吳鋒波* 尚彥軍 倪亮 袁廣祥 林達(dá)明

（1.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國石油天然氣管道工程有限公司；3.華北水利水電學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院）

中-俄原油管道 黑龍江穿越工程定向鉆最優(yōu)深度的確定

吳鋒波*1尚彥軍1倪亮2袁廣祥3林達(dá)明1

（1.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國石油天然氣管道工程有限公司；3.華北水利水電學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院）

在中-俄原油管道黑龍江定向鉆穿越工程中，合適的管道埋設(shè)深度關(guān)系到工程建設(shè)的安全順利進(jìn)行。在對前期工程地質(zhì)勘察資料分析對比的基礎(chǔ)上，通過地質(zhì)背景研究分析構(gòu)造背景特點(diǎn)，野外地質(zhì)調(diào)查獲得出露基巖節(jié)理發(fā)育結(jié)果，鉆孔巖芯統(tǒng)計(jì)分析得到巖石節(jié)理特點(diǎn)和不良地質(zhì)體發(fā)育結(jié)果，利用完整巖芯的室內(nèi)試驗(yàn)獲得巖石物理力學(xué)性質(zhì)的結(jié)果，利用參數(shù)加權(quán)平均的綜合分析方法，確定黑龍江定向鉆的最優(yōu)深度為38.0m。實(shí)際鉆進(jìn)表明，38.0m的管道埋深較好地避免了風(fēng)化卸荷帶、深部斷層帶等潛在不良地質(zhì)問題的影響。該工程管道適宜埋深的評價(jià)可為類似采用定向鉆施工的重大工程提供參考。

中-俄原油管道；黑龍江穿越工程；管道工程；定向鉆；最優(yōu)深度

1 黑龍江穿越工程概況

水平定向鉆技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，自1985年引入該項(xiàng)技術(shù)以來，已成功穿越長江、黃河、錢塘江、黃河等國內(nèi)大中型河流30多條，這些穿越工程在長輸油氣管道建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。而復(fù)雜地質(zhì)條件下定向鉆的適宜性較差，如何選擇合適的穿越深度成為關(guān)系工程成敗的關(guān)鍵，中-俄原油管道黑龍江穿越工程便是其中的典型代表。

中-俄原油管道黑龍江穿越工程是俄羅斯供油支線管道進(jìn)入中國的起點(diǎn)。管道輸油能力按1 500 ×104t/a設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)管徑820mm，壁厚15.9mm，材質(zhì)采用K56級直縫埋弧焊鋼管，設(shè)計(jì)壓力6.4MPa。工程穿越范圍水平長度1 150m，其中出、入土點(diǎn)間距1 052m。工程采用雙管平行敷設(shè)，間距為25m。采用導(dǎo)向孔對接施工方法，經(jīng)過四級預(yù)擴(kuò)孔、洗孔、回拖后完成建設(shè)。

俄方穿越點(diǎn)位于莫赫納特伊島端點(diǎn)以東20m處，中方穿越點(diǎn)位于黑龍江漠河縣興安鎮(zhèn)。該處河道的Ⅰ級沖積階地標(biāo)高為248.0～260.0m，寬度為200～400m，地勢平坦，灌木叢發(fā)育。江邊砂礫石質(zhì)岸坡較陡，距水面高度為6.0～8.0m，江水的沖刷對堤岸有側(cè)蝕作用。該段江岸無護(hù)坡，河道順直，水面寬約為400～500m，河床寬約為700m，河床表面為卵礫石，場地開闊。穿越位置見圖1。

黑龍江穿越區(qū)巖石破碎，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，被業(yè)內(nèi)人士稱為“穿越禁區(qū)”，被俄方業(yè)主稱為“世界級難題”。如何根據(jù)地質(zhì)條件選擇適宜的定向鉆埋深，保證工程的順利建設(shè)成為必須解決的重大問題。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造背景和工程勘探資料的分析，經(jīng)多方論證，研究確定了38m的定向鉆埋深方案。實(shí)際工程建設(shè)表明，該方案合理地規(guī)避了一些重大地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)了定向鉆施工的順利開展。

2 穿越方案

2.1 地質(zhì)背景分析

在中-俄原油管道黑龍江穿越工程中，穿越場區(qū)位于漠河縣漠河盆地。漠河盆地處于亞布洛諾夫—鄂霍茨克褶皺弧與大興安嶺褶皺帶交匯處，為一中生代構(gòu)造殘留盆地（磨拉石盆地）。盆地由西向東依次由洛古河坳陷、額木爾河推覆帶、阿木爾坳陷、二十二站隆起和腰站坳陷5個(gè)一級構(gòu)造單元組成。定向鉆穿越場區(qū)位于額木爾河推覆帶東北，臨近阿木爾坳陷（見圖1）［1-4］。

穿越場區(qū)位于大地構(gòu)造單元交匯帶，臨近推覆帶和坳陷帶接觸地區(qū)，地層位移和剪應(yīng)力較大，最大剪應(yīng)力值可達(dá)40±20MPa［5］，地質(zhì)背景較為復(fù)雜，難免出現(xiàn)各類地質(zhì)問題，管道應(yīng)選擇較為穩(wěn)定的地層進(jìn)行穿越。

2.2 巖土體特征

工程勘察資料顯示，中方場區(qū)巖土體整體上可分為3套：一是第四紀(jì)沖洪積層，包括河床相和河漫灘相，主要為腐殖層、細(xì)砂層、砂礫石層，位于地面以下0～12.0m；二是全風(fēng)化～中風(fēng)化層，主要為全風(fēng)化灰色沙土、強(qiáng)風(fēng)化短柱狀粉砂巖等，位于地面以下12.0～14.8m；三是14.8m以下的微風(fēng)化～基巖層，主要為中細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖、碳質(zhì)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖（見圖2）。巖石的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

俄方勘察揭露的基巖主要為砂巖、粉砂巖、泥巖夾礫巖透鏡體和泥灰?guī)r透鏡體，其中部以中細(xì)粒砂巖為主。綜合對比中俄地層發(fā)現(xiàn)，中方定向鉆穿越地層主要為漠河盆地侏羅系額木爾河組，該地層與俄羅斯侏羅系上統(tǒng)烏斯卡林群（J3usk）有較好的對應(yīng)關(guān)系［6］，都具有砂巖和粉砂質(zhì)泥巖。俄方烏斯卡林群（J3usk）主要為粉砂巖、黏土質(zhì)頁巖和亮灰色砂巖，泥灰?guī)r以透鏡體和薄夾層狀形式存在。這說明俄方穿越地層有海相層的存在，黑龍江由南岸到北岸有由陸相三角洲、辮狀河相變?yōu)楹Ｏ嗟内厔?，該區(qū)地層巖性變化較大。

穿越場區(qū)地層巖性變化較大，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度差異性較大，粉砂質(zhì)泥巖只有53.93MPa，而砂巖可達(dá)118.83MPa，碳質(zhì)泥巖則相對更低（見表1）。此外，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)填充節(jié)理的巖樣有沿節(jié)理面破壞的現(xiàn)象，抗壓強(qiáng)度明顯偏低，而硅質(zhì)膠結(jié)試樣無此現(xiàn)象。因此，節(jié)理的膠結(jié)和充填情況成為控制巖體強(qiáng)度的重要因素，膠結(jié)較差節(jié)理發(fā)育地段也可產(chǎn)生影響施工的巖石碎塊，造成定向鉆的卡機(jī)［7-9］。

定向鉆施工應(yīng)避開軟、硬巖接觸部位，防止鉆孔出現(xiàn)跑偏。定向鉆穿越層位應(yīng)綜合考慮地層巖性的變化，盡量選擇巖性變化較小的地段。

圖2 鉆孔地質(zhì)剖面和RQD統(tǒng)計(jì)

表1 鉆孔巖芯物理力學(xué)性質(zhì)

2.3 巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD統(tǒng)計(jì)分析

巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD（Rock Quality Designation）是反映巖石完整性的定量化指標(biāo)。巖石質(zhì)量較好的層位工程施工過程中掉塊現(xiàn)象較少，不易出現(xiàn)卡鉆。因此，定向鉆施工一般選擇RQD數(shù)值較大的層位進(jìn)行。對穿越區(qū)勘察鉆孔巖芯的RQD值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，典型鉆孔的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖2。

5個(gè)典型鉆孔標(biāo)記為ZK1，ZK2，ZK3，ZK4，ZK5。結(jié)果表明，江中鉆孔ZK3的RQD值較大，巖體較完整深度段為27.0～32.0m、39.0～42.0m和56.0～60.0m；ZK3在46.0～48.0m為節(jié)理化碎裂巖，50.2～52.2m為板裂化破碎帶，57.65～61.70m為短柱狀、薄片狀較破碎巖體，巖體完整性較差，30.10～33.65m為長石石英砂巖，其完整性相對較好。江邊鉆孔ZK1巖石完整性較好，說明江邊地層受構(gòu)造影響較小，巖石整體較為完整。

江岸階地深部的巖石質(zhì)量較好，但河道內(nèi)鉆孔的RQD值整體較差，較大RQD值的地段為間斷性出現(xiàn)，難以選擇一個(gè)理想的定向鉆埋設(shè)層位。

2.4 節(jié)理統(tǒng)計(jì)分析

工程勘察的5個(gè)典型鉆孔總進(jìn)尺為254.55m，而各類節(jié)理多達(dá)2 000多條，節(jié)理填充物主要為高嶺土、碳質(zhì)薄膜、方解石和石英。膠結(jié)較好的閉合節(jié)理在RQD值較大的深度段仍大量發(fā)育。大量節(jié)理的存在，使得巖體的完整性降低，受施工擾動(dòng)后可出現(xiàn)過量掉塊，形成卡鉆，影響工程的順利進(jìn)行。分析節(jié)理的數(shù)量和性質(zhì)，可判定施工中掉塊的數(shù)量和規(guī)模，預(yù)測卡鉆發(fā)生的概率和對施工的影響，有利于定向鉆適宜層位的選擇。

2.4.1 節(jié)理走向和傾向

穿越場區(qū)地處林區(qū)，野外地質(zhì)露頭較少，調(diào)查發(fā)現(xiàn)兩處較大的基巖出露點(diǎn)，一處位于江上游1～2km處，有長約350m的基巖陡崖，另一處為興安林場與國防公路交叉口北側(cè)的3個(gè)采石坑，在ZK1的南東方向約4km，出露基巖長度約400m。

江邊基巖主要為深灰色巨厚層細(xì)粒變質(zhì)石英砂巖，局部構(gòu)成了小的崩塌，其優(yōu)勢節(jié)理走向329°，傾向59°，傾角69°。采石坑處主要為中厚層長石雜砂巖夾薄層碳質(zhì)泥巖，從東往西層厚變薄，砂巖和泥巖兩者交替出現(xiàn)的頻率變高，其優(yōu)勢節(jié)理走向330°，傾向240°，傾角66°。兩處節(jié)理均較發(fā)育，且其走向均近似為沿江方向，傾角較陡，可推斷穿越區(qū)巖石節(jié)理的整體走向近似為沿江方向，定向鉆為垂直節(jié)理走向施工，對圍巖穩(wěn)定性有利。

2.4.2 節(jié)理傾角

對鉆孔節(jié)理傾角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，鉆孔節(jié)理傾角分布不均，平均值為46°～57°。其中，ZK1、ZK3、ZK4、ZK5傾角變化表現(xiàn)為單峰特點(diǎn)，ZK2為雙峰特點(diǎn)。ZK2、ZK3主要為硬質(zhì)的長石石英砂巖，陡傾角節(jié)理較多；ZK5孔深較小，淺部風(fēng)化卸荷節(jié)理裂隙發(fā)育，傾角分布相對平均；ZK4中多為泥巖，鉆孔底部有約10m的砂巖，總體傾角分布相對平均；ZK1中粉砂巖和泥巖為主，巖石相對較軟，節(jié)理傾角相對較緩，陡傾角節(jié)理主要存在于硬質(zhì)巖中。

定向鉆施工方向近垂直于場區(qū)主要節(jié)理的走向，節(jié)理傾角變化范圍較大，淺埋條件下陡傾角的節(jié)理也可產(chǎn)生大量影響工程施工的碎塊，定向鉆埋設(shè)層位應(yīng)盡量避開陡傾角節(jié)理發(fā)育的地段。

2.5 不良地質(zhì)體分析

穿越區(qū)不良地質(zhì)體較為發(fā)育，主要表現(xiàn)為層間剪切帶、黃鐵礦富集帶、煤線或薄層黑色碳質(zhì)泥巖和斷層破碎帶4種，定向鉆施工應(yīng)盡量規(guī)避這些不良地質(zhì)體。

鉆孔ZK1孔深14.3～37.0m為灰～灰黑色粉砂質(zhì)泥巖，有水平層理，夾黑色碳質(zhì)泥巖、粉砂巖；37.0～47.4m為深灰色條帶狀泥質(zhì)粉砂巖，兩種巖石的飽和抗壓強(qiáng)度差別較大，工程施工時(shí)可形成層間剪切帶，造成偏壓和剪切破壞，形成掉塊，造成卡鉆。

ZK3孔深22.1～24.0m處發(fā)現(xiàn)侵染狀黃鐵礦，其黃鐵礦含量達(dá)到80%，形成黃鐵礦富集帶，其磁性可能影響定向鉆導(dǎo)向儀器，使鉆進(jìn)偏離設(shè)計(jì)線路。

ZK1孔深24.8～25.2m、29.3～29.8m和30.3～31.0m，ZK3孔深33.05～34.15m，ZK5孔深13.70～14.35m處巖石均為煤線或薄層黑色碳質(zhì)泥巖，為軟弱夾層，在施工擾動(dòng)作用下可形成局部臨空，導(dǎo)致定向鉆孔縮徑。

ZK1孔深52.6～54.2m，ZK2孔深46.5～48.0m、50.2～52.2m，ZK4孔深37.0～40.2m處巖石極為破碎，在ZK1孔深52.6～53.2m處發(fā)現(xiàn)灰白色斷層泥，綜合判斷這些深度段為斷層破碎帶，在該深度段的施工可產(chǎn)生塌方和掉塊，造成卡鉆。斷層泥XRD（X射線衍射分析）試驗(yàn)結(jié)果顯示，其黏土礦物總含量為71.3%，其中10%為蒙脫石，90%為高嶺土，可不考慮其膨脹性對施工的影響［10-11］。

2.6 定向鉆最優(yōu)深度確定

定向鉆埋設(shè)深度應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)，綜合考慮地質(zhì)巖性、巖體完整程度、不良地質(zhì)體分布及圍巖穩(wěn)定性等因素進(jìn)行確定。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求和實(shí)際工程特點(diǎn)，以10m為間隔，劃分不同的定向鉆埋深跡線。管道軸線由淺到深共劃分5條擬穿越線路，其在江底水平段的埋深取值分別為18m、28m、38m、48m和58m。

對不同埋深管道穿越區(qū)域影響定向鉆施工的主要因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括鉆孔巖性、節(jié)理傾角、節(jié)理數(shù)量、RQD值、巖芯短柱長度和短柱個(gè)數(shù)。統(tǒng)計(jì)范圍為管道埋深處上下各0.5m的區(qū)域。由于統(tǒng)計(jì)參數(shù)數(shù)值分布的離散性，本工程采用加權(quán)平均的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取各參數(shù)的加權(quán)平均值，即：

式中：R——統(tǒng)計(jì)參數(shù)的加權(quán)平均值；L1,L2,…,Ln——各鉆孔統(tǒng)計(jì)段的長度；n——統(tǒng)計(jì)鉆孔的數(shù)量。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，由表2可以看出，定向鉆水平段埋深58m可能遇到ZK153m深度上向江中N傾斜的斷層；48m的平均RQD值最大，但其節(jié)理數(shù)量、3～8cm短柱個(gè)數(shù)較多，對施工影響較大；38m深度的平均RQD值較小，但其節(jié)理數(shù)量較少，短柱個(gè)數(shù)最少，柱長一般小于3cm，有利于定向鉆的鉆進(jìn)；28m深度跡線穿越ZK3時(shí)距離孔深22.1～24.0m處的黃鐵礦富集帶較近，定向鉆導(dǎo)向系統(tǒng)難免受影響；18m深度由于風(fēng)化卸荷影響巖體破碎，RQD值偏低。

綜合以上研究，38m的管道埋深，既可避免上部風(fēng)化帶巖體和各類不良地質(zhì)體的影響，也可避免施工中出現(xiàn)過量的大碎塊，為管道埋設(shè)的適宜深度。

3 應(yīng)用效果

自2009年8月28日至2010年4月28日，中-俄原油管道黑龍江穿越工程順利完工。由于前期工程勘察和地質(zhì)條件研究的深入開展，工程建設(shè)對可能出現(xiàn)的各類地質(zhì)問題制定了有針對性的處理措施。工程采用夯套管隔離方法解決了兩端約70m的卵礫石層可能帶來的卡鉆問題；采用19m大開挖方法，深埋套管，消除了破碎巖石的阻隔。

表2 不同深度管道埋深地質(zhì)條件統(tǒng)計(jì)

工程施工過程中，局部塌方、大塊巖石掉落時(shí)有發(fā)生，泥漿攜帶出大量大塊碎石嚴(yán)重?fù)p耗了工程機(jī)械。鉆至300m時(shí)，地下黃鐵礦的磁場仍對工程產(chǎn)生了一定的干擾。施工人員密切關(guān)注巖屑變化，有針對性地改進(jìn)施工機(jī)械，采用人工布控磁場方法等將這些問題解決，為管道的順利穿越創(chuàng)造了條件。

工程實(shí)際鉆進(jìn)表明，38.0m的管道埋深較好地避免了風(fēng)化卸荷帶、深部斷層帶等潛在不良地質(zhì)問題的影響，為工程的順利完工打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

前期場區(qū)工程地質(zhì)條件的深入研究和管道適宜埋深的正確判斷，為中-俄原油管道黑龍江穿越工程建設(shè)的順利開展創(chuàng)造了有利的條件，類似重大定向鉆穿越工程中也應(yīng)積極開展相關(guān)研究工作，將地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的影響降低到最小。

黑龍江定向鉆穿越場區(qū)內(nèi)巖性差異較大，且?guī)r體軟硬不均，施工中應(yīng)密切關(guān)注巖性的變化，防止定向鉆孔跑偏或者回拖臺(tái)階的出現(xiàn)。

場區(qū)內(nèi)分布的巖體完整程度差，節(jié)理裂隙極其發(fā)育。除硅質(zhì)膠結(jié)較好，其他泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)的塊體間結(jié)合程度較差，施工中應(yīng)防止掉塊造成的卡鉆。

場區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)體發(fā)育較多，38.0m是較為適宜的管道埋深。施工過程中應(yīng)密切關(guān)注巖屑、施工參數(shù)等的變化，判定是否存在不良地質(zhì)體及其性質(zhì)和規(guī)模，盡量細(xì)磨、少擾動(dòng)。

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In the China-Russia crude oil pipeline crossing Heilongjiang River project，appropriate cover depth had a bearing on the smooth progress of the construction. Based on the analysis and comparison of geological survey data，the characteristics of tectonic background were analyzed. The development of the exposed bedrock joints was obtained through the field geological survey. The characteristics of rock joints and the development of ill geologic bodies were obtained by the statistical analysis of the drill core. The physical and mechanical properties of rocks were obtained by laboratory tests of the core. The appropriate cover depth of the pipeline was determined by means of the comprehensive analysis method of the weighted mean of parameters. The actual drilling showed that 38.0m cover depth avoided the effects of weathering burden zone，deep faulted zone and other potential unfavorable geological conditions. The evaluation of the appropriate cover depth could provide reference for major projects adopting the directional drilling technology.

Optimal Cover Depth of the Directional Drilling for the China-Russia Crude Oil Pipeline Crossing Heilongjiang River

Wu Fengbo，et al.

TE973.4

A

1004-2970（2011）05-0007-05

吳鋒波等. 中-俄原油管道黑龍江穿越工程定向鉆最優(yōu)深度的確定. 石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2011，22（5）：7～11

* 吳鋒波，男，2005年畢業(yè)于西安科技大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所在讀博士生。主要從事軟巖硬土、工程地質(zhì)勘察、風(fēng)險(xiǎn)評估研究。地址：北京市朝陽區(qū)北土城西路19號，100029。E-mail：wufengbo820424@163.com

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，40972198

2010-09-15

郜婕