大口径管道水平定向穿越的主要风险及其防范

大口径管道水平定向穿越的主要风险及其防范(上)摘要：水平定向穿越技术在油气管道穿越河流、湖泊、交通干线、铁路枢纽等障碍和重要区域时具有明显的优越性。但对设备、钻具较强的依赖性和地下施工的不可视性使其具有更大的风险。一般来说，管径越大，地质条件越复杂，风险越大。如果不采取积极有效的防范措施，很难确保穿越的顺利成功．甚至有可能造成巨大损失，带来灾难性的后果。江汉油建承担并胜利完成了西气东输26标段无锡市境内6条河流的水平定向穿越，积累了一定的大9径管道水平定向穿越的施工经验。本文就此进行了初步的讨论，以期为大口径管道的水平定向穿越施工提供有益的借鉴。关键词：大口径管道水平定向穿越风险防范措施1、前言作为非开挖施工技术的重要分支．水平定向穿越要风险(英文缩写HDD，以下简称水平定向穿越)技术已广泛应用于地下管道的穿越施工，如穿越河流、湖泊、交通干线、铁路枢纽等障碍和重要区域。其优点是施工速度快、铺管精度高，具有较好的经济效益和社会效益。但与大开挖施工相比，对设备、钻具较强的依赖性和地下施工(钻进、扩孔、In)拖)的不可视性使其具有更大的风险。而且，一般来说．管径越大，地质条件越复杂，风险越大。如果不采取积极有效的防范措施，很难确保穿越的顺利成功，甚至有可能造成巨大损失．带来灾难性的后果，因此，专家们一致认为，每一次水平定向穿越都是一次全新的考验．都是一次涉险的经历。西气东输26标段无锅巾境内漕港河、塘河、锡澄运河、锡北运河支流、锡北运河、北兴塘河等6条河流设计要求采用水平定向穿越。穿越段管道均为Ф1016nm×26.2mm，材质X70。管道外壁采用3PE防腐。穿越段地质不均匀．主要为粘土、粉质粘土、粉土和粉砂，间夹部分泥岩或流砂。穿越的底部深度一般为地表以下18～21m。江汉油建承担并胜利完成了这6条河流的水平定向穿越施工，对大口径管道水平定向穿越的主要风险有了一定认识，并在防范风险方面取得子初步的经验。本文就此进行简要的介绍，以期抛砖引玉。2、主要风险根据以往的施工经验，结合西气东输管道水平定向穿越的实际情况，我们认为，大口径管道的水平定向穿越主要存在以3个方面的风险：(1)工程失败(2)堤坝塌陷(3)堤坝、地面崩裂(4)泥浆污染3、防范措施3.1工程失败的防范措施工程失败的主要后果表现为回拖失败、扩孔报废。其主要原因可能是：钻机能力不够；导向孔不符合要求；预扩孔偏移量过大；孔内泥屑堆积过多；塌孔：管道进孔不顺畅；设备故障；应采取的主要防范措施为：--选择适宜的钻机通常选择钻机所要考虑的主要参数是最大推／拉力和最大输出扭矩。计算和实践都表明，管道回拖时的回拖力主要与穿越的地质条件、回拖管段的规格和长度、预扩孔的直径和质量有关。好的地质条件。预扩孔的质量相对容易保证；回拖管段的规格越大，长度越长，回拖力越大；预扩孔的直径越大，质量越好，回拖力越小。预扩孔的扭矩主要与地质条件、扩孔器直径、扩孔速度和上一级扩孔的质量有关。土质的硬度和扩孔器的直径越大，扩孔速度越快，扭矩越大。上一级扩孔的质量越好，扭矩越小。在选择钻机时，应综合考虑这些因素。一般情况下，钻机的最大回拖力应不小于回拖管段自重的1／2；钻机的辅出最大扭矩由钻机的基本性能决定。同时，应尽快采取措施．最大限度地减小回拖力。方法之一就是回拖时采用水浮法发送穿越管段。--确保导向孔质量导向孔是预扩孔的基础。导向孔的基本控制指标是出、入土角、曲线偏移和造斜段曲率半径。其中，(钻机)出、入土角一般比较容易控制，只要保证钻机就位和随钻测量的精确性即可：曲线偏移量的控制要求精确的控向技术和熟练的司钻操作；对大口径管道的水平定向穿越来说，造斜段的曲率半径应作为导向孔的重要指标加以控制。地质不均匀或操作不当都可能导致导向孔的局部或大部曲率半径不符合要求。为此，在正式施工前应详细阅读地质资料，实地勘察穿越地质。进行导向孔作业时，应确保穿越曲线的圆滑，防止出现反向弯曲。导向孔的曲率半径R应同时满足以下条件：①不小于1200D(D为穿越管段外径，下同)；②不小于300m；③满足下式的计算结果：式中：R-导向孔（穿越管段）的曲率半径。m；E-穿越管材的弹性模量。Mpa；D-穿越管段的外径。m；-穿越管材的最小抗拉强度。Mpa；钻导向孔时，造斜段单根钻杆的角度变化值按下式控制：式中：-单根钻杆的角度变化值。L-单根钻杆的长度。m；R-导向孔(穿越管段)的曲率半径。m；--控制预扩孔的偏移和波浪水平定向穿越的最终扩孔直径一般为管道直径的1.3～1.5倍。对于大口径管道的水平定向穿越，当穿越沿程的土质不均匀时。即使导向曲线非常完美，由于钻杆、钻具自身重力的作用，土质松软的地方下切比较多，土质坚硬的地方下切比较少，从而造成预扩孔偏移．使疆扩后的穿越曲线变成波浪形。这种偏移和波浪对管道的顺利回拖是极其有害的。尽可能减弱这种偏移和波浪的主要措施是选择合理的钻具和钻具组合。我们在西气东输工程中针对当地的地质条件采用的钻具以板式扩孔器和桶式扩孔器为主，在进行较大的扩孔时辅以扶正器，较好地解决了预扩孔的偏移和波浪问题。--确保泥浆的流变性水平定向穿越的成孔依赖较于钻具对周围土壤的切削和挤压。泥浆的重要作用之一就是悬浮和携带泥屑。如果泥浆的流变性不好，其悬浮和携带泥屑的作用就会大打折扣。钻具切削下来的泥屑就可能大量地沉积在孔内，从而增加回拖阻力为了尽可能地将孔内的泥屑清除干净，必须确保泥浆的流变性。同时，经验表明，板式扩孔器扩孔后，采用桶式扩孔器清孔整形对确保预扩孔质量有很大的好处。--防止塌孔孔的稳定性随着穿越地层岩性的不同存在很大的差别。在粘土、亚粘土层，孔的稳定性比较好；而在粉砂、流砂和砾石层，孔的稳定性很差。防止塌孔的主要措施是：在满足管道回拖要求的前提下尽可能选择较小的扩孔直径；选用适宜的泥浆；选择适宜的钻具和钻具组合：并尽可能缩短施工周期。孔径越大，塌孔的可能性越大。这是不言而喻的。但如前所述，较大的孔径又有利于管道的回拖。这是-个难以调和的矛盾。目前在大口径管道的穿越中解决这个矛盾的方法是选取预扩孔直径的下限，即一般情况下，取预扩孔直径为穿越管径的1.3倍左右。同时，配置适宜的泥浆，合理使用防塌剂。--妥善处理发送道(沟)在西气东输管道的水平定向穿越施工中．多次发生钻具断裂事故。除地质不均和钻具疲劳原因外，有相当一部分是因为管道进孔顺畅，管道强制入洞后钻具与管段不在一条轴线上，其局部薄弱环节在交变应力的作用发生脆裂。为防止这种现象的发生．在开挖发送道(沟)时，应尽可能使发送道(沟)与管孔自然衔接。--认真、定期进行设备的维护保养，确保设备的正常运转。对故障率较高的设备应配备备用设备。3．2堤坝塌陷的防范措施堤坝塌陷在大口径管道水平定向穿越中时有发生。其主要原因可能是出、入土点距堤坝过近、地质较差或预扩孔直径过大等；我们知道，在良好土壤中进行水平定向穿越时，在管孔的顶部会形成自然的卸荷拱。卸荷拱的高度与管孔的孔径、土壤的坚实度和它上部的荷载有关。孔径越大，卸荷拱的高度越高；上部的荷载越大，卸荷拱的高度越高；土壤的坚实度越高，卸荷拱的高度越低；如果卸拱的高度小于孔顶的疆土厚度，孔顶覆土就会塌陷，进而引起堤坝塌陷。防止这一现象发生的基本前提是保证出、入土点距堤坝的安全距离．即保证穿越堤坝时孔顶的覆土厚度。同时，尽可能地控制预扩孔的直径、提高泥浆的护壁性能。但地质条件恶劣时，比如在砂、卵石层中进行水平定向穿越，由于孔顶基本上不能形成卸荷拱，塌孔就几乎成为必然。在这种情况下．水平定向穿越应尽可能在两岸堤坝之间进行。3．3堤坝、地面崩裂的防范措施水平定向穿越引起堤坝、地面崩裂一般只在(钻机)入土点发生。其主要原因可能是出、入土点距堤坝过近、孔内泥屑堆积过多、局部塌孔、回拖速度过快等；在回拖过程中穿越管段始终被牵引着顺着已形成的曲线孔行进，管道与孔壁的摩擦使回拖力比预扩孔时大为增加。同时，局部塌孔和孔内残存的泥屑在回拖时会被钻具和管道部分地携带至(钻机)入土端。当孔顶覆土的厚度不足抵抗回拖力对管孔上部施加的压力，特别是当回拖速度较快时，回拖力对管孔的上部施加的压力加上泥屑对孔壁的挤加就可能使堤坝或地面崩裂。实际施工中，我们经常可能看到靠近钻机一侧100m范围内的地面裂缝就是最好的证明。消除这个原因的方法是保证出、入土点距堤坝的安全距离，控制回拖速度。3．4泥浆污染的防范措施泥浆是水平定向穿越的血液。其主要功能包括润滑、冷却钻头钻具、稳定孔壁和悬浮、携带泥屑。由于大口径管道的水平定向穿越泥浆使用量非常大(一般都在3000m3／条次以上)，除出、人土点两端的泥浆池存储的泥浆需要处理之外．穿越沿程的冒浆、跑浆可能造成耕地、水域污染；可以采取的主要防范措施是控制泥浆压力、减少泥浆总量、及时清收和控制跑冒的泥浆、选择适宜的弃浆场所、有效地覆盖作业场地。为了尽可能地减少泥浆总量，我们在西气东输的穿越现场安装子泥浆循环、处理系统--在与穿越管段平行的10m处另穿一条Фl68×4.5钢管。该钢管在Фl016×26.2管道穿越时临时用作泥浆循环管。Ф1016×26.2管道穿越完成后，Ф168×4.5钢管改做与输气管道同沟敷设的光缆硅芯管的套管，由光缆施上单位穿越硅芯管。泥浆循环、处理沉程见下图：出、入土端泥浆坑内的泥浆用返输泵分别通过循环管或直接返输进泥浆处理装置，经过处理后的部分清浆可以重复利用。弃渣外运至当地有关部门指定的地点存放。对穿越沿线由于地层或其它原因造成的跑、冒泥浆，采用人工及时清收或就地控制，最后统一处理。4、结束语我们通过西气东输工程的施工，锻炼了队伍．积累了经验．取得了业绩，但还有很多环节，特别是泥浆的处理需要进一步研究、改进。