張 慶， 鄒 軍， 趙玉落， 余亦斌

(1.武漢市燃?xì)鉄崃σ?guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢430019;2.中石油昆侖燃?xì)庥邢薰緦幭姆止?，寧夏銀川750021)

1 概述

目前國內(nèi)輸氣管道在穿越大型河流時(shí)多采用水平定向鉆的方式進(jìn)行穿越，該技術(shù)已趨成熟，穿越長度、穿越復(fù)雜地層不斷刷新記錄。但受地形、地貌以及河流特殊地質(zhì)等條件的影響，水平定向鉆也存在一些技術(shù)難題，特別是長距離穿越卵石、圓礫地層就是一大難題。本文以某工程采用水平定向鉆穿越湘江為例，對(duì)解決上述難題的關(guān)鍵技術(shù)套管隔離卵石層、定向鉆雙向?qū)︺@中間對(duì)接、配置專用泥漿穿越圓礫層等方面進(jìn)行分析和探討。

2 工程概況

某輸氣管道在湖南省境內(nèi)穿越湘江，湘江河面寬約1 090 m。輸氣管道公稱直徑為400 mm，設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa，定向鉆穿越水平長度為1 408 m，管道穿越深度位于河床以下30～40 m。

2.1 工程地質(zhì)條件

擬穿越湘江河段勘察深度范圍內(nèi)工程地質(zhì)剖面見圖1，圖1中標(biāo)高單位為m。該地質(zhì)對(duì)水平定向鉆穿越適宜性較差。

由圖1可知,穿越西岸和東岸均有不同深度的卵石層，西岸卵石層埋深約27 m，垂直厚度約為8 m；東岸卵石層埋深約10 m，垂直厚度約為5 m。卵石層粒徑2～20 mm的礫石體積分?jǐn)?shù)為20%左右，粒徑2～5 cm的卵石體積分?jǐn)?shù)為40%～50%，少數(shù)粒徑達(dá)7～8 cm；卵石母巖成分主要為石英質(zhì)砂巖、硅質(zhì)巖和砂巖等，膠結(jié)性差，級(jí)配較差。圓礫層粒徑2～20 mm的礫石體積分?jǐn)?shù)為30%～50%，粒徑2～5 cm的卵石體積分?jǐn)?shù)為10%～20%，極個(gè)別最大粒徑達(dá)7～8 cm，中粗砂體積分?jǐn)?shù)約30%，膠結(jié)性差，級(jí)配差。

圖1 工程地質(zhì)剖面

2.2 穿越風(fēng)險(xiǎn)

為滿足穿越管段曲率半徑要求，并避免后期可能出現(xiàn)的采砂、拋錨或其他因素的影響，穿越水平段埋設(shè)在第6層圓礫層較為合理，管頂最小埋深約30.2 m。

穿越上述不良地質(zhì)場(chǎng)地會(huì)給定向鉆穿越帶來較大風(fēng)險(xiǎn)，故在項(xiàng)目前期經(jīng)過多方面的技術(shù)論證和方案比選。本次實(shí)施的穿越風(fēng)險(xiǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

① 卵石層厚度大、埋深大，夯管長度大。為解決水平定向鉆穿越卵石層無法成孔的問題，采用夯套管隔離卵石層的方式，西岸入土端套管長度達(dá)154 m，東岸出土端套管長度為68 m。

② 水域穿越長度大，導(dǎo)向孔方向控制難度大。從西岸入土點(diǎn)到東岸出土點(diǎn)，穿越水平長度達(dá)1 408 m，且穿越地層復(fù)雜，主要為卵石層、中砂層、圓礫層。

穿越兩岸均需設(shè)置鋼套管隔離卵石層，鋼套管對(duì)定向鉆地磁場(chǎng)影響非常大；且湘江為二級(jí)通航河流，穿越設(shè)計(jì)曲線附近船舶航行及拋錨頻繁，均會(huì)對(duì)定向鉆磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致定向鉆導(dǎo)向孔方向控制難度大。

③ 圓礫層礫石含量高，導(dǎo)向孔成型難度大；穿越長度大，穿越風(fēng)險(xiǎn)高。本工程圓礫層礫石、卵石總體積分?jǐn)?shù)達(dá)40%～70%，膠結(jié)性差，級(jí)配差，導(dǎo)向孔成型難度大，且穿越管道有820 m需穿越圓礫層，穿越風(fēng)險(xiǎn)高。

輸氣管道穿越湘江剖面見圖2，圖中套管外直徑均為1 016 mm。

圖2 輸氣管道穿越湘江剖面

3 定向鉆穿越關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 套管隔離卵石層

目前國內(nèi)定向鉆穿越卵石層常用的技術(shù)處理措施[1]主要為開挖換填法、注漿固化法和套管隔離法等。

開挖換填法是將兩岸所要穿越的卵石層挖除后，密實(shí)回填一種定向鉆更適合的土質(zhì)(如黏土)，再進(jìn)行鉆孔和回拖，該方法主要適用于卵石層埋深較淺、地下水位較低、地質(zhì)良好的地段。

注漿固化法是采用水泥砂漿注漿，使卵石層固化成一個(gè)整體，然后再進(jìn)行定向鉆施工穿越，該方法最大風(fēng)險(xiǎn)在于固化土體仍然軟硬不均，鉆頭鉆進(jìn)困難，且注漿對(duì)環(huán)境影響較大。

套管隔離法主要是采用夯管錘將套管沿一定角度(一般為定向鉆鉆桿鉆進(jìn)角度)夯進(jìn)到一定長度(穿越過卵石層)，起到將卵石層隔離的作用。夯管錘在壓縮空氣驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的較大沖擊力直接作用在套管后端，傳遞到套管前端的鋼質(zhì)切削管頭切入土體，并克服土層與套管的摩擦力，使套管不斷進(jìn)入地層。被切削的土芯進(jìn)入套管內(nèi)，然后采用人工、攪籠、水力沖擊等方法進(jìn)行土芯清除，從而完成套管隔離卵石層的目的。然后主管道在套管內(nèi)進(jìn)行定向鉆鉆進(jìn)，從而完成整個(gè)定向鉆穿越過程。

本工程鑒于卵石層埋深較深、地下水位較高、距離湘江較近，采用套管隔離卵石層的方法比較穩(wěn)妥。本次夯進(jìn)距離太長，夯進(jìn)過程中采用觸變泥漿、石蠟等減阻技術(shù)，確保工程順利實(shí)施。

根據(jù)套管內(nèi)直徑宜大于最后一級(jí)擴(kuò)孔直徑300 mm的原則，套管選用外直徑為1 016 mm、壁厚26.2 mm、材質(zhì)為L485M(X70)的直縫雙面埋弧焊鋼管。定向鉆入土端卵石層埋深最深、厚度最大，所需套管最長。入土端選擇13°入土角，套管長154 m。

根據(jù)夯管錘最大夯進(jìn)力計(jì)算公式[2]，計(jì)算得到本工程夯管錘最大夯進(jìn)力為12 833 kN，考慮設(shè)備1.5～2倍的安全系數(shù)，夯管錘最大夯進(jìn)力按2×104kN考慮。本工程所選TT600型夯管錘主要技術(shù)參數(shù)見表1,其中壓縮空氣最大壓力達(dá)到0.8 MPa時(shí),可瞬間產(chǎn)生2.5×104kN/次的夯擊力。

表1 TT600型夯管錘主要技術(shù)參數(shù)

本工程西岸定向鉆入土端夯管于2019年11月20日開工，12月16日結(jié)束，歷時(shí)27 d。套管長154 m，平均夯進(jìn)速度為18～24 m/h，套管內(nèi)土芯采用人工清除方式，耗時(shí)較長。隔離套管夯管順利，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果。

3.2 定向鉆雙向?qū)︺@中間對(duì)接技術(shù)

傳統(tǒng)水平定向鉆單向穿越施工中，由于受到穿越地層的阻力，鉆機(jī)的推進(jìn)力和扭矩增大，尤其是在長距離、復(fù)雜地質(zhì)、穿越兩端安裝鋼套管等情況下，定向鉆穿越導(dǎo)向孔方向控制會(huì)變得非常困難，尤其是鋼套管對(duì)定向鉆地磁場(chǎng)影響非常大，經(jīng)常造成導(dǎo)向孔與設(shè)計(jì)穿越曲線偏移，以及鉆頭難以抬頭的情況，造成施工風(fēng)險(xiǎn)甚至安全事故。因此在本工程的水平定向鉆穿越中，傳統(tǒng)單向穿越的局限性已無法保證穿越的成功率，需要采用更先進(jìn)的雙向?qū)︺@中間對(duì)接技術(shù)解決工程難題。

雙向?qū)︺@中間對(duì)接技術(shù)[3]是在水平定向鉆單向穿越技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，在穿越出、入土點(diǎn)各設(shè)置一臺(tái)鉆機(jī)，兩臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)按設(shè)計(jì)穿越曲線進(jìn)行導(dǎo)向孔施工，采用更加精準(zhǔn)的人工磁場(chǎng)導(dǎo)向控向，增大穿越的成功率。本次定向鉆穿越入土點(diǎn)鉆機(jī)HK-450作為主施工鉆機(jī)，出土點(diǎn)鉆機(jī)HK-300作為輔助施工鉆機(jī)，采用Paratrack II控向系統(tǒng)和磁信號(hào)電纜，對(duì)接點(diǎn)設(shè)置在與入土點(diǎn)水平距離約800 m處，對(duì)接點(diǎn)前、后50 m范圍內(nèi)為對(duì)接區(qū)域。輔助鉆機(jī)抵達(dá)對(duì)接區(qū)域時(shí)，啟動(dòng)鉆頭短節(jié)內(nèi)安裝的目標(biāo)磁鐵，引導(dǎo)主鉆機(jī)的鉆頭鉆進(jìn)。兩臺(tái)鉆機(jī)相互協(xié)調(diào)工作，直至主鉆機(jī)的探頭與輔助鉆機(jī)的目標(biāo)磁鐵碰頭，即完成導(dǎo)向孔的對(duì)接。對(duì)接成功后，輔助鉆機(jī)逐步回退鉆桿，同時(shí)，主鉆機(jī)一邊采集輔助鉆機(jī)目標(biāo)磁鐵的磁信號(hào)，一邊利用采集的磁信號(hào)控制鉆進(jìn)方向，使之逐步向輔助鉆機(jī)已形成的導(dǎo)向孔平緩趨進(jìn)，直至沿輔助鉆機(jī)已完成的導(dǎo)向孔出土，完成整個(gè)導(dǎo)向孔的穿越。

3.3 定向鉆穿越圓礫層的技術(shù)措施

根據(jù)目前國內(nèi)水平定向鉆穿越的技術(shù)水平，適合采用定向鉆穿越的地層有：粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂層、中砂層、較完整且天然單軸抗壓強(qiáng)度小于80 MPa的巖石層、粒徑2 mm以上顆粒體積分?jǐn)?shù)小于30%的礫砂層。穿越有一定難度和風(fēng)險(xiǎn)，但采取措施可以穿越的地層有：松散狀砂土、粗砂層、粒徑2 mm以上顆粒體積分?jǐn)?shù)為30%～50%但膠結(jié)較好的礫砂層。不應(yīng)長距離穿越的地層有：卵石層、礫石層、粒徑2 mm以上顆粒體積分?jǐn)?shù)為30%～50%但膠結(jié)差的礫砂層。

本工程圓礫層中礫石、卵石總體積分?jǐn)?shù)為40%～70%，膠結(jié)差，已超出目前國內(nèi)傳統(tǒng)定向鉆穿越水平，穿越風(fēng)險(xiǎn)更高。長距離穿越圓礫層會(huì)給定向鉆穿越帶來的風(fēng)險(xiǎn)：穿越圓礫層時(shí)，導(dǎo)向孔成型難度大，鉆頭很難按照預(yù)定軌跡行進(jìn)，偏離設(shè)計(jì)曲線；擴(kuò)孔時(shí)，較大粒徑的礫石坍塌，擴(kuò)孔器易被卡??；鉆具無法將孔內(nèi)活動(dòng)的碎石有效磨碎利用循環(huán)泥漿排出孔外，孔內(nèi)有效空間縮小，回拖時(shí)孔內(nèi)管道與鉆屑會(huì)相互擠壓，導(dǎo)致回拖力加大，造成管道變形、防腐層破壞，甚至回拖不動(dòng)造成穿越失敗。本文針對(duì)圓礫層這種復(fù)雜地質(zhì)配置專用優(yōu)質(zhì)泥漿，確保成孔性能，防止塌孔、鉆屑堆積、卡鉆等事故的發(fā)生。同時(shí)為防止定向鉆回拖中損傷管道防腐層，在管道外壁裹覆CND光敏固化玻璃鋼保護(hù)套，解決防腐層保護(hù)問題。

3.3.1 泥漿

① 泥漿性能

a.良好的剪切稀釋性。在鉆頭泥漿噴射孔處剪切速率高，泥漿變稀，能夠充分發(fā)揮鉆頭的鉆進(jìn)能力，有利于提高破巖效率；在環(huán)形空間內(nèi)剪切速率低，泥漿變稠，能夠充分懸浮鉆進(jìn)或擴(kuò)孔過程中產(chǎn)生的大顆粒鉆屑，有利于提高攜帶效率。

b.良好的觸變性。在泥漿泵停止循環(huán)時(shí)，泥漿切力增大，有利于鉆屑懸浮，避免在鉆孔底部形成巖屑床，影響鉆孔施工質(zhì)量及安全。

c.在成孔不穩(wěn)定段采用高固相高性能泥漿，增強(qiáng)泥漿結(jié)構(gòu)力，以提供極大的孔壁支撐能力。

d.良好的濾失性和護(hù)壁性能。由于地層易水化和成孔的不穩(wěn)定性，減少泥漿的濾失量和提高泥漿的護(hù)壁性能有助于解決泥包現(xiàn)象和孔壁坍塌現(xiàn)象。

② 泥漿組成和性能指標(biāo)

泥漿主要組成材料為膨潤土、純堿、燒堿、提粘降濾失劑和水，膨潤土、純堿、燒堿、提粘降濾失劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4%、0.05%、0.1%、1.25%。各材料功效：膨潤土：提高動(dòng)切力、靜切力，控制失水；純堿、燒堿：調(diào)節(jié)pH值，去除鈣鎂離子；提粘降濾失劑：提高靜置懸浮能力，提高泥漿孔壁支撐力，降低泥漿濾失量，解除鉆具泥包現(xiàn)象。

泥漿濾失量<10 ml, pH值≥11,含砂量(體積分?jǐn)?shù))<3%。

③ 泥漿性能監(jiān)測(cè)

為了隨時(shí)監(jiān)測(cè)泥漿性能，成立現(xiàn)場(chǎng)泥漿實(shí)驗(yàn)室，配備了泥漿旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、含砂量測(cè)量儀、漏斗黏度計(jì)等測(cè)量器具，用于測(cè)量泥漿的性能參數(shù)。施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)漿罐中泥漿監(jiān)測(cè)周期為2 h，返漿口和經(jīng)固控回收系統(tǒng)(通過振動(dòng)篩、旋流除砂器、離心機(jī)等固控裝置，充分去除泥漿中的無用固相，保證泥漿可以循環(huán)再利用)處理后的返漿監(jiān)測(cè)周期為4 h。根據(jù)泥漿性能監(jiān)測(cè)結(jié)果，當(dāng)泥漿性能下降較快時(shí)應(yīng)加密監(jiān)測(cè)頻率，通過漏斗添加適量泥漿主要組成材料調(diào)節(jié)泥漿性能，直至泥漿達(dá)到正常性能要求。

3.3.2 CND光敏固化玻璃鋼保護(hù)套

圓礫層中礫石含量較高，粒徑較大，極個(gè)別最大粒徑達(dá)7～8 cm。為防止定向鉆回拖中損傷管道防腐層，采用管道防腐層外壁裹覆CND光敏固化玻璃鋼保護(hù)套。CND光敏固化玻璃鋼是環(huán)氧-聚氨酯光敏樹脂膠與玻璃絲布在高溫下浸潤24 h以上形成，材料結(jié)構(gòu)組成為2層玻璃絲布+2層布?xì)謴?fù)合編織增強(qiáng)纖維+5層環(huán)氧-聚氨酯光敏樹脂膠。作為穿越管道的最外層保護(hù)，其具有高強(qiáng)度、高硬度、耐劃傷、抗陰極剝離的優(yōu)異性能。CND光敏固化玻璃鋼主要技術(shù)性能指標(biāo)見表2。

表2 CND光敏固化玻璃鋼主要技術(shù)性能指標(biāo)

CND光敏固化玻璃鋼保護(hù)套裹覆施工簡(jiǎn)單，其內(nèi)側(cè)顯示黑色膜，外側(cè)顯示透明膜，黑色膜面朝向管道，透明膜面朝外包裹在管道上，在陽光或紫外線燈照射下，20～30 min即可使CND光敏固化玻璃鋼完全固化。