水平定向鉆的風險規避與故障處理

金昊

【摘要】風險規避意味著在規劃階段識別出主要風險因素，并且規避這些風險因素。如果無法規避或者避免，則需要采用合理的方法進行故障處理并成功的對其加以解決。如果現場發生問題，則承包商必須具有充分的智慧、應變能力和創新能力對其加以解決。本文明確了水平定向鉆施工過程中可能發生的風險，闡述了故障處理途徑，提出了減輕所遇問題的指導意見。

【關鍵詞】水平定向鉆;風險規避;故障處理

隨著我國經濟和城市化建設的迅速發展，非開挖技術的應用越來越廣泛。水平定向鉆機就是被廣泛使用的一種非開挖設備，主要用于穿越公路、鐵路、建筑物、河流，以及在鬧市區、文物保護區、農作物和植被保護區等不易開挖的條件下，進行供水、煤氣、電氣、電訊、天然氣、石油等管線的鋪設或更新。其工作過程是通過計算機控制進行導向和探測，先鉆出一個與設計曲線相同的導向孔，然后再將導向孔擴大，把管線回拖到擴大了的導向孔中，完成管線穿越的施工過程。

1.潛在風險

一般來說，業主、管理部門和承包商最關心的重大風險包括：

鉆孔失敗

施工人員和普通民眾的安全

對環境、自然資源或者歷史文化資源的破壞

地表隆起以及建筑物或道路損壞

地表的塌陷和沉降

冒漿

破壞已有的公共設施

2.故障處理和減輕損失

2.1鉆孔失敗

業主主要擔心的就是鉆孔的失敗。如果管線的安裝并非至關重要的考慮，那么項目一般都會被擱置。如果項目無法完工，那么通常就是拖延和索賠，而業主仍然必須找到一種方式來滿足預期項目的功能，例如開挖或跨越管線。以下因素都有可能導致鉆孔的失敗。

循環鉆井液的漏失

障礙物

液壓鎖

穿越曲線線性度問題

鉆孔坍塌

管線破裂

鉆桿故障或孔底鉆具故障

2.1.1 循環鉆井液的漏失

如果遇到空洞或者裂縫較發達的地層、鉆孔坍塌、鉆進或者回擴過快以及采用的鉆井液配比不正確，會發生循環鉆井液漏失。尤其重要的是鉆井液的性質、鉆井液的體積以及鉆進的速度等因素一定要與地層的情況相符，這樣對于保持鉆井液的環流和鉆孔的穩定性具有至關重要的意義，因而可以最大限度地提高穿越的成功概率。

2.1.2障礙物

如果遇到障礙物，并且采用了所有符合實際的措施之后，鉆頭或者擴孔器以及管線無法穿透這個障礙物，那么鉆孔就有可能失敗。潛在的障礙物包括：卵石、礫石、大石塊以及建筑廢料或地基。

如果在規劃階段識別了潛在地障礙物，那么最佳的辦法就是通過調整鉆進規劃路徑來避開它們。如果無法更改路徑，那么何種應對措施方為適當就取決于遇到這些障礙物地頻繁程度，障礙物的類型、尺寸以及它與鉆進規劃路徑之間的相對位置，以及地表的限制條件。此類應對措施也取決于合同文件中有關現場狀況偏差以及潛在障礙物處理的條款規定。

概括的說，經過障礙物時可以采取的措施包括以下幾個方面：

在可能的情況下將鉆孔路徑移到一個更為合適的地方，最好在規劃和設計階段采取這種方法，而不要在遇到障礙物之后才臨時制定應急措施，這樣會造成工期的耽誤和成本的浪費。

調整鉆具的鉆進速度和泥漿泵的輸送速率，在試圖要穿過或者經過障礙物時要緩慢推進，不要發生嚴重的路徑和斜度的變化，造成穿越曲線的嚴重變化。

將鉆桿抽回，重新定向，以轉向的方式繞過障礙物。

如果可以接近障礙物的話，則從地表開挖將障礙物清除。

可以嘗試固定一個口徑較大的擴孔器，然后以反向擴孔對障礙物進行擴孔，穿透障礙物，或者將障礙物清理出原來的位置。

2.1.3液壓鎖

液壓鎖是鉆井液環流從鉆孔斷流時發生的一種現象。在施工過程中，如果沒有將足夠的鉆井液泵入鉆孔，或者使用不良的鉆井液就回出現。經由擴孔器打入鉆井液如果完全滯留在鉆孔中，而沒有流出時，液壓鎖便回發生。被泵入鉆孔的鉆井液在沒有排放路徑的情況下回開始增壓，壓力會使管子無法移動，直到鉆井液找到排放路徑為止。當液壓鎖發生時，液體會停止流動，回拖力會增大到鉆機的最大限度，而旋轉壓力會變得非常低。

應該采取的以下措施來減輕液壓鎖：

保持鉆井液的環流。

沿著鉆孔的路徑，在懷疑的受壓區開挖“排氣孔”以釋放壓力。受壓區一般都在鉆頭或擴孔器的后面。

等待幾分鐘讓壓力降低后再行鉆進，此時泥漿泵的輸送速率和鉆進速度要降低。壓力完全排放干凈，所需時間從幾分鐘到幾小時不等。

2.1.4穿越曲線線性度問題

如果定位和控向不精準，或者因為地層狀況司鉆無法正確的執行控向員轉向指令，那么穿越曲線就有可能發生線性度的問題。除此之外，發射器發出的信號也可能因為干擾的問題而失真，這樣也導致鉆孔的定位不準。采取以下措施可以減輕這些問題：

更換與地層狀況適宜的正確的鉆頭和鉆具。

采用抗干擾能力更強的發射器，這種方式有可能會降低干擾的影響。

控向人員在發射器通過問題區域時采用人工磁場等有效的技術，在干擾區域進行發射器的跟蹤定位，這樣可以保持定位更為準確有效。

如果存在主動干擾，可以關閉干擾源或者降低其干擾強度。

2.1.5鉆孔坍塌

鉆孔坍塌的誘因有多種，并且嚴重影響著鉆進施工的成功機率。在水平定向鉆作業中，軟質和松散的土質尤其會產生高度的坍塌風險。鉆孔的坍塌會直接導致旋轉扭矩和鉆進推拉力的增大，并且會降低鉆井液從鉆孔中的流出量，甚至導致鉆井液斷流。為了減輕這種問題：

從坍塌區域恢復鉆井液環流，增加鉆井液的濾失控制和膠凝強度，然后繼續緩慢的鉆進。

如果穿越卵石層或鉆進路線上有大石塊，石塊容易從頂部或者側面掉入鉆孔。出現這種情況旋轉扭矩會立即增大，而且有可能根本無法進行鉆進、擴孔或回拖。為了減輕這種問題：

如果這類問題在導向孔施工過程中發生，應該把鉆桿抽回，直到旋轉扭矩恢復到正常值為止，然后可以緩慢的連續鉆進。此時石塊有可能會被推入鉆孔周圍的地層，或者被鉆頭切碎并在鉆井液環流的攜帶下從鉆孔中流出。如果在預擴孔過程中石塊掉入鉆孔，通常情況下仍可以繼續擴孔。在管道回拖過程中大石塊掉入鉆桿上會導致旋轉扭矩增大，掉到管道上會導致回拖力增大。一般情況下仍可以繼續安裝管道，但有可能會導致管道損壞、防腐層損壞。在某些情下，管線回拖可能根本無法完成。

可以在鉆孔過程中可以安裝套管來避免卵石或者大石塊掉入鉆孔中。

2.1.6 管線斷裂，鉆桿故障或者鉆具故障

鉆孔的準備不充分，質量不過關或者在設計上存在缺陷，均會導致管線在安裝過程中發生斷裂。例如如果所選管子的壁厚不夠，會導致彎曲能力不足，這樣管線在回拖過程中就有可能發生斷裂。為了減小管線斷裂的可能：

對于管線設計標準盡量設計的保守一些，并且要遵守制造商提供的建議。

一定要采用正確的焊接程序和標準，并且在回拖前要對焊口進行檢測。

導向孔的曲線要嚴格按照設計曲線進行施工，滿足曲率半徑要求。在回拖之前，要對鉆孔進行必要級數的擴孔作業，使得鉆孔形成足夠好。

鉆桿的故障包括：桿體和絲扣的維護保養不當，鉆桿的質量低下，絲扣上的太緊，力矩過小或過大，在造斜而導致彎曲半徑過當。為了減輕這樣的故障問題：

使用高質量的鉆桿，并且鉆桿的尺寸要與鉆機的能力相匹配。

始終遵守鉆桿的使用、保養和維護方法。

制定鉆桿的檢測計劃，定期對鉆桿進行檢測。

不要超過鉆桿的允許彎曲半徑，鉆桿的彎曲半徑越大，鉆桿的使用壽命越長。

要避免扭矩負荷過量而導致鉆桿停鉆，扭矩能量的釋放可能導致鉆具接頭松口。

在鉆進時要避免鉆進速度過快或過慢造成穿越曲線的拐點過多或者未達到設計的彎曲半徑，在擴孔時也要避免在鉆桿和擴孔器連接處發生動態彎曲效應。

盡量減少孔底鉆具中鉆具接頭的數量。

調整旋轉速度，鉆進速度，泥漿泵送漿速度，并且合理選擇鉆頭類型，最大限度延長鉆頭的壽命。

如果鉆具掉入鉆孔并無法取回時，如果可能應重新選擇一條鉆進路徑。

2.2地表隆起以及建筑物、道路損壞

地表隆起一般都是因為鉆井液環流從鉆孔中斷流之后泵入過量的鉆井液造成的，此時將引起地層迅速增壓從而導致地表隆起。如果在地表覆蓋土不足的情況下，采用桶式擴孔器進行擴孔，鉆孔中的切削的土壤會被擴孔器向四周擠擴，可能會導致地表向上隆起。另外一個原因是擴孔或回拖管線速度過快，此時擴孔器切削下的碎屑無法與泥漿充分混合，更無法被循環鉆井液攜帶出鉆孔。為了減輕這一問題：

退回鉆頭或者擴孔器，恢復鉆井液環流，然后在繼續作業。此時要降低鉆進和擴孔的速度，同時要監控返漿中固體物質的含量，然后根據返漿的情況和地質情況調整泥漿配方和送漿速率。

如果無法維持鉆井液的環流，應該計算出鉆孔的體積，并且盡量限制泵入的鉆井液體積不要超過鉆孔的體積。

在無環流的鉆孔和擴孔中，要時刻注意仔細監控泥漿壓力的變化，并且沿穿越路徑巡視，監控毗鄰的建筑物和設施。

在使用桶式擴孔器回擴時，要注意孔洞上覆蓋土的厚度，同時要仔細監控泵入鉆井液的體積。桶式擴孔器不太適用干燥堅硬的土壤。

鉆井液環流從鉆孔中斷流后，如果泵入過量的鉆井液，則會引起地層的迅速增壓從而導致相鄰建筑物的移位，為了避免對建筑物和公共設施造成損壞，重點要降低鉆進和回擴的速率以及泵送泥漿的速率。

2.3地表塌陷或沉降

與地表隆起或者鼓包相比，地表沉降雖然不常見，但如果發生沉降，后果卻要比輕微鼓包要嚴重的多，行人可能會因此受傷。發生沉降的誘因包括：

在松散的沙質或者非常柔軟的土質中，如果大量使用稀薄的鉆井液，則鉆孔上方可能會發生嚴重的凹陷。

在大口徑淺地表鉆進作業中，鉆孔環型空間內的鉆井液加注不充分。尤其會發生在一般松軟土質中。

要避免或者減輕沉降：

要使用合適的鉆井液，并且鉆井液流速要在容許的范圍之內。保持環型空間內鉆井液流速足以將碎屑從鉆孔內攜帶出。

確保鉆孔上方覆蓋土的厚度足夠。

鉆孔的環型空間要徹底充滿鉆井液。

2.4冒漿

冒漿是一個業主和管理部門主要關注的問題，也是令承包商棘手的問題。如果在施工過程中出現冒漿，很容易引發江河水體的污染，魚塘耕地的污染，給當地居民的生產和生活造成損失，帶來危害，處理不好的話還會造成重大的社會影響。應該說明的是：鉆井液中一般含有水、膨潤土和化學藥品，膨潤土是一種天然存在的無毒粘土礦物質。以下的因素可能會增大冒漿的風險：

覆蓋土厚度較小，這樣就降低了地表的抵抗壓力。

鉆井液過于稀薄。純凈的水或稀薄的鉆井液在沙質地層中的滲透距離較遠，這樣鉆井液可能會在壓力的作用下到地表。

因鉆孔坍塌而導致堵塞、循環鉆井液漏失，并且在堵塞處發生憋壓。

擴孔和回拖速度過快。鉆機推進和回拖速度必須確保擴孔器能夠履行其工作職責，一方面形成尺寸適當的鉆孔，另一方面要把碎屑和泥漿充分混合，帶出鉆孔。如果鉆孔作業進展的過快，那么泥漿泵可能無法跟上擴孔進度，從而導致碎屑和鉆孔清理不足。這樣就可能造成兩方面的影響：一是擴孔器施加過量的作用力會導致鉆孔周圍覆蓋土的斷裂;二是鉆孔內碎屑清理不充分導致鉆孔堵塞、憋壓。這樣兩個影響都會導致冒漿。

2.5破壞現有的公共設施

破壞現有的公共設施的誘因包括不充分的規劃與調查、未曾預見的干擾和不合規范的鉆進規程。不充分的規劃與調查會導致公共設施的定位錯誤或者未能預見出已有公共設施;未曾預見的干擾則會導致鉆進誤差。需要考慮和調查的地下公共設施包括：

電力電纜和光纜。

自來水管線。

燃氣管線。

污水和雨水管線。

在施工過程中不可能預計到項目可能發生的所有風險，當遇到問題后，所采取的減輕方案也不可能總是成功的。但如果能夠在項目早期發現潛在的風險和問題，就能針對預期風險制定出詳細的風險解決方案。一份深思熟慮的應急方案不僅可以作為一個起點，而且在給定的情況下，還可以縮短對各種選擇進行權衡，并且決定采取何種行動的延誤，將水平定向鉆的風險損失降低到最低程度。