1 工程概况

合肥都市圈某高压天然气管线工程全长 40 km，设计压力 6.3 MPa，为安徽省首条长输 GA1 级压力管道，穿越管线材料为 D711×12.7 mm L485M 直缝双面埋弧焊 钢管，设计穿越长度为 600 m，穿越最大深度约 19 m。瓦东干渠穿行于江淮分水岭北侧丘陵地带，自淠史杭总干渠末端新民坝引水，至合肥市长丰县的杜集水库止，全长109.46 km，灌区控制面积 1844 km2，因其功能定位的特殊性 不适宜对该施工段进行开挖施工。合肥燃气集团有限公司考 虑到工程造价及施工方法的可行性，从工程地质、周围环境、 并借鉴其他高压燃气管线穿越河流的施工经验，与淠史杭管 理总局初步沟通协商，确定采用定向钻穿越瓦东干渠。

2 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。根据本次勘探资料，在钻孔揭露深度范围内，场地地层上部 分布为第四系全新世以来新的冲洪积地层及晚更新世冲洪积 地层，下部为白垩纪砂岩。各类岩土层分别为素填土、黏土、 粉土、粉质黏土、粉质黏土。下伏基岩：场地基岩为泥质砂 岩（K），按其风化程度及力学强度，钻孔揭露深度内为强风化泥质砂岩和中风化泥质砂岩。管道穿越地质剖面图如图 1所示。

3 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 DN700×12.70 mm L485M 直缝双面埋弧焊钢管（GB/T 9711-2017 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 600 m，穿越最大深度约19 m。穿越的入土端自然地面高程 53.04 m（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 283.6 m。定向钻穿越最低点控制标高为 30.35 m（管底），管道顶部与河道底部 净距大于 10 m。

4 技术方案

4.1 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 1067 m（1500D）。

4.2 管线回拖力分析计算与设备能力比较 回拖力计算：

式中 F ——计算的拉力（t）；

L——穿越管段的长度（m）；

f ——摩擦系数，0.1-0.3；

D ——管子直径（m）；

r ——泥浆的密度（t/m3）；

d ——管子的壁厚（m）；

k ——粘滞系数，0.01-0.03；

算出 F 为 42.5 t；

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 200 t 的DDL2000 钻机，完全满足施工要求。

5 定向钻穿越施工方案

5.1 钻机就位和调试定向钻穿越施工工艺流程如图 2 所示，首先将 DDL2000钻机按照施工总平图及相关规范要求锚固在固定的位置上，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。

5.2 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。

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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 浆的粘度符合表 1 要求。 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。

5.3 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=148.98 m，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 2.0 m 左右），敷设管道到达定位点后应在 2.5 m，钻进角度在 8°左右，每 10 m 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 2 m 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。

5.4 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， 如图 3 所示。

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，确保铰刀能够完成铰孔操作。

5.5 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 20 m 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。

6 施工风险分析

非开挖定向钻施工中的高风险和许多不可预见的因素，在施工过程中不可避免地会出现问题甚至事故。一旦中途发 生意外，立即停止施工，召集相关技术人员进行分析讨论， 并汇报给建设单位，必要时调整施工方案，以求安全可靠。

6.1 导向孔和回扩孔卡钻处理

（1）在导向孔钻进过程中，钻头发生卡钻多数体现出来 为泥浆压力的急剧增加，或者是钻机扭矩的快速增大。这个 时候，机器转动产生的扭矩已经无法抑制住土质对其产生的反向扭矩，因此导向孔的钻头会发生停止转动。解决方案：首先，时刻关注泥浆压力的变化，当泥浆压力降低控制在500PSI 时，停止机器的转动推进，并且反向拉动钻杆，让地 下的钻头与岩层分离，从而使得压力差能够减小，再减少推 力，减速慢推。其次，泥浆压力降低超过 500PSI 时，停止泥 浆的输入，钻杆回撤，并抽出，防止发生钻杆损坏。

（2）在回扩过程中，采用回拉扩孔器的方法来解决问题。机具、材料准备：200 T 旋转接头 1 套、200T U 型环 1 套、连接 DDL2000 设备钻杆和旋转接头用短接 1 个、挖掘机 1 台、φ30 mm 以上钢丝绳 4 根（等长）。施工步骤：卡钻后立即停止旋转 →出土点一侧连接（DDL200 设备钻杆＋短接＋旋转接头＋U 型环＋钢丝绳＋吊管机、挖掘机）→同步回拉（钻机给予适当的推力）→离 开卡钻位置 →钻机恢复旋转 →出土侧卸下钻具 →继续扩 孔1-3=1-1*9/10+2*9-7=3。随时密切关注扩孔扭矩的变化，防止卡钻后扭矩过大， 损坏钻机旋转马达及钻杆丝扣。

6.2 控制导向坐标准确性的措施在水平定向钻穿越过程中，由于导孔施工中穿越地层的 阻力，特别是在超长距离穿越中，钻头和钻杆增加了钻机的 驱动力和扭矩，钻头旋转角度难以控制，常造成导向孔与设计过曲线的偏差，采用导线定向控制方式，即对磁感应探头 接收到地球磁场后产生的电信号进行处理并输入计算机，然后操作员根据计算机中反映的数据控制钻头的方向，提高施工精度。

6.3 牵引力控制措施 在非开挖水平定向钻进穿越施工过程中，为了避免钻具 损坏地下管道，降低工程风险，需要控制穿越轨迹，其中， 导向孔的施工是最关键的工序之一。每个过程都必须满足轨 迹控制的要求，必须精心施工，严格控制，确保钻进轨迹平 顺、平直，达到设计要求。在每级扩孔时使孔内拉力、扭矩达到最小值，以便于拖管时牵引力在最小范围内。

6.4 回拖管线时卡钻处理 当管道回拖距离较短时，宜回拖至出土点一侧；当管道回 拖至入土点附近时，可推至钻机侧；当回拖管道在中段，地层发生阻塞，最好拉回到出土点一侧，以免损坏主材料管道。

6.5 施工过程中泥浆跑、漏的处理 穿越区域在空旷处挖一个泄压坑，泄压坑开挖尺寸为 1.5 m×1 m，深度根据拉管流水面高程确定。为保证工作坑内干 燥和扩孔施工，在工作坑、泄压坑一侧设积泥坑，泥浆泵随 时将多余泥浆抽出坑外，渣土车直接拉走。

7 结论

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。对穿越岩石区域可能导致出现的卡钻、抱钻等 事故须及时总结，不断优化施工方案，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。