水平定向鉆穿越工程過程控制

摘 要

摘要：探討了水平定向鉆穿越工程中的現(xiàn)場踏勘、工程測量、穿越線路的平面路徑設(shè)計、地質(zhì)勘察、鉆進(jìn)軌跡設(shè)計和施工主要工藝過程。結(jié)合工程實例，論述了空間曲線定向鉆穿越施工過
摘要：探討了水平定向鉆穿越工程中的現(xiàn)場踏勘、工程測量、穿越線路的平面路徑設(shè)計、地質(zhì)勘察、鉆進(jìn)軌跡設(shè)計和施工主要工藝過程。結(jié)合工程實例，論述了空間曲線定向鉆穿越施工過程。
關(guān)鍵詞：水平定向鉆；工程測量；地質(zhì)勘察；鉆進(jìn)軌跡；空間曲線
Process Control of Crossing Engineering Using Horizontal Directional Drilling
LU Yin，LUO Fuquan
Abstract：The site reconnaissance，engineering measurement，design path across the line of plane，geological survey，design of drilling track and main construction processes of crossing engineering using horizontal directional drilling are discussed.The construction process of crossing engineering using horizontal directional drilling with spatial curve is described with an engineering example.
Key words：horizontal directional drilling；engineering measurement；geological survey；drilling track；spatial curve
1 概述
    為適應(yīng)天津濱海新區(qū)發(fā)展對天然氣的需求，天津華燊燃?xì)鈱崢I(yè)有限公司在濱海新區(qū)興建第二氣源(天然氣)管道工程。管道公稱直徑為600mm，設(shè)計壓力為1.6MPa，選用鋼級為L245，全線長46km。從大港油田至濱海新區(qū)，管道多次穿越公路、鐵路、大小河流等，共進(jìn)行了15處水平定向鉆穿越施工，穿越總長度達(dá)10km。因此，水平定向鉆穿越成為本工程不可或缺的技術(shù)。
    目前，我們對定向鉆穿越的探討主要集中在具體的施工技術(shù)、設(shè)備以及泥漿工藝等領(lǐng)域[1～11]，對定向鉆工程的整體過程控制探討不足。筆者結(jié)合第二氣源(天然氣)管道工程中難度最大的大沽排污河水平定向鉆穿越工程，對水平定向鉆穿越工程過程控制進(jìn)行探討。
2 水平定向鉆穿越工程過程控制要點
   ① 現(xiàn)場踏勘
   建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位應(yīng)集中組織到需要穿越的地點進(jìn)行踏勘，了解要穿越的障礙類型(如河流、公路、鐵路等)和現(xiàn)場是否具備定向鉆穿越的施工條件。根據(jù)現(xiàn)場的情況，三方要將穿越管道的大概走向、要避讓的構(gòu)筑物和既有設(shè)施、鉆機(jī)的擺放位置、管道布管和預(yù)制的空間等初步確定，形成穿越的初步輪廓。建設(shè)單位還要將有關(guān)的工程要求向設(shè)計單位和施工單位予以明確，以使其能在后續(xù)的環(huán)節(jié)貫徹并實現(xiàn)建設(shè)單位的預(yù)定目標(biāo)。
   ② 工程測量
   根據(jù)穿越的初步輪廓，組織測量單位對相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行工程測量工作。工程測量工作應(yīng)完成以下內(nèi)容：
   a. 地形測量：對現(xiàn)狀地形地貌進(jìn)行測量，標(biāo)明現(xiàn)有構(gòu)筑物及既有設(shè)施等。
   b. 地下物探：獲得鉆孔線路或鉆孔設(shè)施附近，任何地下管道、電纜或其他埋設(shè)物的詳細(xì)信息。
    c. 獲得規(guī)劃管線和建、構(gòu)筑物的信息：獲得鉆孔線路或鉆孔設(shè)施附近，任何規(guī)劃將埋設(shè)的地下管道、電纜或其他埋設(shè)物及規(guī)劃將興建的建筑物、橋梁、隧道，河流拓寬、疏浚或港灣建設(shè)等的詳細(xì)信息。
    測量單位完成上述測量工作后，應(yīng)以測量圖的形式提交成果，成果包含內(nèi)容為：
    a. 1：500或1：1 000的平面地形圖，1：100或1：200的縱向斷面圖。
    b. 地下物探結(jié)果要反映到平面圖和斷面圖上。一般要求物探的范圍是穿越管段兩側(cè)各50～100m的范圍內(nèi)。
    c. 穿越通航的水域時，必須征得航道主管部門的批準(zhǔn)，測量結(jié)果符合其要求。航道主管部門一般要求地形圖的測量范圍是穿越段兩側(cè)(上、下游)各大于300m[6]，要反映出航道的位置及寬度，斷面圖上要反映出水深和水下地貌。
    工程測量工作的目的是對穿越地點的地形地貌和地下已有管道及其他構(gòu)筑物的位置進(jìn)行集中反映，為設(shè)計單位進(jìn)行定向鉆穿越線路設(shè)計提供相關(guān)參數(shù)和依據(jù)。
    ③ 穿越線路的平面路徑設(shè)計
    設(shè)計單位根據(jù)現(xiàn)場勘踏和測量情況對穿越地點的場地條件進(jìn)行全面細(xì)致分析，做出管道定向穿越的平面路徑圖。平面路徑圖上要對鉆機(jī)擺放位置、入土點、出土點及管段預(yù)制空間明確標(biāo)示，同時標(biāo)明擬穿越管道要規(guī)避的地上、地下建(構(gòu))筑物(橋梁承臺、高壓電塔、廠房的樁基礎(chǔ)等)及其他埋地的管道、電纜，并核算燃?xì)夤艿琅c上述建(構(gòu))筑物和其他埋地管道、電纜的間距要符合相關(guān)規(guī)范的要求。平面路徑圖是定向鉆施工時，現(xiàn)場定位放線和定向鉆進(jìn)過程中水平方向上頂進(jìn)的重要依據(jù)，也是地質(zhì)勘察時勘察點布置的依據(jù)之一。
   ④ 地質(zhì)勘察
   穿越處的地質(zhì)勘察非常重要，勘察將直接影響穿越工程的質(zhì)量與進(jìn)度，因此必須進(jìn)行詳細(xì)勘察。地質(zhì)勘察的勘察點數(shù)量取決于計劃穿越地點的地層情況及穿越長度?？辈禳c要非常接近鉆孔線路，且勘察點探孔取樣的深度須比定向鉆計劃穿越的深度還要大。地質(zhì)勘察報告須陳述取得勘察地質(zhì)信息的實際位置與方法，并詳述地質(zhì)取樣樣本。詳細(xì)而準(zhǔn)確的勘察報告是水平定向鉆穿越工程中最重要的信息。通常地質(zhì)勘察應(yīng)遵循的原則是：
    a. 詳細(xì)勘察的勘察點應(yīng)按巖土工程勘察等級確定。
    b. 在管道中心線兩側(cè)20m處，與管道中心線平行布置兩排勘察點，勘察點間距為50m，應(yīng)交錯布置，地質(zhì)情況復(fù)雜時，酌情加密?？辈炀€長度與管道穿越長度一致。
    c. 河流定向鉆穿越，鉆孔深度為河床下30m，岸上鉆孔深度與河床內(nèi)鉆孔深度為同一標(biāo)高。
    d. 河流定向鉆穿越，應(yīng)取河水和地下水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，判斷環(huán)境水對金屬管道的腐蝕性?？砂碨Y/T 0053—2004《油氣田及管道巖土工程勘察規(guī)范》中的附錄C執(zhí)行。
    e. 對原狀土試樣的試驗分析和其他事項執(zhí)行SY/T 0053—2004第7.4.5～7.4.8條的規(guī)定。
    地質(zhì)勘察完成后，勘察報告中要提供以下參數(shù)：取樣深度、含水量、顆粒度、液性指數(shù)、塑性指數(shù)、液限、塑限、標(biāo)貫擊數(shù)、承載力等，并提供水質(zhì)報告，穿越地段地質(zhì)鉆探剖面圖。
    地質(zhì)勘察不僅為設(shè)計單位確定鉆進(jìn)軌跡提供技術(shù)支持，還為施工單位確定泥漿配比提供依據(jù)。施工單位依據(jù)地質(zhì)勘察報告提供的數(shù)據(jù)，科學(xué)合理地確定泥漿配比，對特殊地段提前采取特殊措施，適時改變泥漿配方，及時加入添加劑，調(diào)節(jié)好泥漿性能，盡量保證孔內(nèi)狀況良好，形成良好的孔壁，保證孔洞潤滑，確保管道回拖順利，同時保護(hù)管道防腐層。
    ⑤ 鉆進(jìn)軌跡設(shè)計
    鉆進(jìn)軌跡設(shè)計既是定向鉆施工的依據(jù)，又是施工質(zhì)量檢查的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計方案正確合理是定向鉆施工成功的首要條件。
    對于水平定向鉆鉆進(jìn)軌跡的設(shè)計，設(shè)計單位在綜合工程要求、地層及地形情況、鉆桿允許曲率、管道允許曲率、施工場地條件、地下障礙物情況等多方面因素的基礎(chǔ)上來設(shè)計鋼管埋深、鋼管的曲率半徑，確定定向鉆鉆進(jìn)過程中鉆頭的頂角、方位角、工具面向角，計算出測定空間坐標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計出定向鉆鉆進(jìn)的最佳軌跡曲線，并對特殊地層、地段制定特殊施工方案。
    ⑥ 工程施工
    定向鉆施工主要工藝過程包括鉆機(jī)進(jìn)場安裝調(diào)試、導(dǎo)向孔施工、反向擴(kuò)孔、管道回拖、竣工驗收[7]，其中導(dǎo)向孔施工是工程的關(guān)鍵。上述各環(huán)節(jié)提供的參數(shù)和成果對施工的順利進(jìn)行具有重要的指導(dǎo)作用，是工程成功的前置要素。
3 工程實例
    以大沽排污河水平定向鉆穿越工程為例，穿越管段的平面圖和縱斷面圖見圖1。大沽排污河穿越地點位于港塘公路與大沽排污河交口(港塘橋)附近，根據(jù)現(xiàn)場踏勘的情況來看，本工程要穿越港塘公路2次(港塘公路在此處為跨河倒“L”形走向)及李港鐵路、大沽排污河、津晉高速上、下橋匝道等幾處地上、地下構(gòu)筑物。

    建設(shè)單位委托天津市測量院進(jìn)行地形地貌測量及地下物探工作，委托天津市勘察院對穿越地點進(jìn)行地質(zhì)勘察，為后續(xù)環(huán)節(jié)提供了全面細(xì)致的技術(shù)支持。
    根據(jù)測量和勘察結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場踏勘情況，本工程施工必須避開津晉高速高架橋橋墩(橋墩深35m左右)，還要對津晉高速下橋匝道、上橋匝道進(jìn)行穿越，以使出土點后有足夠的管道預(yù)制場地，也使出土處的方位角與預(yù)制管道擺放的方向一致，保證管道的順利回拖。但是，如果以入土點和出土點之間的平面曲線作為穿越中心線進(jìn)行導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)，則會直接撞到大沽排污河內(nèi)錯落布置的津晉高速高架橋橋墩，使穿越失敗。經(jīng)過設(shè)計單位、施工單位和建設(shè)單位充分研究討論，決定采取管道彈性敷設(shè)，鉆進(jìn)軌跡成空間曲線來實施此次穿越。
    此次穿越工程定向鉆鉆進(jìn)軌跡設(shè)計的主要參數(shù)和技術(shù)條件為：入土角為9.5°，出土角為8°；定向鉆穿越管段選用Φ610×10螺旋縫埋弧焊接鋼管，管道彈性敷設(shè)，曲率半徑為1500倍管道外直徑；設(shè)計穿越長度為900m。同時，施工單位根據(jù)勘察報告提供的不同穿越處的地質(zhì)情況，針對不同地層選用了不同的鉆具和泥漿配比，保證穿越的順利進(jìn)行。
    控向?qū)Υ┰骄燃肮こ痰某晒嵤┲陵P(guān)重要。施工單位在開鉆前仔細(xì)分析地質(zhì)資料，確定有線控向方案。泥漿崗與司鉆崗重視每一個環(huán)節(jié)，認(rèn)真分析各項參數(shù)，互相配合，鉆導(dǎo)向孔時隨時對照地質(zhì)資料及儀表參數(shù)分析成孔情況，鉆出符合要求的導(dǎo)向孔。有線控向設(shè)備采用英國Sharewell公司生產(chǎn)的磁性有線控向系統(tǒng)(MGS)，在整個穿越過程中采用地面信標(biāo)系統(tǒng)(Tru-Trucker system)配合MGS系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤定位，以確保出土位置準(zhǔn)確無誤。
    導(dǎo)向孔施工時每根鉆桿測量1次，發(fā)現(xiàn)較大偏差及時糾正。鉆進(jìn)的縱斷面和水平面軌跡見圖1。鉆機(jī)就位中心線與首段穿越中心線一致。開鉆入土點(點A)后，鉆頭在垂直立面內(nèi)以彈性敷設(shè)的方式定向鉆進(jìn)，經(jīng)過207 m后到達(dá)點B(地下水平鉆進(jìn)的起點)，此時鉆進(jìn)深度為18.41m。之后在水平方向上鉆進(jìn)150m后至點C，在水平方向上將鉆進(jìn)角度向左(以BC段鉆進(jìn)方向為基準(zhǔn))調(diào)14.05°。水平鉆進(jìn)307m后至點D，此時CD段的鉆進(jìn)軌跡在水平方向上距離最近的高架橋橋墩10m。在點D，在水平方向上將鉆進(jìn)角度向右(以CD段鉆進(jìn)方向為基準(zhǔn))調(diào)8.33°。水平鉆進(jìn)73m后至點E(地下水平鉆進(jìn)的終點)，而后以設(shè)計的曲率半徑向上鉆進(jìn)至出土點(點F)，出土點與設(shè)計出土位置相差較小。
    根據(jù)現(xiàn)場情況，整個擴(kuò)孔過程采用三級擴(kuò)孔，采用尺寸為66cm、81cm、91cm的桶式及刮板式擴(kuò)孔器。在擴(kuò)孔過程中，為使管孔成型良好，同時減小管道與土壤的摩擦力，進(jìn)而減小回拖力，特配制了特殊的泥漿，在最后一次擴(kuò)孔時逐漸注入，為回拖作好準(zhǔn)備[7]。
    回拖是穿越的最后一步，也是最為關(guān)鍵的一步。選用美國Augers公司生產(chǎn)的DD-440鉆孔機(jī)，能提供2000kN的拖曳力，滿足本工程回拖的要求。在回拖時采用的施工方式是81cm擴(kuò)孔器+拖曳力為3000kN的回拖萬向節(jié)+外徑為610mm的穿越管道。回拖時進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，避免停工造成阻力增大，同時拖管過程中不停地注入特殊的泥漿，以減小空間曲線狀孔壁對管道形成的摩擦力，減小回拖力。拖管過程很順利，一次回拖成功。
4 結(jié)語
   水平定向鉆穿越工程是一項高風(fēng)險的系統(tǒng)工程，為了保證成功穿越，我們不僅要有性能良好的鉆機(jī)和導(dǎo)向系統(tǒng)等硬件設(shè)施，選擇經(jīng)驗豐富的施工單位，在現(xiàn)場進(jìn)行科學(xué)有效管理，而且要把施工過程各控制環(huán)節(jié)做得詳實、準(zhǔn)確、細(xì)致、充分。只有這樣才能設(shè)計出最佳的鉆進(jìn)軌跡，才能完善施工工藝，在施工中有針對性地采取技術(shù)措施，如加裝鉆機(jī)助力裝置、調(diào)整泥漿配比等。這些措施可最大限度地降低穿越風(fēng)險，使工程質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求，同時可使硬件設(shè)施的性能得到最大程度的發(fā)揮。
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(本文作者：盧垠 駱福全 天津華燊燃?xì)鈱崢I(yè)有限公司 天津 300042)