尤偉星，劉艷東

中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000

大管徑定向鉆穿越強風(fēng)化花崗巖設(shè)計施工探討

尤偉星，劉艷東

中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000

某天然氣管道在福建漳州采用水平定向鉆穿越龍津溪，穿越管徑1 016 mm，穿越地層以全、強風(fēng)化花崗巖為主，且存在球狀風(fēng)化體。闡述了管道定向鉆穿越龍津溪設(shè)計及施工中的難點，提出了施工風(fēng)險控制對策。對整個施工過程中包括導(dǎo)向孔、擴孔、回拖等階段中所采取的導(dǎo)向孔多次試穿、5級擴孔控制鉆機扭矩、控制泥漿壓力及流量等措施進行了論述，同時介紹了對防腐層損傷管段的處理。最后針對類似地層定向鉆穿越施工給出了建議。

強風(fēng)化花崗巖；穿越；水平定向鉆；管道

定向鉆穿越軟巖層（抗壓強度＜10 MPa）的設(shè)計及施工已較為成熟，而大管徑管道長距離穿越強風(fēng)化花崗巖等硬巖層一直是定向鉆穿越技術(shù)的難點。由于強風(fēng)化花崗巖具有抗壓強度高、風(fēng)化不均、球狀風(fēng)化體分布不規(guī)律等特點，施工中鉆頭、擴孔器等鉆具易在巖層中發(fā)生卡阻、轉(zhuǎn)機扭矩過大等問題，穿越風(fēng)險較大，選擇管道穿越方案需謹慎。由于工期要求，某大型輸氣管道工程采用定向鉆方案穿越龍津溪，穿越地層以全、強風(fēng)化花崗巖為主，且存在球狀風(fēng)化體。本文以該定向鉆穿越工程為例，對定向鉆穿越強風(fēng)化花崗巖層工程項目的設(shè)計及施工難點進行分析總結(jié)。

1　龍津溪定向鉆穿越設(shè)計重點

某天然氣管道工程在福建省漳州市薌城區(qū)附近穿越龍津溪，管徑D為1 016 mm，因工期要求，決定采用定向鉆方案試穿，定向鉆穿越水平長度584.2 m。穿越方案如圖1所示。

圖1　龍津溪穿越方案示意

穿越管段的出入土角根據(jù)穿越地形、地質(zhì)條件和穿越管徑的大小確定，為保證河流兩岸坡及河床下管道埋深，確定本次穿越東岸入土角為8°，西岸出土角為6°，穿越管段的曲率半徑為1 500 D。

該管道穿越地區(qū)地層分布較復(fù)雜，上部主要為②層粉質(zhì)黏土、③層細砂、④-2層卵石，下部主要為⑥層全風(fēng)化花崗巖，⑥-1層花崗巖球狀風(fēng)化體（孤石），⑦層強風(fēng)化花崗巖，⑨層微風(fēng)化花崗巖，巖層風(fēng)化不均，且存在球狀風(fēng)化體。

定向鉆穿越水平段需要在微風(fēng)化、強風(fēng)化、全風(fēng)化花崗巖巖層通過；考慮到穿越規(guī)范5.1.4要求[1]，最小管頂埋深應(yīng)大于設(shè)計洪水沖刷線以下6 m。因此，河床下管頂最小埋深約為14.6 m。針對復(fù)雜地層分布，分別計算從入土點到出土點各穿越段的沿程回拖力、高程、長度、厚度以及經(jīng)過的地層情況等（見表1），為穿越施工提供參照。

表1　各穿越段地層情況

2　穿越施工難點及風(fēng)險分析

綜合以上地質(zhì)情況，定向鉆穿越龍津溪主要難點及風(fēng)險如下：

（1）導(dǎo)向孔控向困難。在施工過程中，導(dǎo)向孔需連續(xù)穿越黏土層，砂層，微風(fēng)化、強風(fēng)化、全風(fēng)化花崗巖巖層，且中間還存在球狀風(fēng)化體，地層軟硬變化較大，導(dǎo)向孔施工時在軟硬交界面難以控制鉆桿角度[2]，特別是由砂層鉆進至巖層過程中，鉆孔軌跡很難保證圓滑。施工過程中需加強施工勘察，重點勘察球狀風(fēng)化體的分布位置[3]，盡量躲避球狀風(fēng)化體分布區(qū)，并嚴格控制鉆進速度，加強洗孔，保證鉆孔圓滑。

（2）鉆桿嚴重磨損、卡阻和斷裂風(fēng)險。定向鉆穿越⑨層微風(fēng)化花崗巖約32.5 m，該層花崗巖抗壓強度達到120 MPa，定向鉆穿越強度較高的硬巖時擴孔扭矩大，鉆具磨損較為嚴重，易造成鉆桿應(yīng)力疲勞，鉆桿斷裂的風(fēng)險性增大；定向鉆穿越⑥層全風(fēng)化花崗巖、⑦層強風(fēng)化花崗巖共約190 m，巖體破碎且存在球狀風(fēng)化體，在擴孔過程中遇到孤石及大粒徑卵礫石，擴孔器難以破碎，鉆屑粒徑大，對鉆具磨損嚴重，而且極易出現(xiàn)鉆頭跑偏、卡鉆、鉆桿斷裂問題。施工過程中需嚴格控制擴孔次數(shù)和級別，嚴禁擴孔及管道回拖過程冒進；并根據(jù)泥漿攜帶泥渣情況，加強泥漿流量、黏度及洗孔措施控制，嚴格控制鉆進速度等參數(shù)[4]。

（3）管道回拖卡阻風(fēng)險。穿越地層軟硬不均，上部為黏土層及砂層，下部為巖石層，在多級擴孔時擴孔器易下沉，形成S型曲線，導(dǎo)致整個孔產(chǎn)生臺階，回拖時在此位置容易發(fā)生管道卡阻現(xiàn)象，管道回拖難度加大。應(yīng)在擴孔后進行孔質(zhì)量測試或試回拖，減小施工風(fēng)險。

（4）孔壁塌孔風(fēng)險。定向鉆需穿越兩岸細砂層及中砂層，根據(jù)地質(zhì)資料，細砂層及中砂層均為松散～稍密地層，D 1 016 mm管道需擴孔至1 500 mm以上，孔壁穩(wěn)定性差，在擴孔過程中極易形成塌孔，鉆屑堆積在孔底，使得管道回拖時管壁與孔壁摩阻增大，管道回拖力加大。應(yīng)加強泥漿配置和測試管理，保證泥漿質(zhì)量。

（5）泥漿工藝要求高。穿越地層既有黏土、粉土、砂層，又有高硬巖石、碎石。因此要求泥漿一要有良好的流變性，巖石鉆屑粒徑較大，應(yīng)保證有較強的攜帶鉆屑的能力[3]；二要有較低的摩擦系數(shù)；三要有較強的護壁作用。

3　定向鉆穿越施工

龍津溪定向鉆采用FDP660鉆機施工，主管施工為2014年1月25日-4月27日，工期3個月，其中導(dǎo)向孔施工2個月（1月25日-3月17日），擴孔及回拖1個月。以下結(jié)合施工情況進行分析。

3.1導(dǎo)向孔施工階段

導(dǎo)向孔曲線是否圓滑決定了后續(xù)擴孔回拖的成敗，由于球狀風(fēng)化體的存在，在鉆頭鉆進時，一旦遇到球狀風(fēng)化體，會發(fā)生鉆機扭矩異常增大，或者鉆頭跑偏等情況。本工程導(dǎo)向孔施工共進行5次嘗試，前4次均由于鉆頭跑偏，設(shè)計曲線偏離過大而失敗，施工顯示強風(fēng)化花崗巖中可能存在球狀風(fēng)化體，硬度較大，影響鉆頭鉆進。前4次鉆孔受阻情況見表2。

表2　龍津溪導(dǎo)向孔試穿施工受阻情況

由上述可知，每次鉆頭停止位置不同，顯示出球狀風(fēng)化體分布呈隨機性。導(dǎo)向孔施工過程中在遇到球狀風(fēng)化體后，應(yīng)采取變換穿越曲線平面及縱向位置的方式進行試穿調(diào)整，并結(jié)合扭矩、泥漿壓力等判斷球狀風(fēng)化體的位置、大小等情況[6]，再結(jié)合施工勘察進行及時調(diào)整。最終的施工導(dǎo)向孔曲線如圖2所示，與設(shè)計曲線相差不大，經(jīng)分析，施工誤差基本滿足穿越施工規(guī)范要求[7]。

圖2　定向鉆導(dǎo)向孔曲線對比

3.2擴孔階段

大管徑定向鉆穿越擴孔次數(shù)較多，在后期擴孔時容易產(chǎn)生扭矩大、鉆桿斷裂等風(fēng)險。針對此情況，本工程定向鉆穿越采用5級擴孔工序，分別為30 in（1 in= 25.4mm）板式+36 in板式+42 in板式+50 in板式+ 54 in板式。不同擴孔孔徑鉆機扭矩如圖3所示，本工程擴孔階段鉆機扭矩除個別點以外，基本在50kN·m以下，滿足最大扭矩（50 kN·m）控制要求。

圖3　擴孔階段扭矩

根據(jù)各擴孔階段扭矩分析，扭矩峰值大多在44～50 kN·m，主要集中在第29～31及43～44根鉆桿，即距出土點約310 m附近，為全風(fēng)化花崗巖及強風(fēng)化花崗巖交界面位置；以及距出土點約400 m附近，為全風(fēng)化花崗巖與黏土層交界面位置。因此，不同巖層交界面位置為擴孔洗孔的重點，在擴孔及回拖時，應(yīng)對此種位置密切監(jiān)測施工數(shù)據(jù)，并可進行反復(fù)擴孔及洗孔，保證鉆孔圓滑，避免臺階狀態(tài)出現(xiàn)[8]。

3.3回拖階段

回拖時鉆機回拖力的大小反映了擴孔洗孔的質(zhì)量。本工程回拖施工較為順利，但回拖力較大，圖4為鉆機回拖力曲線。

由圖4可知，鉆機最大回拖力為5340kN，扭矩控制在15 kN·m。根據(jù)GB 50423-2007《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》，算得回拖力F=3 480 kN。因此實際回拖力比計算回拖力大50%左右，表明擴孔曲線圓滑型較差，鉆孔內(nèi)有一定的鉆屑堆積。

3.4泥漿參數(shù)控制

3.4.1泥漿配比

在硬巖層中穿越，要求泥漿具有高黏度、高攜帶性[9]，同時又確保一定的流動性，在硬巖層中鉆具磨損較嚴重，要求泥漿又具有良好的潤滑性；冷卻性[10]。本工程泥漿配比采用NaOH（0.3‰）+Na2CO3（0.3‰）+CMC（0.6‰），CMC主要起到提黏及降失水的作用，當(dāng)擴孔外徑＜50 in時，擴孔時泥漿黏度在95～100 s，當(dāng)擴孔外徑≥50 in時，擴孔、洗孔及回拖時泥漿黏度控制在120～130 s。

圖4　管道回拖階段鉆機回拖力

3.4.2泥漿壓力及流量控制

破碎巖層中鉆屑粒徑較大，需要盡量增加泥漿壓力及流量，確保鉆屑能夠及時被帶出地表。擴孔階段的泥漿壓力控制在9 MPa，管道回拖階段控制在7 MPa，泥漿流量3.6～4.4 m3/min。表3為擴孔階段所需泥漿排量，由表3可知，當(dāng)擴孔外徑＜50 in時，實際泥漿排量均大于計算值；當(dāng)擴孔外徑為54 in時，實際泥漿排量小于計算值，表明施工時泥漿排量略顯不足，應(yīng)適當(dāng)增加泥漿排量，以利于孔底鉆屑的帶出。

表3　擴孔階段泥漿排量計算

龍津溪定向鉆主管于2014年4月27日回拖完畢，回拖過程較為順利，但管道回拖力較大，主管防腐層發(fā)生損傷。后采用開挖方式對存在漏點的部分管段進行了補傷，并對管道進行漏磁內(nèi)檢測和外防腐層檢測及評估，在管道增加犧牲陽極等措施后，評估結(jié)果認為管道可安全運行。主管防腐層的損傷表明，定向鉆穿越強風(fēng)化花崗巖地層，仍然存在較大的安全風(fēng)險。

4　結(jié)束語

在強風(fēng)化花崗巖層中進行大管徑的定向鉆穿越施工，需要合理的穿越地層設(shè)計，充分預(yù)估穿越施工風(fēng)險，并在施工中采取相應(yīng)的解決措施。對類似地層定向鉆穿越給出以下幾點建議：

（1）加強施工勘察，掌握穿越地層地質(zhì)特性。強風(fēng)化花崗巖具有風(fēng)化不均以及球狀風(fēng)化體分布不規(guī)律的特點，地層分布差異性較大。在設(shè)計階段應(yīng)加強穿越方案風(fēng)險論證分析，提前預(yù)估穿越難點，并在施工階段重點針對部分高風(fēng)險地段開展施工勘察，盡可能確定球狀風(fēng)化體分布情況。

（2）在含球狀風(fēng)化體的花崗巖中施工，應(yīng)重視導(dǎo)向孔穿越施工。龍津溪主管導(dǎo)向孔穿越失敗了多次，其中均可能遇到了球狀風(fēng)化體，施工中應(yīng)重點加強導(dǎo)向孔過程中的鉆機扭矩等參數(shù)控制，發(fā)現(xiàn)扭矩過大時（超過50 kN·m），及時調(diào)整導(dǎo)向孔位置及方向。

實踐證明，在合理分析地質(zhì)資料，充分預(yù)估穿越風(fēng)險，合理組織施工的情況下，此次強風(fēng)化花崗巖定向鉆穿越為一次較成功的嘗試。

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Study of Design and Construction in L arge Diameter Pipeline Crossing Strong Weathered Granite with DirectionalDrilling

YOU Weixing，LIU Yandong
China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China

In the project of a certain natural gas pipeline crossing Longjinxi River in Zhangzhou City，F(xiàn)ujian Province，with horizontaldirectional drilling（HDD），the pipeline diameter is 1 016 mm.The crossing strata consist mostly of completely or strongly weathered granite，and also spherical weathered granite.The article expounds the difficulties in the design and construction of Longjinxi River HDD crossing project，and proposes construction risk control measures，including several trial drillings of pilot hole，five times of expanding hole，controlling drilling machine torque，slurry pressure and flow rate. Also it introduces the treatment of damaged pipe section coating.Finally，it gives some suggestions for HDD crossing in similar strata.

strong weathered granite；crossing；horizontaldirectionaldrilling；pipeline

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.05.017

尤偉星（1981-），男，河北張家口人，工程師，2005年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)土木工程專業(yè)，現(xiàn)從事油氣管道穿跨越設(shè)計工作。

Email：349922860@qq.com

2016-03-12