工程思考丨非开挖水平定向钻在天然气长输管线穿越河流中的应用

合肥都市圈高压天然气管线瓦东干渠穿越工程采用水平定向钻施工工艺，穿越位置在瓦东干渠与沪陕高速交口西南侧450m处，自瓦东干渠首进水闸下游4500m处（渠道桩号K4+500），穿越方向为东北-西南向，穿越管线材料为D711×12.7mm L485M直缝双面埋弧焊钢管，设计穿越长度为600m，穿越最大深度约19m。

地形地貌特征

拟建场地地貌单元为江淮丘陵地貌单元，微地貌为岗丘。管道穿越地质剖面图如图所示。管道穿越地质剖面图

管道设计

穿越段管道按四级地区设计，设计强度系数0.4，管材选用DN700×12.70mm L485M直缝双面埋弧焊钢管（GB/T9711-2017 PSL2）。管道采用聚乙烯三层结构（3PE）加强级外防腐层；补口、补伤采用定向钻专用聚乙烯热收缩套（带）三层结构，管道回拖方向一侧补口材料与管道搭接处应做保护套（带）加固。管道与瓦东干渠河道交叉角度约48°，起始里程桩为K3+125.3（管线桩号，下同），末点里程桩为K3+725.3，定向钻穿越段水平长度600m，穿越最大深度约19m。穿越的入土端自然地面高程53.04m（1985年国家高程基准，下同），入土角8°，里程桩K3+725.3，距左岸堤顶路230.7 m；穿越的出土端自然地面高程为51.24 m，出土角6°，里程桩为K3+125.3，距右岸堤顶路283.6m。定向钻穿越最低点控制标高为30.35m（管底），管道顶部与河道底部净距大于10m。

技术方案

穿越曲线设计

根据穿越地形、地质条件和穿越管径，该工程定向钻穿越的出、入土角度确定为入土角8°，出土角6°。定向钻管段纵向设有2处弹性曲线，曲率半径为1067m（1500D）。

管线回拖力分析计算与设备能力比较根据公式算出回拖力F为42.5t；

按照施工规范的要求，钻机应选择最大回拖力为理论回拖力1.5-3.0倍的，故本工程施工拟采用回拖力为200t的DDL2000钻机，完全满足施工要求。

定向钻穿越施工方案

钻机就位和调试

定向钻穿越施工工艺流程如下图所示，首先将DDL2000钻机按照施工总平图及相关规范要求错固在固定的位置上，钻机入土角调整到设计图纸要求的8°，然后进行调试，确保满足施工条件。

定向钻施工流程

配制泥浆

配制性能良好的泥浆是定向钻穿越施工的必要条件，起着润滑、防止失水的作用，减少摩擦阻力。

01施工之前计算好泥浆配合比，将膨润土、泥浆添加剂放入泥浆中，且添加的材料满足环保要求。

岩石扩孔、现场照片

02在导孔阶段，应该将孔内的泥沙带出孔外，以此来保持孔壁的稳定性，降低推进阻力。泥浆基本配制方法为：基础泥浆+0.2%~0.4%增粘剂+0.3%降滤失剂。

03扩孔阶段对泥浆的要求是必须具有良好的护壁作用，防止因扩孔张力过大导致钻孔发生坍塌，同时也需要提高泥浆携带泥沙的能力，因此泥浆基本配制方法为：基础泥浆+0.3%~0.5%提粘剂+0.4%降滤失剂。

04在扩孔和回拖阶段，要求泥浆具有良好的护壁和携砂能力，以及减少摩擦和扭矩，且具有良好的润滑能力。因此泥浆基本配制方法为：基础泥浆+0.3%~0.5%提粘剂+0.4%降滤失剂+2%~3%的润滑剂。

02为了有效降低钻杆与地层之间的摩擦阻力，泥饼的质量至关重要。泥饼薄而坚硬，能稳定孔壁，降低摩阻。在泥浆中加入高性能降滤失剂，控制失水，形成优质泥饼。泥浆的粘度符合下表要求。

泥浆粘度值表

根据地质条件和管径确定泥浆的粘度。泥浆的粘度每两小时用马氏漏斗测量一次。返泥处理：部分返泥回收，另一部分经沉淀后外运。

钻机试钻

钻机安装后，及时试运转，以检测各部件的运行情况。

1钻进时的入土角为8°，在定位点前为倾斜段，入射角可根据现场条件调整。

2导向孔根据设计曲线钻进，曲线半径由公式计算，采用L=148.98m，每米转角约为0.4°。由于受其它管道的限制（设计标高原地面为2.0m左右），敷设管道到达定位点后应在2.5m，钻进角度在8°左右，每10m调整0.5°。

3导孔钻进完成后，根据钻孔轨迹和数据记录，确定导向孔是否可用。轴线从左到右的偏差应控制在2m以内，深度偏差应控制在0.5%L（钻进长度）以内。出土点偏差控制在0.5 m以内。

分级扩孔成孔

根据土质情况，钻孔工艺采用分级反拔旋转铰孔，采用D400、D550、D700、D850、D950、D1050钻头分级扩孔。钻孔导向完成后，在出土点钻头出孔，取下导向钻头和探头，安装D400扩孔器，确认持水孔未被泥浆堵塞后，启动扩孔。钻头必须与钻杆连接牢固后才能展开，以防在开发过程中发生事故。在回扩过程中，必须根据不同地层的地质条件和现场产泥情况确定速度和泥浆压力，以保证成孔质量。为防止在钻进过程中由于刀盘摩擦和铰刀穿孔造成铰刀失效，该扩孔器采用高硬度耐磨合金作为开孔器的刀盘。为了提高整个开孔器的强度和耐磨性，在开孔器的桶体表面覆盖耐摩合金，确保铰刀能够完成孔操作。

管道回拖

因本工程穿越土层以强风化及中风化泥质砂岩为主，管线回拖时应根据D1050扩孔器最后一次洗孔时钻机拉力、扭矩的大小控制好回拖的速度，且管道回拖施工应连续进行，除发生不可抗拒的原因外，严禁在施工中无故停拖。具体拖拽程序如下：

1管道组装、焊接、清管、试压完成后，在管道的末端连接一个拖曳头和凸耳，在管道的另一端切断多余的管道，并焊接封头。

2组装回拖支架，每隔20m左右放置一个沙袋，将焊接好的管道放置在沙袋桩上，减少回拖过程中的回拖阻力，保护管道防腐层。

3连接钻杆D1050扩孔器，依次将万向接头和回拖管连为一个整体，仔细检查各连接螺栓，确保各连接环节连接牢固。

4缓慢旋转钻杆并送入泥浆，以确保万向接头正常工作，并且扩孔器的泥浆孔未被堵塞，然后开始将钻杆向后拖。

5在回拖过程中，应特别安排人员对管线进行巡视，防止管线在回拖过程中从沙袋架上脱落。

6为保护补口防腐层不受损伤，在补口防腐层正面加一半热缩带，补口防腐层应在补口前一天完成，以保证补口强度。拉动管道前应全面检查防腐情况，发现损坏应立即修复，拉管时用电火花检测跟踪检测，发现泄漏应立即停止拖管。

7回拖过程中协调、指挥、沟通要顺畅，记录扭矩、拖曳力、泥浆流量、回拖速度，如有异常，应立即报告。派专人观察沿线有无泄漏，发现异常及时报告。

结语

天然气长输管线施工过程中，非开挖定向钻施工技术因其施工距离长、施工效率高的优势备受广泛使用，专业技术和施工管理人员需对每一道施工工序予以把握，特别是在地形复杂地区。随着科学技术的发展，定向钻技术将会越来越多地应用到工程实践中。