水平定向钻穿越砂层敷设燃气管道的施工技术

佛山市南海燃气发展有限公司 王加虎 张 军

近年来，随着水平定向钻施工技术的普及，在穿越砂层时出现管道抱死等事故也屡见不鲜。由此导致的经济损失增加，施工成本上升，工期进度得不到保证。针对诸如燃气管道等对管道质量要求较高的地下管线，在穿越砂层时出现抱死卡管等情况，也存在较大的潜在隐患。因此研究水平定向钻穿越砂层回拖管道防抱死的技术愈发重要。

1 水平定向钻穿越砂层存在的风险

水平定向钻的大致施工流程为：轨迹设计→工作坑开挖及钻机就位→导向孔施工→扩口施工→清孔→管道回拖。从上述流程不难看出，定向钻施工的本质就是在地下做出一个通孔道，然后将管道拖入通孔道之中。由于地下砂层自身稳定性较差，容易出现塌孔情况。塌孔对定向钻施工的各个环节均会产生较大影响，尤其是在扩孔、清孔和回拖环节影响尤为严重。在扩孔及清孔环节如出现塌孔易导致扩头被抱死，若施工人员操作不当可导致钻杆断裂，扩头直接掉落在地下，导致扩头基本无法取回或取回成本巨大。一旦扩头掉落，原设计轨迹即不可再使用，只能重新设计轨迹并重新施工，施工成本将极大提高。如果因地下管线及地面建筑等限制无法调整设计轨迹，扩头掉落的后果将难以承担。在管道回拖阶段出现抱死管道情况后果也是比较严重的，将会耗费较大时间成本及经济成本。因燃气管道对管道质量要求较高。回拖的管道是PE管出现抱死情况时，可能导致管材拉伸变形而不可再使用的情况。回拖的管道是钢管出现抱死情况时，若管道有外防护层，回拖也可能导致外防护层脱落，造成较大的经济损失。

水平定向钻穿越砂层风险控制需从三个方向去把控。首先是施工本身面临的风险，其次是施工对周边建构筑物的影响，最后是燃气管道后期运行的安全。如果因塌孔导致管道抱死，致使不能按照规定时间完成或造成施工成本大幅提升，这就是施工本身面临的风险。穿越砂层可能导致路面脱空或影响周边建筑桩基受力，导致道路或其他建构筑物出现非正常沉降，这是施工对建构筑物的影响。因施工不当造成燃气管道留下质量安全隐患，在后续运营中出现重大安全事故，这就是对燃气管道后期运行的安全影响。归纳其本质，穿越砂层的重点是应事先分析可能存在的风险，难点是如何采取措施去规避风险或将风险影响降到最低。

2 水平定向钻穿越砂层应对的措施

(1)现场勘查及方案设计。对水平定向钻穿越施工进行分析可知在施工的过程中为了保证施工安全，需要在设计阶段对施工区域的地质情况进行调查[1]。地质情况的调查目的在了解清楚地质情况，为设计打下基础。同时在前期调查阶段也需对地下管线、重要道路、周边建筑、地下构筑物等进行详细调查。结合实际施工经验，穿越砂层时最终管道成型位置与导向位置有较大偏差。根据经验在穿越砂层时，轨迹曲率半径越小，偏差越大，管道直径越大，偏差越大，故在设计时应充分考虑最终成孔偏差可能导致其他管线或建构筑物的损坏风险。因穿越流沙层对施工本身的风险较大，设计导向轨迹时应结合地质调查资料，坚持“尽量避免穿越砂层，无法避免时尽量少地穿越砂层”的原则，把风险尽可能地减小。在现场条件允许的情况下，出入土点之间轨迹水平投影应尽可能地设计为直线，以减小扩孔过程中管线在水平方向上的成孔偏移。竖直方向轨迹应尽可能符合“斜直线段—圆弧段—水平段—圆弧段—斜直线段”的大原则，出入土角度尽量小，圆弧段的曲率半径尽量大，以减小竖直方向上的成孔偏差。对于重要道路车行道下方穿越砂层时应做好交通疏导方案设计，防止道路板底脱空导致发生危险。对于邻近的重要建构筑物，需提前做好监测方案，防止出现施工侵权纠纷。

(2)扩孔清孔施工要点。扩孔目的在于形成管道通过的空间，使通孔道顺直便于管道回拖。清孔的目的在于在扩孔完成后，将孔道中残留的泥沙通过泥浆清理出通孔道，保证拖管时不会因泥沙沉积最终导致卡管。扩孔直径的大小与地质条件、管道大小、管道材质等因素有关[2]。因砂层是一种极不稳定的地质，容易受地下水影响，成孔较为困难，因此在扩孔过程中，应严格坚持“逐级扩孔”的原则，一旦“越级扩孔”极有可能导致通孔道中砂堆积导致钻机扭矩及拉力快速增大，很有可能产生扩头抱死及钻杆断裂的情况。泥浆系统压力也需要适度控制，泥浆系统压力过大会使从扩头处喷射出泥浆的射速过快，孔壁砂层塌孔导致下一级扩孔时出现扩头抱死的情况。扩孔速度要根据地质情况及钻机吨位综合确定，不宜过快也不宜过慢。扩孔速度太快，泥浆无法有效渗入至砂层达到良好的护壁效果；扩孔速度太慢又会因为扩头长时间在一个点位附近旋转，使孔壁附着的泥浆掉落从而失去或降低护壁能力。清孔时也应遵循扩孔时的施工要点。

(3)泥浆配比控制。泥浆作用主要在于悬浮和携带泥(岩)屑、稳定孔壁、润滑、冷却钻具。泥浆的指标是变化的，不同的地质条件泥浆配置也是不同的。泥浆的配制一般需满足黏度、胶凝强度、流动性和密度等指标[3]。在穿越砂层过程中，护壁及携砂作用是本文考虑的重点。在实际施工过程中，通过在泥浆中添加烧碱、纤维素等方式解决砂层问题。因为膨润土本身为酸性材料，放入碱性淡水有利于膨润土的充分分散、熟化。pH 值太低，膨润土分散性就差；pH 值也不能太高(不宜超过13)，否则会降低泥浆黏度和切力[4]。一般泥浆黏度高，携砂能力就强，减少泥浆中水分流失能力就强，但流动性会降低，流动性差施加给钻机作用力就越大。泥浆密度也影响着携砂能力和护壁能力，一般密度大悬浮砂石能力就越强，泥浆作用于孔壁的压力就越大，稳定孔壁效果越明显。因此在泥浆配比时，应根据地质情况、钻机大小、单段定向钻长度等因素，通过现场试验综合确定。

(4)合理安排施工工序，保证拖管的连续性。在管理方面，各班组之间应事先做好沟通，保障各工序连续性，从而减少整个拖管过程的时间。因为拖管时间耗费越长，泥浆中沙沉积越多，塌孔风险越大，拖管失败的概率就越大。回拖前应确保管头已达到出土点，并摆放平顺，确保“管等清孔完毕”而不是“清孔完毕等管”。若燃气管道采用的是钢管且因地理条件限制需“多接一”时需尤为注意，定向钻班组与焊工班组、拍片单位及外防护层施工班组之间的有效衔接，一定确保现场快速出拍片结果，焊口符合要求后立即进行焊口防腐及外防护层施工，尽可能地减少定向钻回拖等待时间。在焊口焊接完成后未做防腐前，可尝试拖动管道，防止长时间未拖动导致管道抱死。

3 结语

因燃气管道的特殊性，在质量上相较于其他市政管线有更高的要求，由此需检测项目更多，管道回拖时更耗时。水平定向钻穿越砂层敷设燃气管道，风险相对更大，因此需重视前期勘查、技术措施运用及管理上的控制。只有有机地将前期勘查、技术措施和管理控制综合运用，才能将穿越砂层敷设燃气管道的风险控制在最低限度。