焦廣宇，陳 楊，曹 良，閆雪峰*，馬保松

(1.中國地質(zhì)大學(武漢) 工程學院，湖北 武漢 430074；2.蘇州科藝油氣工程設(shè)備服務(wù)公司，江蘇 蘇州 215000；3.中山大學土木工程學院，廣東 珠海 510275)

水平定向鉆技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀70年代，是傳統(tǒng)公路頂管穿越方法和油田定向鉆井技術(shù)的結(jié)合，其原理是采用錨固于地表的鉆孔設(shè)備，以相對于地面較小的入射角鉆入地層形成先導孔，然后將先導孔擴徑至所需大小，并通過鉆機回拖牽引將管道(線)裝入鉆孔的一項非開挖管線敷設(shè)技術(shù)[1-2]。自1970年在美國加州率先使用水平定向鉆穿過河流鋪設(shè)管道后,水平定向鉆技術(shù)得到了較快的發(fā)展，其以效率高、環(huán)境友好、不影響交通、社會效益和經(jīng)濟效益顯著等一系列優(yōu)勢，在水利、電力、油氣等管網(wǎng)建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。

截至2018年，我國已建成長輸油氣管道12萬km，其中利用水平定向鉆技術(shù)鋪設(shè)管道300 km。在西氣東輸國家工程中，西氣東輸一線所穿越的河流中，有36條采用水平定向鉆工法穿越，西氣東輸二線幾乎所有河流穿越都采用了水平定向鉆技術(shù)，共計穿越大小河流上百條。據(jù)統(tǒng)計，僅中國石油天然氣管道局每年采用水平定向鉆技術(shù)鋪設(shè)的油氣管道便達100 km[5-7]。

隨著近年來我國管道建設(shè)的需要和水平定向鉆技術(shù)的不斷提高，南水北調(diào)、西氣東輸、中俄干線等水利、油氣管道以及城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)建設(shè)工程中，采用水平定向鉆技術(shù)鋪設(shè)的管道直徑、穿越距離不斷被突破，水平定向鉆進逐漸向大直徑(最大管道直徑1 800 mm)、長距離(最長穿越距離5 205 m)以及復雜地質(zhì)條件的方向發(fā)展[8]。根據(jù)“十三五”規(guī)劃，2016—2020年我國共計新建天然氣管道3.4萬km，大直徑、長距離、復雜地層的水平定向鉆成為技術(shù)發(fā)展的新方向，相關(guān)工程案例越來越多，擁有良好的發(fā)展前景和經(jīng)濟效益。與此同時，穿越難度的逐漸增大，對施工機械設(shè)備、工藝技術(shù)等也提出了更高的要求[9-10]。

閩江水平定向鉆穿越工程穿越距離較長，管道直徑較大，穿越工程等級屬大型，且穿越地層為巖石與淤泥質(zhì)黏土軟硬交替復雜地層，同時面臨航道河面難以鋪設(shè)定磁場、扭矩與回拖力過大以及入出土點易冒漿等一系列工程技術(shù)難題，工程建設(shè)適宜性差，具有較高的施工難度。通過對閩江典型的長距離、復雜地層水平定向鉆穿越工程所遇難題與孔內(nèi)事故進行分析，結(jié)合現(xiàn)場施工實際情況，提出了相應(yīng)的施工關(guān)鍵技術(shù)，并驗證其可行性；同時，本工程為國內(nèi)外首臺電驅(qū)動大噸位鉆機與國產(chǎn)新型磁靶導向定位系統(tǒng)的首次應(yīng)用，相關(guān)工程創(chuàng)新技術(shù)可有效減少定向鉆施工對環(huán)境安全的影響，該一系列工程安全事故的應(yīng)急處理技術(shù)措施以及新型設(shè)備系統(tǒng)的應(yīng)用，可為類似水平定向鉆穿越工程安全施工提供借鑒與參考。

1 工程概況

1. 1 工程背景

隨著福建省瑯岐島開發(fā)建設(shè)的不斷深入，供水矛盾日益顯現(xiàn)，塘坂引水工程瑯岐支線(馬尾段)的建設(shè)將可進一步滿足島內(nèi)用水需求。該輸水線路總長度為6.927 km，日供水量最高可達10萬t。其中，連江縣遠洋漁業(yè)公司至濱江西路段輸水管道因橫跨閩江主航道，采用水平定向鉆施工法。

閩江水平定向鉆穿越工程起點位于連江縣琯頭鎮(zhèn)陽岐村連江縣遠洋漁業(yè)公司基地附近，輸水線路往東南方向穿越閩江長門水道，到達瑯岐島規(guī)劃濱江西路。鋪設(shè)的管道屬市政引水工程供水管道，設(shè)計穿越總長度為1 934 m，設(shè)計曲率半徑為1 830 m，設(shè)計軌跡水平段埋深為25 m，設(shè)計管徑為1 220 mm(壁厚20 mm)，管材采用Q345B鋼管，穿越工程等級為大型，主要穿越地層為巖石與淤泥質(zhì)黏土軟硬交替復雜地層。閩江水平定向鉆穿越工程平面示意圖,如圖1所示。

圖1 閩江水平定向鉆穿越工程平面示意圖

1. 2 地質(zhì)條件

經(jīng)鉆探揭露，擬建工程場地在揭露深度內(nèi)，其巖土層從上往下可分為4層，分別為淤泥質(zhì)黏土、黏土、(含泥)粉砂、微風化花崗巖。依據(jù)相關(guān)設(shè)計，確定入、出土角為8°，水平段總長為1 000 m，主要穿越淤泥質(zhì)黏土，同時伴隨穿越部分花崗巖質(zhì)地層。閩江水平定向鉆穿越工程軌跡與地質(zhì)剖面圖，見圖2。

圖2 閩江水平定向鉆穿越工程軌跡與地質(zhì)剖面圖

1. 3 導向孔施工與擴孔、回拖

水平定向?qū)哟┰郊夹g(shù)由國外最早開發(fā)，于2001年首次應(yīng)用到穿越工程[8,11]。常規(guī)導向孔施工工藝為：鉆頭在鉆壓和扭矩作用下不斷切削巖土體，同時導向定位系統(tǒng)對鉆孔軌跡進行實時測量，直至鉆頭從出土端出土[12]。閩江水平定向鉆穿越距離近2 000 m，屬大型長距離穿越工程，為了防止鉆機扭矩、推力過大，避免鉆桿由于長度和自身重力的原因失穩(wěn)而導致難以精確控向所帶來的施工風險，該工程采用國內(nèi)外先進的雙鉆機對接穿越工藝，由兩臺水平定向鉆機協(xié)同作業(yè)完成穿越施工，其中主鉆機為我國自主研發(fā)的新型2 000 t級電驅(qū)動水平定向鉆機，輔鉆機為美國威猛D300×500鉆機，且主鉆機與輔鉆機鉆具組合均為三牙輪鉆頭+螺桿馬達+無磁鉆鋌+鉆桿，并通過新型的KY-100水平定向鉆磁靶導向定位系統(tǒng)實施雙鉆機對接穿越施工工藝，其原理示意圖如圖3所示。

圖3 雙鉆機對接穿越施工工藝原理示意圖

水平定向鉆雙鉆機對接穿越施工工藝具有以下優(yōu)勢:

(1) 有效縮短單向?qū)蚩椎你@進長度，提高控向能力與精度，保證穿越過程中的定向控制和鉆孔曲線的平滑。

(2) 有效避免單向鉆進導致的出土點位置產(chǎn)生誤差的問題。本穿越工程在入出土點均采用了套管隔離工藝，對接技術(shù)的優(yōu)勢尤為明顯。

(3) 有效避免單向鉆進穿越過程中，因鉆桿長距離受力發(fā)生彎曲變形從而易斷裂現(xiàn)象，提高了施工安全系數(shù)。

導向孔施工完成后，進行擴孔與管道回拖作業(yè)。

閩江水平定向鉆穿越工程采用4級擴孔+2級洗孔工藝，選用XT69型加重鉆桿(168 mm)，為了確保管道回拖作業(yè)安全，將鉆孔孔徑擴至1 800 mm，大于相關(guān)規(guī)范對孔徑的安全要求。閩江水平定向鉆穿越工程擴孔施工級數(shù)與鉆具組合見表1，φ900桶式擴孔器示意圖如圖4所示。

在擴孔過程中，按照設(shè)計要求適當調(diào)整加大泥漿排量，保證泥漿流速達到攜帶碎屑的能力，因此配備2臺大功率泥漿泵,單泵排量在2.5 m3/min以上，同時控制管道回拖速度，嚴防憋泵、憋鉆及強行回擴。洗孔次數(shù)根據(jù)具體成孔情況與孔內(nèi)清潔度及時調(diào)整。

表1 閩江水平定向鉆穿越工程擴孔施工級數(shù)與鉆具組合

圖4 φ900桶式擴孔器示意圖

回拖鉆具組合為：φ168 mm鉆桿+φ1 800 mm桶式擴孔器+1 500 t分動器+“U”型環(huán)+DN1 200管道。其中，“U”型環(huán)用于避免具有較大剛性的管道在回拖時與鉆具硬連接。

在大管徑穿越的回拖過程中，巨大的浮力往往對穿越回拖產(chǎn)生非常不利的影響[13]。為了消除其影響，減少管道和擴孔器與孔壁的接觸和摩擦，管道回拖過程中將水作為平衡介質(zhì)注入管道內(nèi)，進行浮力控制，同時為了使水均勻分布在管道內(nèi)，需在管道內(nèi)部置入若干根PE管，保證回拖時保持其內(nèi)部充滿水。本工程的穿越主管道為DN1200，選用的PE管為φ610 mm×12.5 mm。

1. 4 施工鉆機

閩江水平定向鉆穿越工程采用雙鉆機對接穿越施工工藝，輔鉆機為美國威猛D300×500鉆機，主鉆機為國內(nèi)自主研發(fā)，最大回拖力為2 000 t，是目前國內(nèi)外最大噸位回拖力的電驅(qū)動水平定向鉆機。

閩江水平定向鉆穿越工程穿越長度為1 934 m，屬長距離穿越，根據(jù) 《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》(GB 50424—2007)中水平定向鉆管道穿越回拖力的計算公式[14]，對該穿越工程水平定向鉆機的噸位進行核驗，選取的計算公式為

(1)

式中：F拉為鉆機的回拖力(kN)；L為水平定向鉆穿越工程穿越長度(m)；f為摩擦系數(shù)，取0.1～0.3；g為重力加速度(m/s2)，取9.81 m/s2；D為管道外徑(m)；γ泥為泥漿密度(t/m3)；δ為管道壁厚(m);k黏為黏滯系數(shù)，取0.01～0.03。

通過計算，同時為了最大程度保證工程施工安全，在考慮安全系數(shù)的基礎(chǔ)上，得到本次穿越施工工程所需的理論最大回拖力為1 074 t。

針對由于穿越距離長所需的回拖力過大、施工功效低等問題，本工程有針對性地采用國內(nèi)外首臺、我國自主研發(fā)的新型2 000 t級電驅(qū)動水平定向鉆機進行施工，見圖5。

圖5 我國自主研發(fā)的新型2 000 t級電驅(qū)動水平定向鉆機

主鉆機一改傳統(tǒng)的水平定向鉆機通過燃油提供動力的驅(qū)動方式，而是采用電力驅(qū)動，具有高創(chuàng)新、低噪音、低能耗以及環(huán)境友好等一系列優(yōu)點?？梢灶A見，電驅(qū)動、大噸位將會是未來非開挖水平定向鉆機發(fā)展的一大新趨勢。

2 閩江水平定向鉆穿越工程技術(shù)難題

2. 1 導向孔穿越軟硬交替復雜地層

由于閩江河道航運繁忙且穿越軸線附近存在港口碼頭，為了避免過往船只拋錨對河床下敷管道造成破壞，相關(guān)部門對管道安全埋深作出規(guī)定，即須大于25 m。在此埋深下，閩江水平定向鉆所穿越地層為巖石與淤泥質(zhì)黏土軟硬交替地層。其中，淤泥質(zhì)黏土呈流塑狀，具有高壓縮性及低承載力的特性，施工過程中控向曲線較難控制且成孔較差；所穿越硬巖為多處不連續(xù)的微風化花崗巖巖脈凸起，導致整體施工難度較大，主、輔鉆機鉆桿孔內(nèi)對接困難，易造成鉆桿彎曲、斷裂等孔內(nèi)事故。

2.1.1 孔內(nèi)鉆桿對接困難

在主、輔鉆機鉆桿孔內(nèi)對接過程中，孔內(nèi)信號探棒獲得對信號源的感應(yīng)后，主、輔鉆機調(diào)整姿態(tài)角度繼續(xù)鉆進，將主鉆機側(cè)鉆頭導入至輔鉆機側(cè)鉆頭部位套筒，實現(xiàn)了兩側(cè)鉆具的“握手”，完成對接工藝的初步成功。然而，由于穿越地層的不良特性，在輔鉆機回抽鉆桿、主鉆機沿輔鉆機鉆進形成的導向孔同步鉆進的過程中，輔鉆機側(cè)鉆具在距離入土點1 350 m處位置發(fā)生了角度下沉，偏離設(shè)計軌跡曲線，最終導致已成功完成初步對接的兩側(cè)鉆具再次脫離，未能將其從孔內(nèi)順利導出而實現(xiàn)導向孔的貫通。

2.1.2 鉆桿彎曲變形

在主、輔鉆機鉆桿孔內(nèi)對接過程中，主鉆機鉆進至距出土點1 180 m處位置，孔內(nèi)鉆桿扭矩異常增加至45 000 N·m，且隨著鉆桿回轉(zhuǎn)，扭矩產(chǎn)生周期性波動，初步判斷為孔內(nèi)鉆桿發(fā)生彎曲變形。通過回抽主鉆機側(cè)鉆桿，證實鉆桿在距離入土點200 m處發(fā)生了彎曲變形。

更換鉆桿后，主鉆機鉆進至出土點1 150 m處位置時，孔內(nèi)鉆桿扭矩再次異常增加至47 000 N·m，進行第二次回抽，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)鉆桿在同樣位置再次發(fā)生程度較大的彎曲變形，存在鉆桿折斷的風險，如圖6所示。

圖6 鉆桿彎曲變形

2.1.3 鉆桿斷裂

導向孔初次對接過程中，主鉆機回轉(zhuǎn)鉆桿發(fā)生卡鉆，采取反復旋轉(zhuǎn)、推拉鉆桿和增大泥漿排量的方式解卡。在解卡過程中，鉆桿發(fā)生斷裂，鉆桿以及無磁鉆鋌、螺桿馬達、導向設(shè)備等鉆具埋落在孔內(nèi)，孔內(nèi)鉆桿長度總計為900 m。鉆桿斷裂位置斷口，如圖7所示。

圖7 鉆桿斷裂位置斷口

通過對斷裂鉆桿管體進行宏觀分析，發(fā)現(xiàn)鉆桿靠近斷口部位發(fā)生明顯的彎曲變形。經(jīng)過前期多次鉆進，鉆孔直徑已超過了孔內(nèi)鉆桿直徑，此時孔內(nèi)長鉆桿相當于柔性桿，在承受解卡過程中的反復推拉荷載作用達到一定值時，鉆桿發(fā)生彎曲失穩(wěn)。當鉆桿外表面疲勞損傷累積達到一定程度便會有疲勞裂紋萌生并不斷擴展，使得裂紋截面部位的承載能力下降，進而引起鉆桿在裂紋部位發(fā)生嚴重彎曲，最終導致鉆桿發(fā)生斷裂失效[15]。

2. 2 航道難以布置磁場線圈

在水平定向鉆導向孔的施工過程中，為了保證鉆進精度，通常需要沿設(shè)計軌跡在地面敷設(shè)磁場線圈，以實現(xiàn)對地下導向探棒的信號監(jiān)測[16]。閩江水平定向鉆穿越工程由于橫跨長達近2 000 m的閩江主航道，航運繁忙，難以通過傳統(tǒng)的搭建船臺的方式在河面布置人工磁場線圈。

2. 3 扭矩與回拖力過大

閩江水平定向鉆穿越工程的穿越長度為1 934 m，屬長距離穿越。由于地層特性與鉆桿自身柔性，鉆桿回轉(zhuǎn)與管道回拖均需要較大的扭矩與回拖力，且由于距離過長導致鉆機動力裝置經(jīng)鉆桿至鉆頭的動力傳遞損耗大，故易產(chǎn)生施工功效低等問題，且存在施工安全隱患。

2. 4 入出土點易冒漿

針對閩江水平定向鉆穿越的淤泥質(zhì)地層，由于入、出土點處淺表地層土體物理力學性質(zhì)較差，難以通過自身結(jié)構(gòu)強度來抵抗孔內(nèi)泥漿壓力，易發(fā)生冒漿。

3 閩江水平定向鉆穿施工程施工關(guān)鍵技術(shù)

針對上述閩江水平定向鉆穿越工程中遇到的技術(shù)難題，結(jié)合現(xiàn)場施工實際情況，提出了相應(yīng)的施工關(guān)鍵技術(shù)。

3. 1 穿越軟硬交替復雜地層技術(shù)工藝

3.1.1 孔內(nèi)鉆桿對接困難處理

針對因軟地層承載力弱導致的孔內(nèi)兩側(cè)鉆桿發(fā)生下沉、對接困難這一問題，現(xiàn)場提出采用壁鉤打撈的方式完成孔內(nèi)兩側(cè)鉆桿的對接。其原理為：根據(jù)鉆具尺寸，先將具有一定厚度的鋼板切割為鉤狀，通過焊接方式固定在兩端加工有螺紋的短節(jié)頭上，將此短節(jié)頭通過螺紋連接在輔鉆機側(cè)鉆桿上(加裝壁鉤的短節(jié)頭見圖8)；然后在孔內(nèi)將加裝壁鉤的鉆桿(見圖9)嚴格控制導向精度，鉆進至貼近主鉆機側(cè)鉆具的位置進行回轉(zhuǎn)，通過壁鉤實現(xiàn)兩側(cè)鉆具的“握手”銜接，進而將鉆具全部導出。

圖8 加裝壁鉤的短節(jié)頭

圖9 加裝壁鉤的鉆桿

但在實際操作過程中存在以下問題：①輔鉆機側(cè)鉆具全部退出后，加裝壁鉤后再次鉆進時無法找到原鉆孔軌跡；②在地面嚴格控制鉆進角度方位的前提下，鉆具在孔內(nèi)受鉆孔周圍經(jīng)嚴重擾動的淤泥質(zhì)黏土地層的影響，控向難度加大，前進姿態(tài)難以控制，無法精確鉆進至計劃位置，造成孔內(nèi)鉆桿對接失敗。分析原因可歸結(jié)為：穿越地層不穩(wěn)定、承載力與成孔性差且鉆具多次鉆進與回抽對鉆孔周圍土體地層造成擾動，加劇了其不穩(wěn)定性。此后規(guī)劃新的穿越軌跡，再次運用對接工藝，順利完成了導向孔施工。

3.1.2 鉆桿彎曲變形處理

針對導向孔對接過程中孔內(nèi)鉆桿發(fā)生的彎曲變形，經(jīng)分析，孔內(nèi)兩次鉆桿彎曲均位于距離入土點200～250 m處位置，而此處恰為孔內(nèi)套管端口位置。鑒于此，判斷原因為由于穿越距離較長以及地層條件復雜，在前期施工過程中鉆桿進行了多次鉆進與回抽，對孔內(nèi)套管端口產(chǎn)生了較為嚴重的磨損，同時淤泥質(zhì)黏土屬軟弱土層，承載力差、穩(wěn)定性低，當鉆頭受力時，鉆桿便在磨損開裂的套管口處出現(xiàn)向下發(fā)生變形彎曲的趨勢，通過鉆具回轉(zhuǎn)，進一步形成環(huán)形空洞，進而導致鉆具頭部受力時，后方尾部在環(huán)形空洞處發(fā)生彎曲變形。

針對這一問題，為了不影響現(xiàn)有套管和孔內(nèi)鉆桿，在現(xiàn)有的200 m套管內(nèi)再次推進300 m長、外徑略小(245 mm)的套管，將孔內(nèi)原套管端口處的環(huán)形空洞通過新的套管隔離開，保證鉆桿穩(wěn)定通過此處位置。內(nèi)套管推進完成后，通過試驗鉆進實現(xiàn)了鉆桿以正常扭矩、推力順利通過原彎曲位置，證實了對鉆桿彎曲原因初步判斷的正確性和處理方法的有效性。

3.1.3 鉆桿斷裂打撈處理

孔內(nèi)鉆桿斷裂后，立即對其進行打撈處理，采用壁鉤打撈以及套洗解卡工藝措施。

第一次打撈鉆具組合為牙輪鉆頭+鉆桿+壁鉤+鉆桿。此次打撈過程中，由于受淤泥質(zhì)黏土地層的影響，打撈鉆具鉆進過程傾角、方位角等參數(shù)難以控制，軌跡精度無法滿足精確靠近斷裂鉆桿的要求；同時，由于壁鉤環(huán)徑遠大于鉆桿外徑，因而壁鉤在孔內(nèi)前進便相當于初步擴孔，加大了扭矩與推力，尤其鉆遇花崗巖凸起時，導致鉆速緩慢，進尺更為困難，未實現(xiàn)預期的打撈效果。

為了提高打撈鉆具造斜控向能力，改用造斜鏟板代替牙輪鉆頭。第二次打撈鉆具組合為造斜鏟板+鉆桿+壁鉤+鉆桿，如圖10所示。造斜鏟板與壁鉤，見圖11。在實際操作過程中，造斜鏟板較好地改善了控向能力與鉆進精度，但降低了鉆頭切削碎巖能力。當打撈鉆具沿預定軌跡鉆進時，造斜鏟板鉆遇微風化花崗巖，阻力極大，無法繼續(xù)前進。

圖10 第二次打撈鉆具組合

圖11 造斜鏟板與壁鉤

為了使打撈鉆具順利通過硬巖地層鉆進至斷裂鉆桿處，提出使用套洗工藝對打撈鉆具進行解卡[17]。第三次打撈鉆具組合為造斜鏟板+鉆桿+壁鉤+鉆桿+套洗鉆具，如圖12所示。套洗鉆具見圖13，包括解卡器、牙輪鉆頭和鉆桿。

圖12 第三次打撈鉆具

圖13 套洗鉆具

所謂套洗，是水平定向鉆穿越過程中一種專門解決卡鉆問題的技術(shù)措施，解卡器由套洗頭與套洗筒組成。具體解卡工藝為：在被卡鉆桿上安裝解卡器，使解卡器的套洗筒套入被卡鉆桿，套洗頭連接鉆機主軸與新的套洗鉆具，鉆機在泵送泥漿的前提下低速旋轉(zhuǎn)沿被卡鉆桿方向推進，使套洗鉆具沿著被卡鉆桿鉆進至卡點，使卡點附近地層松動，并排出鉆屑，完成解卡。套洗鉆具解卡器套洗頭與套洗筒，見圖14。

圖14 套洗鉆具解卡器套洗頭與套洗筒

在套洗鉆具的解卡工作下，打撈鉆具緩慢通過硬巖段，鉆進至預定打撈位置，鉆機低速旋轉(zhuǎn)帶動壁鉤在孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)、打撈。最終耗時約30 d，通過雙鉆機對接工藝與壁鉤對接順利完成了總長度2 000 m的導向孔施工，為后續(xù)進一步擴孔、回拖管道打下了基礎(chǔ)，證實了相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)、施工工藝對水平定向鉆工法在長距離穿越此類地層中應(yīng)用的有效性與可行性。

3.2 KY-100水平定向鉆磁靶導向定位技術(shù)

閩江水平定向鉆穿越工程所使用的新型KY-100水平定向鉆磁靶導向定位系統(tǒng)(以下簡稱KY-100導向系統(tǒng))，為我國自主創(chuàng)新研發(fā)應(yīng)用于水平定向鉆進的新型有線磁靶導向定位儀器， 是一套集施工曲線設(shè)計、磁場數(shù)據(jù)采集處理、鉆頭姿態(tài)實時顯示、鉆頭位置計算、測量數(shù)據(jù)管理功能于一體的軟件系統(tǒng)。閩江水平定向鉆穿越工程首次采用該系統(tǒng)。

KY-100導向系統(tǒng)由地面和地下兩部分組成。其中，該系統(tǒng)地下部分是安裝在無磁鉆鋌內(nèi)的導向工具組合，其主要由扶正器、導向探棒、泥漿分流器等組成，導向工具組合結(jié)構(gòu)和導向探棒見圖15和圖16；該系統(tǒng)地面部分包括地面導向控制箱、地面磁靶和電源箱等部件，如圖17所示。

圖15 導向工具組合結(jié)構(gòu)

圖16 導向探棒

圖17 KY-100水平定向鉆磁靶導向定位系統(tǒng)地面部分

KY-100導向系統(tǒng)通過地面磁靶系統(tǒng)定位克服了航道難以布置傳統(tǒng)磁場線圈的問題：地面磁靶采用單靶形式而非國外常用的十字交叉水平靶，且具有方向性，可沿任意鉆進軸向(即前后、左右、上下)布放，通過相應(yīng)的軟件設(shè)置均可進行定位。通過吊放工具(如鋁梯)豎直布放，可省去水平調(diào)平和坐標軸對準環(huán)節(jié)，即可輸出磁靶附近位置對應(yīng)的地下導向探棒相對于地面磁靶的三維位置，實現(xiàn)孔內(nèi)鉆具的精準定位。施工現(xiàn)場豎直布放的磁靶，如圖18所示。

圖18 施工現(xiàn)場豎直布放的磁靶

KY-100導向系統(tǒng)不僅在功能和性能方面已達到國外同類產(chǎn)品水平，而且在磁靶定位和對穿上有獨到的優(yōu)勢。導向探棒體積小(φ40 mm×670 mm)、重量輕(2.5 kg)、角度測量精度高(±0.1°)，通過導向線連接可與地面控制箱實現(xiàn)3 000 m有線傳輸。該系統(tǒng)實用性與可靠性在閩江水平定向鉆長距離穿越過程中得到了有效驗證，尤其對于山、江河流域等復雜地形的穿越具有極強的適用性。

3. 3 新型鉆機與對接穿越施工技術(shù)工藝

鑒于閩江水平定向鉆穿越工程所存在的大回拖力問題，采用國內(nèi)外首臺、我國自主研發(fā)的2 000 t級電驅(qū)動水平定向鉆機，其最大回拖力為2 000 t，經(jīng)核算，完全滿足該工程需要。

同時，針對大扭矩可能導致的施工功效低且存在事故安全隱患等問題，本次閩江水平定向鉆穿越工程采用國內(nèi)外先進的雙鉆機對接穿越施工工藝，有效縮短了單向?qū)蚩椎你@進長度，提高了控向能力與精度，保證了穿越過程中的定向控制和鉆孔曲線的平滑，同時防止了鉆機扭矩、推力過大，極大地提高了施工功效。

3. 4 淺表層套管隔離技術(shù)工藝

針對該工程入、出土點附近淺表地層易發(fā)生冒漿，對該區(qū)段采用套管隔離手段，有效增大了返漿通道，促使返漿通暢，同時避免了鉆屑在孔口淤積造成的孔口堵塞。

本次使用隔離套管總計為500 m，分別為200 m外徑273 mm、壁厚6.9 mm和300 m外徑245 mm、壁厚6.9 mm的無縫鋼管，單根套管長度為12 m。外徑273 mm套管就位后鉆機沿鉆桿推送套管，如圖19所示。

圖19 鉆機沿鉆桿推送套管

同時，套管隔離淺表層可使鉆機的推力更容易向鉆頭傳遞，并減小鉆進過程中鉆具在地層內(nèi)所受的阻力。

閩江水平定向鉆穿越工程導向孔施工與擴孔、管道回拖技術(shù)流程和主要技術(shù)難題，見圖20。

在本次閩江水平定向鉆穿越工程中，主要施工技術(shù)流程、技術(shù)難題、原因、解決方法和技術(shù)指標的匯總，見表2。其中，對于鉆桿斷裂后的3次打撈方法，牙輪鉆頭+壁鉤打撈，其優(yōu)勢在于碎巖性強、鉆頭進尺效率高，但鉆具在淤泥層中的控向性較差；造斜鏟板+壁鉤打撈，其優(yōu)勢在于鉆具在孔內(nèi)控向性較好、控向精度高，但遇到硬巖凸起時破碎性較差，易發(fā)生卡鉆；而造斜鏟板+壁鉤+套洗鉆具的打撈方式，兼顧了對碎巖與控向的需求，對于軟硬交替地層中的鉆具打撈具有較好的適應(yīng)性。

圖20 閩江水平定向鉆穿越工程導向孔施工與擴孔、 管道回拖技術(shù)流程和主要技術(shù)難題

表2 閩江水平定向鉆穿越工程遇到的主要技術(shù)難題與解決方法匯總表

通過上述分析，本文針對本次閩江水平定向鉆穿越工程所遇到的技術(shù)難題提出的解決方法，對于此后類似地層的穿越工程具有借鑒意義。為了避免發(fā)生鉆桿彎曲與斷裂、對接困難等問題，首先應(yīng)選擇合適的埋深，進而選擇合適的穿越地層，盡可能避免軟硬交替等難度較大、對安全施工存在風險的地層；其次，在承載力較弱的類似淤泥質(zhì)地層中穿越時，應(yīng)選擇合理的機具設(shè)備與鉆具組合，并結(jié)合現(xiàn)場情況不斷優(yōu)化鉆進方案與施工工藝參數(shù)，同時雙鉆機對接穿越施工工藝、大噸位鉆機以及創(chuàng)新型導向控向設(shè)備的運用是安全施工的重要保障。

4 結(jié) 論

本文依托塘坂引水工程瑯岐支線(馬尾段)供水管道水平定向鉆穿越工程，分析了水平定向鉆穿越軟硬交替地層時存在的對接施工工藝難度較大、穿越航道難以布置磁場線圈、長距離穿越管道回拖力與扭矩過大、入出土點易冒漿等問題的原因，并結(jié)合工程實際情況提出了相應(yīng)的處理方法，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 閩江水平定向鉆穿越工程具有穿越距離長、穿越地層工程建設(shè)適宜性差等特點，對前期導向孔對接穿越施工造成了一定的困難。在淤泥質(zhì)黏土地層進行水平定向鉆施工時，不可忽視由于地層承載力低、成孔性差所帶來的鉆具控向造斜能力與角度精度不高的問題，需要規(guī)范施工操作與技術(shù)工藝，以避免由于多次鉆進、回拔對原狀地層的擾動而加劇其不穩(wěn)定性。

(2) 對入、出土點淺表地層雜填土進行套管隔離，可以增大返漿通道，促使返漿通暢，能有效防止冒漿的發(fā)生。

(3) 新型的大噸位電驅(qū)動水平定向鉆機具有低能耗、低噪音及環(huán)境友好等優(yōu)勢，具有較好的發(fā)展前景。國產(chǎn)新型KY-100水平定向鉆磁靶導向定位系統(tǒng)具有精度高、質(zhì)量輕、體積小等特點，同時無需布置正交線圈，磁靶探測使用方便，其可靠性與實用性在本次穿越工程中得到了驗證。一系列的工程創(chuàng)新設(shè)備與技術(shù)的應(yīng)用，極大地減少了水平定向鉆施工過程中對環(huán)境的影響，可見環(huán)境安全背景下的工程技術(shù)、設(shè)備創(chuàng)新發(fā)展，也將是未來定向鉆穿越工程發(fā)展的新趨勢。

(4) 本工程通過采用包括雙層套管、壁鉤打撈孔內(nèi)鉆具以及套洗鉆具解卡等技術(shù)手段在內(nèi)的應(yīng)急預案，有效地解決了施工過程中出現(xiàn)的孔內(nèi)鉆桿彎曲變形、鉆桿斷裂、卡鉆等技術(shù)難題。面對突發(fā)的工程事故，可靠、有效的應(yīng)急手段與技術(shù)措施可有效減小事故造成的損失，最大程度地降低安全事故的影響。本文相關(guān)工藝參數(shù)、技術(shù)方案可為類似水平定向鉆穿越工程安全施工提供參考與借鑒。