中石化江苏油建工程有限公司 江苏扬州 225100
摘要：在工程建设中，由于工程数量的增多，使得工程建设中常常面临着复杂地层的施工环境，在一定程度上加剧了施工的难度，施工单位要采取相关的施工技术来应对这种地层，将施工对周围环境等的影响降至最小，保证施工的顺利进行。水平定向钻在复杂地层的处理上得到了较为普遍的应用[1]，该种施工技术对环境的影响小，但是施工的技术性要求较高。本文以某工程为例，分析了施工技术、工艺流程，制订了切实可行的施工方案，有利于提高其施工效果。顺利完成了定向钻穿越工程，为类似工程提供了宝贵经验。
关键词：复杂地层；水平定向钻；施工技术；
1 工程概况
C地区污水管道穿越南水北调中线工程，与南水北调中线总干渠相交，穿越管道长347.62m，管顶距渠底最小距离13m。穿越管道采用外套钢塑复合管内穿PE管，钢塑复合管管径700mm，钢筒外径720mm，壁厚14mm。该管线穿越区域地层复杂，参杂一定厚度的卵石地层。 该工程区地层岩性主要为：上第三系中新统湖积（N1）黏土岩、砂岩、砾岩、细砂，第四系中更新统下段冰碛（glQ12）泥砾、细砂，其中上第三系中新统与上覆地层呈不整合接触[2]。C地区污水管道穿越南水北调中线，该管线穿越地区地层复杂，存在有一定厚度的卵石地层，该管道上第三系中新统湖积黏土、砂岩、砾岩与细砂，第四系中更新统下段冰渍泥砾与细砂。
2 施工方案
2.1 施工工艺流程
水平定向钻施工技术需要为设备放置和管道放置提供足够的空间，为机械设备提供较大的放置面积。一般来说，钻井设备周围的预留区域应满足一根钻杆的作业长度，以保证机械设备有足够的放置和安装区域，例如钻井设备周围，该区域应能保证钻杆的作业并保证其正常提升。设备也可以单独放置，留出一小块区域放置可分离的设备。应提供足够的空间，以方便铺设管道的连接。穿越工程设计中，待敷设的全长管道尽量一次拉入，尽量避免水平弯曲。多次回拉连接管道会增加施工风险。但是大多数项目需要采用“二合一”的流程，因为穿越路径太长。钻孔，但要确保有足够的空间来连接管道[3]。在穿越设计中，最好保持整体全长度管线的一次性拉入，避免弯曲等，水平定向钻施工过程中，水平定向穿越施工开始前后必须对地下管线和障碍物进行仔细探查，并做好详细记录；应进行现场信号干扰检测，并在条件允许的情况下尽可能识别干扰源或干扰区域。水平定向钻进的施工过程主要包括施工准备、精确导向、导孔钻进、逐级扩孔、钢管焊接、接头检验、水压试验、送管、拖管和竣工验收等。
2.2 钻机选择
钻机是水平定向钻施工中必不可少的设备，众多工程的实际情况表明，钻机的选择要依据工程的实际情况来进行，其主要的选择参数是回拖力，回拖力的计算要依据工程的地层条件与工程的其他参数才能得到[4]。根据地层条件、工程参数来准确计算回拖力。回拖力不仅是选择钻机的重要考量因素，其计算更是与后期管道的安装设计与施工、泵送泥浆压力等紧密相关。 本工程采用柔性管道模型，用净浮力法建立柔性管道模型进行回拖力的计算。基于地层与相关参数的考虑，采用 HY-4000 型号的钻机。
2.3 泥浆压力的确定
水平定向钻井中泥浆压力的控制非常重要，当泥浆压力过高时，超过了土体本身的压力的极限，会导致土体的塑性区渗透到地面，并会发生浆体现象，会破坏土体，严重影响工程施工，排放到地表的浆体也会对环境产生影响；如果压力过小，地应力就不能平衡，不利于钻头对土层的切割处理，从而难以保持孔壁上土的稳定性，影响钻头的工作。泥浆压力计算经验公式在过去，因为经验公式不能充分考虑实际的现场地质条件，形成特征影响最大，同时，泥浆压力是一个重要因素，所以本项目采用有限差分软件FLAC3D软件建立一个洞开挖计算模型并进行数值模拟钻孔水平定向钻井的过程。，通过模拟开挖过程中孔洞周围土体在不同泥浆压力作用下的塑性区扩展情况来确定施工时的泥浆压力，如图2，图3。在孔壁上施加逐渐增加的泥浆压力，当泥浆压力超过0.3MPa后，孔壁上下部分的塑性破坏形势将非常剧烈[5]。
当泥浆压力继续增大时，发生水力压裂，泥浆沿裂缝溢出地表，对工程安全影响较大；反之，如果压力太小，泥浆携带土屑的能力不足，挖出的土沉积在孔内，泥浆也就失去了护壁的作用。本工程为保证泥浆计算的准确性[6]，采用有限差分计算软件建立模型，通过相关模拟结果确定泥浆压力为0.3MPa，土体的塑形破坏范围在1倍孔径内，不会对工程的安全造成损害。 根据试钻结果，最后泥浆的压力设定为0.3MPa。
2.4 钻导向孔
本工程中采用七分螺形状的钻头射流掘进，钻进过程中，高压泥浆在冲摄作用下会产生钻孔，通过一定的倾角控制钻导向孔。该操作阶段要避免导向孔与穿越曲线之间的位置偏差，一般情况下，需要精确放线、桩点位置的测量、导向孔与设计曲线一致来保持其一致性。钻进方向倾斜。 钻头的位置和方向是通过其内部的精确仪器来确定和追踪的。 每当钻杆钻进结束后，都要对钻头进行检查，对下一根钻杆进行钻进导向的参数调整[7]，以确保钻进过程形成钻孔姿态达到预期目标要求。 导向孔施工路线如图4。控向系统采用世界上最先进的paratrack2系统和人工辅助磁场相结合的方法，确保穿越的精度。 为防止钻孔时导向孔与设计穿越曲线偏移，本工程采取了以下技术措施。
2.4.1 精确放线工作
采用先进的全站仪标识钻井导向的精确路径，划定定向钻井设备的场地，确保钻头进、出点与钻头中心线在同一轴线上。每9.6米设置桩号，测量标高。根据设计坡度计算各桩点管底标高，然后计算桩点在钻孔轨迹线上的轨迹标高，最后计算此时的钻孔深度和钻孔倾角，使偏差最小化。
2.4.2 桩点位置测量
将测得的数据与设计导向曲线对照，有无偏差，并及时调整。 对于弯曲段钻进要满足管线的曲率半径，按照每3～5根钻杆一组，时刻观察导向轨迹，确保铺设管线的方位准确无误。
2.4.3 导向孔严格按设计曲线钻进
钻进过程中，钻杆角度变化要满足曲率半径及规范的要求误差之内。 以相邻3根钻杆为1组，钻出1条圆滑曲线。 在整个钻进过程中必须保证定向手、司钻手及施工关键技术人员的交流畅通。 以便对异常情况进行汇报，及时沟通处理突发状况，完成定向钻孔工程。
3.结论
很多工程施工中面临着复杂地层，这使得施工的难度加大，水平定向钻施工基于其对环境的影响较小，在工程建设中得到了较为普遍的应用[8]，但是其施工的技术性要求较高，需要在施工中严格遵照其施工规范来进行，保证施工的安全与高效，提高工程质量。
参考文献：
[1]张广强. 复杂地质条件矿井水平定向钻进施工技术[J]. 价值工程，2014（12）：130-131.
[2]刘海龙. 油气管道水平定向钻穿越大中型河流技术的研究[D]. 中国地质大学（北京），2009.
[3]董智杰. 复杂地层下水平定向钻施工技术[J]. 水科学与工程技术，2019，213（01）：84-87.
[4]董智杰. 复杂地层下水平定向钻施工技术[J]. 水科学与工程技术，2019，213（01）：84-87.
[5]王号，车俊. 复杂地层条件下盾构穿越重大风险工程施工关键技术[C]// 北京力学会第26届学术年会论文集. 2020.
[6]王靖源，孙平贺，刘伟胜，等. 基于多因素作用的非开挖HDD河床冲刷深度响应机制研究[J]. 非开挖技术，2019（2）：22-27.
[7]罗晓刚. 复杂地层中地下工程开挖施工安全技术研究[J]. 工程建设与设计，2018，000（023）：209-210，213.
作者简介：吴超（1990-），男，汉，硕士研究生，助理工程师，任职于中石化江苏油建工程有限公司。研究方向：水平定向钻穿越相关技术研究。