祁小偉 王風(fēng)雷 李長才 李松 冒乃兵

摘 要：山區(qū)地形較為復(fù)雜，一般具有高差起伏大、坡勢陡、平坦地勢少、地質(zhì)情況復(fù)雜等特征。隨著水平定向鉆技術(shù)的快速發(fā)展，山區(qū)定向鉆穿越的難題一一攻克[1]，但同時也提出了更高的要求。本文結(jié)合云南天然氣管道騰沖支線龍川江穿越工程，對大落差地形、高硬度破碎巖層定向鉆技術(shù)進(jìn)行了分析探討，為今后類似定向鉆施工提供一些參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：水平定向鉆穿越;大落差;高硬度破碎巖層;回拖

近年來，隨著我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，山區(qū)管道建設(shè)得到了迅速發(fā)展。山區(qū)的特殊地形、復(fù)雜地質(zhì)也為定向鉆穿越施工帶來了很大的難度[2]。云南天然氣管道騰沖支線龍川江穿越工程，地形落差大[3]、工程地質(zhì)復(fù)雜[3]，施工過程中對所遇的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析，對相應(yīng)技術(shù)難點(diǎn)采取針對性的應(yīng)對措施，保證了龍川江穿越工程施工的順利完成。

1 項(xiàng)目概況

云南天然氣管道騰沖支線龍川江穿越地段位于保山市騰沖縣與龍陵縣交界處的八灣田村附近，穿越段管線設(shè)計(jì)壓力為6.3MPa，鋼管采用Φ219.1×6.3mm L245 直縫高頻電阻焊鋼管。穿越設(shè)計(jì)起、終點(diǎn)樁號：TC1044、TC2001，定向鉆穿越入土點(diǎn)位于西岸，距西岸外大堤約137m;出土點(diǎn)位于東岸，距東岸外大堤約219m。定向鉆曲率半徑為1500D，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：入土角20°，出土角13°。河床底的最小管頂埋深約為 14m，管底設(shè)計(jì)標(biāo)高約為1096.3m。穿越段管道水平長度為811m、曲線實(shí)長為839m。

2工程地質(zhì)

根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖上所揭示的地層，穿越管線主要在高黎貢山群強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖層穿越。其特性如下：

花崗片麻巖：強(qiáng)風(fēng)化，灰白色、灰色，巖石結(jié)構(gòu)及構(gòu)造大部分破壞，僅具原巖外現(xiàn)，呈變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，亦可見條帶狀構(gòu)造，主要礦物成分為長石、石英、云母片等，可見巖體傾角約為45°～50°，巖體破碎，巖石節(jié)理裂隙很發(fā)育，結(jié)構(gòu)面約3～5 組，結(jié)構(gòu)面間距0.4～0.2m，局部小于0.2m，結(jié)合程度一般～較差，巖體呈差異性風(fēng)化，致巖石軟硬不均，局部鉆進(jìn)困難，巖芯破碎，呈碎塊狀（30～50mm）、散體狀，少量短柱狀（100～200mm），鉆探進(jìn)尺較慢， RQD=0%～30%，巖石軟硬相間，單軸抗壓強(qiáng)度離散性較大，巖石質(zhì)量差，巖體基本質(zhì)量指標(biāo)Ⅳ級。該層場區(qū)內(nèi)廣泛分布，所有鉆孔均有揭露，揭露層厚 30.10～84.80m，鉆探未揭穿該層。

3工程主要難點(diǎn)

3.1出、入土點(diǎn)落差大

龍川江穿越工程入土點(diǎn)高程1214.3，出土點(diǎn)高程1163，兩岸落差51.3米。

3.2泥漿循環(huán)困難

由于兩側(cè)落差較大，導(dǎo)向孔完成后的孔內(nèi)泥漿循環(huán)存儲影響很大，泥漿無法在孔內(nèi)有效循環(huán)存留易造成巖屑沉積[4]。

3.3管道防腐層的保護(hù)

破碎巖層對管道防腐層容易造成破壞，需要對管道防腐層加以保護(hù)。

4施工工藝

4.1設(shè)備選擇

根據(jù)國內(nèi)、外的經(jīng)驗(yàn)，一般設(shè)計(jì)時取回拖力的值為計(jì)算回拖力的1.5-3倍，根據(jù)本工程施工條件，取3倍的安全系數(shù)，設(shè)計(jì)回拖力取值為不小于414KN，選取回拖力大于414KN的鉆機(jī)。龍川江穿越工程選用GD-380鉆機(jī)（430KN）。

4.2鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算

根據(jù)多年的施工實(shí)踐總結(jié)，5″鉆桿在通常情況下鉆導(dǎo)向孔的距離都能超過1300米，按照5 ″鉆桿能穿越1300米的施工能力進(jìn)行反推，可以推算出結(jié)合使用5 ″、5-1/2 ″、6-5/8 ″鉆桿后的水平定向鉆穿越距離。

由于鉆桿的施工能力與鉆桿的壓桿失穩(wěn)密切相關(guān)，鉆桿的壓桿失穩(wěn)又與鉆桿的軸慣性矩關(guān)系緊密，導(dǎo)致壓桿失穩(wěn)的臨界力計(jì)算公式如下式：

上式中：PLj-為鉆桿所能承受的臨界壓力;E-鉆桿的彈性模量; I-為鉆桿的軸慣性矩;L-為壓桿的長度（即從鉆機(jī)動力輸出端至鉗口的距離）;?-為長度系數(shù)，在本文計(jì)算中根據(jù)桿端支撐情況取值為0.5。

因此由上表的比值可知，在鉆機(jī)施工能力（最大推力）的許可下，如果采用5″鉆桿可進(jìn)行的施工長度為1300米，在忽略鉆桿外徑變化對摩擦阻力的影響，則采用5-1/2″鉆桿則可達(dá)到1963米，采用6-5/8″鉆桿則可以達(dá)到3671.2米。

根據(jù)計(jì)算采用5-1/2 ″鉆桿滿足本工程施工要求。在定向鉆穿越之前，委托專業(yè)的檢測單位對每根鉆桿進(jìn)行裂紋檢測[5]，確保鉆桿完好，以達(dá)到降低穿越風(fēng)險(xiǎn)的目的。

4.3導(dǎo)向孔

4.3.1穿越曲線優(yōu)化

按照原設(shè)計(jì)曲線半徑1500D（328.7米），導(dǎo)向孔傾角INC每約 5米抬一度，實(shí)現(xiàn)困難，即使實(shí)現(xiàn)，鉆桿鉆具非常不安全，如果只增加曲率半徑，入土點(diǎn)需要反向延長40米，方能保證距入土點(diǎn)305米處埋深，但管線預(yù)制作業(yè)帶無法滿足。經(jīng)協(xié)調(diào)，在保證穿越長度及龍川江河底埋深的情況下，通過增大出、入土角度和曲率半徑，對穿越曲線進(jìn)行了合理優(yōu)化。入土角又原設(shè)計(jì)20°增加至22°，出土角由原設(shè)計(jì)13°增加至16°，曲率半徑由原設(shè)計(jì)328.7米增加至649.9米。

4.3.2導(dǎo)向孔鉆具組合

導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)是整個定向鉆施工的關(guān)鍵，本次工程鉆導(dǎo)向孔采用大鉆頭+泥漿馬達(dá)施工工藝，鉆具組合如下：12-1/4寸鉆頭+￠244mm泥漿馬達(dá)+￠203mm無磁鉆桿+5-1/2 ″鉆桿。

4.4洗孔

導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程中采用每根鉆桿反復(fù)鉆進(jìn)工藝進(jìn)行洗孔作業(yè)，由于入土點(diǎn)高程比出土點(diǎn)高程高51.3米，當(dāng)導(dǎo)向孔鉆進(jìn)至出土點(diǎn)剩40米時候鉆頭不出土，回抽鉆桿，采用洗孔短節(jié)進(jìn)行大排量泥漿進(jìn)行洗孔作業(yè)，在進(jìn)行多次清孔后導(dǎo)向孔出土，減少出土點(diǎn)側(cè)泥漿量。

4.5管線回拖

回拖是穿越的最后一步，也是最為關(guān)鍵的一步，在回拖時采用的方式是： 5-1/2 ″鉆桿+Φ300筒式洗孔器+100T萬向節(jié)+Φ219管線。

本次穿越施工出土角較大達(dá)到了16°，在進(jìn)行管道回拖的初始入洞階段，由于管道的彈性曲率半徑和剛度都很大，導(dǎo)致回拖初始階段，管道以出土角進(jìn)行入洞的難度很大。采取的應(yīng)對措施為：采用出土點(diǎn)地面墊高與出土點(diǎn)向前開挖（10m）方式相結(jié)合進(jìn)行管道發(fā)送，目的是減小管道入洞時所需達(dá)彎曲的制高點(diǎn)，在出土點(diǎn)附近，布置兩臺的吊挖掘機(jī)吊起管道，進(jìn)行管道的發(fā)送。

回拖過程當(dāng)中對防腐層主要采取的保護(hù)措施：（1）采用常溫型加強(qiáng)級三層PE防腐層+環(huán)氧玻璃鋼防護(hù)結(jié)構(gòu)[6]，有效的保護(hù)了管道防腐層;（2）在管線回拖拖拉頭分動器與回拖管道之間每間隔30度角焊接加裝防磨墊塊共計(jì)12塊以保證玻璃鋼防腐層不被破碎巖石劃傷而影響管道防腐層。

4.6泥漿方案

龍川江穿越主要為片麻巖、角礫巖地層，采用泥漿為正電膠體系。

泥漿配方：淡水+6%膨潤土+0.1%NAOH+0.1%NA2CO3+0.4%正電膠，泥漿配置要求達(dá)到“減小動切力，減小泥漿的結(jié)構(gòu)粘度，增大泥漿的塑性粘度，降低泥漿的濾失量，保持整個泥漿體系的穩(wěn)定”，確保穿越工程的順利。其參數(shù)要求為：

4.6.1泥漿性能指標(biāo)要求滿足以下性能參數(shù)：（1）良好的孔壁職稱性能;（2）良好的流動性;（3）良好的巖屑攜帶性能;（4）比較低的濾失量。

4.6.2量化指標(biāo)為：（1）六速測試V600=120-130;（2）動塑比>2;（3）中壓失水<10ml;（4）泥漿循環(huán)處理后的含沙量<2%;

5取得的效果

龍川江定向鉆穿越工程經(jīng)過科學(xué)的組織，嚴(yán)密的工藝安排，采用大鉆頭、大排量多次洗孔等施工工藝，施工過程中未發(fā)生巖屑堆積而造成卡鉆事故，管道順利完成回拖，防腐層保護(hù)成功。

結(jié)束語：針對龍川江穿越小口徑管道施工的工藝，同樣適用于今后的大口徑管道鉆孔方式，通過采取正擴(kuò)[7]工藝既能避免泥漿無法循環(huán)的問題又滿足管道回拖的質(zhì)量技術(shù)要求。為今后類似工程提供了重要的借鑒和參考。

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