水平定向鉆施工中造成卡鉆的因素及預(yù)防措施

/水平定向鉆施工中造成卡鉆的因素及預(yù)防措施水平定向鉆施工中造成卡鉆的因素及預(yù)防措施摘要：本文結(jié)合水平定向鉆施工中的卡鉆事故，對卡鉆緣由做出了初步分析，并總結(jié)各項影響因素及預(yù)防措施，對今后此類施工具有確定借鑒意義。關(guān)鍵詞水平定向鉆；卡鉆事故；因素；預(yù)防措施中圖分類號：TU74文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1引言水平定向鉆施工是在不破壞或微破壞地表的條件下，進(jìn)行地下設(shè)施的施工，它廣泛應(yīng)用于給排水、電力、自然氣、石油等多種行業(yè)，并適用于各種地質(zhì)狀況，是一項較新的施工技術(shù)。目前水平定向鉆施工以其經(jīng)濟、環(huán)保、快速等優(yōu)點在我國得到廣泛應(yīng)用。但施工中經(jīng)常遇到卡鉆事故，不但造成施工進(jìn)度滯后，而且經(jīng)常帶來較為嚴(yán)峻的經(jīng)濟損失，此項技術(shù)被稱作“高收益、高風(fēng)險”的雙高技術(shù)，因此如何解決施工中常遇到的卡鉆問題已成此項技術(shù)的重要課題。2事故概述2.1工程概況本工程為自來水給水管道安裝工程，管道直徑500mm，長397m，依據(jù)現(xiàn)場地形入土點選取在取水泵房延長線140m處，定向鉆穿越入土點自然地面高程+134m，入土角16°，出土點高程+102m，位于水庫底部，穿越層地質(zhì)狀況如下：①層雜填土（Q4ml）：雜色，松散；②-1層淤泥（Q4al）：流塑，黏性較大，含腐殖質(zhì)；②-2層碎石（Q4al）：松散至稍密；③層殘積土（Qel）：原巖結(jié)構(gòu)完全破壞，風(fēng)化呈土狀，可塑，含少量原巖風(fēng)化碎屑，手易掰開，局部夾少量風(fēng)化硬塊，硬塊強度低；④-1層全風(fēng)化板巖（P2）：原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，大部分風(fēng)化呈土狀，局部呈碎屑狀，手易掰開，局部夾少量風(fēng)化硬塊，硬塊強度較低；④-2層強風(fēng)化板巖（P2）：原巖結(jié)構(gòu)大部分破壞，風(fēng)化裂隙很發(fā)育，巖體裂開，巖心呈碎屑、碎塊狀，夾風(fēng)化硬塊，硬塊程度較低、敲擊易碎，局部風(fēng)化硬塊含量較高，強度較高。巖體完整程度屬極裂開，巖石堅硬程度屬軟巖；④-3層中風(fēng)化板巖（P2）：板狀結(jié)構(gòu)，原巖結(jié)構(gòu)部分破壞，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖心呈碎塊狀，局部風(fēng)化裂隙不發(fā)育，巖心呈柱狀，硬度較大，整體考慮，巖體完整程度屬裂開。2.2事故狀況穿越施工在前11根導(dǎo)向鉆桿的鉆進(jìn)過程中狀況正常，當(dāng)?shù)?1根鉆桿鉆進(jìn)到一半時（鉆頭距入土點水平距離111m處，高程+103m），發(fā)覺泥漿返漿變小，于是加大泥漿排量，增加攜帶量，接著鉆進(jìn)，在第12根鉆桿最終3m的鉆進(jìn)過程中，鉆機扭矩增大無法正常工作。2.3事故緣由事故發(fā)生穿越地層為④-3層中風(fēng)化板巖，硬度較大，巖體完整程度屬裂開，而施工前未能對此穿越層地質(zhì)狀況細(xì)致分析，拌制的泥漿黏稠度不能滿足護(hù)壁的要求；同時泥漿用量過小，巖屑攜帶量不夠，鉆孔內(nèi)巖石碎屑解除不徹底，綜合多種緣由最終造成卡鉆事故發(fā)生。2.4事故處理施工單位調(diào)入一臺大功率鉆機強行回拖，結(jié)果仍未能將鉆桿拉出，后進(jìn)行專家探討實行大開挖方式將卡鉆點挖出，然后將鉆桿順當(dāng)拖出。3對造成卡鉆因素的解析3.1施工準(zhǔn)備因素及措施（1）對穿越層狀況的了解和分析是影響卡鉆的重要前提因素之一。定向鉆施工前必需對穿越層的狀況有全面詳細(xì)的了解，其中應(yīng)包括穿越層的地質(zhì)狀況、地下構(gòu)筑物、已有管道、枯井及其他障礙物等。地質(zhì)資料以探孔勘探資料為依據(jù)，探孔的布置必需“多點、全面”，尤其針對困難地質(zhì)，必需遵循“先期小投資，避開日后大損失”的思想原則。穿越層地下障礙物較困難時，除應(yīng)詳細(xì)分析勘察單位供應(yīng)的地勘資料外，還應(yīng)和當(dāng)?shù)馗飨嚓P(guān)部門溝通了解，查看現(xiàn)有資料的同時進(jìn)行現(xiàn)場查看，盡量確認(rèn)障礙物的精確位置，做好充分準(zhǔn)備工作，為后續(xù)施工避開卡鉆事故的發(fā)生供應(yīng)重要依據(jù)。（2）依據(jù)地質(zhì)狀況選用合適的定向鉆機及配套設(shè)備，見表1、表2、表3。定向鉆機的主要參數(shù)包括最大扭矩、回拖力、給進(jìn)力、入射角、泥漿泵排量等?；赝狭^小遇到堅硬裂開巖層時易卡鉆；入射角過小給曲率半徑設(shè)計帶來局限，同時增加了施工難度，卡鉆事故風(fēng)險加大；泥漿泵排量的選用更是和地質(zhì)狀況密切相關(guān)。導(dǎo)向鉆頭及擴孔器應(yīng)依據(jù)穿越層地質(zhì)狀況選擇，避開強度不夠而造成卡鉆。選用帶有系統(tǒng)報警功能的定向鉆機也為有效預(yù)防卡鉆供應(yīng)了參考依據(jù)。3.2施工工藝因素及措施（1）導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計是施工組織設(shè)計的重要部分，其中入射角及曲率半徑參數(shù)的設(shè)計影響鉆頭鉆桿在穿越層的側(cè)向受力，尤其對于較大口徑管道影響較大，曲率過小鉆頭及鉆桿側(cè)向力增大，簡潔造成卡鉆，需選擇合適入土點進(jìn)而限制曲率半徑。以圖1為例介紹入射角及曲率半徑的選擇方法。表1定向鉆機類型選用參照表2導(dǎo)向鉆頭類型選用參考表表3擴孔器類型選用參考表α1-入射角α2-出土角R1-入土曲率半徑R2-出土曲率半徑入射角及出土角應(yīng)依據(jù)鉆機的性能及穿越障礙物的距離確定，并應(yīng)考慮所運用管材的最小曲率半徑，一般地面入土角選8°～20°。軌跡的曲率半徑應(yīng)首先滿足鉆桿的最小曲率半徑，一般取R≥1200D（R-鉆桿曲率半徑；D-鉆桿外徑），進(jìn)而驗算管材的最小曲率半徑。從穿越層地質(zhì)狀況方面考慮，導(dǎo)向軌跡應(yīng)符合以下原則：應(yīng)盡量避開裂開發(fā)育巖層；盡量削減從地質(zhì)斷層及不同地質(zhì)截面穿越次數(shù)，從而降低卡鉆事故發(fā)生概率。（2）擴孔工藝對鉆進(jìn)施工的影響主要體現(xiàn)在擴孔級差過大易造成鉆具阻力和扭矩過大，如遇裂開發(fā)育斷層或硬巖，將大大增加卡鉆風(fēng)險，針對此類穿越層建議運用以下方法降低卡鉆概率：①選用較大型號的鉆機增大鉆機穿越實力，此法適用于硬巖；②提高泥漿的性能，其原理是提高護(hù)壁穩(wěn)定防止塌孔和有效攜帶出巖屑，此法在裂開發(fā)育巖層尤為重要；③逐步緩慢增大擴孔器直徑，多次擴孔，在裂開較嚴(yán)峻巖層常和②同時運用，效果更明顯。（3）泥漿的選用對于定向鉆穿越不同的地層至關(guān)重要，其對防止卡鉆的作用主要體現(xiàn)在護(hù)壁和導(dǎo)出巖屑。鉆頭在巖層中鉆進(jìn)產(chǎn)生的大量巖屑，主要來自于鉆頭裂開的巖石，另外在裂開發(fā)育巖層，鉆孔不穩(wěn)定也會散落大量碎巖，而卡鉆的緣由最終往往是巖石的卡阻，因此能否解決巖屑帶來的危害成為鉆進(jìn)中是否會發(fā)生卡鉆的關(guān)鍵問題，泥漿的工作原理就是防止巖屑的產(chǎn)生和導(dǎo)出巖屑。本文中的事故案例就是因為泥漿用量過小導(dǎo)致巖屑攜帶量不夠，同時泥漿總體性能降低，鉆孔內(nèi)巖石碎屑解除不徹底，最終導(dǎo)致卡鉆事故發(fā)生。由于泥漿緣由造成的卡鉆事故也是施工中最常見的。泥漿的選用及設(shè)計包括性能和排量兩個方面，對卡鉆事故產(chǎn)生有影響的泥漿性能，包括黏度、膠凝實力及失水量。具有良好黏度的泥漿可以確保巖屑在鉆孔內(nèi)順暢流出，從而起到清理鉆孔的作用，削減鉆進(jìn)阻力；反之黏度差的泥漿無法將巖屑導(dǎo)出，巖屑沉積過多導(dǎo)致鉆頭及鉆桿受阻嚴(yán)峻而卡鉆。施工中泥漿黏度可參照表4取值。泥漿的膠凝實力主要起到護(hù)壁作用，在松散的砂層、礫石、卵石及裂開帶地層的鉆進(jìn)中作用明顯，此類地質(zhì)顆粒物離散程度高，鉆進(jìn)時孔壁易坍塌成孔難度大，此時提高泥漿的膠凝實力，進(jìn)而提高護(hù)壁的穩(wěn)定性顯得至關(guān)重要。失水量是指泥漿在地下的滲透實力，失水量過高泥漿流失過多，泥漿總體性能下降，起不到護(hù)壁及攜帶巖屑的作用，嚴(yán)峻時使土壤液化造成塌孔卡鉆。一般地層的失水量宜限制在10ml/30min～15ml/30min，松散地層失水量宜限制在5ml/30min以下。表4泥漿馬氏黏度取值參考表（s）泥漿性能不變的狀況下，排量確定了其總體實力的大小，這里要強調(diào)的是并不是一味的加大泥漿排量都是有利的，泥漿的排量對穿越淺埋層影響較大，排量過大簡潔造成冒漿，反而降低泥漿的作用造成污染和奢侈，甚至由于泥漿漏失的沖力造成塌孔而卡鉆。4結(jié)束語造成定向鉆施工卡鉆有多方面的因素，從施工前的準(zhǔn)備工作到施工工藝的設(shè)計，再到施工技術(shù)的運用，各種因素相互聯(lián)系，相互影響，只要我們在施工起從前做到地質(zhì)狀況等資料全面詳盡，并細(xì)