水平定向钻施工在软硬分层地质中的风险控制

上海煤气第二管线工程有限公司 宋强银 倪增炎 马志明

在沿海冲积平原地区由于土质超松软、软硬分层明显，水平定向钻穿越施工中会出现拖管实际孔道轨迹严重偏离原导向孔钻进轨迹，导致钻杆断裂、抱管和卡管等事故时有发生。

本文以“上海市金山漕廊公路次高压天然气管过沫沥港、秦湾路穿越工程”为例，分析了导致钻杆断裂、卡管发生的原因，并通过对施工工艺技术、钻具配置的改进以及施工过程中采取了预防措施，有效控制水平定向钻在软硬分层地质中的施工风险。

1 工程概况

上海市漕廊公路次高压天然气管穿越工程共有11条定向钻穿越，过沫沥港、秦湾路穿越工程是其中一条重点穿越工程，施工地质条件最为复杂、最具代表性。该工程中间穿越沫沥港河以及秦湾路，主要敷设D529×10 mm天然气钢管，穿越长度为316 m，穿越最大深度为11 m。

该工程我司使用威猛D80×120钻机施工，该型号钻机回拖力、扭矩等参数见表1。

表1 钻机主要性能

2 工程施工

本工程实施历时15 d，期间共进行了2次钻进和拖管，第1次实施失败，第2次顺利完成拖管。

2.1 第1次穿越施工

导向孔钻进:该工程设计穿越深度较浅(最大埋深为11 m)，施工区域影响范围内干扰较小，施工中采用手持式无线控向方法控制钻进，有效地提升了施工速度。施工过程中把曲率半径控制在设计图纸规定范围内，做到“平滑圆缓”，每根钻杆的角度变化范围满足钻杆、钢管的曲率半径要求和规范要求。

钻孔预扩孔:导向孔完成后，按规范要求，根据该工程的管径及地质条件，将钻孔分3级回扩，依次为D350 mm挤扩、D500 mm挤扩和D800 mm挤扩，外加1次D750 mm筒式洗孔。

回拖管道:穿越回拖是将预制完成的管道回拖到预扩完成的孔道中，从而完成管道的敷设工作。在洗孔工序完毕后，采用D750 mm挤扩器挂管回拖。管道回拖至15根钻杆时(原导向测量深度约7 m处)，末端钻杆与回扩器之间的丝扣连接处发生断裂。把管道从出土点向后拉出后，我们用电火花测试仪对管道外防腐进行了全面检测并补伤。

2.2 原因分析及改进的措施

2.2.1 原因分析

2.2.1.1 地质分析

根据金山地区其他市政工程的地质勘察报告以及司钻的操作参数判断，该地区穿越深度范围内土质分为2层，第1层:0～6 m为较硬的粘土层；第2层:6～13 m为饱和淤泥质软土。本工程施工穿越段地质主要涉及较硬的粘土层和饱和淤泥质软土。穿越孔道出(入)土处直线段轨迹位于较硬的粘土层中，成孔较好，正常扩孔时，孔道下沉较小，利于施工；穿越孔道的弧线段及水平段轨迹位于饱和淤泥质软土层中，该地层钻孔逐级回扩时，因回扩器的自重、旋转和两侧钻杆的重力作用下，下方切削量较大，孔道产生较大的下沉，不利管道的正常回拖。

2.2.1.2 断裂位置分析

从钻杆与回扩器断裂的位置，我们可以看出，断裂地点深度大约在7 m左右，刚好位于上层硬粘土层与下层软弱淤泥土层交界处附近，在钻杆工作状况良好的情形下，初步分析可能由于原导向钻进孔洞经过几次逐级回扩后，位于淤泥软土层中的部分孔道产生较大的沉降，以致在软硬土层交界面附近产生较大的折角。拖管过程中，当拉管至软硬交界面附近时，由于D529×10 mm钢管本身刚度大，在折角区域附近管头与末端钻杆处产生较大的剪力，从而使钻杆接口断裂。

2.2.2 改进措施

2.2.2.1 合理选择钻具，增加连接刚度

施工进场之前，认真检查钻杆及机具设备的完好性，合理有效的选择钻具，不符合要求的坚决不使用。在软硬分层地质中施工，除选用钻机满足施工要求外，尽量选用加厚加粗钻杆，钻杆直径越大其承载力的稳定性也越好。提高丝扣连接处的刚度，避免因刚度不足引起的折断、剪断；缩短筒式扩孔器筒体的径向长度，既能保证筒式扩孔器起到挤压作用，同时又能降低回拖过程中的扭矩。

2.2.2.2 优化导向孔钻进轨迹

为了减小回扩孔道时在软硬分层区域附近因沉降产生的折角，在满足设计和规范要求的前提下，根据地质分层情况，进一步优化导向控制参数，减小钻进角度和深度的变化。导向孔钻进时在较硬粘土层与淤泥层交界区域附近应保持钻进较小的角度，使导向孔轨迹平滑、平缓，以减小回扩时分层交界面处产生的折角。同时在淤泥质软土层中应该控制钻进速度，确保泥浆形成稳定的护壁，保证孔洞安全。

2.2.2.3 适当减少逐级回扩次数

钻孔进行回扩时，由于回扩器的自重和旋转切削，回扩次数越多，造成较硬粘土层处的孔道与软弱淤泥土层处的孔道出现严重偏心，从而导致两土层交界处形成死折，在软弱土层中的孔道不利回拖施工。故在有条件的情况下，应适当选用高一等级的钻机，在满足钻机工作性能情况下尽可能减少回扩次数，以其减少回扩对孔道下沉的影响；同时对于大口径、长距离管道施工也提升了钻机的能力储备，提高了施工安全可靠性并减少了对土层的多次扰动，有利于孔道的稳定性。

2.2.2.4 回扩时加扶正器

回扩施工时，为预防前部回扩器产生较大的下沉，减小产生的折角，可在回扩器后方加1段扶正器。扶正器可用钢管制作，长度不少于1根钻杆长度，直径略小于回扩器直径(以利于返浆)。利用后方扶正器的整体刚性，在软硬层交界面可有效控制前方回扩器的旋转下沉。

2.2.2.5 合理选择管道牵引头与分动器间的连接

管道回拖时，管道牵引头与分动器之间采用适宜的软连接过渡。尽量加长软连接，软连接越长，管道与钻杆形成的夹角越小，回拖时，在软硬土质交界处，钻杆所受弯矩越小，钻杆越不容易断裂。

2.2.2.6 泥浆控制

泥浆的配置和参数确定直接关系到成孔质量和拖管的顺利实施。在淤泥土层中，成孔困难，经常由于泥浆配置太稀、比重太小而没有形成孔道，或因泥浆工作性能不佳而引起塌孔缩孔。施工时要根据地质情况合理选配泥浆，提高泥浆性能。除了保证泥浆用量外，适当提高泥浆比重和粘度，使其有足够的压力支撑孔洞，防止孔道坍塌和缩径。

2.3 第2次穿越施工

针对第1次穿越施工失败原因进行分析，总结经验，吸取教训，第2次穿越施工之前，我们进行了周密的部署和安排，施工中采取了一系列有效的控制措施:钻杆选用加厚加粗钻杆；依据地质分层情况，优化导向孔钻进控制参数，使孔道在软硬分层界面附近更平滑、平缓；发送沟开挖长度进一步延长，使其管道入洞进一步平缓；减少了回扩次数(只进行了D500 mm挤扩和D800 mm挤扩)，利用D750 mm挤扩器直接挂管回拖；通过分层界面附近区域时，降低回拖速度，保证应力传递平稳；适当增加膨润土添加比重，提高泥浆的工作性能。由于控制措施实施得当，第2次穿越施工仅历时4天，顺利完成管道回拖工作。

3 结语

上海市金山漕廊公路次高压天然气管定向钻穿越工程的成功完成，说明在水平定向钻穿越施工中要做到钻具选择合理、技术措施先进可行。同时，通过对施工工艺技术和钻具配置的改进，解决了软硬分层土质中水平定向钻穿越施工的难题，为穿越施工积累了宝贵施工经验。