论文部分内容阅读
摘要：在大型长输管道施工过程中，各种穿越不可避免。而河流的穿越由于地质条件复杂，穿越距离长，施工难度大，一直是施工过程中控制重点。而定向钻穿越正可在这大展身手，监理人员只有清楚施工过程中可能遇到的各种问题，才能对其进行有效的控制。
关键词：管道、定向钻、导向孔、泥浆、控制
定向钻穿越是按设计的钻孔轨迹，采用定向钻进技术先钻一个导向孔，随后在钻杆端部换接大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设管线进行扩孔和管道回拖。在扩孔回拖的同时，将待铺设的管线拉入导向孔，完成敷管作业（如图1所示）。有时根据钻机的型号和待敷设管线的直径大小，可先进行一次或多次扩孔后再回拖已试压、检漏合格的管段。定向钻进过程中，多数工作是通过回转钻杆来完成的，选择钻机的扭矩与轴向给进力和回拖力同样重要。
图1：定向钻穿越示意图
Fig 1: directional drill schemes
作为定向钻施工过程中如何有效控制钻探质量、进度是现场监理工程师主要任务之一。定向钻的优点是对地表的干扰较小，施工速度快，可控制铺管方向，施工精度高。而定向钻的不足之处在于对施工场地要求较高，对地质条件要求严格，如在砾石层中施工比较困难，一般不适用于成孔困难的地层。在塔里木河流域，地质勘探的结果为粉质沙土，应该是比较容易地钻孔。但是由于当地的水质不适于泥浆配比，在钻探过程中地质多次出现不均匀分布胶泥土质，给钻孔、扩孔带来困难。
1．定向钻穿越施工前，应有地质详勘报告。专业监理必须了解穿越志段的地质情况，建设单位必须向监理提供必需的地质详勘报告等，如：平面图、地质剖面图、取样深度、含水量、饱和度、颗粒度、标准贯人数、液性指数、塑性指数、液限、塑限等，有岩石层时需提供岩芯采收率、无侧压极限应力、岩石硬度和强度。对勘探提供的地质资料进行详细的核实，使地质资料必须满足定向钻适宜的地质是定向钻制定鉆探的重要条件。如定向钻适宜于穿越的地质条件有：粘土、亚粘土、成孔条件好的砂层和软岩石层等。
2．进入现场实地勘察穿越管道经过的地下、地上各种光缆、电缆及通讯线路，确认穿越管道中心线与地下管线、通信线路或动力电缆间的垂直距离，为不影响穿越时的质量控制，其垂直最小距离应符合设计规范要求（应不小于15M），避免地下管线和电缆产生的磁场干扰地下仪表单元的传感器，使测量误差增大。
3．在穿越长度和工艺条件允许的情况下，穿越管道曲率半径应尽量取大一些，曲率半径以1500D为宜（D为穿越管道的结构外径尺寸），以避免回拖阻力过大。曲率半径的选择要综合考虑管道的埋深、管径和穿越范围内是否存在河堤等因素。
4．穿越的入土角和出土角应根据穿越地形、地质条件和穿越管段管径的大小来确定。一般情况下，管线的入土角应控制在7°~13°，出土角以控制在4°~9°为宜。如塔里木河定向钻穿越入土角经计算应为11°，出土端管线出土角应为9°，林带定向钻穿越入土角为12°，管线出土角为8°。
5．为保护防腐层和减小回拖力，可以在管道内加装充水的塑料内管，减小管道上浮力，同时减小穿越管道阻力。在塔里木河及林带定向穿越中，拖管时应该在管道内直接充水，使管道内水量达到管道容积的1/3，保证管道穿越不因浮力造成管线飘浮阻力增加。
6．在定向钻穿越施工中，需使用大量泥浆，主要用于水力喷射切割、给泥浆马达提供能量、润滑钻头、携带钻屑到地面、固孔防塌等。因此泥浆必须根据地质条件、钻进速度不断进行调整，以保证施工正常、顺利地进行。监理人员必须将控制泥浆作为定向钻监督检查的重点之一。这其中应重点控制如下问题：
6.1 分析所穿越地层的自稳性，防止成孔引起地面塌陷，及时调整泥浆的粘度、润滑情况等。在塔里木河定向穿越施工中可能出现泥浆粘度降低，并随后出现离析现象，不能有效携带沙粒。这主要是因为塔里木地区水质含盐量较高，如果试配泥浆用水为标准饮用水，则会使试配泥浆在使用中不能有效达到试配效果。
6.2 及时分析地层土壤密实度，调整选配合适的泥浆压力，防止冒浆污染环境。塔里木地区地质勘察资料显示，该地区30米以内土质均为粉质沙土，在塔里木河导向孔钻探过程中，可能会出现胶泥地质层，使钻头压力增大，泥浆冲击力减弱。对此监理人员应及时调整泥浆配合比，增大泥浆压力，保证钻头能有效钻进，同时也防止轩压力增加造成地面冒浆现象。
6.3 泥浆制作、利用、回收及废浆处理，要避免污染环境，排放的废水与固体废弃物必须符合国家污染物排放标准。定向钻穿越较重要的河流堤坝时，一定要防止跑浆对堤坝造成的不良影响。在施工中不但要注意泥浆配比和压力，更重要的是在开钻前要对堤坝下的地质状况进行详细的勘查，采取地质改良措施，这样也有利于政府水利部门批准该穿越的设计和施工方案，保证水工保护符合国家规定。
7．钻导向孔时应注意以下问题：
7.1 若钻头在粘土质地层钻进过程中遇到较硬岩脉，或在沙石层钻进过程中遇到较大粒的卵石，钻孔轨迹都可能较明显地偏离设计轨迹，这时钻头的偏向很难预料。当操作人员意识到钻头遇到硬物或较难钻进等情况时，应马上停钻并检测钻头的位置。
7.2 当钻头遇到较硬地层时，通常需要加大钻压。但是，钻压加大后会引起孔内钻杆弯曲。若钻杆弯曲部位的地层较软，弯曲的钻杆会使钻孔扩大。控向探头只能确定钻头的位置，很难确定这种由钻杆弯曲而形成的钻孔轨迹。
8．扩孔后铺设管线期间应注意下面的问题
8.1 扩孔回拖尽可能连续一次完成，防止卡管。因为如果扩孔钻头在导向孔中停留时间过长，由于钻头的重量较大，钻头会在其自重作用下下沉。
8.2 在缓慢拉管期间，泵量太大也会在土层中产生空洞或使管柱周围的土层变软。
8.3 扩孔钻头越大，钻头下沉的概率就越高。
9．管线回拖时管道失稳变形
定向钻管线回拖时，管线要承受泥浆或地下水压力，应校验管道的稳定性，避免管线外力失稳变形。若管线内存有部分试压水，由于回拖过程中管线曲率的变化，水或泥浆就会在管道内运动形成“活塞效应”。若管线端封闭，则会在管道内部分管段产生负压，加大了管线失稳的可能性。因此，在管线回拖过程中，应避免管内存满水。
10．所穿越的管段在回拖前，应完成试压与防腐检漏，宜做测径，防止回拖后管子与防腐层不达标或管子的椭圆度过大引起径向屈曲失稳
11．回拖完成后管段两端应封孔回填夯实，防止洪水来临时发生管涌，影响两岸大堤安全。
定向钻穿越已在我国长输管道施工中广泛应用，是长输管道施工中技术含量相对较高的工作，施工质量、进度控制不仅取决于施工设备、人员、材料等因素，还与穿越地区的地质、水文有关。不同的地质结构所采取的钻探方案不同，使用的钻具不同，而水文情况直接影响钻孔、洗孔能否进行。作为管道施工监督管理的监理工程师通过对塔里木河定向钻穿越的施工监理，对长输管道穿越河流时的施工质量、进度控制取得了一些经验，对今后同类型定向钻施工监理提供可借鉴的经验和依据。
关键词：管道、定向钻、导向孔、泥浆、控制
定向钻穿越是按设计的钻孔轨迹，采用定向钻进技术先钻一个导向孔，随后在钻杆端部换接大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设管线进行扩孔和管道回拖。在扩孔回拖的同时，将待铺设的管线拉入导向孔，完成敷管作业（如图1所示）。有时根据钻机的型号和待敷设管线的直径大小，可先进行一次或多次扩孔后再回拖已试压、检漏合格的管段。定向钻进过程中，多数工作是通过回转钻杆来完成的，选择钻机的扭矩与轴向给进力和回拖力同样重要。
图1：定向钻穿越示意图
Fig 1: directional drill schemes
作为定向钻施工过程中如何有效控制钻探质量、进度是现场监理工程师主要任务之一。定向钻的优点是对地表的干扰较小，施工速度快，可控制铺管方向，施工精度高。而定向钻的不足之处在于对施工场地要求较高，对地质条件要求严格，如在砾石层中施工比较困难，一般不适用于成孔困难的地层。在塔里木河流域，地质勘探的结果为粉质沙土，应该是比较容易地钻孔。但是由于当地的水质不适于泥浆配比，在钻探过程中地质多次出现不均匀分布胶泥土质，给钻孔、扩孔带来困难。
1．定向钻穿越施工前，应有地质详勘报告。专业监理必须了解穿越志段的地质情况，建设单位必须向监理提供必需的地质详勘报告等，如：平面图、地质剖面图、取样深度、含水量、饱和度、颗粒度、标准贯人数、液性指数、塑性指数、液限、塑限等，有岩石层时需提供岩芯采收率、无侧压极限应力、岩石硬度和强度。对勘探提供的地质资料进行详细的核实，使地质资料必须满足定向钻适宜的地质是定向钻制定鉆探的重要条件。如定向钻适宜于穿越的地质条件有：粘土、亚粘土、成孔条件好的砂层和软岩石层等。
2．进入现场实地勘察穿越管道经过的地下、地上各种光缆、电缆及通讯线路，确认穿越管道中心线与地下管线、通信线路或动力电缆间的垂直距离，为不影响穿越时的质量控制，其垂直最小距离应符合设计规范要求（应不小于15M），避免地下管线和电缆产生的磁场干扰地下仪表单元的传感器，使测量误差增大。
3．在穿越长度和工艺条件允许的情况下，穿越管道曲率半径应尽量取大一些，曲率半径以1500D为宜（D为穿越管道的结构外径尺寸），以避免回拖阻力过大。曲率半径的选择要综合考虑管道的埋深、管径和穿越范围内是否存在河堤等因素。
4．穿越的入土角和出土角应根据穿越地形、地质条件和穿越管段管径的大小来确定。一般情况下，管线的入土角应控制在7°~13°，出土角以控制在4°~9°为宜。如塔里木河定向钻穿越入土角经计算应为11°，出土端管线出土角应为9°，林带定向钻穿越入土角为12°，管线出土角为8°。
5．为保护防腐层和减小回拖力，可以在管道内加装充水的塑料内管，减小管道上浮力，同时减小穿越管道阻力。在塔里木河及林带定向穿越中，拖管时应该在管道内直接充水，使管道内水量达到管道容积的1/3，保证管道穿越不因浮力造成管线飘浮阻力增加。
6．在定向钻穿越施工中，需使用大量泥浆，主要用于水力喷射切割、给泥浆马达提供能量、润滑钻头、携带钻屑到地面、固孔防塌等。因此泥浆必须根据地质条件、钻进速度不断进行调整，以保证施工正常、顺利地进行。监理人员必须将控制泥浆作为定向钻监督检查的重点之一。这其中应重点控制如下问题：
6.1 分析所穿越地层的自稳性，防止成孔引起地面塌陷，及时调整泥浆的粘度、润滑情况等。在塔里木河定向穿越施工中可能出现泥浆粘度降低，并随后出现离析现象，不能有效携带沙粒。这主要是因为塔里木地区水质含盐量较高，如果试配泥浆用水为标准饮用水，则会使试配泥浆在使用中不能有效达到试配效果。
6.2 及时分析地层土壤密实度，调整选配合适的泥浆压力，防止冒浆污染环境。塔里木地区地质勘察资料显示，该地区30米以内土质均为粉质沙土，在塔里木河导向孔钻探过程中，可能会出现胶泥地质层，使钻头压力增大，泥浆冲击力减弱。对此监理人员应及时调整泥浆配合比，增大泥浆压力，保证钻头能有效钻进，同时也防止轩压力增加造成地面冒浆现象。
6.3 泥浆制作、利用、回收及废浆处理，要避免污染环境，排放的废水与固体废弃物必须符合国家污染物排放标准。定向钻穿越较重要的河流堤坝时，一定要防止跑浆对堤坝造成的不良影响。在施工中不但要注意泥浆配比和压力，更重要的是在开钻前要对堤坝下的地质状况进行详细的勘查，采取地质改良措施，这样也有利于政府水利部门批准该穿越的设计和施工方案，保证水工保护符合国家规定。
7．钻导向孔时应注意以下问题：
7.1 若钻头在粘土质地层钻进过程中遇到较硬岩脉，或在沙石层钻进过程中遇到较大粒的卵石，钻孔轨迹都可能较明显地偏离设计轨迹，这时钻头的偏向很难预料。当操作人员意识到钻头遇到硬物或较难钻进等情况时，应马上停钻并检测钻头的位置。
7.2 当钻头遇到较硬地层时，通常需要加大钻压。但是，钻压加大后会引起孔内钻杆弯曲。若钻杆弯曲部位的地层较软，弯曲的钻杆会使钻孔扩大。控向探头只能确定钻头的位置，很难确定这种由钻杆弯曲而形成的钻孔轨迹。
8．扩孔后铺设管线期间应注意下面的问题
8.1 扩孔回拖尽可能连续一次完成，防止卡管。因为如果扩孔钻头在导向孔中停留时间过长，由于钻头的重量较大，钻头会在其自重作用下下沉。
8.2 在缓慢拉管期间，泵量太大也会在土层中产生空洞或使管柱周围的土层变软。
8.3 扩孔钻头越大，钻头下沉的概率就越高。
9．管线回拖时管道失稳变形
定向钻管线回拖时，管线要承受泥浆或地下水压力，应校验管道的稳定性，避免管线外力失稳变形。若管线内存有部分试压水，由于回拖过程中管线曲率的变化，水或泥浆就会在管道内运动形成“活塞效应”。若管线端封闭，则会在管道内部分管段产生负压，加大了管线失稳的可能性。因此，在管线回拖过程中，应避免管内存满水。
10．所穿越的管段在回拖前，应完成试压与防腐检漏，宜做测径，防止回拖后管子与防腐层不达标或管子的椭圆度过大引起径向屈曲失稳
11．回拖完成后管段两端应封孔回填夯实，防止洪水来临时发生管涌，影响两岸大堤安全。
定向钻穿越已在我国长输管道施工中广泛应用，是长输管道施工中技术含量相对较高的工作，施工质量、进度控制不仅取决于施工设备、人员、材料等因素，还与穿越地区的地质、水文有关。不同的地质结构所采取的钻探方案不同，使用的钻具不同，而水文情况直接影响钻孔、洗孔能否进行。作为管道施工监督管理的监理工程师通过对塔里木河定向钻穿越的施工监理，对长输管道穿越河流时的施工质量、进度控制取得了一些经验，对今后同类型定向钻施工监理提供可借鉴的经验和依据。