非开挖施工工艺由于对地表干扰小，不阻碍交通且满足人们以人为本、保护环境的理念要求，在国内近几年发展速度很快，特别是在长输管道和城市管网的建设中起到了越来越重要的作用。非开挖定向钻技术是指通过导向、定向钻进等手段，在地表极小部分开挖的情况下（一般指入口和出口小面积开挖），敷设、更换和修复各种地下管道的施工新技术，对地表干扰小，因此具有较好的社会经济效果。
本文介绍在合肥绕城高压天然气管道工程建设中，利用非开挖定向钻技术敷设高压天然气管道的施工情况，结合工程实例分析复杂地层、长距离穿越施工的钻具选配、泥浆配比方案以及在岩石穿越施工中的关键工艺控制措施。
2 工程概况
合肥绕城高压天然气管道阜阳北路（双墩段）定向钻穿越工程穿越地层主要由粘土、强风化泥质砂岩及中风化、微风化泥质砂岩组成，砂岩饱和单轴抗压强度为30 MPa，穿越地质不均匀、复杂多样，穿越距离长，施工难度较大。
该穿越工程水平长度为1 000 m（入、出土点间距），入土角为8°，出土角为6°，穿越曲率半径为1 050 m，最大穿越深度15 m。本段管道采用外直径为711 mm的直缝埋弧焊钢管。整个施工过程由于方案周全、措施得当，穿越一次成功，但是在施工过程中仍然出现了一些意料之外的难点，例如在扩孔时遇到软硬交互地层，在砂岩和粘土交界处形成台阶而导致卡钻、扩孔扭矩和拉力剧增等一系列险情。
3 施工工艺及技术特点分析
3.1 钻机及钻具类型选择
GB 50424—2007《油气输送管道穿越工程施工规范》第7.1~7.3节对钻机及钻具类型选择有相关规定。该工程穿越地质由粘土、强风化泥质砂岩及中风化、微风化泥质砂岩组成，硬度较大。经计算，回拖力应不小于1 350 kN，为确保工程顺利进行，本次施工的钻机最大回拖力为2 800 kN，最大扭矩为110 kN·m，远大于1 350 kN的设计回拖力。
钻具选用方面，常用的岩石扩孔器分为两种：一种是镶齿牙轮型岩石扩孔器（见图1），特点是重量较轻，施工快速，但牙轮强度较小，磨损快。另一种是滚刀式岩石扩孔器（见图2），特点是重量较重，滚刀硬度大，施工速度较慢。本工程砂岩饱和单轴抗压强度为30 MPa，为确保工期并根据钻机类型和地质条件，最终选用了一组镶齿牙轮型岩石扩孔器。
图1 镶齿牙轮型岩石扩孔器
图2 滚刀式岩石扩孔器
3.2 泥浆配比设计
泥浆是定向钻穿越中的关键因素，它的作用贯穿于整个穿越过程：
①钻导向孔阶段：要求尽可能将孔内的钻屑携带至孔外，同时维持孔壁的稳定，减小推进阻力。
②扩孔阶段：要求泥浆具有很好的护壁效果，防止土层坍塌，还要携带更多的钻屑并具备良好的流动性，把大量钻屑运出孔洞。
同时采取以下措施：
①水源采用淡水，经过蓄水池沉淀（不可使用受污染的水），沉淀之后的水存入水罐，在水中加入纯碱使水软化，改善水质，同时提高水的pH值。
②按照事先确定好的泥浆配比，采用高品质膨润土和添加剂，配出合乎要求的泥浆。膨润土采用造浆率高的钠基膨润土。使用的泥浆添加剂符合环保要求。
③为了确保泥浆的性能，使膨润土有足够的水化时间，在用量不改变的情况下，增加泥浆储存罐的数量以延长水化时间。在此工程中我们使用1个配浆罐和2个泥浆搅拌罐，使每罐配制好的泥浆在使用前都有足够的水化时间。
3.3 工艺流程及关键工艺控制措施［1-2］
①导向施工
导向施工是整个施工中最重要的部分，直接影响整个工程的施工质量甚至是施工成败。导向施工最关键的工作是测定准确的方位角和控制穿越曲线平滑度。
a.钻孔曲线要尽量平滑，不可有大的折角。本工程采用外直径为711 mm直缝埋弧焊钢管，曲率半径为1 050 m，则每10 m钻杆的弯曲角度不超过0.53°，调整方位角时也不能超出这个角度。水平导向轨迹距离穿越中心线在水平方向的间隔不得超过2 m，防止S形轨迹。如达到以上标准可大大减小扩孔扭矩，提高扩孔速度，减小回拖拉力，防止管道变形，并且越是在硬岩地质这种效果越明显。
b.司钻在钻导向孔时应注意控制泥浆压力在泥浆马达允许的范围内，泥浆压力过高易导致泥浆马达烧毁，而过低则泥浆马达无法工作。
②扩孔施工
导向孔完成后，孔洞只有钻头大小，需要把孔洞分级扩大至施工管径的1.5倍才能回拖管道。
a.根据地质情况及上一级扩孔情况，合理确定下一级的扩孔尺寸和扩孔器水嘴的数量和直径，保证泥浆的排量、压力和流速，提高携带能力，减少岩屑床的生成。
b.每次扩孔都认真对钻杆、钻具进行检查，防止因钻杆和钻具的质量缺陷发生断裂事故。在硬岩地质扩孔时，每一级扩孔完成后都要把扩孔器后面的第一根钻杆卸下单独放置，以释放钻杆的应力，防止钻杆过度疲劳发生断裂。
③回拖管道
回拖管道是定向穿越的最后一步，也是最为关键的一步。回拖管道采用的钻具组合为：钻杆+扩孔器+回拖活节+安装管道。
4 施工过程的难点——扩孔台阶
本工程从钻导向孔至第五级扩孔过程中，施工均较为顺利。在第六级（扩孔孔径为1 050 mm）扩孔至距入土点170 m时，扩孔速度明显降低，在维持扩孔安全扭矩和安全拉力的情况下单根钻杆用时超过160 min（同一位置前一级扩孔单根钻杆用时80 min），当拉力达到300 kN时，扭矩增大至65 kN·m，有卡钻的可能。现场技术人员参照地勘报告并结合导向轨迹，分析该处刚好处于泥质砂岩与粘土的交互层即所谓的软硬交互地层。经多级扩孔后，扩孔器在两种地层中的沉降量不同，导致在砂岩和粘土交界面处出现扩孔台阶，大口径扩孔器在此台阶处遇卡，粘土层也对扩孔器刀头产生泥包，导致扩孔器切削能力降低。这种情况如处理不当将直接导致工程失败。
①扩孔台阶的类型及其危害
软硬交互地层是复杂地质和岩石地质施工中经常会遇到的一种特殊情况，因为绝大多数情况下扩孔施工遇到的地层不是单一物理力学性质的地层，而是不断变化的。在该类型地质施工中，扩孔台阶的出现十分典型，主要集中在以下几个方面：
a.岩石穿越施工中上部松散土层与下部岩石层的交界处易出现扩孔台阶。当从土层扩孔进入岩石层时，由于岩石层扩孔时间长，会导致在土层和岩石层的交界处形成一个比较大的陡坎，这对下一级扩孔会造成一定困难，回拖时管道从陡坎进入岩石孔洞也十分困难。
b.在正常扩孔施工中，经常会在水平方向经过软硬程度不同的地层，在这些软硬交错层位，扩孔器在两种地层中的沉降量不同经常会出现扩孔台阶。这类扩孔台阶会导致扩孔施工中卡钻、回拖过程中拖力增大等现象。在钻进中，扩孔台阶还会导致钻杆弯曲频繁、钻具受力不均等现象，从而导致钻杆钻具出现疲劳破坏，严重时可能会导致整个工程的失败。
②解决扩孔台阶的方法
本工程穿越距离为1 000 m，距离长、地质复杂，扩孔时多次经过软硬交互地层，扩孔台阶问题只能通过钻进方式的改进、采用修孔技术和钻具组合方式的创新来解决，主要方式如下。
a.改进钻进方式。对于软硬交互地层主要通过调节泥浆的使用解决扩孔台阶问题。在硬地层扩孔钻进时可以适当加大泥浆排量，加快扩孔进度，而进入软地层后要适当减小泥浆排量，加大拖力。这样在保证扩孔速度的基础上最大限度地降低软地层可能出现的扩孔下陷问题，使得扩孔孔道更平缓，降低扩孔台阶造成的施工危害。
b.采用修孔技术解决。在软硬交互地层处的扩孔台阶形成后可将扩孔器退出，换用修孔器（见图3）进行修孔，使台阶趋于平缓后再使用扩孔器继续扩孔。在完成全部扩孔后，再用修孔器全程修孔一遍，保证回拖管道作业顺利进行。
图3 修孔器
c.通过钻具组合方式的创新来解决扩孔台阶对扩孔扭矩和拖力的影响。在扩孔器前方加一个单独的扶正器（见图4），在扶正器和扩孔器之间连接一根或多根钻杆进行重新扩孔，这样增加了钻具对交互地层的适应性。经过理论计算验证，该方式不会改变扩孔钻具组合附近钻杆的受力情况，可增大扩孔钻具组合的挠性。
图4 扶正器
针对此情况，现场技术人员多次商讨并制定相应解决方案：先采用修孔的方式修理台阶，即采用修孔器在软硬交错地层处的扩孔台阶往返运动至旋转扭矩明显下降，使已形成的台阶趋于平缓，为后续扩孔施工做好铺垫工作。再在单独的扶正器与扩孔器之间连接一根钻杆，增加钻具对交互地层的适应性。重新进行第六级扩孔时，在硬地层扩孔加大泥浆排量，加快扩孔进度，进入软地层时减小泥浆排量，加大拖力。最终扩孔器在台阶位置扩进的单根钻杆用时降至100 min并顺利完成扩孔，在实施管道回拖过程中也未出现拉力剧增现象，说明扩孔台阶已消除。
5 结语
阜阳北路（双墩段）穿越工程是合肥绕城高压天然气管道工程中的重要控制性工程，施工现场场地有限，且地质情况复杂，工程耗时长、强度大，并且有一定的施工风险。施工过程中，我们根据具体地质情况确定针对性的施工方案，细化技术措施和应急方案，创新施工方法，严格控制施工工序，精确施工，对施工中出现的困难，积极有效地应对解决，成功地完成施工任务。
