定向钻孔壁稳定性研究现状与发展

定向钻孔壁稳定性研究现状与发展

王征兵1  ,吴江2

1中铁一局集团电务工程有限公司 陕西 西安710000 2 中铁一局集团电务工程有限公司 陕西 西安 710000

摘要：非开挖水平定向钻技术作为一种新型非开挖铺管方法，目前在国内已被广泛应用。但大量工程实例表明：孔壁稳定性问题是施工过程中出现的主要问题，不仅会对工程施工的正常进行造成阻碍；还会延长工期时间、浪费资金成本；甚至，会出现一系列的安全问题。通过对水平定向钻施工过程中孔壁稳定性进行综合性研究，寻找并分析影响孔壁稳定性的各种因素。最终得出一定的经验策略，以此来提高孔壁的稳定性，从而保障工程施工过程的安全高效。

关键词：非开挖铺管方法；非开挖水平定向钻技术；孔壁稳定性

0.引言

水平定向钻进技术作为一种新型非开挖铺管的方法，已经在我国的大部分一、二线城市的管线铺设建设中得到了十分广泛的应用，与其它的管线铺设方法相比而言，水平定向钻进技术具有很明显的优点。但众所周知，水平定向钻技术的是施工环境是位于地下，而该技术的关键在于钻进过程中能否保持孔壁的稳定性，由于地下的情况十分之复杂，地质条件多变，各种情况层出不穷，所以孔壁失稳常常在能在施工过程中被发现。像在一些比较松散的砂土层里，这些土层一般有着较强的渗透性特点，另外在其他特点上，例如强度，它是具有较低的强度的，由于这些特点的存在，所以孔壁失稳问题在这类环境中常常出现，有时还会出现冒浆问题等。在工程中孔壁失稳有一些常见的后果，比如已经形成的孔道会发生塌陷的情况，或者甚至没有办法形成孔道，由此肯定会导致一系列工程的终止，如若出现安全问题则更为严重。因此我们必须重视影响稳定性的各种因素。

1.地质环境对孔壁稳定性的影响分析

1.1岩土性质

在水平定向钻进行施工时，地层的岩土性质对水平定向钻孔的质量问题有着重要的作用，究其原因是因为在某些地层进行水平定向钻的施工时，导致土层变化的因素有很多，比如土层发生的的不稳定，一般是因为扩孔所导致的，砂砾土层中这种现象十分明显，另外水溶性土层中也会发生这种现象，不同的地层有着不同的性质，在各个方面的性质上都有着很大差异。其中有的土层，有颗粒间胶结性能差的特点，这样的话在施工时难度也会很大，钻进或者拖回时都容易导致施工发生问题。水溶性地层富含氯化钠、钾盐、石膏、芒硝和天然碱，当遇到钻井液中的水时，就会发生溶解，使钻孔孔壁溶蚀，最终导致钻孔超径及发生垮塌[1]。

由此可见，在水平定向钻进行施工时首要问题就是应选择有合适岩土性质的地层，例如自身胶结性好、岩土层强度高的岩土层，这样的成孔后孔壁的稳定性较好，即便只靠岩体自身的强度能在一定程度上够保持孔壁的稳定性。由于土层类型较多，因此岩土性质的重要性可见一斑。土中水对钻孔的稳定性有很重要的影响，土中的水会影响孔壁周围土体的各种性质，例如孔隙水压力改变的话，则会导致有效应力会随着孔隙水压力的变化而变化，由于这个因素改变了，土体的其他因素也会发生改变，首先改变的就是它渗透力，接着就会发生渗透，这样引发的问题可以说是不计其数，最严重的就是孔壁发生破坏。

1.2 地层压力

地层压力也是决定孔壁稳定性的主要客观因素，就是指地层孔隙中充填的流体介质的压力，主要反映在孔壁的垂直应力和水平应力上，水平应力由上覆土体的重量和深度决定。水平应力由竖向应力和侧向压力系数决定。侧压力系数可以通过工程勘察中的原位试验或岩土样品的泊松比试验确定，然后用公式计算。一般来说，土越薄越软，泊松比越大，侧向变形越大。因此，水平定向孔壁的设计尽量避免薄软土层，以防止孔壁的破坏。

2. 泥浆因素对孔壁稳定性的影响

2.1泥浆的性能指标

泥浆的三个性能指标分别为泥浆比重、泥浆粘度和泥浆含沙量。另外，酸碱度也是泥浆的重要特性指标，用来评价泥浆被阳离子的劣化程度。泥浆特性是影响其功能实现的主要因素，而影响泥浆特性的因素较多，各因素之间相互联系，使得泥浆特性研究较为复杂。

2.2泥浆比重

泥浆比重也称为泥浆的相对密度，泥浆比重能够反映了泥浆中的固体颗粒物的多少。浆液中固相颗粒物的含量和颗粒粒径大小决定了泥浆如何在地层中渗透成膜，因此泥浆比重是评价泥浆与地层之间适应性的一个重要指标。泥浆比重过小，施工时泥浆泵虽然能安全快速运输泥浆，但是由于浆液中固体颗粒物较少不利于泥膜的形成。泥浆比重过大不仅会导致泥浆泵超负荷运转，还会由于泥浆中固体颗粒物含量多会逐渐淤积沉淀在管道底部，使管道运输受损，而且会引起泥浆携渣能力降低，产生安全隐患。

2.2泥浆粘度

泥浆的粘度用来表征泥浆流动时粘滞性的大小，是影响泥浆流动性的重要参数。泥浆的粘度过高，定向钻头运转泥浆时渣土颗粒不易淤积沉降，可以有效运送渣土，且泥浆浆液也不易发生分散离析，性质较为稳定，但泥浆泵需要提供更大的动力，且增粘剂过多也不利于节约施工成本。泥浆粘度较小容易发生分散离析现象，形成的泥膜也疏松较厚，不利于维持开挖面的稳定，存在重大的施工安全隐患。泥浆黏稠性越好，悬浮和携带钻屑的能力就越强，对于容易坍塌的孔道，黏稠性高的泥浆起到很好的护壁作用。但是，泥浆的黏稠性太大又增加了泥浆流动的阻力，增大了泥浆对孔壁的压力。因此，应根据具体地层条件，兼顾多方面的情况，确定合适的泥浆黏度和动切力

[2]。

2.3泥浆含砂量

泥浆的含砂率是指泥浆浆液中不能通过200号筛网（相当于直径大于0.075mm）的固相颗粒物体积的百分比。在泥浆中添加一定量的粗颗粒物可以有效减少成膜时间和成膜滤失量，这是因为在渗透性较高的地层中，粗颗粒物可以在大孔隙中架挢堵塞形成泥膜骨架结构，从而使泥膜形成质量得到提高。

2.5应对措施

在实际的定向钻施工中，施工队伍通常借助于改良泥浆配比，增大泥浆的动切力，以及泥浆的塑性黏度改变泥浆的流型，比如加入有机高分子，加入固壁剂等措施降低泥浆流动速度和增加泥浆的临界流速，改变泥浆的流型，从而保持孔壁稳定。泥浆对孔壁的破坏主要是因为受到直接冲刷的作用，这种作用与泥浆的流变参数有直接关系，因此，调节泥浆的流变参数可以促进孔壁的稳定[3]。

3.回拖力对孔壁稳定性的影响

水平定向钻孔壁的稳定直接关系着回拖铺管的成败，对孔壁稳定性进行研究十分必要[4]。在水平定向钻管道回拖过程中，回拖荷载受地质条件、扩孔直径、钻孔轨迹、管道规格等多种因素的影响[5]。在对回拖力的构成进行分析时，囊括为以下四部分：

3.1管道与地面之间的摩擦阻力

管道在未进入钻孔前位于地面上，当回拉过程开始时，管道进入钻孔，管道与地面之间的相互作用而产生反向摩擦力，该摩擦力起初为最大值，随着管道逐渐进入钻孔而减小[6]。在实际工程中，施工人员通常采用滚筒、吊索、挖发送沟、涂润滑剂等方法来减少摩擦阻力。

3.2管道与孔壁之间的摩擦阻力

当管道被拉入钻孔内时，管道与钻孔孔壁之间的相互作用产生了抵抗管道运动的摩擦阻力[7]。钻孔路径不是一条完美的水平线或斜线，将其假设为多段斜线组成的折线，在每一个斜段的阻力由管道与孔壁之间的摩擦力及沿管道轴向的净浮力分量两部分组成。在实际工程中，为了增加重量，通常向管道内注入一定重量的水，以减少摩擦并降低钻孔内浮力引起的接触压力，特别是在穿越河流时。

3.3弯曲处的阻力

当管道被拉动穿过曲线段时，拉力的方向发生改变，回拖力在曲线的法线方向的分量也发生变化，导致管道与孔壁之间的接触应力增大，从而摩擦力增大的现象称为绞盘效应[8]。绞盘效应通常发生在非柔性管道中。此外，由于管道的弯曲刚度，弯曲应力也会增加摩擦力，称为弯曲效应，弯曲效应在大直径钢管中则更为普遍。

3.4流体阻力

管道回拖的流体阻力包括泥浆拖拽力和流体动阻力两部分。泥浆拖拽力的解释通俗来讲是这样的，在回拖施工过程中，各个部分之间会发生力的作用；流体阻力则是指发生在管道末端的压力，顾名思义，这是一种流体压力。管道回拖期间，泥浆、泥浆流速、管道规格、管道回拖速率及孔洞尺寸等均会对流体阻力产生影响。

4.保持定向钻孔壁稳定性的方法与对策

以水平定向钻孔壁稳定性为研究对象，分析影响水平定向钻孔稳定性的因素，对选择设备和护壁泥浆等有重要意义，不仅有利于安全施工，还有助于获得相关的地质勘察资料，合理安排钻井液，严格施工操作，为成功地进行水平定向钻施工提供技术保证。阐述了孔壁失稳的危害性，并说明了影响水平定向钻孔井壁稳定性的各种因素，指出地质条件、泥浆性质和施工工艺是影响井壁稳定性的主要因素。井壁失稳主要表现为在钻进等过程中发生的一系列问题，包括孔壁坍塌、缩孔、粘连和渗漏。通过分析研究，为工程的正常运行提供了参考，保证定向钻工程的正常运行，缩短施工周期，提高工作效率，节约生产成本。在一些复杂的地质环境中，可以考虑采用先进的注浆、岩土固结等辅助方法来防止破碎孔壁的产生。

总之，如何预防孔壁失稳是一个十分繁重的工作，有的实际工程中涉及很多因素的影响。从钻进工艺的角度分析，由外力引起的孔壁内压力波动叫做压力激动[9]。压力激动不可避免，但又不可忽视，因为如果孔内压力平衡被破坏，往往导致漏失、坍塌等孔壁失稳现象[10]。

参考文献

[1]乌效鸣,李晓芬,向天昌,等对影响非开挖钻孔孔壁稳定因素的分析[C].2006非开挖技术会议

[2] Slavin D. Guidelines for use of mini-horizontal directional drill-ing for placement of high density polyethylene pipe[ R ]. NewJersey: The Plastics Pipe Institute, 2009.

[3] 黄光明.泥浆性能对定向钻进铺管孔壁稳定性的影响[J].非开挖技术2008,25(3):8-11.

[4] Ma B, Najafi M. Development and applications of trenchless technology in China[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2008, 23 (4): 476-480.

[5]夏换,焦如义,艾志久著.大数据时代的仿真系统设计水平定向钻管道铺设优化仿真系统研究

[M].武汉:中国地质大学出版社, 2016.

[6]Baumert M E, Allouche E N, Moore I D. Experimental investigation of pull loads and borehole pressures during horizontal directional drilling installations [J]. 2004, 41:672-685.

[7]Rabiei M, Yi Y, Bayat A,etc. General Method for Pullback Force Estimation for Polyethylene Pipes in Horizontal Directional Drilling [J]. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, 2016, 7.

[8]蔡亮学,何利民吕宇玲等.水平定向钻回拖载荷预测模型[J].油气储运,2012, 31(02):147-151+166.

[9]刘大金.土体中水平钻钻孔孔壁稳定性分析及试验研究[D].吉林:吉林大学,2006.

[10]Finnsson S.TensiTrakM:A tension load and drilling fluid pressure monitoring device for horizontal directional drilling in stallations. NO-DIG, 2004.

作者简介：

1 王征兵（1970.05）、男，汉族，陕西杨凌、中铁一局集团电务工程有限公司、高级工程师，本科，通信

2 吴江（1984.06）、男、汉族、陕西洛川、中铁一局集团电务工程有限公司、高级技师，中专，电气工程及其自动化