1、引用格式：焦广宇，陈杨，曹良，等供水管道水平定向钻穿越航道关键技术研究 以闽江水平定向钻穿越工程为例安全与环境工程，（）：，（）：供水管道水平定向钻穿越航道关键技术研究 以闽江水平定向钻穿越工程为例焦广宇，陈杨，曹良，闫雪峰，马保松（中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 ；苏州科艺油气工程设备服务公司，江苏 苏州 ；中山大学土木工程学院，广东 珠海 ）摘要：为解决福州市琅岐岛供水不足问题而建设的塘坂引水工程琅岐支线（马尾段）供水管道，横跨穿越闽江航道，该管道内径为 ，长度为 ，管材采用 钢管。为减少该工程施工对现有地面设施的破坏并保证闽江主航路畅通，采用水平定向钻穿越施工法进行施工。本工程
2、穿越地层为岩石与淤泥质黏土软硬交替地层，采用我国自主研发的新型 级电驱动水平定向钻机，应用新型的 水平定向钻磁靶导向定位系统，并采用国际先进的双钻机对接穿越施工工艺，确保工程顺利实施；同时为了克服该工程穿越地层复杂、人工磁场铺设困难、穿越距离长、入出土点易冒浆等一系列工程技术难题，采取了双层套管、壁钩打捞及套洗钻具解卡等技术手段对钻杆弯曲、断裂等孔内事故进行了处理，提高了施工工效，减小了定向钻施工对地面设施和环境的影响。该相关技术经验可为类似工程的安全施工提供数据和技术支撑。关键词：供水管道；软硬交替地层；水平定向钻；穿越航道；磁靶导向定位系统；闽江穿越工程中图分类号：；文章编号：（）收稿日期
3、：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（）作者简介：焦广宇（），男，硕士研究生，主要研究方向为非开挖工程理论与技术。：通讯作者：闫雪峰（），男，博士，副教授，主要从事非开挖管道铺设与修复等方面的研究。：，（，（），；，；，）：，（），第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 ，：；水平定向钻技术最早出现在 世纪 年代，是传统公路顶管穿越方法和油田定向钻井技术的结合，其原理是采用锚固于地表的钻孔设备，以相对于地面较小的入射角钻入地层形成先导孔，然后将先导孔扩径至所需大小，并通过钻机回拖牵引将管道（线）装入钻孔的一项非开挖管线敷设技术。自 年在美国加州率先使
4、用水平定向钻穿过河流铺设管道后，水平定向钻技术得到了较快的发展，其以效率高、环境友好、不影响交通、社会效益和经济效益显著等一系列优势，在水利、电力、油气等管网建设中得到了广泛的应用。截至 年，我国已建成长输油气管道 万，其中利用水平定向钻技术铺设管道 。在西气东输国家工程中，西气东输一线所穿越的河流中，有 条采用水平定向钻工法穿越，西气东输二线几乎所有河流穿越都采用了水平定向钻技术，共计穿越大小河流上百条。据统计，仅中国石油天然气管道局每年采用水平定向钻技术铺设的油气管道便达 。随着近年来我国管道建设的需要和水平定向钻技术的不断提高，南水北调、西气东输、中俄干线等水利、油气管道以及城镇地下管网
5、建设工程中，采用水平定向钻技术铺设的管道直径、穿越距离不断被突破，水平定向钻进逐渐向大直径（最大管道直径 ）、长距离（最长穿越距离 ）以及复杂地质条件的方向发展。根据“十三五”规划，年我 国共 计 新 建 天 然 气 管 道 万，大直径、长距离、复杂地层的水平定向钻成为技术发展的新方向，相关工程案例越来越多，拥有良好的发展前景和经济效益。与此同时，穿越难度的逐渐增大，对施工机械设备、工艺技术等也提出了更高的要求。闽江水平定向钻穿越工程穿越距离较长，管道直径较大，穿越工程等级属大型，且穿越地层为岩石与淤泥质黏土软硬交替复杂地层，同时面临航道河面难以铺设定磁场、扭矩与回拖力过大以及入出土点易冒浆等
6、一系列工程技术难题，工程建设适宜性差，具有较高的施工难度。通过对闽江典型的长距离、复杂地层水平定向钻穿越工程所遇难题与孔内事故进行分析，结合现场施工实际情况，提出了相应的施工关键技术，并验证其可行性；同时，本工程为国内外首台电驱动大吨位钻机与国产新型磁靶导向定位系统的首次应用，相关工程创新技术可有效减少定向钻施工对环境安全的影响，该一系列工程安全事故的应急处理技术措施以及新型设备系统的应用，可为类似水平定向钻穿越工程安全施工提供借鉴与参考。工程概况 工程背景随着福建省琅岐岛开发建设的不断深入，供水矛盾日益显现，塘坂引水工程琅岐支线（马尾段）的建设将可进一步满足岛内用水需求。该输水线路总长度为
7、，日供水量最高可达 万。其中，连江县远洋渔业公司至滨江西路段输水管道因横跨闽江主航道，采用水平定向钻施工法。闽江水平定向钻穿越工程起点位于连江县琯头镇阳岐村连江县远洋渔业公司基地附近，输水线路往东南方向穿越闽江长门水道，到达琅岐岛规划滨江西路。铺设的管道属市政引水工程供水管道，设计穿越总长度为 ，设计曲率半径为 第期焦广宇等：供水管道水平定向钻穿越航道关键技术研究 以闽江水平定向钻穿越工程为例，设计轨迹水平段埋深为，设计管径为 （壁厚），管材采用 钢管，穿越工程等级为大型，主要穿越地层为岩石与淤泥质黏土软硬交替复杂地层。闽江水平定向钻穿越工程平面示意图，如图所示。图闽江水平定向钻穿越工程平面示
8、意图 地质条件经钻探揭露，拟建工程场地在揭露深度内，其岩土层从上往下可分为层，分别为淤泥质黏土、黏土、（含泥）粉砂、微风化花岗岩。依据相关设计，确定入、出土角为，水平段总长为 ，主要穿越淤泥质黏土，同时伴随穿越部分花岗岩质地层。闽江水平定向钻穿越工程轨迹与地质剖面图，见图。图闽江水平定向钻穿越工程轨迹与地质剖面图 导向孔施工与扩孔、回拖水平定向对接穿越技术由国外最早开发，于 年首次应用到穿越工程，。常规导向孔施工工艺为：钻头在钻压和扭矩作用下不断切削岩土体，同时导向定位系统对钻孔轨迹进行实时测量，直至钻头从出土端出土。闽江水平定向钻穿越距离近 ，属大型长距离穿越工程，为了防止钻机扭矩、推力过大
9、，避免钻杆由于长度和自身重力的原因失稳而导致难以精确控向所带来的施工风险，该工程采用国内外先进的双钻机对接穿越工艺，由两台水平定向钻机协同作业完成穿越施工，其中主钻机为我国自主研发的新型 级电驱动水平定向钻机，辅钻机为美国威猛 钻机，且主钻机与辅钻机钻具组合均为三牙轮钻头螺杆马达无磁钻铤钻杆，并通过新型的 水平定向钻磁靶导向定位系统实施双钻机对接穿越施工工艺，其原理示意图如图所示。图双钻机对接穿越施工工艺原理示意图 水平定向钻双钻机对接穿越施工工艺具有以下优势：（）有效缩短单向导向孔的钻进长度，提高控向能力与精度，保证穿越过程中的定向控制和钻孔曲线的平滑。（）有效避免单向钻进导致的出土点位置产
10、生误差的问题。本穿越工程在入出土点均采用了套管隔离工艺，对接技术的优势尤为明显。（）有效避免单向钻进穿越过程中，因钻杆长距离受力发生弯曲变形从而易断裂现象，提高了施工安全系数。导向孔施工完成后，进行扩孔与管道回拖作业。闽江水平定向钻穿越工程采用级扩孔级洗孔工艺，选用 型加重钻杆（），为了确保管道回拖作业安全，将 钻孔孔径扩至 ，大于相关规范对孔径的安全要求。闽江水平定向钻穿越工程扩孔施工级数与钻具组合见表，桶式扩孔器示意图如图所示。在扩孔过程中，按照设计要求适当调整加大泥浆排量，保证泥浆流速达到携带碎屑的能力，因此配备台大功率泥浆泵，单泵排量在 以上，同时控制管道回拖速度，严防憋泵、憋钻及强行
11、安全与环境工程 ：第 卷回扩。洗孔次数根据具体成孔情况与孔内清洁度及时调整。表闽江水平定向钻穿越工程扩孔施工级数与钻具组合 序号施工阶段钻具组合一级扩孔 钻杆 桶式扩孔器二级扩孔 钻杆 桶式扩孔器三级扩孔 钻杆 桶式扩孔器四级扩孔 钻杆 桶式扩孔器清孔 钻杆 桶式扩孔器图 桶式扩孔器示意图 回拖钻具组合为：钻杆 桶式扩孔器 分动器“”型环 管道。其中，“”型环用于避免具有较大刚性的管道在回拖时与钻具硬连接。在大管径穿越的回拖过程中，巨大的浮力往往对穿越回拖产生非常不利的影响。为了消除其影响，减少管道和扩孔器与孔壁的接触和摩擦，管道回拖过程中将水作为平衡介质注入管道内，进行浮力控制，同时为了使水
12、均匀分布在管道内，需在管道内部置入若干根 管，保证回拖时保持其内部充满水。本工程的穿越主管道为 ，选用的 管为 。施工钻机闽江水平定向钻穿越工程采用双钻机对接穿越施工工艺，辅钻机为美国威猛 钻机，主钻机为国内自主研发，最大回拖力为 ，是目前国内外最大吨位回拖力的电驱动水平定向钻机。闽江水平定向钻穿越工程穿越长度为 ，属长距离穿越，根据 油气输送管道穿越工程施工规范（）中水平定向钻管道穿越回拖力的计算公式，对该穿越工程水平定向钻机的吨位进行核验，选取的计算公式为拉 泥 （）黏（）式中：拉为钻机的回拖力（）；为水平定向钻穿越工程穿越长度（）；为摩擦系数，取 ；为重力加速度（），取 ；为管道外径（）
13、；泥为泥浆密度（）；为管道壁厚（）；黏为黏滞系数，取 。通过计算，同时为了最大程度保证工程施工安全，在考虑安全系数的基础上，得到本次穿越施工工程所需的理论最大回拖力为 。针对由于穿越距离长所需的回拖力过大、施工功效低等问题，本工程有针对性地采用国内外首台、我国自主研发的新型 级电驱动水平定向钻机进行施工，见图。图我国自主研发的新型 级电驱动水平定向钻机 主钻机一改传统的水平定向钻机通过燃油提供动力的驱动方式，而是采用电力驱动，具有高创新、低噪音、低能耗以及环境友好等一系列优点。可以预见，电驱动、大吨位将会是未来非开挖水平定向钻机发展的一大新趋势。闽江水平定向钻穿越工程技术难题 导向孔穿越软硬交
14、替复杂地层由于闽江河道航运繁忙且穿越轴线附近存在港口码头，为了避免过往船只抛锚对河床下敷管道造成破坏，相关部门对管道安全埋深作出规定，即须大于。在此埋深下，闽江水平定向钻所穿越地层为岩石与淤泥质黏土软硬交替地层。其中，淤泥质第期焦广宇等：供水管道水平定向钻穿越航道关键技术研究 以闽江水平定向钻穿越工程为例黏土呈流塑状，具有高压缩性及低承载力的特性，施工过程中控向曲线较难控制且成孔较差；所穿越硬岩为多处不连续的微风化花岗岩岩脉凸起，导致整体施工难度较大，主、辅钻机钻杆孔内对接困难，易造成钻杆弯曲、断裂等孔内事故。孔内钻杆对接困难在主、辅钻机钻杆孔内对接过程中，孔内信号探棒获得对信号源的感应后，主
15、、辅钻机调整姿态角度继续钻进，将主钻机侧钻头导入至辅钻机侧钻头部位套筒，实现了两侧钻具的“握手”，完成对接工艺的初步成功。然而，由于穿越地层的不良特性，在辅钻机回抽钻杆、主钻机沿辅钻机钻进形成的导向孔同步钻进的过程中，辅钻机侧钻具在距离入土点 处位置发生了角度下沉，偏离设计轨迹曲线，最终导致已成功完成初步对接的两侧钻具再次脱离，未能将其从孔内顺利导出而实现导向孔的贯通。钻杆弯曲变形在主、辅钻机钻杆孔内对接过程中，主钻机钻进至距出土点 处位置，孔内钻杆扭矩异常增加至 ，且随着钻杆回转，扭矩产生周期性波动，初步判断为孔内钻杆发生弯曲变形。通过回抽主钻机侧钻杆，证实钻杆在距离入土点 处发生了弯曲变形
16、。更换钻杆后，主钻机钻进至出土点 处位置 时，孔 内 钻 杆 扭 矩 再 次 异 常 增 加 至 ，进行第二次回抽，发现孔内钻杆在同样位置再次发生程度较大的弯曲变形，存在钻杆折断的风险，如图所示。图钻杆弯曲变形 钻杆断裂导向孔初次对接过程中，主钻机回转钻杆发生卡钻，采取反复旋转、推拉钻杆和增大泥浆排量的方式解卡。在解卡过程中，钻杆发生断裂，钻杆以及无磁钻铤、螺杆马达、导向设备等钻具埋落在孔内，孔内钻杆长度总计为 。钻杆断裂位置断口，如图所示。图钻杆断裂位置断口 通过对断裂钻杆管体进行宏观分析，发现钻杆靠近断口部位发生明显的弯曲变形。经过前期多次钻进，钻孔直径已超过了孔内钻杆直径，此时孔内长钻杆相当于柔性杆，在承受解卡过程中的反复推拉荷载作用达到一定值时，钻杆发生弯曲失稳。当钻杆外表面疲劳损伤累积达到一定程度便会有疲劳裂纹萌生并不断扩展，使得裂纹截面部位的承载能力下降，进而引起钻杆在裂纹部位发生严重弯曲，最终导致钻杆发生断裂失效。航道难以布置磁场线圈在水平定向钻导向孔的施工过程中，为了保证钻进精度，通常需要沿设计轨迹在地面敷设磁场线圈，以实现对地下导向探棒的信号监测。闽江水平定向钻穿越工