南水北调沙颍河定向钻穿越技术方案

□薛 波（河南省水利第二工程局）

0 引言

水平定向钻进技术以其显著的环境、经济效益和日益成熟的施工技术，成为输水管道建设工程中穿越河流必不可少的关键技术。文章结合南水北调配套周口沙颍河定向钻穿越工程，探讨大口径（DN1016mm）水平定向钻穿越工程的设计方案。

1 工程概况

沙颍河穿越工程位于河南省周口市境内，交叉断面以上流域面积25800 km2,50 a一遇洪峰流量3250m3/s，天然洪水位49.90m。沙颍河穿越管段设计压力为1.40MPa，设计为双管线布置，两管外壁间距20.20m，穿越管道为涂塑复合钢管，规格为D1016mm×16mm。

2 穿越路线及层位选择

2.1 设计原则

穿越路线及层位的选择，应根据河道详细勘察资料及沙颍河穿越区域水文、气象条件及交通状况确定。一是穿越处地质结构属粘砂双层结构。根据地层时代、岩性及空间分布特性，场区地层划分为7层，分别为：①重粉质壤土（alQ24）；②轻粉质壤土(alQ24)；③粉质粘土(alQ24)；④重粉质壤土(alQ14)；⑤重粉质壤土（alQ14）；⑥重粉质壤土（alQ3）；⑦粉细砂（alQ3）。其中①～⑥层含钙质结核，粒径1～3 cm，第⑦层砂质不均，局部夹有轻粉质壤土、砂壤土薄层。二是选择河流顺直、水流平缓、河床和坡岸稳定的河流断面穿越，以降低施工难度。三是河岸两侧应有足够的布置钻机、泥浆池、施工材料堆放和管道组焊的场地；河岸两侧场地进行交通运输方便，有效缩短施工周期。四是水域穿越管段的埋深除应根据地质条件与冲刷深度确定外，最小埋深应大于河床最大冲刷线以下6m，确保河流中不出现冒浆事故及保证堤防安全。五是为保证管道有足够的强度安全余量，穿越管段曲率半径宜≥1500（为穿越管段外径）。

2.2 主要设计参数

一是入土点及入土角度。入土点高程47.70m，入土角7°，入土点位于沙颍河北岸，毗邻周口大道，交通便利。二是出土点及出土角度。出土点高程44.90m，出土角7°。出土点选定于沙颍河南岸，地势开阔，有利于管线组焊及回拖。三是曲率半径：为利于管线回拖及保证管线强度，沙颍河穿越曲线段半径为1800 m（1800D）。四是穿越地层：根据工程详细勘察资料，粉质壤土或粉质粘土层中存在钙质结核，会给钻进过程带来困难。因此，将主要的穿越水平段设在第⑦层细砂中。穿越水平段管道中心高程为23.30m，满足管道最小埋深应大于河床最大冲刷线以下6 m的要求。

3 钻机及钻具优选

3.1 理论回拖力计算及定向钻机选择

沙颍河穿越的理论回拖力计算采用《油气输送管道穿越工程施工规范》（GB50424-2007）推荐的回拖力计算公式：

式中：F—穿越管段回拖力（t）；L—穿越管段长度（m），本工程取525.90m；f—摩擦系数，一般取0.10～0.30，本工程取0.20；D—穿越管段的直径（m），本工程取1.02；γ粘—泥浆比重，一般为1.15～1.20，本工程取1.17；δ—穿越管段的钢管壁厚（m），本工程取0.02；k粘—粘滞系数，取0.01~0.03，本工程取2.50×10-2。

将各参数代入式（1），得到理论回拖力值为100.20 t，根据国内外施工经验，定向钻机宜根据计算回拖力值得1.50～3.00倍进行选择，本工程选定徐工XZ3000型水平定向钻机一台，最大回拖力3000 kN，最大输出扭矩110kN·m。

3.2 钻具优选

钻具是水平定向钻进施工过程中影响施工效率和安全的直接因素，考虑地质条件、钻机能力和工程规模等方面，进行了钻具的优选。一是导向钻：考虑到该穿越地层含有较多的钙质结核，本工程采用破碎能力更强的三牙轮导向钻头，并用泥浆马达驱动牙轮钻头。二是扩孔器：考虑到本次穿越的主要地层为粉细砂层，钻孔稳定性差，决定采用具有稳定孔壁功能的挤扩式扩孔器。三是钻杆：钻杆质量直接影响工程施工的顺利与否，本工程选用高性能的Φ140S-135级钻杆。

4 施工方案设计

4.1 钻导向孔

为保证导向精度，防止干扰源影响导向信号，沙颍河穿越采用联合控向技术，即采用两套控向系统，一套精度高、受干扰小的CDY-2型有线地磁控向系统和一套GL600无线控向系统。这样使钻导向孔施工具有双保险，如遇地磁控向系统无信号或受干扰时，即可用无线控向系统完成接下来的控向工作。在导向孔钻进过程中，严格按设计给出的轨迹曲率半径进行。在钻进过程中，还应注意每根钻杆的折角，折角不宜过大，以免造成钻孔不够平滑，影响回拖。纠偏应遵循小幅、多次的原则，不能操之过急而矫枉过正。钻导向孔的钻具组合为：9-5/8三牙轮钻头+Φ172造斜短节+无线探头仓+无磁钻铤+有线探头仓+无磁钻铤+Φ140钻杆。

4.2 扩孔及洗孔

水平定向钻管道穿越工程的终孔直径一般为管道外径的1.20～1.50倍，考虑到地层性质，沙颍河终孔直径确定为1400 mm。为解决扩孔时扭矩大的问题，可采用较多的扩孔级数以减少每一级扩孔的扭矩。沙颍河穿越工程共分七级扩孔，每级扩孔的直径分别为：500mm，650 mm，800 mm，950 mm，1100 mm，1250mm和1400mm。扩孔结束后，根据扩孔扭矩、拉力和返浆情况进行1～2次Φ1400洗孔。扩孔的钻具组合为：Φ140钻杆+挤扩式扩孔器。

4.3 回拖

管道回拖前，应对钻机地锚进行加固，确保回拖过程中不出现地锚松动；对分动器、U型环等进行检查，确保工作可靠；对已连接完成的管线长度、焊缝、防腐进行检查；进行泥浆试喷，确保泥浆通畅。为减小回拖阻力和保护管道防腐层，应沿穿越中心线开挖发送沟，在出土口处平顺连接。发送沟开挖宽度为3.00m，底宽1.50m，深度0.80m。发送沟完成后，检查沟内无石块、树根等硬物，然后将管道吊入沟内，再从河里抽水将管沟充满，使管道近似处于漂浮状态，减小管道回拖时摩擦阻力。管线回拖时，需采用适宜的措施控制管段的浮力以减少摩擦阻力。回拖过程应连续施工，停止回拖时间过长可能造成泥浆对管段形成握裹力，增大回拖力；回拖速度均匀，避免造成孔内压力激动。回拖的钻具组合为：Φ140钻杆+Φ1250挤扩式扩孔器+分动器+Φ1016管线。

5 泥浆工艺

5.1 确定泥浆性能要求

根据沙颍河穿越工程地质条件，定向钻入、出点两侧主要为含钙质结核的粘土层，主要水平穿越段为密实细砂层，对泥浆的携带能力和护壁能力要求很高。因此，要求严格控制泥浆粘度和滤失量，避免孔内残留钻屑过多，堵塞钻孔或孔壁坍塌等复杂情况发生。沙颍河穿越泥浆体系性能指标：马氏漏斗粘度55 s，滤失量<12m l。

5.2 泥浆配比方案

一是钻导向孔阶段要求尽量将孔内的钻屑携带出孔外，同时维持孔壁稳定，基本配方为：水+5%钠基膨润土+0.06%HV-CMC+0.04%烧碱。二是扩孔阶段要求泥浆具有很好的护壁效果，防止地层坍塌，提高泥浆的携带能力，基本配方为：水+6%～8%钠基膨润土+0.06%HV-CMC+0.05%烧碱。三是回拖阶段要求泥浆具有很好的护壁和携带能力，同时具有很好的润滑降阻能力，因此粘度不能太大，基本配方为：水+5%钠基膨润土+0.06%HV-CMC+0.04%烧碱。

5.3 泥浆配制

现场配浆设备只有两个自搅拌浆罐，一个容量20m3，另一个容量40m3。选取20m3浆罐为配浆罐，40m3浆罐为储浆罐。配加料漏斗和射流泵，增加其搅拌能力。泥浆配制过程中应注意以下事项：一是严格按照泥浆体系配方计算泥浆材料加量，按照水—膨润土—处理剂顺序依次添加泥浆材料；二是配制新浆过程中，至少保证20min的循环水化时间，采用马氏漏斗粘度计和中压滤失仪等实验设备测定泥浆性能指标，达到要求后方可倒入储浆罐；三是穿越施工过程中，应注意监测返浆情况，地层突变等情况及时上报，以便调整泥浆方案。

6 结语

水平定向钻进技术在穿越河流时具有不破坏大堤、不扰动河床、对环境影响较小、施工周期较短、管道运营安全、综合造价较低等优点。应用这一技术的关键是根据地质条件制定施工工艺方案，保证管道成功穿越。