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定向钻穿越施工中的常见事故及处理定向钻穿越施工中的常见事故及处理 朱文秀 ( 安徽两淮建设第四工程处， 安徽 宿州 342000) 摘 要针对定向钻穿越施工常见事故的处理， 对施工中经常遇到的定向钻事故进行分析， 总结工程处理中 的经验教训， 减少事故隐患和施工工程中应该提前发现和注意的情况。 关键词定向钻、 穿越、 事故 中图分类号TD263 3 +4 文献标识码B文章编号1004 1184( 2012) 01 0112 02 收稿日期2011 06 27 作者简介朱文秀( 1968 ) ， 女， 安徽宿州人， 助理工程师， 主要从事定向钻穿越施工工作。 本工程属于燃气管网改造， 全长 135 km， 设计压力属高 压管， 管径 400 mm 1100 mm。管材采用直缝埋弧钢管。 施工地点位于郊区， 施工条件较好， 施工开始于 2009 年 3 月， 2011 年 6 月结束， 投入机械七台， 共完成道路、 河流、 建筑 等穿越 20 余条， 出现定向钻事故多次， 最终都保质保量的完 成。尽管事故出现的原因不尽相同， 但我们可以通过总结其 中的典型案例经验教训， 防微杜见。 1穿越中的断钻具事故 1 1现场情况描述 穿越场地的局限和地质地层的复杂性， 以及泥浆使用的 不够完善， 或者投入设备的保养和检修不到位， 操作人员的 技术和设计不够精确都是造成事故的根本原因。而实际施 工中出现事故的原因都有其综合因素， 不能单一的进行归 结。在施工点穿越京淮大运河过程中， 穿越施工长度 1 3 km， 穿越要经过两侧道路三条， 河流四处， 施工机具为 100T 设备。拖管管材 600 mm， 扩孔孔径终孔 800 mm。 1 2工程勘测地层 依据工勘报告上层为杂填土 1 35 m。粘土 5 5 m， 下层 为粉质粘土， 粉砂， 流质砂层。穿越主要位于流质砂层， 含水 率高， 标高 15 m， 承载力 120 KN， 成孔难度大。设计曲率半 径( 1500D) 900 m。 1 3穿越中出现的事故和问题 穿越工程施工， 导航于 2009 年 4 月 12 日 7 时 07 分开 钻，2009 年 4 月 12 日 9 时 34 分当钻进第 54 根钻杆时， 机具 出现巨大异响， 同时仪表显示扭矩降至 2 000 KN 以下， 顶力 增加至 5000 KN， 控向信号原地不动。现场研究后， 推断为钻 杆出现故障。为进一步判定是否钻杆断裂， 采取回抽钻具的 方法进行确定， 12 时 10 分当抽回第 15 根钻杆时( 以入土点 为基准) ， 抽至第 16 根钻杆发现距母扣端约 0 60 m 处出现 断裂。 1 4事故点的确定 分析断裂原因， 钻具使用前已经进行检查， 只能是地质 地层的突然改变， 导向钻头受力不均。( 工勘报告中也显示 该地层有不均布砂砾， 出现砂岩的可能很大) 断裂处为第 16 根钻杆， 角度 7 2% ， 每根钻具长 9 m， 距入土点水平距离距 入土点水平距离 = 钻杆数 单根长度 入土角 + 0 60 m。 根据导航记录计算每根钻具的静距， 然后叠加， 进行修正， 得 出尽量准确的距离数据。根据第 15 根的记录和 16 根的角度 测算断裂点的深度， ( 必须考虑地表的高差) 最后确定为距离 入土点 156 m， 深度 10 54 m。 1 5处理方案的编制和实施 根据现场的实际施工条件， 考虑到成本预算制约， 制定 切实有效的处理方案。采用上部开挖， 下部倒挂井施工作业 找到断点， 然后用焊接法连接断裂钻具， 抽出并更换断裂的 钻具， 继续实施穿越施工。 在这以施工过程中提醒我们几个必须考虑的因素: 首先 是隐蔽工程施工中的施工方案的编制。必须依据现场施工 的实际施工条件， 然后是工程勘测和现场勘测， 放桩， 测量。 最后是施工过程中的施工记录， 操作板报都必须真实细致可 靠。在出现事故时能够得到处理的依据。 2定向钻穿越导航施工 2 1工程概况 在定向钻施工过程中， 最重要的一个施工工序就是导航 施工。而实际施工过程中出现问题和事故的机会最多。在 施工通扬河段时， 穿越两条道路， 一条河流。管线入土点高 程 16 45 m， 路宽 15 50 m 左右; 出土点高程 16 95 m， 路宽 15 70 m 左右。河床最低处高程 6 01 m 左右， 河水面宽 506 00 m 左右; 管线穿越位置河段顺直， 河床与岸坡稳定， 水 流急速。定向钻穿越段水平长度为 765 0 m。 2 2地质地层结构 工程勘测报告显示: 1 素填土、 2 素填土、 3 素填土、 粉质粘土、 淤泥质粉质粘土粉质粘土、 粉质 粘土、 粉质粘土夹粉土、 粉质粘土、 粉质粘土夹碎石 ( 残积土) 、 中等风化灰岩， 地层含水率高， 静水位 5 3 m， 承载力 124 KN。 2 3穿越层位 依据穿越处上下游两地质剖面推算断面资料， 设计以较大 入土角度及穿越曲率半径进行设计， 避开不适合定向钻穿越的 1、 2、 3 层， 最终确定第、 、 、 、 、 、 、 层为定向钻通过层位， 以地质剖面最浅处的河床埋深， 计算 穿越水平段穿越层， 河心段最低点管顶覆土厚度约 14 3 m。 2 4事故描述 ( 1) 导航钻进至 120 m 遇到地下不明物， 无法钻进， 穿越 处位置为层， 标高 7 5 m ( 2)通过调整钻进角度， 太高 2 m， 出现类似情况。反之 降低 2 m 情况相同。 ( 3)重新调整入土点轴线位置， 平移 1 5 m， 钻进 150 m 受阻。 ( 4) 经与现场监理和甲方沟通， 决定重新选择钻孔位置， 平移轴线 30 m 开始钻进， 出现类似情况。 211 2012 年 1 月 第 34 卷第 1 期 地下水 Ground water Jan. ， 2012 Vol. 34NO. 1 2 5现场分析 由于场地地质情况复杂， 遇阻处原地质分析为粉质粘 土: 黄褐色， 硬塑 N = 19 4 击， 局部可能出现突起基岩。由于 规范要求探孔间距为双侧 100 m 交错布孔， 在 100 m 范围内 出现了突起的基岩， 后来的地质勘测补测也证实了这一点。 2 6事故处理 如果继续采用定向钻穿越需使用岩石钻机， 施工周期延 长， 施工风险大投资较高， 根据专家会审建议采用大开挖穿越 汉阳河， 后施工单位用 1 个月的时间内完成了大开挖穿越。 通过该工程施工我们觉得在隐蔽工程施工过程中遇到很 多未知的突发事件， 如何在发现问题后及时有效更改施工方 案， 吸纳和听取专家建议意见， 通过论证确立最简单有效的 施工工艺， 建立良好的施工思想可能是最为关键的。 3管道安装过程中的事故 3 1工程概况 管道安装是定向钻穿越施工中的关键环节， 关系施工的 成败。老通扬河 1 100 钢管 1 435 m 的施工就遇到了这一 难题。该工程地处国道复线， 施工场地位于两侧稻田， 地质 条件结构复杂， 素填土; 淤泥质粉质粘土; 粉质粘土; 粘土; 粉质粘土; 粘土混砾砂; 粘土; 粘土; 粉 砂; 下部流砂砂粒特细， 地层含水率大， 有管涌出现。泥浆容 易被稀释， 加高分子后也难成孔。 3 2穿越层位 穿越选择第粘土; 粘土; 粉砂做施工地层。穿越 施工入土角为 4 5% ， 出土角 + 5 5% 。最深点管顶覆土厚 度 15 m， 穿越曲率半径 1 650 m( 1 500D) 3 3事故情况 由于管材管径径大， 长度长， 场地局限， 无法完成一次性 焊接。而且管材与安装轴线不能在同一直线， 出土点距离有 不能满足设计长度要求， 不能后延， 出土角偏大。在拖管过 程中， 虽然也增加了很多补救措施， 如机械配合， 管道内注水 增加管道重量， 减少摩擦力等。可是拖管依然出现回拖到 1 075 m 拖力不够的问题， 回拖失败。 3 4事故原因分析 由于穿越距离长， 中间要进行几次焊接， 流砂层水量 大， 泥浆被稀释， 孔顶弧度难以形成， 在回拖过程中出现阻力 增加的情况， 遇阻点的位置为回拖抬头段， 造成穿越回拖遇 阻的可能情况是塌孔或者清孔不净。 3 5事故处理 根据计算遇阻点位置为穿越抬头段点， 此处为 60 200 m 的藕塘， 藕塘深度约 4 m， 管道在此处深度约 22 m， 根据专 家讨论的结果采取先开挖 14 m 后下 8 m 深的沉井方案， 利 用设备探测管道回拖端部， 找到遇阻管道后将剩余管道重新 清孔回拖， 然后进行焊接完成穿越工程。 通过本次施工我们认识到在施工条件不具备或者直接制 约施工成败的因素得不到解决时， 不能盲目施工或者心存侥 幸， 任何施工前的小问题在以后的施工中都会形成隐患， 造 成很大的后果。 4定向钻施工中的扩孔卡钻事故 4 1工程概述 定向钻施工中的扩孔工序， 是衔接导航和回拖中的关键 环节。而扩孔中的卡钻又是一个最难处理的事故。在施工 二号河时就出现了那惊险的一幕。穿越河流水面宽 350 m。 最深处 12 m， 穿越长度 986 m。地质结构为素填土层; 粉质粘土层; 粉质粘土层; 中、 粗砂层; 碎石土层; 1 全风化千枚岩层; 2 微风化千枚岩层; 1 强风化角 砾岩层; 4 2穿越层位 设计层位为第层中风化千枚岩， 该层强度低( 其饱和单 轴抗压强度 fr =13 02 MPa ) ， 易成孔， 孔壁稳定， 管线宜利用该 层通过。穿越入土角 12 % ， 出土角 + 7 89% 。( 土角度， 减 少管道在卵石层中穿越的长度， 降低施工风险， 均符合规范要 求) 。穿越河床最低点处管道埋深约 22 0 m。穿越曲率半径 为730 m( 1200D) 。入土点卵砾石层厚度约5 m， 寻找含卵石层 含量最少， 厚度最薄的地方作为入土点， 采取夯管锤夯钢套管 1 220 d =20 mm 措施穿越含卵砾石层; 出土点适当调整出土 角度和出土点， 可使管线避开卵砾石层和角砾岩层。 4 3事故情况描述 2009 年 11 初， 完成光缆( 硅芯管) 套管定向钻穿越。2009 年 11 初 20011 年 5 月底， 完成第一遍及第二遍扩孔。2011 年 5 月底 2011 年 6 月初， 开始第三遍， 6 月 3 日扩孔受阻。 卡钻处距离套管末端不远处， 卡钻点距地面深度 16 m。 4 4事故原因分析 根据当地地质专家介绍， 该区域大约 7 km2范围内全部 为变质岩， 地质复杂、 裂隙发育。由于采取夯管锤夯钢套管 1 220 d = 20 mm 措施穿越含卵砾石层， 套管与孔交接处泥 浆压力存在变化， 在扩孔 2 遍后碎石大量聚积在套管端部造 成卡钻事故。 4 5事故处理 根据计算卡钻处距离套管末端不远处， 此处卡钻点距地 面深度 16 m， 根据专家讨论的结果采取开挖找到卡钻点后， 再进行扩孔、 回拖。根据确定的方案进行开挖， 开挖到预定 位置发现地质情况与设计基本相同， 经过 1 个多月的施工完 成了穿越工作。 5结论与建议 ( 1) 长距离定向钻穿越的设计， 扩孔的次数应跟穿越的 地质情况相紧密结合， 比如穿越的地质情况为胶结的粘土层 和中砂层， 成孔性很好， 孔不易塌陷， 要求的扩孔次数可以多 些; 穿越的地质情况为松散的砂层， 孔很容易塌陷， 若扩孔次 数太多， 对造成孔径太大， 进而影响到地面的沉陷。 ( 2) 对于施工过程中泥浆的选用和配比， 尽量在现场取 样， 然后进行配合比实验。尽量加入小比重高粘度泥浆， 加 入适合地质结构的泥浆处理剂和管孔润滑剂等措施以减少 回拖时的阻力， 减小钻机工做负载。尤其在施工扩孔中要注 意调节好孔内泥浆的压力， 以利于弧顶的形成和孔内的携 带、 润滑、 护壁。 ( 3 在设计阶段应提出钻机的能力要求， 应比总摩擦阻力 大 2 5 3 倍。同时时， 宜提出钻杆使用前应经检查合格才 能施工的要求。 ( 4) 设计过程中要充分考虑各种因素， 尽量使设计完美， 不要为业主的倾向性意见所左右， 要从大局出