定向钻在** 江南水网施工中的应用
穿越公司 李西军
1、概况
“** ”管道工程西起****轮南首站，东至**西郊白鹤末站，全长约4000余km，是
我国“十五”期间四大重点工程建设项目和西部大开发的标志性工程之一。管道自西向东，途径**、**、**、**、**、**、**、**、**和**l0省、市、自治区，设计年输**量为120亿立方米，管道为由1016㎜，设计压力为10.0Mpa。
“** ”水网地段指管道经过经济发达、地处江南的苏、锡、常三地河流水网密布标段，该地区河流、鱼塘星罗棋布，特别是我们管道二公司承担的位于苏州境内的27标段，平均每公里线路上就有l条河流、3个鱼塘，不但给钢管、设备运输带来极大不便，而且焊接作业带也往往在稻田或菜地内，作业难度大，工效降低。由于常规管道施工工艺难以奏效或定向钻施工的综合效益比较合理，包括27标段在内的江南水网段管道较多采用了定向钻穿越方式敷设过河或成片厂房、建筑，水网段有28处较大型河流采用定向钻穿越敷设管道，由5个定向钻施工单位承担，仅我公司就承担了14处28条穿越任务(27标段9处，26标段2处，25标段3处)，穿越总长度占** 定向钻穿越总量的50%以上。
我公司是国内最早从事管道定向钻穿越的单位之一，总穿越进尺和完成穿越工程居国内第一，曾先后8次穿越海河、2次穿越黄浦江、3次穿越黄河以及松花江等国内知名河流，累计完成各类定向钻穿越管道300余处，长度达84公里，穿越总进尺遥遥走在国内同行前面，是国内乃至国际上施工能力最强的定向钻穿越专业队伍之一，自20世纪九十年代开始，先后获国家级、省部级QC成果一等奖7次，创各类优良工程50余项，具有良好的信誉和广泛的穿越市场。公司上下高度重视** 工程，自准备到开工前，先后组织4次管道线路踏勘，总行程达3000多公里，详细摸清了水乡地形特点，开工前预制了钢便桥、浮船、铺路道板等辅助机具，组成了高素质的经营管理队伍进江南水乡苏州。
公司在** 水网段定向钻穿越施工中投入2台钻机，一台为150吨，一台为450吨，用8个月的有效作业时闻完成包括长度达1156米的吴凇江穿越在内14处河流穿越，敷设管道28条(含光缆管道穿越)，为参战单位之首，而且在** 施工中创造了5项第一：即单条管线穿越长度第一（1200多米）、穿越总条数第一（14处28条）、穿越累计长度第一（10公里多）、穿越现场HSE工作第一（局协调组多次带队参观，并多次受到业主、监理和壳牌公司表扬），** 定向钻第一家在27标段告捷，打出了管道施工国家红队的品牌，在国内的综合实力和知名度得到进一步提高。特别是** 最长的吴凇江穿越一次回拖成功，在中央电视台播出，产生广泛的社会影响。
2、定向钻施工工艺
管道采用定向钻穿越方式敷设在河流或其他地面障碍下面的工艺，是实现了管道由地表(回拖入土) 到地表(回拖出土)、完全不用开挖敷设的新工艺，是由**钻井技术发展起来的非开挖敷设管道技术，它最早应用于70年代初期的美国管道建设，至今不过30多年的历史，中国于1984年引进定向钻穿越设备和技术。
定向钻在我国的应用虽然才10多年的历史，但已在**、**、电力、通讯、市政工程等领域的管道敷设中发挥了重要作用。**在20世纪80年代引进RB—5型定向钻(450拖拉力)，而且首次在国内成功实现输**管道穿越黄河工程，河道无须开挖，河床和大堤没受任何影响。此后以其周期短、综合投资少、对环境影响小等突出优点在管道穿越河流工程中得到力推广。国内定向钻施工设备拥有量不断增加，施工队伍也逐步得到发展壮大，目前已经拥有引进、研制的各类定向钻设备50余台，其中较大型(推拉力在50吨以上)的不过12台，主要分布于中国**和中国**系统或与其关联度较高的领域，定向钻施工实力和技术水平最强的是**管道系统的穿越队伍，曾经创造了多个国内甚至是世界第一，完成2308米世界最长的定向钻穿越管道，完成最大管径达1200毫米的管道穿越，最早采用复壁管道穿越黄河，最早采用同一立体断面上敷设多条管道方案。
定向钻穿越管道的简要过程是：定向钻通过液压传动驱动钻杆，按照预先设计的轨迹完成导向孔(即钻孔，见图1，钻孔轨迹由探头传出的数据经计算机处理后进行控制)，然后按照穿越管道直径进行相应级数和尺寸的扩孔(即预扩孔，见图2)，最后钻机通过钻杆将成品管道牵引到孔中(即管道回拖，见图3)，完成整个管道穿越。
主要工序包括：施工准备、钻孔、扩孔和回拖管道，对拟敷设的穿越段管道要预先组装成与穿越长度相应的管段，在回拖前对管段(product pipeline)进行检测，如无损探伤，水压试验和防腐层电火花检漏等。为实现定向钻的整个施工过程，除按照常规将穿越段管道在地面安装、检测合格外，需要具有判断导向孔精确度的方向控制系统，驱动钻机的动力系统，润滑、切削和携带钻屑的钻井液(通称泥浆)供给系统。
从定向钻施工程序看出，定向钻穿越需要布置设备、安装管道的场地以及配置泥浆的水源。管道采用定向钻穿越河流的优点是占地面积较小、综合投资少、对环境的影响程度最低。但定向钻施工受穿越段地质、队伍施工经验、设备能力和技术或管理水平的影响较大，如果管理不善或工艺出现差错，那么造成的损失往往是灾难性的甚至是毁灭性的，要么延误工期、重新实施工程，要么改变方案、一切从头再来，程序一个不少，人；机、料等主要资源重新投入，费用成倍增加，因此定向钻施工提供巨大便利的同时也存在着较大的风险。
3、江南水网段定向钻穿越组织
“小桥、流水”是江南特有的景观，但对管道施工而言则没有旅游观光般的轻松。江南水网地带河
流密布，遍地水田和菜地，对大型管道施工设备而言，普遍存在道路、桥梁承载力低、大型设备难以通过的现象，在此地段组织管道施工难度很大，特别是大型钻机设备需要的搬迁运输量较大，转场频繁，而且管道直径达1016mm(40时)，采用X70高强度钢，对钻孔曲线、出入土角度要求高，扩孔级数达6—7级，仅钻杆在钻机场地和管道安装场地间的往返倒运工作量就十分可观。
该地段施工的组织所依据的原则是：以提高定向钻设备利用率为目标，以定向钻施工为中心，组织管道安装、道路场地修筑等各单位，在最短的时间内完成场地准备、设备就位和转场，减少定向钻待机时间，发挥设备的最大效率。由于** 管道属于大口径、高强度的“重量级”穿越，定向钻旋工技术要求中特别强调钻孔曲线光滑、角度变化控制在规定范围内，扩孔要按照规定的级数，不得越级扩孔等基本要求。
根据水网段管道定向钻施工原则，组织了施工准备机组、管道安装机组、运输机组、定向钻机组和后勤保障机组，以穿越机组为重点，各机组围绕定向钻穿越这个中心环节开展工作，由项目经理统一协调，密切配合。
4、定向钻关键工序
管道采用定向钻穿越的主要工序有施工准备、钻孔、扩孔和回拖管道，其中钻孔是最关键的一道工序，施工准备阶段主要解决管道安装中的钢管、设备运输以及管道安装，定向钻设备的进、出场道路以及钻机和管道作业场地，采用防水土工布铺底，然后在iT布上面用密排预制道板的方法形成钻机场地，确保场地的承载力；遇到水架桥或利用原桥加固，确保设备安全通过，在此不赘述，仅阐述定向钻施工的钻孔、减小阻力的措施和泥浆的处理。
4．l钻孔
由于管道定向钻法穿越是由地表到地表的完全非开挖敷设管道工艺，地下的地质状况仅根据选取的**点钻探进行判断，受到选点代表性的限制而不完全可见，而** 管道直径达1016mm，壁厚达26mm，管道重量和刚度都超过一般工程许多，因此对导向孔的质量——主要是曲线的光滑度——要求特别严格，如果钻孔曲线光滑度不好或者角度不合适，后果将是非常严重的，可能造成卡钻甚至管道回拖失败的重大事故。
一般而言，对于特定的定向钻穿越工程，业主、设计和施工单位会很好结合，确定其可钻性——即能否采用定向钻工艺，然后由设计根据管道和地形，给出合理的钻孔轨迹，包括钻孔长度(穿越距离)、管道埋深、钻孔出、入土角度和曲线的曲率半径等参数。本工程设计穿越曲线的出土角都不大于6度，曲率半径都不小于1500米，充分考虑了管道的刚度和自重等因素的影响。
为保证每一段钻孔曲线都处于受控状态，施工中完善了质量保证体系，设立钻孔工序控制点，明确每根钻杆调整的角度不得突破规定值，对出土位置也规定了偏差值，地形复杂时采用地面辅助检测手段
(true track)，同时严格工序交接制度，规定出现偏差时的处理权限．。
4．2减小回拖阻力的措施
定向钻穿越的最终目的是将地面预制合格的管道回拖到位～完成管道敷设，钻孔、扩孔等一切措施都是为回拖管道服务。为最大限度地减小阻力、增加回拖成功的胜算，在地面上尽可能将管道的摩阻降下来，包括采用滚轮架或挖水力发送沟等，** 穿越管道每米重量达640公斤，1条400米长的管道重量就达250多吨，而长达1200米的吴凇江穿越管道重量高达900余吨，实际采用挖沟放水漂管的措施，很好的降低了管道阻力，回拖时钻机显示力量较小。
4．3泥浆处理
泥浆非常重要，被喻为**工业的血液，对定向钻穿越管道而言，由于在浅层而且是水平成孔钻进(地表以下50米，一般是30米，)，不同于**钻井，泥浆性能同样重要甚至要求更高，基浆采用优质膨润土加清洁水搅拌养护而成，然后根据不同地层加入不同的添加剂以改变性能。江南水网段定向钻施工通过实际摸索，重点在于控制泥浆粘度和润滑性能，满足固孔、护壁和润滑的需要，减小管道在孔内的回拖阻力，对于成熟的定向钻施工队伍，都比较容易做到。
** 定向钻穿越工程钻孔后要经过6—7级扩孔才能回拖管道，泥浆用量很大，处理泥浆是头疼的问题之一，虽然泥浆成分符合环保要求，不造成对水体的污染，但其流量和携带的泥土仍需进行处理。施工中采取循环利用、泥渣废弃等方式。循环利用是通过回收装置，将泥浆进行除砂后重新利用，实际运作是先完成小钢管(光缆硅管)，利用硅管从管道安装场地将穿越主管道产生的泥浆通过泥浆泵输送到钻机场地，经过泥浆处理装置处理后液相重复利用，处理后的泥砂等固相钻屑排放到垃圾场。
5、结语
定向钻施工是一项风险较大的工程，但由于周密安排，严格控制工序，我们承担的14处定向钻穿 越工程除开始施工时遇到一些波折并及时处理外，后期施工比较顺利，实现了年初向公司保证的10月份完成10处穿越的目标，而且超额完成了**协调组安排的增援25标段的任务，使**25标段实现标段首家告捷，定向钻在** 江南水网段管道施工中发挥了重要作用。
蓦然回首，江南灯火阑珊处，我辈创辉煌，坎坷成大道，水网成记忆。经过穿越职工顽强拼搏，终于将** 拦路虎驯服，我公司定向钻穿越以总量第一的成绩载入管道建设史，而且27标段的二公司成为全线定向钻首家告捷的施工队伍。
图l：钻导向孔过程，钻具依次为套洗钻杆、套洗钻头、导向钻杆、控向仪器、导向钻头；最右侧为钻孔曲线
图2：预扩孔过程 钻具自左到右为：钻杆、扩孔器、钻杆
图3：回拖过程钻具自左到右为：钻杆、扩孔器、万向节、管线
（本文获2002年度公司优秀技术论文二等奖）
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