长输管道水平定向钻穿越施工的冒浆风险及应对措施

朱海锋，李 伟（北京中航油工程建设有限公司， 北京 100012）

0 引 言

水平定向钻穿越技术现已成为长输管道建设中使用频繁且必不可少的非开挖技术之一。其不仅能够为业主节省大量征地赔偿费用，加快施工进度，而且与传统大开挖施工相比，还具有不损坏地貌、不影响交通、施工便捷等优点。但是，在实际的施工过程中也会遇到一些问题，如冒浆、钻机故障、卡钻、卡管等，其中地面冒浆就是主要较难解决的问题之一。冒浆不仅影响施工进度，甚至有可能导致定向钻穿越工程的失败，产生巨大的经济损失，对穿越沿线的环境造成一定程度的影响。为了将定向钻穿越施工中发生冒浆的可能性降到最低，本文将结合某航煤长输管道定向钻穿越工程，着重对各种潜在的冒浆风险因素进行分析，并制定相应的应对措施，从而有效防止地面冒浆。

1 工程概况

某航煤长输管道定向钻穿越连续大棚区，穿越段管道规格为 Φ508×8.8，设计压力 6.3 MPa，穿越管道所在区域地层由上至下依次是粉土（厚度 8.70 m～10.40 m），粉质黏土（厚度 1.60 m～6.30 m），粉土（厚度 4.60 m～6.30 m），粉质黏土（厚度 1.80 m～5.90 m）。根据施工方案，穿越水平长度为 1901.43 m，穿越最大深度 16 m，入土角 9°15′，出土角 8°20′，曲线段曲率半径 R=762 m（1500 D），牙轮钻头直径 Ф172。

2 冒浆风险因素

在定向钻穿越施工中，泥浆主要起到护壁、携砂、润滑等作用，防止卡钻、塌孔，保证施工正常和顺利地进行，通常被称为定向钻穿越工程的“血液”。但根据以往的经验，在定向钻穿越施工过程中极易发生地面冒浆的问题，而导致地面冒浆的因素有很多，情况也十分复杂。下面结合本工程，介绍导致冒浆的几种主要风险因素。

2.1 泥浆压力

泥浆在钻孔内流动需要一定的泥浆压力。当钻孔内的泥浆压力过高并超出钻孔上覆地层所能承受的压力范围时，孔内泥浆将地层压裂，产生贯通的裂缝，泥浆沿着贯通裂缝向上泄漏，地面就会发生冒浆。这也是导致地面冒浆的根本原因，因此在定向钻穿越施工过程中选择合适的泥浆压力，显得尤为重要。

2.2 孔洞、裂隙地质因素

如果穿越路线地质土层中本身存在孔洞（如未封堵的勘探孔），在钻孔内泥浆压力的作用下，泥浆会通过孔洞泄漏出来，形成冒浆。另外，如果土层松散或者地下植物根系比较发达，土层中存在裂隙，也会在一定程度上增加了地面冒浆的可能性。定向钻穿越施工在遇到存在孔洞、裂隙的土层时，往往是泥浆压力还未达到冒浆临界压力时就会发生冒浆，所以需要采取一定的措施对孔洞和裂隙等地质因素进行处理。

2.3 扩孔器类型

水平定向钻施工中常用的扩孔器主要有桶式扩孔器、板式扩孔器、岩石扩孔器（滚刀式和牙轮式）等几种，每种扩孔器的适用条件有所不同。其中桶式扩孔器适用于淤泥质黏土等塑性差的土层，板式扩孔器适用于粉质黏土等塑性较好的土层。如果在塑性较好的粉质黏土层中使用桶式扩孔器进行扩孔，因桶式扩孔器自身是封闭的桶状，且扩孔时扩孔器外壁与孔壁完全接触，无法形成泥浆循环的通道，会造成泥浆循环不畅，局部憋压，使泥浆压力逐渐升高，在通过不密实的土体时就会发生冒浆[1]。

2.4 泥浆配制

泥浆配比的不同，会影响到泥浆的黏稠度和流动性，而泥浆的黏稠度和流动性存在着矛盾对立的关系。因为要保证孔壁不坍塌，通常是在施工过程中加大泥浆黏度，而泥浆黏度的增大必然会降低泥浆的流动性能。流动性能一旦降低，就需要通过提高泥浆压力来更好地推动泥浆在孔道内的流动[2]，这往往会导致冒浆的发生。

2.5 钻速和泵量

在施工过程中，钻速和泵量是两个非常重要的参数。钻进、扩孔及回拖的速度过快或过慢，泵量的不合理，或者钻速与泵量的不匹配，都有可能导致钻孔内泥浆压力过大，从而造成冒浆。

3 冒浆风险的应对措施

3.1 泥浆压力的控制

对于泥浆压力这个会导致冒浆的重要影响因素，可以考虑采取加大埋深、增加冒浆临界压力值以及降低泥浆压力两个方面的措施，使泥浆压力不大于冒浆临界压力值，则能够有效控制冒浆的发生。

在满足相应要求的前提下，在方案设计时，一方面，适当增大定向钻入土角的角度，可以在较快的时间内到达预定的深度，并且在斜线段相同的穿越距离对应的穿越深度要更深。这样，就能够增加斜线段钻孔上覆土层的厚度，降低发生冒浆的几率。另一方面，适当增大定向钻穿越曲线的深度。因为穿越深度越大，地层孔隙中的孔隙压力也随之增大，从而减小泥浆发生泄漏的可能；同时，适当增大定向钻穿越曲线的深度，可以增加钻孔上覆土层厚度，相应地增大了地层冒浆的临界压力，使上覆地层具有足够的压力，防止冒浆的发生。

本工程经过设计核算：穿越深度最大为 16 m，穿越水平段位于粉质黏土层，入土角为 9°15′，出土角为 8°20′，则地层冒浆临界压力值可以根据下列公式计算得出。

地层冒浆临界压力计算公式[3]：

其中：R=r

式中：Ki—第i层土的侧压力系数；

γi—第i层土体的重度（kN/m3)，其中在地下水以下的土体取土体的有效重度；

Hi—第i层地层的深度（m）；

C0—最底下一层土的黏聚力（kPa）；

G—最底下一层土体的剪切模量（kPa）；

r—钻孔半径（m）；

R—塑性区半径（m）；

ES0—最底下一层土体的压缩模量（kPa）；

μ0—最底下一层土的泊松比；

γ—土体的重度（kN/m3）；

H—钻孔深度（m）；

φ—最底下一层土的内摩擦角（°）；

E0—最底下一层土体的弹性模量（kPa），

E0=ES0[1－2u02/（1－u0）]；

μ—土体的泊松比。

根据岩土工程勘察报告，本航煤定向钻穿越工程的土体性能参数如表 1 所示。

表 1 定向钻穿越沿线场地主要土层土体性能参数

粉土层侧压力系数K取 0.33，粉质黏土层（可塑）侧压力系数K取 0.43。

根据公式 1 及各层土体性能参数，计算得出钻导向孔时ZK2、ZK3和 ZK6处的冒浆临界压力值分别为 0.401 MPa、0.403 MPa 和 0.403 MPa。通过计算结果可以看出，本工程的冒浆临界压力值约为 0.4 MPa，在施工过程中，应合理控制泥浆压力，使得泥浆压力不超过 0.4 MPa，则能保证在正常的地层中不会发生冒浆。

本工程是穿越经济作物大棚，若地面发生冒浆，极易与当地村民发生纠纷，发生阻工问题，属于施工敏感地带。在钻进施工过程中，司钻人员要密切注意泥浆的压力变化情况，合理控制钻机扭矩、推力、泥浆压力等参数，及时根据穿越地层地质状况的变化情况，调整并控制好泥浆压力，将泥浆压力控制在冒浆临界压力 0.4 MPa 以下。若孔内环空压力异常增大，应及时进行洗孔，防止泥浆压力过大产生冒浆。

3.2 孔洞、裂隙地质因素的处理

对于孔洞，如本工程岩土勘察的勘探孔，应在探孔施工后可采用水泥浆，利用钻机泥浆泵对其由下至上进行灌注回填，对探孔进行封堵，以避免发生冒浆。本工程穿越线路上还分布着灌溉井 3 处。为了尽量控制不让冒浆发生，同时保证泥浆压力及扩孔、洗孔的质量，施工中根据沿线灌溉井井眼的冒浆情况，可将冒浆的井眼作为泥浆泄压点，用于释放泥浆压力，降低其他大棚区的冒浆风险。

对于裂隙，处理的关键是堵漏。如遇到裂隙发达的漏失地层时，在泥浆中添加一定的堵漏材料，则能有效封堵裂隙，减小发生冒浆的可能性。目前常用的堵漏材料有水泥、化学浆液（如水玻璃浆液）、惰性材料（如沥青材料）、水泥-水玻璃浆液等。其中水泥和水玻璃具有来源广、成本低、配制方便、无毒等优点，且水泥-水玻璃复合浆液的堵漏效果较好，故为目前最常用的堵漏材料之一。在注浆压力作用下，添加水泥-水玻璃堵漏材料的泥浆被压入钻孔内周围裂隙地层中，固化后即可形成有较高强度的水泥浆液固体，起到封堵裂隙的作用，达到堵漏的效果[4]。

3.3 扩孔器的选择

针对不同的土层，采取相应适用的扩孔器。在本工程中，定向钻水平段处于粉质黏土层。根据地勘报告，该粉质黏土层的塑性指数为 14.6，液性指数为 0.55；属于可塑状态，塑性较好。因此，扩孔时选用板式扩孔器而非桶式扩孔器，可避免因扩孔器选用不当而发生的冒浆。

3.4 泥浆的合理配置

在施工过程中要依靠丰富的施工经验，通过试验选择好泥浆配比，把握好泥浆黏稠度和流动性的平衡点。另外，也可以选用合适的泥浆添加剂。泥浆添加剂一般具有降低流阻、稳定孔壁、强润滑、强排渣等性能，能够保证泥浆具有良好的流变性、固壁性、润滑性和高携砂性。经常使用的泥浆添加剂有增粘剂、固壁剂和润滑剂等[5]。添加合适的泥浆添加剂，可以在泥浆黏稠度得到提高的同时，增加泥浆的触变性，使泥浆静止时类似于凝固体，有较高的支撑能力，能起到有效的稳定孔壁的作用；而在外力作用下，则具有良好的流动性，能够减小钻孔内的泥浆压力，从而防止冒浆。

3.5 钻速和泵量的合理控制

在定向钻穿越施工时，不能盲目追求施工进度而忽视了冒浆带来的经济损失和环境影响。在钻进过程中，要将钻进速度、泥浆压力和钻具扭矩等参数调整到一个最佳状态：扩孔时，应合理控制扩孔速度，不能过快，以确保孔道中有足够的泥浆，将孔道中的泥屑充分携带出来；管道回拖时，应合理控制速度，平稳回拖，防止因速度过快导致孔内泥浆来不及沿孔壁与管壁间流动释放，造成瞬间高压破坏[6]。

在不同的钻进阶段，采用不同的泥浆泵量，避免钻进过程中出现冒浆现象。

（1）导向孔钻进的前半段，尽可能采取较大的泥浆泵量。之所以采用较大的泥浆泵量，一方面是利用泥浆的快速返回携带出钻碎的土屑，防止土屑堆积在孔内造成的孔内淤积堵塞，使钻进后的孔路畅通，保证孔内泥浆有返回到地面的通路；另一方面，大的泥浆泵量可以使泥浆产生较大的冲击力，从而对地层起到一定的切削作用，扩大导向孔的内径尺寸，增大泥浆返回通道的流通空间，减少了穿越段内部的泥浆压力，相应减少了穿越段沿线地面冒泥浆的可能。导向孔后半段由于泥浆从导向孔内返回入土点的难度加大，因此要适当控制泥浆泵量。根据经验，一般要求泥浆泵量小于 1.1 m3/min，防止孔道内发生憋压造成地下泥浆压力升高而向上冒出。

（2）扩孔时，在开始和最后两个阶段由于距离出、入土点较近，泥浆可从出、入土点较快返出，此时可适当加大泥浆泵量；而扩孔中间段距离出、入土点较远，泥浆从出、入土点返出难度加大，因此应降低泥浆泵量。扩孔过程中要时刻注意返浆情况，发现返浆量减少时应及时停工，处理妥当后方可继续扩孔。

（3）在管道回拖阶段，因整个孔道内已充满泥浆，此时应降低泥浆的泵量，避免孔道内因泥浆过盈产生高压而形成冒浆。

4 冒浆发生后的处理

若采取各种控制措施后，仍发生冒浆的情况，则应在有关单位指导下进行围堵疏导，及时在冒浆位置设置排浆点，将冒浆点周围用土围挡起来，并采用泥浆车及时将冒出的泥浆抽走，妥善处理，避免泥浆扩散而造成更大的污染。

5 结 语

某航煤长输管道定向钻穿越工程在导向孔钻进施工过程中出现了几处冒浆点。在采取本文所述冒浆后的处理方法的同时，通过分析发现，冒浆是由于泥浆压力过大及地层存在裂隙所致。经采取降低泥浆压力、使用堵漏材料进行堵漏等相应措施后，那几处冒浆点不再冒浆，并且在后续施工中整个线路也未再发生地面冒浆现象。本工程施工顺利完成。

本文根据工程实例，对定向钻穿越施工过程中存在的潜在冒浆风险因素进行了分析，包括泥浆压力、地质因素、扩孔器类型、泥浆配制、钻速泵量等，并提出了相应的风险控制措施以及冒浆发生后的处理方法。这不仅保证了本工程定向钻施工的顺利开展，而且还为今后加快定向钻穿越的施工进度、降低施工成本和加强环境保护等方面，起到一定的借鉴作用。