水平定向钻穿越施工风险及控制措施分析

水平定向钻穿越施工风险及控制措施分析

肖文娟

徐州实华管道特种作业有限公司穿越工程处江苏徐州221008

摘要：通过对水平定向钻施工工艺的简述，对定向钻的危险有害因素进行了分析，并提出了风险控制措施，特别是对前期地质勘探调查、定向钻路由设计进行了强调，为定向钻的施工提供有益的帮助。

关键词：水平定向钻；施工风险；控制措施

作为一项新兴的管道非开挖施工技术，水平定向钻穿越（HDD）以其导向准确，成功率高；对河床表面没有干扰，不影响河床底部的状况和结构；对周围环境及生态影响小；施工时不影响江河通航，不损坏江河两侧堤坝，施工不受季节限制，施工周期短；管道埋的深度大，能够避免因船只抛锚造成破坏管道的可能性和被流水冲刷发生裸露管现象的可能，确保所敷设管道安全；施工占地少、工时短、社会效率高、综合成本低等众多优势，具有其他穿越无法比拟的优点，尤其是忠武管道48处定向钻穿越、西气东输管道工程多处使用定向钻后，在天然气、石油等相关行业管道工程穿越中得到越来越广泛的应用。

水平定向钻与大开挖施工相比，因对设备、钻具较强的依赖性和地下钻进、导向孔、扩孔、回拖的不可见性，如遇到弱风化砂岩，钻具磨损大，难以通过；在卵石（砾石）地层中，如果卵石直径、含量超过一定数值后也难以成孔，使水平定向钻穿越具有较大的风险。同时，工程管径大、设计压力高、管壁厚、安全性要求高等特点，使定向钻穿越技术的应用面临更大的风险和挑战。为了把定向钻穿越施工的风险降低到最小，就要求在施工中采取一定的风险控制措施。

同时定向钻施工动用的机械设备、车辆、油料及材料较多，如大型钻机、大功率泥浆泵、挖掘机、焊管机和配套发电机等。工程施工中又包括钻导向孔、拉拖管线、泥浆处理、电气焊、气割、管线防腐、管线试压等主要的较危险的技术环节与内容。特别是在野外潮湿的环境中，接触电、易燃、易爆、有毒有害物品，施工技术等级和复杂程度又要求较高的特殊作业，安全工作更是重中之重，尤其要强调按规定审批和现场监护，制订安全作业指导书。因此，必须分析研究定向钻技术施工中的危险有害因素，才能采取科学、合理、有效的风险控制措施。

一、定向钻穿越工程的施工工艺

定向钻穿越施工，主要包括7大工艺步骤：

1.场地选择、布管施工场地包括设备场地和布管场地。HDD所需的工作场地最小，完全不同于传统铺设管线方法。工作场地大小取决于钻进长度、管线直径和所钻地层，必须因地制宜，综合考虑入土点、钻机、场地周边环境等因素。

设备场地：多数情况下，50m50m的设备工作场地是足够的，对于小直径管线的施工，20m30m便可以，而直径非常大的管线铺设则需要大约70m100m的场地。

布管场地：通常的水平定向钻进穿越出口处的工作场地大约需要20m30m，而大直径的管线铺设场地要达到30m50m。管线的工作场地一般要离开出口处30m，且应有约10~15m的宽度；

2.施工前检验主要包括钻机调试、焊接检验、防腐检验、试压、清管等，此步骤对穿越管道施工和今后的安全运行至关重要，具体实施要求按相关技术规范执行；

3.钻导向孔按设计轨迹钻进导向孔。导向孔可用泥浆马达和钻头或仅用喷射钻头钻进。为了控制钻进方向，安装了测量定位系统，通过测量定位系统可连续地检测和控制钻孔方向。由于钻进中导向钻杆在跟进管的里面并被支撑着，所以防止了导向钻杆周围孔壁的坍塌，并为导向钻具提供了返回的通道。

钻导向孔是检验穿越曲线能否成功的主要环节，若出现异常，可以及时分析调整穿越曲线，降低工程风险，因此必须保证导向曲线的合理可靠；

4.扩孔扩孔能使钻屑（土壤）和钻进液（泥浆等）充分混合，并形成合适的空间，降低阻力，便于管道回拖。因此，须根据穿越管径、穿越地质、回拖阻力等情况，合理确定扩孔孔径和扩孔次数。扩孔孔径按穿越管径逐步增大，每次扩孔增加100~150mm为宜，并选择合适的扩孔器；

5.管道回拖管道回拖是穿越工程最关键的一步，施工时必须连续作业，根据回拖阻力和导向曲线，合理控制泥浆，精确控向；

6.施工后复验为了检验回拖后管道的强度和密封性，并为穿越单项工程的竣工验收提供依据，复验是目前保证管道安全的最后一道检验措施。主要包括强度试验、严密性试验、清管、干燥等；

7.场地复原当回拉和最后的试验完成后，布管场地和设备场地应复原，包括清除入口和出口泥浆坑的泥浆及泥浆坑的充填。

二、定向钻穿越工程的主要危险有害因素

1.设计阶段

（1）工程施工前没有对地质情况进行详细调查，从而导致穿越失败事故。如穿越过程中遇大尺寸卵石或飘石可能致使穿越失败；

（2）设计时选用的泥浆性能不符合相关地质地层要求，可能导致钻进失败。

2.施工阶段

（1）钻机锚固不稳定，可能导致钻进和回拖失败，甚至造成设备损坏和人员伤亡；

（2）定向钻穿越施工如预扩孔的次数过多、过大或回拖的速度过快，容易造成堤坝的塌陷或崩裂；

（3）穿越段曲率半径相对较小，管段自重较重，如出现孔壁成形不好、塌孔、缩径、回拖万向节或U形环失效、设备故障、钻机锚固不牢、回拖中途因故停滞时间过长等情况，都可能导致回拖失败；

（4）在钻导向孔过程中，如果出土点纵向、横向偏差和实际穿越曲线与设计穿越曲线偏差较大，或出现急弯、死折等；或由于扩孔后孔洞不规则，使管道与扩孔器以及钻杆轴线形成夹角，均有可能造成钻杆承受弯矩过大，从而导致钻杆发生断裂；

（5）穿越中如采用预扩孔方式，如穿越段地下地质不均匀，探孔偏少，可能发生卡钻、泥包钻或扩孔器不能前进的现象；地下泥浆渗漏可能引起塌孔、堵孔。这些都可能造成预扩孔失败；

（6）管道下沟时如果不采取适宜的方法，可能导致吊管机倾翻，预扩孔或回拖过程中如果设备出现故障，停工时间过长可能造成卡钻或回拖失败；

（7）在粉砂或流砂地质条件下穿越地上河，可能在堤脚产生管涌。如不及时处理或处理不当，可能引起溃堤。

3.管理方面

（1）穿越施工中存在的高空、半高空作业和装卸作业，缺少围栏、防滑措施不到位、捆绑不牢、操作不当都可能造成人、物坠落；

（2）除钻机本身采用全液压力头之外，其它动力和现场照明常由系统配套的发电机提供。整个电力系统包括发电机、控制柜、配电箱、电缆、电线和灯具。如果不采取有效的保护措施，电力短路可能引起火灾、人员伤亡或设备损毁；

（3）水平导向钻进在钻机的进入点和钻杆的出口点均涉及回转的设备。员工在过于接近回转设备的条件下工作可能导致被卷入，受到严重的伤害甚至死亡；

（4）油罐区内柴油遇明火而发生火灾、爆炸事故；

（5）距居民较近的钻机场地，夜间作业的设备噪声可能影响居民的正常休息；

（6）地上冒浆、跑浆可能造成耕地、水域污染；设备、油料储罐的封盖不严、密封不好，或未采取有效的隔离措施会造成作业场地污染。

三、定向钻穿越工程的风险控制措施探讨

1.设计阶段的风险控制设计的风险来源于基础资料的准确性、设计方案的合理性、关键设计技术措施是否到位等。特别水平定向钻穿越施工及其风险控制措施探讨是地质资料的准确性、管材和防腐材料的选择、泥浆类型和设计方案的多方案比选等。

2.另外还有施工阶段和安全管理方面的风险控制，这里不做详细介绍了。

四、总结

水平定向钻作为一项高效安全的新技术得到越来越广泛的应用，性能优良的设备、合理的施工工艺、科学的施工组织和有效的施工措施是工程顺利完成的主要因素。本文就水平定向钻穿越过程中存在危险有害因素进行了论述，并通过对定向钻典型案例的分析，说明只有从设计、施工、安全管理等各方面加强风险控制，特别是要对前期地质勘探调查、定向钻路由进行详细设计，才能提高定向钻穿越工程的成功率，降低其风险性。

参考文献：

[1]长输管道定向钻回拖操作和风险控制.周海斌，林康生.化工管理.2017

[2]仿真模拟定向钻技术在水库除险加固中的应用.霍凤.水利技术监督.2017

[3]长输油气管道定向钻穿越方案的比选及优越性.李银平.中国石油石化.2017

[4]定向钻双曲线技术在施工中的应用.吕旭鹏，何银，刘孔忠.天然气与石油.2017

[5]定向钻技术在水库除险加固中的应用与问题处理.朱进.中国水运（下半月）.2017

[6]长输管道水平定向钻穿越施工技术.闵安斌，田梅.决策探索（中）.2018