定向钻穿越卵石地层施工技术研究与应用

刘 新 岳文谊

（1． 中原油田普光分公司工程设备管理部，四川 达州 635000；2．中石化中原设计公司成都区域项目部，四川 达州 635000）

0 引言

某气田输气管道在采用定向钻穿越河流时发现河道两侧阶地区域，主要为稍密状卵石地层，夹含约15%～25%的漂石，粒径为3cm～10cm，部分漂石大于20cm，定向钻实施过程中容易出现卡钻风险，且扩孔过程中因卵石层不稳，出现塌孔现象。因对卵石层地质情况没有明确认识，首先进行试钻，钻杆穿过卵石层后，因石层硬度较高，定向钻通过该层出现塌孔、卡钻、扭矩突然增大等现象，钻杆刚度无法支撑其钻入石层，导致无法钻进。为解决该问题，选择合适的方案，并采取相应的施工技术措施。

1 实施方案选择

1.1 卵石层开挖换填法

输气管道穿越的河床卵石层挖除后，采用回填适合的土质定向钻穿越。然后按照常规进行钻孔和管线回拖。该方法从技术方上是可行的，但投资较大，同时从目前掌握的资料来看，该方案仅适用于较薄卵石层以及地下水位较低的情况。

1.2 套管隔离卵石层法

该工程根据设计详勘及施工场地实际情况，选择采用夯套管隔离方法进行定向钻施工[1]。将套管沿设计的角度夯进，将卵石隔离，并清除套管内的卵石。套管隔离法定向钻控向技术的精度是关键，目前国内套管顶进的最大长度为90m。为了提高钻机钻杆的刚度，确保钻入中心位置，在导向孔起始段安装高强度套管，作为中心套管。

2 施工难点

2.1 卵石层夯套管

定向钻对向夯套管，套管夯进路径存在漂石，部分漂石存在套管无法夯进或偏离预定角度风险。根据定向钻穿越断面图，末端套管位于河流水位线以下，套管内会出现积水情况，需进行套管内降水，管内清土难度加大，增加不确定性风险。

2.2 套管控向

定向钻双向夯套管，夯套管完成后，因两侧为套管，导向孔位置及角度须控制精确，若存在偏差，将导致导向孔无法穿入出土点套管。

3 施工方案

设置钢套管方式采用夯管方式斜向顶进。由于无法采用机械设备掏土，从安全角度考虑，为保证人工掏土施工活动空间，套管管材规格选用D1016mm×22.0mm（L485M GB/T9711），入土点夯管长度7m，夯进角度为设计入土点角度20°，出土点夯管长度18m，夯进角度为设计入土点角度12°。

3.1 夯管施工法的工作原理

夯管施工法的工作原理是锤在压缩空气驱动下产生较大冲击力直接作用钢管后端，克服土层与体间的摩擦力，通过将前钢质切削头留在钢管，待夯成功或入一段后取下切削头用压气、高水射流螺旋钻杆或人工掏土等方法将土芯排除，然后再安装第二根套管，焊接连接，重复上述工作，直至套管达到设计位置[2]。

3.2 套管锤锤击力计算方法

式中：F0为夯管锤最大冲力 （kN）；D为套管外径（m）；L为套管安装最大允许长度（m）；fk为套管外壁与土的平均摩阻力（kN/m2）。应根据地质报告提供数据取值，如果在施工过程中采用了触变泥浆减阻技术或其他技术措施，则fk应取0.7的折减系数。

Nf为套管的迎面阻力（kN）；t为套管切削环厚度（m）；D1为套管切削环外径（m）；R为切削环端阻力，取地基土的极限承载力（kPa）。

小通江夯套管最长40m，取L=40m，套管选用直径为D=1.016m，套管外壁与土的平均摩阻力fk取值30kN/m2，套管切削环外径D1=1.06m，t=0.022m，地基土的极限承载力R=90kPa，代入公式（2）。

3.3 夯管壁厚计算方法

采用套管隔离不利地层时，钢套管内径宜大于最后一级扩孔直径 300mm，选取为 1016mm，壁厚选取按公式（3）进行。

式中：tcn为套管初选壁厚（mm）；F0为夯管锤能够提供的最大夯进力（N）；Ø1为套管稳定系数，宜取 0.36，当套管经过地层均匀时，可取 0.45；Dca为套管直径（mm）；σs为套管规定屈服强度（Pa），套管材质选取强度为 X70钢。

经计算：tcn=F0/Ø1×π×Dca×σs=4985/0.36×3.14×1.016×485=8.95mm。

选用壁厚为 22mm 的钢管，符合施工条件要求。

3.4 夯管施工工艺

3.4.1 准备工作

在夯管进行前须做好相应的准备工作，主要包括以下4步。

3.4.1.1 制作切削环

切削环直接采用现场套管钢材 X70钢，割除套管一个环，再切割成若干片，焊接在套管头部即可。在第一根套管的入土侧加焊20mm左右的加强层，避免套管头在夯进时发生变形卷边现象，并对后面的泥浆管有一定的保护作用。

3.4.1.2 泥浆管制作

一般情况下，在夯锤能够顺利夯进时，泥浆只是备用方案。方法如下：在首根套管正上方的切削环后面焊接泥浆管，泥浆管采用直径为25.4mm的钢管，并把泥浆管管头砸扁封住，同时在泥浆管两侧各开ø5mm的小孔用来喷浆。

3.4.1.3 套管就位

用吊车把焊接好切削环的套管吊入作业区，切削环一端靠入土侧的中心，泥浆管在正上方。

3.4.1.4 夯锤组装

先把分瓣椎体安装在首根套管尾部，出土器安装在分瓣椎体后面，夯锤安装在出土器后面，然后在夯锤重心处安装支架用以支撑夯锤，夯管锤必须与套管的中心线在一条线上并平直，最后进行连接。

3.4.1.5 试夯管

对套管方位进行最后复测，如有偏差用挖掘机配合稍作调整。启动各设备运行正常后，缓开送气阀小气量试夯，以免震动太大产生管位偏移等，待套管进入2m～3m后，停机复测管位。

3.4.2 夯管

夯管施工过程主要由工作坑和安装导轨、铺管、锤夯、套管连接等工序组成：

3.4.2.1 开挖工作坑

夯进操作坑底长度为单根套管加长5m（即约17m），上口宽8米，坑底宽5米，深度为2.5米的锚喷工作坑，操作坑深度为由浅到深，即由地面±0.00开始逐渐加深至-2.5m，保证开挖基坑底部平坦无坑洼，以便铺设提前预制好的钢板导轨并打地锚固定（钢板δ=16mm、长18m、宽2m、工字钢δ=5mm）。根据地质情况和地下水位的实际情况，对已挖好操作坑进行角度找平，铺设碎石子约260mm。对基坑两侧采取打钢板桩或临时支撑的方法以保证操作坑内的施工安全。

3.4.2.2 和安装导轨

操作坑开挖完毕后，按照设计要求复核高程，在铺好石子及钢板的夯管工作坑底上面铺设预制好的钢板和工字钢导轨。根据交接桩和实际测量，制定出导轨的中心线，放置导轨后再精确找正并加以固定，保证导轨自身平直无弯曲轨迹为水平。在施工前须用水准仪多点测量控制工字钢的水平度，根据现场实际情况调节导轨的倾角，严格按照技术规程要求使用导向、对中、安平仪器，采用多次调试，直到精度测量误差范围达到规范要求。无误后再将钢板两侧分别夯入1米长的地矛两根，地矛入土不能低于700mm，共计4处。

3.4.2.3 铺管

根据工作平台实际长度，将套管加工为 12m 一根，安装在首根前端。首先把第一根钢管和夯管锤吊装在轨道上，将夯管锤通过锥套与钢管用张紧器连为整体。初步安装完成后，对钢管所需的倾角、垂直位置进行检查。上述工作无误后开始送风，夯管锤开始工作。

3.4.2.4 安装夯管锤和锤夯

将夯管锤安装入操作坑中，然后与击帽连接后找正，保证设计中心线与夯管锤、套管的中心线在同一轴线。然后将空压机与夯管锤之间的管路连接好，启动空压机，打开操作阀，将夯管锤头部与击帽和套管固定紧后，关闭操作阀，调整夯管锤的方位与水平角度、倾角。为防止钢管和夯管锤一起往复串动，首根管操作上应采用“轻锤慢进”的方式，操作人员应缓慢开动注油器、控制好压缩空气量。为确保钢管位置达到设计要求，应在钢管夯进卵石层 30cm～50cm 后停锤校核，核实无误后，再继续轻锤夯进 2m～3m，然后重复上述方式，直至将首根管夯入卵石层。

3.4.2.5 套管连接

在首根套管夯入后应校核导轨位置，如有误差需进行调整。在确保无误后开始吊装第二根钢管，钢管连接采用焊接方式，焊接坡口采用V字型。焊接前，应保持两钢管的水平、垂直位置以确保两管是同轴的。焊接完成后为减小钢管与卵石体的摩擦力应把焊缝打平。钢管连接完成后，开始夯管锤送风工作，此时，完全打开注油器阀进入正常参数夯管，直至第二根套管进入卵石层，然后进行导轨位置校核，校核无误后吊装第三根管，对接、焊接、夯管、校核，重复上述工作，直至套管进入接收坑。

3.4.3 入土侧夯管方向的控制措施

铺设12m长的钢管必须采用导轨辅助铺设，而安装的导轨其稳固性、方向正确性是控制要点。因此，应对轨道的稳固予以保障，针对现场基底较软的实际情况，该工程采用浇注程C20混凝土垫层进行处理。其次，加强复核导轨方向，设立基准点以校正，使安装导轨不偏离。 在夯管施工过程中应遵循及时测量及时纠偏的原则。在第一、第二根夯管过程，要反复校核，即使有细小的偏差，都要马上纠正过来，以确保出管位置不会出现较大的偏差。发现导轨偏差后，可以通过预先设置的基准点进行整轨基校正。施工过程应根据实际情况调整夯管锤工作参数，对首入管“轻锤慢进”夯入卵石层，及时调整钢管方向，切忌“重锤快进”造成偏差。同时为防止误差，在钢管预留端焊一块与钢套管外壁成 30°角的钢板，用以纠偏：1）为确保夯管锤、套管的中心线与设计中心线一致，首先对连接后的夯管锤与击帽找正。若夯管锤的方位与水平角度、倾角的偏差超过0.5°，须重新调整就位。2）夯套管前应进行试夯，在确认无异常后方可进行正式夯管施工。3）为确保首根套管夯进方向的准确性，在套管夯进50cm后，核实套管的方位与水平角度偏差不超过0.5°、轴线偏差不超过夯进长度的1%时方可继续夯进。4）若轴线偏差超过上述要求，应及时进行纠偏。可采用人工在轴线偏差的相反方向将套管周围卵石清除，用楔子打在钢管外壁，套管向偏差反方向前进的趋势校正轴线偏差。将轴线偏差调整到允许范围后继续夯进工作，轻锤夯进2m～3m后，再次校核钢管位置，采用“轻锤慢进”将第一根管缓慢夯入卵石层，直到管头到达设计位置。5）卵石层中的大型漂石会导致套管前端受力不均，导致套管偏离中心，夯进过程中如遇大型漂石，须立即停止夯进。

3.4.4 出土侧夯套管方向控制

因河床两侧卵石层延伸宽度较宽，施工空间小，定向钻出入土点均无法避开卵石层，故采取双侧夯套管对穿工艺。为防止两侧夯套管角度错位，导致导向无法精确的从出土侧套管穿出。采用以下措施：1）入土点夯套管完成后，即进行定向钻导向，导向完成后以出土点钻杆位置为中心，进行出土点夯套管，避免角度测量产生偏差。2）钻杆应在首根套管夯进前传入套管，钻杆应位于套管前段末端中轴线上，确保套管与钻杆平行夯进。3）套管夯进过程中及时清理套管内土石，测量管壁与钻杆之间最小距离，确保钻杆中心与管壁最小距离不小于400mm。4）夯进过程中如发现钻杆与管壁之间距离发生偏离，及时进行纠偏，纠偏措施与入土点套管相同。

3.5 套管内掏土

为保证施工工期及其他因素，该工程采用人工及机械配合进行掏土作业：1）套管内每应10min进行一次空气检测。2）为防止套管因空气不流通导致的套管内缺氧，掏土人员应每20min更换一次。3）人员进入套管内必须系好安全绳，为保证套管内空气流通采用鼓风机送风，较深处作业时人员佩戴氧气袋，套管口安排监护人员与套管内人员保持畅通。

3.6 确保夯管施工时临边建筑物安全措施

根据冲击波的原理，在夯管施工时，冲击波会沿着冲击方向和冲击介质无限传播直至消失。由于施工场地附近的民房和穿越管线走向不在同一方向，因此冲击波不会对该处的房屋建筑产生破坏性的影响，但会有余波的反应。为减少夯管对临边建筑物的影响，采用以下措施：1）在夯击过程中调整夯击频率，避免夯击施工振动频率与桥梁自振频率接近而产生共振。夯管施工期间加强对周边井场、桥梁、建筑、堤坝的监测，若发现问题及时停止施工，并上报监理、业主和设计，以便及时制定新方案。2）在夯击点和建构筑物之间设置减震沟，减少夯管振动对现有建构筑物的影响。减震沟设置在夯击点前30m～40m的位置，开挖深度在该处穿越深度下2m～5m为宜。3）根据夯管现场实际进展的难易程度，在确保夯击能量能满足施工时，适时减少夯击力。4）做好夯击点的加固，避免夯击时夯击能量大量损失，同时，在进洞前要在套管的外壁涂抹黄油，以减少套管阻力。

3.7 减少套管施工及定向钻施工时噪声的影响

由于夯管设备周围有居民住房，为避免噪声扰民，因此须采取必要的噪声管控措施：1）夯管施工合理安排施工时间，尽量避免居民休息时间施工。2）在施工场地与居民房之间设置2道隔音带，同时，在主要噪声设备周边设置1道隔离带，减少噪声的扩散。

4 结语

通过对定向钻穿越卵石地层施工难点进行分析，发现卡钻风险，扩孔坍塌是制约穿越卵石层的主要因素，通过试夯方案比选，最终采用套管隔离卵石层的方法。在具体实施过程中，施工单位严格控制各项操控指标，重点管控了夯管的布管、出入土角度、连接、锤击力度、清土等，解决了卡钻、塌孔等问题，使该工程得以按时完工。同时采取防震、防噪声措施，最大程度地减少对周边居民的影响，达到了安全环保要求。该工程的顺利实施，对今后类似施工具有积极指导意义。