)，進(jìn)行浮力控制，同時(shí)為了使水均勻分布在管道內(nèi)，需在管道內(nèi)部置入若干根PE管，保證回拖時(shí)保持其內(nèi)部充滿水。本工程的穿越主管道為DN1200，選用的PE管為φ610 mm×12.5 mm。

1. 4 施工鉆機(jī)

閩江水平定向鉆穿越工程采用雙鉆機(jī)對(duì)接穿越施工工藝，輔鉆機(jī)為美國威猛D300×500鉆機(jī)，主鉆機(jī)為國內(nèi)自主研發(fā)，最大回拖力為2 000 t，是目前國內(nèi)外最大噸位回拖力的電驅(qū)動(dòng)水平定向鉆機(jī)。

閩江水平定向鉆穿越工程穿越長度為1 934 m，屬長距離穿越，根據(jù) 《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》(GB 50424—2007)中水平定向鉆管道穿越回拖力的計(jì)算公式[14]，對(duì)該穿越工程水平定向鉆機(jī)的噸位進(jìn)行核驗(yàn)，選取的計(jì)算公式為

(1)

式中：F拉為鉆機(jī)的回拖力(kN)；L為水平定向鉆穿越工程穿越長度(m)；f為摩擦系數(shù)，取0.1～0.3；g為重力加速度(m/s2)，取9.81 m/s2；D為管道外徑(m)；γ泥為泥漿密度(t/m3)；δ為管道壁厚(m);k黏為黏滯系數(shù)，取0.01～0.03。

通過計(jì)算，同時(shí)為了最大程度保證工程施工安全，在考慮安全系數(shù)的基礎(chǔ)上，得到本次穿越施工工程所需的理論最大回拖力為1 074 t。

針對(duì)由于穿越距離長所需的回拖力過大、施工功效低等問題，本工程有針對(duì)性地采用國內(nèi)外首臺(tái)、我國自主研發(fā)的新型2 000 t級(jí)電驅(qū)動(dòng)水平定向鉆機(jī)進(jìn)行施工，見圖5。

圖5 我國自主研發(fā)的新型2 000 t級(jí)電驅(qū)動(dòng)水平定向鉆機(jī)

主鉆機(jī)一改傳統(tǒng)的水平定向鉆機(jī)通過燃油提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)方式，而是采用電力驅(qū)動(dòng)，具有高創(chuàng)新、低噪音、低能耗以及環(huán)境友好等一系列優(yōu)點(diǎn)。可以預(yù)見，電驅(qū)動(dòng)、大噸位將會(huì)是未來非開挖水平定向鉆機(jī)發(fā)展的一大新趨勢(shì)。

2 閩江水平定向鉆穿越工程技術(shù)難題

2. 1 導(dǎo)向孔穿越軟硬交替復(fù)雜地層

由于閩江河道航運(yùn)繁忙且穿越軸線附近存在港口碼頭，為了避免過往船只拋錨對(duì)河床下敷管道造成破壞，相關(guān)部門對(duì)管道安全埋深作出規(guī)定，即須大于25 m。在此埋深下，閩江水平定向鉆所穿越地層為巖石與淤泥質(zhì)黏土軟硬交替地層。其中，淤泥質(zhì)黏土呈流塑狀，具有高壓縮性及低承載力的特性，施工過程中控向曲線較難控制且成孔較差；所穿越硬巖為多處不連續(xù)的微風(fēng)化花崗巖巖脈凸起，導(dǎo)致整體施工難度較大，主、輔鉆機(jī)鉆桿孔內(nèi)對(duì)接困難，易造成鉆桿彎曲、斷裂等孔內(nèi)事故。

2.1.1 孔內(nèi)鉆桿對(duì)接困難

在主、輔鉆機(jī)鉆桿孔內(nèi)對(duì)接過程中，孔內(nèi)信號(hào)探棒獲得對(duì)信號(hào)源的感應(yīng)后，主、輔鉆機(jī)調(diào)整姿態(tài)角度繼續(xù)鉆進(jìn)，將主鉆機(jī)側(cè)鉆頭導(dǎo)入至輔鉆機(jī)側(cè)鉆頭部位套筒，實(shí)現(xiàn)了兩側(cè)鉆具的“握手”，完成對(duì)接工藝的初步成功。然而，由于穿越地層的不良特性，在輔鉆機(jī)回抽鉆桿、主鉆機(jī)沿輔鉆機(jī)鉆進(jìn)形成的導(dǎo)向孔同步鉆進(jìn)的過程中，輔鉆機(jī)側(cè)鉆具在距離入土點(diǎn)1 350 m處位置發(fā)生了角度下沉，偏離設(shè)計(jì)軌跡曲線，最終導(dǎo)致已成功完成初步對(duì)接的兩側(cè)鉆具再次脫離，未能將其從孔內(nèi)順利導(dǎo)出而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向孔的貫通。

2.1.2 鉆桿彎曲變形

在主、輔鉆機(jī)鉆桿孔內(nèi)對(duì)接過程中，主鉆機(jī)鉆進(jìn)至距出土點(diǎn)1 180 m處位置，孔內(nèi)鉆桿扭矩異常增加至45 000 N·m，且隨著鉆桿回轉(zhuǎn)，扭矩產(chǎn)生周期性波動(dòng)，初步判斷為孔內(nèi)鉆桿發(fā)生彎曲變形。通過回抽主鉆機(jī)側(cè)鉆桿，證實(shí)鉆桿在距離入土點(diǎn)200 m處發(fā)生了彎曲變形。

更換鉆桿后，主鉆機(jī)鉆進(jìn)至出土點(diǎn)1 150 m處位置時(shí)，孔內(nèi)鉆桿扭矩再次異常增加至47 000 N·m，進(jìn)行第二次回抽，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)鉆桿在同樣位置再次發(fā)生程度較大的彎曲變形，存在鉆桿折斷的風(fēng)險(xiǎn)，如圖6所示。

圖6 鉆桿彎曲變形

2.1.3 鉆桿斷裂

導(dǎo)向孔初次對(duì)接過程中，主鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆桿發(fā)生卡鉆，采取反復(fù)旋轉(zhuǎn)、推拉鉆桿和增大泥漿排量的方式解卡。在解卡過程中，鉆桿發(fā)生斷裂，鉆桿以及無磁鉆鋌、螺桿馬達(dá)、導(dǎo)向設(shè)備等鉆具埋落在孔內(nèi)，孔內(nèi)鉆桿長度總計(jì)為900 m。鉆桿斷裂位置斷口，如圖7所示。

圖7 鉆桿斷裂位置斷口

通過對(duì)斷裂鉆桿管體進(jìn)行宏觀分析，發(fā)現(xiàn)鉆桿靠近斷口部位發(fā)生明顯的彎曲變形。經(jīng)過前期多次鉆進(jìn)，鉆孔直徑已超過了孔內(nèi)鉆桿直徑，此時(shí)孔內(nèi)長鉆桿相當(dāng)于柔性桿，在承受解卡過程中的反復(fù)推拉荷載作用達(dá)到一定值時(shí)，鉆桿發(fā)生彎曲失穩(wěn)。當(dāng)鉆桿外表面疲勞損傷累積達(dá)到一定程度便會(huì)有疲勞裂紋萌生并不斷擴(kuò)展，使得裂紋截面部位的承載能力下降，進(jìn)而引起鉆桿在裂紋部位發(fā)生嚴(yán)重彎曲，最終導(dǎo)致鉆桿發(fā)生斷裂失效[15]。

2. 2 航道難以布置磁場(chǎng)線圈

在水平定向鉆導(dǎo)向孔的施工過程中，為了保證鉆進(jìn)精度，通常需要沿設(shè)計(jì)軌跡在地面敷設(shè)磁場(chǎng)線圈，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地下導(dǎo)向探棒的信號(hào)監(jiān)測(cè)[16]。閩江水平定向鉆穿越工程由于橫跨長達(dá)近2 000 m的閩江主航道，航運(yùn)繁忙，難以通過傳統(tǒng)的搭建船臺(tái)的方式在河面布置人工磁場(chǎng)線圈。

2. 3 扭矩與回拖力過大

閩江水平定向鉆穿越工程的穿越長度為1 934 m，屬長距離穿越。由于地層特性與鉆桿自身柔性，鉆桿回轉(zhuǎn)與管道回拖均需要較大的扭矩與回拖力，且由于距離過長導(dǎo)致鉆機(jī)動(dòng)力裝置經(jīng)鉆桿至鉆頭的動(dòng)力傳遞損耗大，故易產(chǎn)生施工功效低等問題，且存在施工安全隱患。

2. 4 入出土點(diǎn)易冒漿

針對(duì)閩江水平定向鉆穿越的淤泥質(zhì)地層，由于入、出土點(diǎn)處淺表地層土體物理力學(xué)性質(zhì)較差，難以通過自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來抵抗孔內(nèi)泥漿壓力，易發(fā)生冒漿。

3 閩江水平定向鉆穿施工程施工關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)上述閩江水平定向鉆穿越工程中遇到的技術(shù)難題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，提出了相應(yīng)的施工關(guān)鍵技術(shù)。

3. 1 穿越軟硬交替復(fù)雜地層技術(shù)工藝

3.1.1 孔內(nèi)鉆桿對(duì)接困難處理

針對(duì)因軟地層承載力弱導(dǎo)致的孔內(nèi)兩側(cè)鉆桿發(fā)生下沉、對(duì)接困難這一問題，現(xiàn)場(chǎng)提出采用壁鉤打撈的方式完成孔內(nèi)兩側(cè)鉆桿的對(duì)接。其原理為：根據(jù)鉆具尺寸，先將具有一定厚度的鋼板切割為鉤狀，通過焊接方式固定在兩端加工有螺紋的短節(jié)頭上，將此短節(jié)頭通過螺紋連接在輔鉆機(jī)側(cè)鉆桿上(加裝壁鉤的短節(jié)頭見圖8)；然后在孔內(nèi)將加裝壁鉤的鉆桿(見圖9)嚴(yán)格控制導(dǎo)向精度，鉆進(jìn)至貼近主鉆機(jī)側(cè)鉆具的位置進(jìn)行回轉(zhuǎn)，通過壁鉤實(shí)現(xiàn)兩側(cè)鉆具的“握手”銜接，進(jìn)而將鉆具全部導(dǎo)出。

圖8 加裝壁鉤的短節(jié)頭

圖9 加裝壁鉤的鉆桿

但在實(shí)際操作過程中存在以下問題：①輔鉆機(jī)側(cè)鉆具全部退出后，加裝壁鉤后再次鉆進(jìn)時(shí)無法找到原鉆孔軌跡；②在地面嚴(yán)格控制鉆進(jìn)角度方位的前提下，鉆具在孔內(nèi)受鉆孔周圍經(jīng)嚴(yán)重?cái)_動(dòng)的淤泥質(zhì)黏土地層的影響，控向難度加大，前進(jìn)姿態(tài)難以控制，無法精確鉆進(jìn)至計(jì)劃位置，造成孔內(nèi)鉆桿對(duì)接失敗。分析原因可歸結(jié)為：穿越地層不穩(wěn)定、承載力與成孔性差且鉆具多次鉆進(jìn)與回抽對(duì)鉆孔周圍土體地層造成擾動(dòng)，加劇了其不穩(wěn)定性。此后規(guī)劃新的穿越軌跡，再次運(yùn)用對(duì)接工藝，順利完成了導(dǎo)向孔施工。

3.1.2 鉆桿彎曲變形處理

針對(duì)導(dǎo)向孔對(duì)接過程中孔內(nèi)鉆桿發(fā)生的彎曲變形，經(jīng)分析，孔內(nèi)兩次鉆桿彎曲均位于距離入土點(diǎn)200～250 m處位置，而此處恰為孔內(nèi)套管端口位置。鑒于此，判斷原因?yàn)橛捎诖┰骄嚯x較長以及地層條件復(fù)雜，在前期施工過程中鉆桿進(jìn)行了多次鉆進(jìn)與回抽，對(duì)孔內(nèi)套管端口產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的磨損，同時(shí)淤泥質(zhì)黏土屬軟弱土層，承載力差、穩(wěn)定性低，當(dāng)鉆頭受力時(shí)，鉆桿便在磨損開裂的套管口處出現(xiàn)向下發(fā)生變形彎曲的趨勢(shì)，通過鉆具回轉(zhuǎn)，進(jìn)一步形成環(huán)形空洞，進(jìn)而導(dǎo)致鉆具頭部受力時(shí)，后方尾部在環(huán)形空洞處發(fā)生彎曲變形。

針對(duì)這一問題，為了不影響現(xiàn)有套管和孔內(nèi)鉆桿，在現(xiàn)有的200 m套管內(nèi)再次推進(jìn)300 m長、外徑略小(245 mm)的套管，將孔內(nèi)原套管端口處的環(huán)形空洞通過新的套管隔離開，保證鉆桿穩(wěn)定通過此處位置。內(nèi)套管推進(jìn)完成后，通過試驗(yàn)鉆進(jìn)實(shí)現(xiàn)了鉆桿以正常扭矩、推力順利通過原彎曲位置，證實(shí)了對(duì)鉆桿彎曲原因初步判斷的正確性和處理方法的有效性。

3.1.3 鉆桿斷裂打撈處理

孔內(nèi)鉆桿斷裂后，立即對(duì)其進(jìn)行打撈處理，采用壁鉤打撈以及套洗解卡工藝措施。

第一次打撈鉆具組合為牙輪鉆頭+鉆桿+壁鉤+鉆桿。此次打撈過程中，由于受淤泥質(zhì)黏土地層的影響，打撈鉆具鉆進(jìn)過程傾角、方位角等參數(shù)難以控制，軌跡精度無法滿足精確靠近斷裂鉆桿的要求；同時(shí)，由于壁鉤環(huán)徑遠(yuǎn)大于鉆桿外徑，因而壁鉤在孔內(nèi)前進(jìn)便相當(dāng)于初步擴(kuò)孔，加大了扭矩與推力，尤其鉆遇花崗巖凸起時(shí)，導(dǎo)致鉆速緩慢，進(jìn)尺更為困難，未實(shí)現(xiàn)預(yù)期的打撈效果。

為了提高打撈鉆具造斜控向能力，改用造斜鏟板代替牙輪鉆頭。第二次打撈鉆具組合為造斜鏟板+鉆桿+壁鉤+鉆桿，如圖10所示。造斜鏟板與壁鉤，見圖11。在實(shí)際操作過程中，造斜鏟板較好地改善了控向能力與鉆進(jìn)精度，但降低了鉆頭切削碎巖能力。當(dāng)打撈鉆具沿預(yù)定軌跡鉆進(jìn)時(shí)，造斜鏟板鉆遇微風(fēng)化花崗巖，阻力極大，無法繼續(xù)前進(jìn)。

圖10 第二次打撈鉆具組合

圖11 造斜鏟板與壁鉤

為了使打撈鉆具順利通過硬巖地層鉆進(jìn)至斷裂鉆桿處，提出使用套洗工藝對(duì)打撈鉆具進(jìn)行解卡[17]。第三次打撈鉆具組合為造斜鏟板+鉆桿+壁鉤+鉆桿+套洗鉆具，如圖12所示。套洗鉆具見圖13，包括解卡器、牙輪鉆頭和鉆桿。

圖12 第三次打撈鉆具

圖13 套洗鉆具

所謂套洗，是水平定向鉆穿越過程中一種專門解決卡鉆問題的技術(shù)措施，解卡器由套洗頭與套洗筒組成。具體解卡工藝為：在被卡鉆桿上安裝解卡器，使解卡器的套洗筒套入被卡鉆桿，套洗頭連接鉆機(jī)主軸與新的套洗鉆具，鉆機(jī)在泵送泥漿的前提下低速旋轉(zhuǎn)沿被卡鉆桿方向推進(jìn)，使套洗鉆具沿著被卡鉆桿鉆進(jìn)至卡點(diǎn)，使卡點(diǎn)附近地層松動(dòng)，并排出鉆屑，完成解卡。套洗鉆具解卡器套洗頭與套洗筒，見圖14。

圖14 套洗鉆具解卡器套洗頭與套洗筒

在套洗鉆具的解卡工作下，打撈鉆具緩慢通過硬巖段，鉆進(jìn)至預(yù)定打撈位置，鉆機(jī)低速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)壁鉤在孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)、打撈。最終耗時(shí)約30 d，通過雙鉆機(jī)對(duì)接工藝與壁鉤對(duì)接順利完成了總長度2 000 m的導(dǎo)向孔施工，為后續(xù)進(jìn)一步擴(kuò)孔、回拖管道打下了基礎(chǔ)，證實(shí)了相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)、施工工藝對(duì)水平定向鉆工法在長距離穿越此類地層中應(yīng)用的有效性與可行性。

3.2 KY-100水平定向鉆磁靶導(dǎo)向定位技術(shù)

閩江水平定向鉆穿越工程所使用的新型KY-100水平定向鉆磁靶導(dǎo)向定位系統(tǒng)(以下簡稱KY-100導(dǎo)向系統(tǒng))，為我國自主創(chuàng)新研發(fā)應(yīng)用于水平定向鉆進(jìn)的新型有線磁靶導(dǎo)向定位儀器， 是一套集施工曲線設(shè)計(jì)、磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理、鉆頭姿態(tài)實(shí)時(shí)顯示、鉆頭位置計(jì)算、測(cè)量數(shù)據(jù)管理功能于一體的軟件系統(tǒng)。閩江水平定向鉆穿越工程首次采用該系統(tǒng)。

KY-100導(dǎo)向系統(tǒng)由地面和地下兩部分組成。其中，該系統(tǒng)地下部分是安裝在無磁鉆鋌內(nèi)的導(dǎo)向工具組合，其主要由扶正器、導(dǎo)向探棒、泥漿分流器等組成，導(dǎo)向工具組合結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向探棒見圖15和圖16；該系統(tǒng)地面部分包括地面導(dǎo)向控制箱、地面磁靶和電源箱等部件，如圖17所示。

圖15 導(dǎo)向工具組合結(jié)構(gòu)

圖16 導(dǎo)向探棒

圖17 KY-100水平定向鉆磁靶導(dǎo)向定位系統(tǒng)地面部分

KY-100導(dǎo)向系統(tǒng)通過地面磁靶系統(tǒng)定位克服了航道難以布置傳統(tǒng)磁場(chǎng)線圈的問題：地面磁靶采用單靶形式而非國外常用的十字交叉水平靶，且具有方向性，可沿任意鉆進(jìn)軸向(即前后、左右、上下)布放，通過相應(yīng)的軟件設(shè)置均可進(jìn)行定位。通過吊放工具(如鋁梯)豎直布放，可省去水平調(diào)平和坐標(biāo)軸對(duì)準(zhǔn)環(huán)節(jié)，即可輸出磁靶附近位置對(duì)應(yīng)的地下導(dǎo)向探棒相對(duì)于地面磁靶的三維位置，實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)鉆具的精準(zhǔn)定位。施工現(xiàn)場(chǎng)豎直布放的磁靶，如圖18所示。

圖18 施工現(xiàn)場(chǎng)豎直布放的磁靶

KY-100導(dǎo)向系統(tǒng)不僅在功能和性能方面已達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平，而且在磁靶定位和對(duì)穿上有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。導(dǎo)向探棒體積小(φ40 mm×670 mm)、重量輕(2.5 kg)、角度測(cè)量精度高(±0.1°)，通過導(dǎo)向線連接可與地面控制箱實(shí)現(xiàn)3 000 m有線傳輸。該系統(tǒng)實(shí)用性與可靠性在閩江水平定向鉆長距離穿越過程中得到了有效驗(yàn)證，尤其對(duì)于山、江河流域等復(fù)雜地形的穿越具有極強(qiáng)的適用性。

3. 3 新型鉆機(jī)與對(duì)接穿越施工技術(shù)工藝

鑒于閩江水平定向鉆穿越工程所存在的大回拖力問題，采用國內(nèi)外首臺(tái)、我國自主研發(fā)的2 000 t級(jí)電驅(qū)動(dòng)水平定向鉆機(jī)，其最大回拖力為2 000 t，經(jīng)核算，完全滿足該工程需要。

同時(shí)，針對(duì)大扭矩可能導(dǎo)致的施工功效低且存在事故安全隱患等問題，本次閩江水平定向鉆穿越工程采用國內(nèi)外先進(jìn)的雙鉆機(jī)對(duì)接穿越施工工藝，有效縮短了單向?qū)蚩椎你@進(jìn)長度，提高了控向能力與精度，保證了穿越過程中的定向控制和鉆孔曲線的平滑，同時(shí)防止了鉆機(jī)扭矩、推力過大，極大地提高了施工功效。

3. 4 淺表層套管隔離技術(shù)工藝

針對(duì)該工程入、出土點(diǎn)附近淺表地層易發(fā)生冒漿，對(duì)該區(qū)段采用套管隔離手段，有效增大了返漿通道，促使返漿通暢，同時(shí)避免了鉆屑在孔口淤積造成的孔口堵塞。

本次使用隔離套管總計(jì)為500 m，分別為200 m外徑273 mm、壁厚6.9 mm和300 m外徑245 mm、壁厚6.9 mm的無縫鋼管，單根套管長度為12 m。外徑273 mm套管就位后鉆機(jī)沿鉆桿推送套管，如圖19所示。

圖19 鉆機(jī)沿鉆桿推送套管

同時(shí)，套管隔離淺表層可使鉆機(jī)的推力更容易向鉆頭傳遞，并減小鉆進(jìn)過程中鉆具在地層內(nèi)所受的阻力。

閩江水平定向鉆穿越工程導(dǎo)向孔施工與擴(kuò)孔、管道回拖技術(shù)流程和主要技術(shù)難題，見圖20。

在本次閩江水平定向鉆穿越工程中，主要施工技術(shù)流程、技術(shù)難題、原因、解決方法和技術(shù)指標(biāo)的匯總，見表2。其中，對(duì)于鉆桿斷裂后的3次打撈方法，牙輪鉆頭+壁鉤打撈，其優(yōu)勢(shì)在于碎巖性強(qiáng)、鉆頭進(jìn)尺效率高，但鉆具在淤泥層中的控向性較差；造斜鏟板+壁鉤打撈，其優(yōu)勢(shì)在于鉆具在孔內(nèi)控向性較好、控向精度高，但遇到硬巖凸起時(shí)破碎性較差，易發(fā)生卡鉆；而造斜鏟板+壁鉤+套洗鉆具的打撈方式，兼顧了對(duì)碎巖與控向的需求，對(duì)于軟硬交替地層中的鉆具打撈具有較好的適應(yīng)性。

圖20 閩江水平定向鉆穿越工程導(dǎo)向孔施工與擴(kuò)孔、 管道回拖技術(shù)流程和主要技術(shù)難題

表2 閩江水平定向鉆穿越工程遇到的主要技術(shù)難題與解決方法匯總表

通過上述分析，本文針對(duì)本次閩江水平定向鉆穿越工程所遇到的技術(shù)難題提出的解決方法，對(duì)于此后類似地層的穿越工程具有借鑒意義。為了避免發(fā)生鉆桿彎曲與斷裂、對(duì)接困難等問題，首先應(yīng)選擇合適的埋深，進(jìn)而選擇合適的穿越地層，盡可能避免軟硬交替等難度較大、對(duì)安全施工存在風(fēng)險(xiǎn)的地層；其次，在承載力較弱的類似淤泥質(zhì)地層中穿越時(shí)，應(yīng)選擇合理的機(jī)具設(shè)備與鉆具組合，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況不斷優(yōu)化鉆進(jìn)方案與施工工藝參數(shù)，同時(shí)雙鉆機(jī)對(duì)接穿越施工工藝、大噸位鉆機(jī)以及創(chuàng)新型導(dǎo)向控向設(shè)備的運(yùn)用是安全施工的重要保障。

4 結(jié) 論

本文依托塘坂引水工程瑯岐支線(馬尾段)供水管道水平定向鉆穿越工程，分析了水平定向鉆穿越軟硬交替地層時(shí)存在的對(duì)接施工工藝難度較大、穿越航道難以布置磁場(chǎng)線圈、長距離穿越管道回拖力與扭矩過大、入出土點(diǎn)易冒漿等問題的原因，并結(jié)合工程實(shí)際情況提出了相應(yīng)的處理方法，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 閩江水平定向鉆穿越工程具有穿越距離長、穿越地層工程建設(shè)適宜性差等特點(diǎn)，對(duì)前期導(dǎo)向孔對(duì)接穿越施工造成了一定的困難。在淤泥質(zhì)黏土地層進(jìn)行水平定向鉆施工時(shí)，不可忽視由于地層承載力低、成孔性差所帶來的鉆具控向造斜能力與角度精度不高的問題，需要規(guī)范施工操作與技術(shù)工藝，以避免由于多次鉆進(jìn)、回拔對(duì)原狀地層的擾動(dòng)而加劇其不穩(wěn)定性。

(2) 對(duì)入、出土點(diǎn)淺表地層雜填土進(jìn)行套管隔離，可以增大返漿通道，促使返漿通暢，能有效防止冒漿的發(fā)生。

(3) 新型的大噸位電驅(qū)動(dòng)水平定向鉆機(jī)具有低能耗、低噪音及環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，具有較好的發(fā)展前景。國產(chǎn)新型KY-100水平定向鉆磁靶導(dǎo)向定位系統(tǒng)具有精度高、質(zhì)量輕、體積小等特點(diǎn)，同時(shí)無需布置正交線圈，磁靶探測(cè)使用方便，其可靠性與實(shí)用性在本次穿越工程中得到了驗(yàn)證。一系列的工程創(chuàng)新設(shè)備與技術(shù)的應(yīng)用，極大地減少了水平定向鉆施工過程中對(duì)環(huán)境的影響，可見環(huán)境安全背景下的工程技術(shù)、設(shè)備創(chuàng)新發(fā)展，也將是未來定向鉆穿越工程發(fā)展的新趨勢(shì)。

(4) 本工程通過采用包括雙層套管、壁鉤打撈孔內(nèi)鉆具以及套洗鉆具解卡等技術(shù)手段在內(nèi)的應(yīng)急預(yù)案，有效地解決了施工過程中出現(xiàn)的孔內(nèi)鉆桿彎曲變形、鉆桿斷裂、卡鉆等技術(shù)難題。面對(duì)突發(fā)的工程事故，可靠、有效的應(yīng)急手段與技術(shù)措施可有效減小事故造成的損失，最大程度地降低安全事故的影響。本文相關(guān)工藝參數(shù)、技術(shù)方案可為類似水平定向鉆穿越工程安全施工提供參考與借鑒。