朱海鋒，李 偉（北京中航油工程建設(shè)有限公司， 北京 100012）

0 引 言

水平定向鉆穿越技術(shù)現(xiàn)已成為長(zhǎng)輸管道建設(shè)中使用頻繁且必不可少的非開挖技術(shù)之一。其不僅能夠?yàn)闃I(yè)主節(jié)省大量征地賠償費(fèi)用，加快施工進(jìn)度，而且與傳統(tǒng)大開挖施工相比，還具有不損壞地貌、不影響交通、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)。但是，在實(shí)際的施工過程中也會(huì)遇到一些問題，如冒漿、鉆機(jī)故障、卡鉆、卡管等，其中地面冒漿就是主要較難解決的問題之一。冒漿不僅影響施工進(jìn)度，甚至有可能導(dǎo)致定向鉆穿越工程的失敗，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)穿越沿線的環(huán)境造成一定程度的影響。為了將定向鉆穿越施工中發(fā)生冒漿的可能性降到最低，本文將結(jié)合某航煤長(zhǎng)輸管道定向鉆穿越工程，著重對(duì)各種潛在的冒漿風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，并制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，從而有效防止地面冒漿。

1 工程概況

某航煤長(zhǎng)輸管道定向鉆穿越連續(xù)大棚區(qū)，穿越段管道規(guī)格為 Φ508×8.8，設(shè)計(jì)壓力 6.3 MPa，穿越管道所在區(qū)域地層由上至下依次是粉土（厚度 8.70 m～10.40 m），粉質(zhì)黏土（厚度 1.60 m～6.30 m），粉土（厚度 4.60 m～6.30 m），粉質(zhì)黏土（厚度 1.80 m～5.90 m）。根據(jù)施工方案，穿越水平長(zhǎng)度為 1901.43 m，穿越最大深度 16 m，入土角 9°15′，出土角 8°20′，曲線段曲率半徑 R=762 m（1500 D），牙輪鉆頭直徑 Ф172。

2 冒漿風(fēng)險(xiǎn)因素

在定向鉆穿越施工中，泥漿主要起到護(hù)壁、攜砂、潤(rùn)滑等作用，防止卡鉆、塌孔，保證施工正常和順利地進(jìn)行，通常被稱為定向鉆穿越工程的“血液”。但根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，在定向鉆穿越施工過程中極易發(fā)生地面冒漿的問題，而導(dǎo)致地面冒漿的因素有很多，情況也十分復(fù)雜。下面結(jié)合本工程，介紹導(dǎo)致冒漿的幾種主要風(fēng)險(xiǎn)因素。

2.1 泥漿壓力

泥漿在鉆孔內(nèi)流動(dòng)需要一定的泥漿壓力。當(dāng)鉆孔內(nèi)的泥漿壓力過高并超出鉆孔上覆地層所能承受的壓力范圍時(shí)，孔內(nèi)泥漿將地層壓裂，產(chǎn)生貫通的裂縫，泥漿沿著貫通裂縫向上泄漏，地面就會(huì)發(fā)生冒漿。這也是導(dǎo)致地面冒漿的根本原因，因此在定向鉆穿越施工過程中選擇合適的泥漿壓力，顯得尤為重要。

2.2 孔洞、裂隙地質(zhì)因素

如果穿越路線地質(zhì)土層中本身存在孔洞（如未封堵的勘探孔），在鉆孔內(nèi)泥漿壓力的作用下，泥漿會(huì)通過孔洞泄漏出來，形成冒漿。另外，如果土層松散或者地下植物根系比較發(fā)達(dá)，土層中存在裂隙，也會(huì)在一定程度上增加了地面冒漿的可能性。定向鉆穿越施工在遇到存在孔洞、裂隙的土層時(shí)，往往是泥漿壓力還未達(dá)到冒漿臨界壓力時(shí)就會(huì)發(fā)生冒漿，所以需要采取一定的措施對(duì)孔洞和裂隙等地質(zhì)因素進(jìn)行處理。

2.3 擴(kuò)孔器類型

水平定向鉆施工中常用的擴(kuò)孔器主要有桶式擴(kuò)孔器、板式擴(kuò)孔器、巖石擴(kuò)孔器（滾刀式和牙輪式）等幾種，每種擴(kuò)孔器的適用條件有所不同。其中桶式擴(kuò)孔器適用于淤泥質(zhì)黏土等塑性差的土層，板式擴(kuò)孔器適用于粉質(zhì)黏土等塑性較好的土層。如果在塑性較好的粉質(zhì)黏土層中使用桶式擴(kuò)孔器進(jìn)行擴(kuò)孔，因桶式擴(kuò)孔器自身是封閉的桶狀，且擴(kuò)孔時(shí)擴(kuò)孔器外壁與孔壁完全接觸，無法形成泥漿循環(huán)的通道，會(huì)造成泥漿循環(huán)不暢，局部憋壓，使泥漿壓力逐漸升高，在通過不密實(shí)的土體時(shí)就會(huì)發(fā)生冒漿[1]。

2.4 泥漿配制

泥漿配比的不同，會(huì)影響到泥漿的黏稠度和流動(dòng)性，而泥漿的黏稠度和流動(dòng)性存在著矛盾對(duì)立的關(guān)系。因?yàn)橐ＷC孔壁不坍塌，通常是在施工過程中加大泥漿黏度，而泥漿黏度的增大必然會(huì)降低泥漿的流動(dòng)性能。流動(dòng)性能一旦降低，就需要通過提高泥漿壓力來更好地推動(dòng)泥漿在孔道內(nèi)的流動(dòng)[2]，這往往會(huì)導(dǎo)致冒漿的發(fā)生。

2.5 鉆速和泵量

在施工過程中，鉆速和泵量是兩個(gè)非常重要的參數(shù)。鉆進(jìn)、擴(kuò)孔及回拖的速度過快或過慢，泵量的不合理，或者鉆速與泵量的不匹配，都有可能導(dǎo)致鉆孔內(nèi)泥漿壓力過大，從而造成冒漿。

3 冒漿風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)措施

3.1 泥漿壓力的控制

對(duì)于泥漿壓力這個(gè)會(huì)導(dǎo)致冒漿的重要影響因素，可以考慮采取加大埋深、增加冒漿臨界壓力值以及降低泥漿壓力兩個(gè)方面的措施，使泥漿壓力不大于冒漿臨界壓力值，則能夠有效控制冒漿的發(fā)生。

在滿足相應(yīng)要求的前提下，在方案設(shè)計(jì)時(shí)，一方面，適當(dāng)增大定向鉆入土角的角度，可以在較快的時(shí)間內(nèi)到達(dá)預(yù)定的深度，并且在斜線段相同的穿越距離對(duì)應(yīng)的穿越深度要更深。這樣，就能夠增加斜線段鉆孔上覆土層的厚度，降低發(fā)生冒漿的幾率。另一方面，適當(dāng)增大定向鉆穿越曲線的深度。因?yàn)榇┰缴疃仍酱?，地層孔隙中的孔隙壓力也隨之增大，從而減小泥漿發(fā)生泄漏的可能；同時(shí)，適當(dāng)增大定向鉆穿越曲線的深度，可以增加鉆孔上覆土層厚度，相應(yīng)地增大了地層冒漿的臨界壓力，使上覆地層具有足夠的壓力，防止冒漿的發(fā)生。

本工程經(jīng)過設(shè)計(jì)核算：穿越深度最大為 16 m，穿越水平段位于粉質(zhì)黏土層，入土角為 9°15′，出土角為 8°20′，則地層冒漿臨界壓力值可以根據(jù)下列公式計(jì)算得出。

地層冒漿臨界壓力計(jì)算公式[3]：

其中：R=r

式中：Ki—第i層土的側(cè)壓力系數(shù)；

γi—第i層土體的重度（kN/m3)，其中在地下水以下的土體取土體的有效重度；

Hi—第i層地層的深度（m）；

C0—最底下一層土的黏聚力（kPa）；

G—最底下一層土體的剪切模量（kPa）；

r—鉆孔半徑（m）；

R—塑性區(qū)半徑（m）；

ES0—最底下一層土體的壓縮模量（kPa）；

μ0—最底下一層土的泊松比；

γ—土體的重度（kN/m3）；

H—鉆孔深度（m）；

φ—最底下一層土的內(nèi)摩擦角（°）；

E0—最底下一層土體的彈性模量（kPa），

E0=ES0[1－2u02/（1－u0）]；

μ—土體的泊松比。

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，本航煤定向鉆穿越工程的土體性能參數(shù)如表 1 所示。

表 1 定向鉆穿越沿線場(chǎng)地主要土層土體性能參數(shù)

粉土層側(cè)壓力系數(shù)K取 0.33，粉質(zhì)黏土層（可塑）側(cè)壓力系數(shù)K取 0.43。

根據(jù)公式 1 及各層土體性能參數(shù)，計(jì)算得出鉆導(dǎo)向孔時(shí)ZK2、ZK3和 ZK6處的冒漿臨界壓力值分別為 0.401 MPa、0.403 MPa 和 0.403 MPa。通過計(jì)算結(jié)果可以看出，本工程的冒漿臨界壓力值約為 0.4 MPa，在施工過程中，應(yīng)合理控制泥漿壓力，使得泥漿壓力不超過 0.4 MPa，則能保證在正常的地層中不會(huì)發(fā)生冒漿。

本工程是穿越經(jīng)濟(jì)作物大棚，若地面發(fā)生冒漿，極易與當(dāng)?shù)卮迕癜l(fā)生糾紛，發(fā)生阻工問題，屬于施工敏感地帶。在鉆進(jìn)施工過程中，司鉆人員要密切注意泥漿的壓力變化情況，合理控制鉆機(jī)扭矩、推力、泥漿壓力等參數(shù)，及時(shí)根據(jù)穿越地層地質(zhì)狀況的變化情況，調(diào)整并控制好泥漿壓力，將泥漿壓力控制在冒漿臨界壓力 0.4 MPa 以下。若孔內(nèi)環(huán)空壓力異常增大，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行洗孔，防止泥漿壓力過大產(chǎn)生冒漿。

3.2 孔洞、裂隙地質(zhì)因素的處理

對(duì)于孔洞，如本工程巖土勘察的勘探孔，應(yīng)在探孔施工后可采用水泥漿，利用鉆機(jī)泥漿泵對(duì)其由下至上進(jìn)行灌注回填，對(duì)探孔進(jìn)行封堵，以避免發(fā)生冒漿。本工程穿越線路上還分布著灌溉井 3 處。為了盡量控制不讓冒漿發(fā)生，同時(shí)保證泥漿壓力及擴(kuò)孔、洗孔的質(zhì)量，施工中根據(jù)沿線灌溉井井眼的冒漿情況，可將冒漿的井眼作為泥漿泄壓點(diǎn)，用于釋放泥漿壓力，降低其他大棚區(qū)的冒漿風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于裂隙，處理的關(guān)鍵是堵漏。如遇到裂隙發(fā)達(dá)的漏失地層時(shí)，在泥漿中添加一定的堵漏材料，則能有效封堵裂隙，減小發(fā)生冒漿的可能性。目前常用的堵漏材料有水泥、化學(xué)漿液（如水玻璃漿液）、惰性材料（如瀝青材料）、水泥-水玻璃漿液等。其中水泥和水玻璃具有來源廣、成本低、配制方便、無毒等優(yōu)點(diǎn)，且水泥-水玻璃復(fù)合漿液的堵漏效果較好，故為目前最常用的堵漏材料之一。在注漿壓力作用下，添加水泥-水玻璃堵漏材料的泥漿被壓入鉆孔內(nèi)周圍裂隙地層中，固化后即可形成有較高強(qiáng)度的水泥漿液固體，起到封堵裂隙的作用，達(dá)到堵漏的效果[4]。

3.3 擴(kuò)孔器的選擇

針對(duì)不同的土層，采取相應(yīng)適用的擴(kuò)孔器。在本工程中，定向鉆水平段處于粉質(zhì)黏土層。根據(jù)地勘報(bào)告，該粉質(zhì)黏土層的塑性指數(shù)為 14.6，液性指數(shù)為 0.55；屬于可塑狀態(tài)，塑性較好。因此，擴(kuò)孔時(shí)選用板式擴(kuò)孔器而非桶式擴(kuò)孔器，可避免因擴(kuò)孔器選用不當(dāng)而發(fā)生的冒漿。

3.4 泥漿的合理配置

在施工過程中要依靠豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，通過試驗(yàn)選擇好泥漿配比，把握好泥漿黏稠度和流動(dòng)性的平衡點(diǎn)。另外，也可以選用合適的泥漿添加劑。泥漿添加劑一般具有降低流阻、穩(wěn)定孔壁、強(qiáng)潤(rùn)滑、強(qiáng)排渣等性能，能夠保證泥漿具有良好的流變性、固壁性、潤(rùn)滑性和高攜砂性。經(jīng)常使用的泥漿添加劑有增粘劑、固壁劑和潤(rùn)滑劑等[5]。添加合適的泥漿添加劑，可以在泥漿黏稠度得到提高的同時(shí)，增加泥漿的觸變性，使泥漿靜止時(shí)類似于凝固體，有較高的支撐能力，能起到有效的穩(wěn)定孔壁的作用；而在外力作用下，則具有良好的流動(dòng)性，能夠減小鉆孔內(nèi)的泥漿壓力，從而防止冒漿。

3.5 鉆速和泵量的合理控制

在定向鉆穿越施工時(shí)，不能盲目追求施工進(jìn)度而忽視了冒漿帶來的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境影響。在鉆進(jìn)過程中，要將鉆進(jìn)速度、泥漿壓力和鉆具扭矩等參數(shù)調(diào)整到一個(gè)最佳狀態(tài)：擴(kuò)孔時(shí)，應(yīng)合理控制擴(kuò)孔速度，不能過快，以確保孔道中有足夠的泥漿，將孔道中的泥屑充分?jǐn)y帶出來；管道回拖時(shí)，應(yīng)合理控制速度，平穩(wěn)回拖，防止因速度過快導(dǎo)致孔內(nèi)泥漿來不及沿孔壁與管壁間流動(dòng)釋放，造成瞬間高壓破壞[6]。

在不同的鉆進(jìn)階段，采用不同的泥漿泵量，避免鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象。

（1）導(dǎo)向孔鉆進(jìn)的前半段，盡可能采取較大的泥漿泵量。之所以采用較大的泥漿泵量，一方面是利用泥漿的快速返回?cái)y帶出鉆碎的土屑，防止土屑堆積在孔內(nèi)造成的孔內(nèi)淤積堵塞，使鉆進(jìn)后的孔路暢通，保證孔內(nèi)泥漿有返回到地面的通路；另一方面，大的泥漿泵量可以使泥漿產(chǎn)生較大的沖擊力，從而對(duì)地層起到一定的切削作用，擴(kuò)大導(dǎo)向孔的內(nèi)徑尺寸，增大泥漿返回通道的流通空間，減少了穿越段內(nèi)部的泥漿壓力，相應(yīng)減少了穿越段沿線地面冒泥漿的可能。導(dǎo)向孔后半段由于泥漿從導(dǎo)向孔內(nèi)返回入土點(diǎn)的難度加大，因此要適當(dāng)控制泥漿泵量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般要求泥漿泵量小于 1.1 m3/min，防止孔道內(nèi)發(fā)生憋壓造成地下泥漿壓力升高而向上冒出。

（2）擴(kuò)孔時(shí)，在開始和最后兩個(gè)階段由于距離出、入土點(diǎn)較近，泥漿可從出、入土點(diǎn)較快返出，此時(shí)可適當(dāng)加大泥漿泵量；而擴(kuò)孔中間段距離出、入土點(diǎn)較遠(yuǎn)，泥漿從出、入土點(diǎn)返出難度加大，因此應(yīng)降低泥漿泵量。擴(kuò)孔過程中要時(shí)刻注意返漿情況，發(fā)現(xiàn)返漿量減少時(shí)應(yīng)及時(shí)停工，處理妥當(dāng)后方可繼續(xù)擴(kuò)孔。

（3）在管道回拖階段，因整個(gè)孔道內(nèi)已充滿泥漿，此時(shí)應(yīng)降低泥漿的泵量，避免孔道內(nèi)因泥漿過盈產(chǎn)生高壓而形成冒漿。

4 冒漿發(fā)生后的處理

若采取各種控制措施后，仍發(fā)生冒漿的情況，則應(yīng)在有關(guān)單位指導(dǎo)下進(jìn)行圍堵疏導(dǎo)，及時(shí)在冒漿位置設(shè)置排漿點(diǎn)，將冒漿點(diǎn)周圍用土圍擋起來，并采用泥漿車及時(shí)將冒出的泥漿抽走，妥善處理，避免泥漿擴(kuò)散而造成更大的污染。

5 結(jié) 語

某航煤長(zhǎng)輸管道定向鉆穿越工程在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)施工過程中出現(xiàn)了幾處冒漿點(diǎn)。在采取本文所述冒漿后的處理方法的同時(shí)，通過分析發(fā)現(xiàn)，冒漿是由于泥漿壓力過大及地層存在裂隙所致。經(jīng)采取降低泥漿壓力、使用堵漏材料進(jìn)行堵漏等相應(yīng)措施后，那幾處冒漿點(diǎn)不再冒漿，并且在后續(xù)施工中整個(gè)線路也未再發(fā)生地面冒漿現(xiàn)象。本工程施工順利完成。

本文根據(jù)工程實(shí)例，對(duì)定向鉆穿越施工過程中存在的潛在冒漿風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析，包括泥漿壓力、地質(zhì)因素、擴(kuò)孔器類型、泥漿配制、鉆速泵量等，并提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施以及冒漿發(fā)生后的處理方法。這不僅保證了本工程定向鉆施工的順利開展，而且還為今后加快定向鉆穿越的施工進(jìn)度、降低施工成本和加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)等方面，起到一定的借鑒作用。