楊德水

中油遼河工程有限公司油氣管道所，遼寧盤錦 124010

小凌河卵石地層的定向鉆穿越

楊德水

中油遼河工程有限公司油氣管道所，遼寧盤錦 124010

盤錦一錦西石化輸油管道采用定向鉆穿越小凌河卵石地層，施工中遇到了卵石地層孔和定向鉆控向困難問題。文章介紹了采用卵石地層的水泥樁固化方案解決卵石層孔困難，采用有線、無線兩種控向技術(shù)同時(shí)實(shí)施的方案解決定向鉆控向困難的施工技術(shù)。該技術(shù)的實(shí)施取得了定向鉆出土偏差 0.5 m，軸向偏差 1.0 m 的好效果。相對于大開挖穿越技術(shù)，定向鉆穿越卵石地層技術(shù)縮短施工工期 60 d以上，節(jié)約施工投資 300 多萬元。

輸油管道；定向鉆穿越；卵石地層；成孔；控向；施工技術(shù)

0 引言

水平定向鉆穿越技術(shù)作為管道建設(shè)的一種非常重要的非開挖技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于道路、湖泊、沼澤、森林、江河、古跡保護(hù)區(qū)、水源地和環(huán)境保護(hù)區(qū)等不允許或不能開挖條件下的管道穿越。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，該技術(shù)越來越成熟，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對地層的適應(yīng)性也越來越強(qiáng)。在施工中穿越的地層不盡相同，穿越卵石地層一直是世界性的難題，通常采取需要耗費(fèi)大量人力和物力的大開挖施工方式。本文介紹了盤錦—錦西石化輸油管道小凌河卵石地層的定向鉆穿越施工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，希望為今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

盤錦—錦西石化輸油管道在凌海市雙羊鎮(zhèn)京沈高速公路的上游 160 m 處穿越小凌河，設(shè)計(jì)穿越長度 500 m。管道采用螺旋縫埋弧焊鋼管，設(shè)計(jì)壓力 4.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度 80℃，材質(zhì) L360，規(guī)格 D 426 mm × 8 mm，采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫黃夾克保溫防護(hù)結(jié)構(gòu)，保溫層厚度50 mm，黃夾克厚度 3.5 mm。

小凌河穿越處兩側(cè)地勢高程變化較大，河道的東側(cè)為旱田地，河道的西側(cè)為防護(hù)林，河道兩岸與河道高程差達(dá) 9 m，并且管道穿越層為卵石地層，這給管道的穿越施工帶來了較大的困難。

2 工程地質(zhì)和水文條件

擬建場區(qū)在勘探孔揭露深度范圍內(nèi)，地層由上到下的分布如下：

①層粉質(zhì)黏土：黃褐色，軟塑～可塑狀態(tài)，無搖振反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度韌性中等，局部為黏土、粉土；表層部分為耕植土，含有大量植物根，局部含有腐殖質(zhì)及炭屑。該層大部分地區(qū)有所揭露，主要分布在河道兩岸，揭露厚度為 3.20 ～ 6.60 m。

②層細(xì)沙：黃褐色，主要呈稍密～中密狀態(tài)，河灘表層部分為粉砂，夾薄層粉質(zhì)黏土，局部為中砂。該層大部分在河道東分布，揭露層底板埋深為 3.50 ～ 8.20 m，揭露厚度為 1.00 ～5.20 m。

③層圓礫夾中砂：黃褐色，磨圓較好，主要呈中密～密實(shí)狀態(tài)，含有少量黏性土，局部為卵石，直徑2 ～ 4 cm。該層大部分地區(qū)都有揭露，揭露層底板埋深為 6.70 ～ 16.50 m，揭露厚度為 1.00 ～ 9.00 m。

④層卵石夾粗砂：灰色，黃褐色，磨圓較好，密實(shí)狀態(tài)，卵石孔隙中充填粗砂和圓礫，局部填充為黏性土。本層分布連續(xù)，揭露層底板埋深為 15.20 ～ 24.60 m，揭露厚度為 3.70 ～ 12.30 m。

⑤層強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：黃褐色，呈砂土狀，隨勘探孔加深呈碎片狀。該層分布連續(xù)，層底板埋深17.40～26.60 m，揭露厚度為 1.20 ～ 3.40 m。

⑥層中風(fēng)化花崗巖：黃褐色，呈碎片狀，隨勘探孔加深呈短柱狀，節(jié)理裂隙發(fā)育。該層分布連續(xù)，勘探深度范圍內(nèi)未揭穿該層，層頂板埋深為 17.40 ～ 26.60 m，最大揭露厚度為 12.60 m。

穿越的主體地層主要為圓礫夾中砂層，該層主要含有卵石，直徑較大，含量較高，礫石直徑 2.5 ～ 6.0 cm，比例為 92%，地下水豐富，河灘 0.6 m 見水。復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和較高的地勢差給施工帶來了很大困難。

3 施工工藝流程及存在的困難

水平定向鉆施工工藝主要包括:鉆導(dǎo)向孔、擴(kuò)孔、管道回拖就位等。本工程存在的主要困難有：

(1) 卵石地層成孔困難。小凌河穿越處地質(zhì)為卵石地層，卵石含量高，直徑大，目前尚無穿越的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，因此其成為本工程水平定向鉆施工的主要困難。

(2) 定向鉆控向困難。讓鉆頭沿著設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行導(dǎo)向擴(kuò)孔，一旦定向鉆導(dǎo)向孔控向發(fā)生偏差，離開了已形成半固化的泥漿帶，則意味著定向鉆孔的失敗，因此鉆導(dǎo)向孔時(shí)的定向精確程度是決定定向鉆成功與否的又一關(guān)鍵因素。

4 解決施工困難的技術(shù)措施

4.1 卵石地層定向鉆成孔技術(shù)

卵石地層定向鉆穿越的成孔技術(shù)是本工程首先需要解決的問題，通過研究國內(nèi)外定向鉆穿越的案例發(fā)現(xiàn)，定向鉆穿越技術(shù)廣泛應(yīng)用于巖石地層中。受此啟發(fā)，我們提出了卵石層穿越的地層固化方案，即通過向卵石地層中注入水泥漿對卵石層進(jìn)行固化，使該固化卵石層具有巖石地層的特征，而后再采用水平定向鉆進(jìn)行穿越施工。

經(jīng)過研究、試驗(yàn)和探索，采取了以下技術(shù)措施：將素水泥漿用懸噴機(jī)注入地下，在穿越軸線的迎水面打一排水泥樁，水泥樁固結(jié)后在地下形成了一面擋墻，該擋墻一方面擋住了地下水，另一方面也固結(jié)住了高含卵石的土層，防止鉆機(jī)鉆孔時(shí)塌孔。

先標(biāo)識(shí)定向鉆穿越的入土點(diǎn)、出土點(diǎn)及穿越中線，而后以管道穿越小凌河中心線為基準(zhǔn)，向兩側(cè)各 2 m 放出混凝土固化體的寬度邊線；再以主河道中點(diǎn)為基準(zhǔn)，向兩側(cè)各 100 m 放出混凝土固化體的長度邊線。

固化體的結(jié)構(gòu)由兩側(cè)擋墻樁 + 中間填充樁組成。第一步先施工兩側(cè)擋墻樁，以保證整體施工質(zhì)量。擋墻樁單一樁規(guī)格為 D 500 mm，相鄰兩樁部分重疊，其中心間距 300 mm，深度 7m。第二步施工填充樁，填充樁單一樁規(guī)格為 D 500 mm，相鄰兩樁為套樁，其中心間距 400 mm，深度 7 m。全線共完成 3 100 個(gè)水泥樁，具體情況見圖1和圖2。

圖1 水泥樁布置平面示意

4.2 卵石層定向鉆控向技術(shù)

在定向鉆穿越施工過程中，為了保證鉆頭與設(shè)計(jì)軌跡一致，采取了有線、無線兩種控向技術(shù)同時(shí)實(shí)施的方案，定向鉆出土偏差 0.5 m，軸向偏差 1.0 m，保證了整個(gè)回拖曲線完全處于設(shè)計(jì)的施工段固化體內(nèi)。

圖2 水泥樁布置豎向示意

5 施工過程

5.1 水泥樁施工

用清水泵將清水打入1#泥漿罐，而后加入 32.5 級水泥攪拌約 5 min，再用泥漿泵將1#罐水泥漿打入2#泥漿罐，再次攪拌約 5 min 后待用。根據(jù)噴粉樁機(jī)的工作情況，采用高壓注漿泵通過軟管、鉆桿將水泥漿注入到井孔中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)井孔內(nèi)上水時(shí)，立即注入阻水型快速固化水泥，以保證水泥漿迅速固化而不被水沖走，實(shí)現(xiàn)水中作業(yè)。主要施工工藝流程如圖3所示。

圖3 水泥漿施工工藝流程

經(jīng)歷兩個(gè)多月，使用一臺(tái) PH-5 型噴粉樁機(jī)和一臺(tái)水泥漿攪拌輸送車，完成了規(guī)格為 D500 mm 的 3100 個(gè)水泥樁施工，固化區(qū)長 200 m，寬 4 m，高 7 m。

5.2 水平定向鉆穿越施工

5.2.1 導(dǎo)向孔施工

2010年8月3日，鉆機(jī)等設(shè)備開始進(jìn)場調(diào)試備用，由于考慮到地質(zhì)情況復(fù)雜，因此首先啟動(dòng)鉆機(jī)試鉆，而后注入泥漿試鉆了 2 ～ 3 根鉆桿，等一切正常后開始正式鉆進(jìn)施工。

使用的設(shè)備為一臺(tái)上海產(chǎn)的 GD5000-L 水平鉆機(jī)，配備了一套巖石鉆進(jìn)機(jī)具用的擴(kuò)孔器。導(dǎo)鉆機(jī)具組合為 D 241 mm（9 1/2in）巖石鉆頭 ＋ 螺桿 ＋ 無磁鉆鋌（內(nèi)裝控向探頭）＋ D 140 mm（5 1/2 in）鉆桿。8月3日14：38 開鉆導(dǎo)向孔，8月19日15：25 出土，經(jīng)調(diào)整處理，導(dǎo)向孔橫向右偏 0.5 m，軸向正偏 1 m。

5.2.2 預(yù)擴(kuò)孔、洗孔

根據(jù)鉆機(jī)和地層結(jié)構(gòu)情況，確定該工程采用7級擴(kuò)孔，1 ～ 7 級擴(kuò)孔分別采用 D 350 、D 400 、D 450 、D550 、D650 、D700 、D800 mm 的巖石擴(kuò)孔器擴(kuò)孔，為了保證管道回拖順利，用 D800 mm 的擴(kuò)孔器洗孔 3 次。

5.2.3 管道回拖施工

8月30日，擴(kuò)孔、洗孔全部完成后開始回拖，回拖機(jī)具組合為鉆機(jī) ＋ 鉆桿 ＋ D700 mm 巖石擴(kuò)孔器 ＋ 旋轉(zhuǎn)接頭 ＋ U型環(huán) ＋ 回拖頭 ＋ 穿越管道，一次回拖成功。

6 結(jié)束語

本工程管道定向鉆穿越卵石地層的成功，為復(fù)雜地質(zhì)條件的管道穿越提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，與采用大開挖穿越施工技術(shù)相比縮短了施工工期60多天，并節(jié)省了施工投資 300 多萬元。

[1]GB 50423-2007，油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

[2]劉彬，王永波.XX河定向鉆穿越卵礫石地層施工技術(shù)淺析[J].非開挖技術(shù)，2011，（2）：44-46.

[3]李朝儀，唐學(xué)鈁，葉文建.水平定向鉆進(jìn)技術(shù)在砂卵礫石層中的成功應(yīng)用 [J].天然氣工業(yè)，2009，29（12）：87-89.

[4]王海，趙宏生.定向鉆穿越破碎巖層和斷裂帶的施工技術(shù) [J].石油工工程建設(shè)，2011，（6）：41-44.

Pieline Crossing Xiaoling River by Directional Drilling in Gravel Stratum

Yang Deshui
China Liaohe Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Panjin 124010,China

The problems of difficult hole forming and directional control are encountered in Panjin-Jinxi Oil Pipeline crossing XiaoLinghe River by diretional drilling in gravel stratum.So that the improvememt construction method is put forward to solve these problems,which include solidifying gravel stratum with control piles to solve difficult hole forming problem and using both wired and wireless directional control techniques to solve difficult directional control problem.Applying this construction method gets good results:the deviation at the exit hole is 0.5 m and the axial deviation is 1.0 m.Comparing with the Large excavation technique,this method shortens more than 60 days in construction period,and saves more than 3000 kilo yuan RMB in construction investment.

oil pipeline;directional drilling crossing;gravel stratum;hole forming;directional control;construction technology

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.011

楊德水（1980-），男，山東鄆城人，工程師，2004年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)從事油氣管道設(shè)計(jì)工作。

2012-11-10