胥錕
摘? 要:隨著國(guó)家和地方規(guī)劃選址要求不斷規(guī)范、穿越工程施工技術(shù)不斷進(jìn)步、管道本質(zhì)安全建設(shè)水平不斷提升,長(zhǎng)輸管道施工中穿越工程比例呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì),復(fù)雜地質(zhì)條件下的超長(zhǎng)距離穿越施工愈發(fā)頻繁。本文結(jié)合2021年新建項(xiàng)目施工管理經(jīng)驗(yàn),介紹在山區(qū)喀斯特地貌環(huán)境下開展超長(zhǎng)距離定向鉆穿越工程面臨的管理難點(diǎn),并提出參考建議。
關(guān)鍵詞:成品油管道 山區(qū) 喀斯特地貌 超長(zhǎng)距離 定向鉆穿越
從1985年首次引進(jìn)西方定向鉆穿越技術(shù)順利實(shí)施長(zhǎng)輸管道黃河穿越工程開始,近40年國(guó)內(nèi)定向鉆穿越施工迎來(lái)高速發(fā)展,越來(lái)越成為長(zhǎng)輸管道工程中解決選址矛盾、用地矛盾、降低安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)的重要選項(xiàng)。目前我國(guó)自主研發(fā)的水平定向鉆機(jī)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平,最長(zhǎng)穿越長(zhǎng)度5200米,最大鉆孔埋深約120米,技術(shù)儲(chǔ)備完整;由國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)華南公司直接參與管理的長(zhǎng)輸管道定向鉆穿越規(guī)模,從2011年長(zhǎng)江穿越1027米,到2012年重慶南山穿越2200米,再到2019年湛江到北海穿越工程4071米,管理經(jīng)驗(yàn)也不斷積累,具備在復(fù)雜地址條件下運(yùn)用超長(zhǎng)距離定向鉆穿越施工的內(nèi)外部條件。本文以貴州白云某長(zhǎng)輸成品油管道穿越工程為例,重點(diǎn)介紹在山區(qū)段喀斯特地貌地質(zhì)條件下超長(zhǎng)距離穿越施工的管理難點(diǎn)及對(duì)策建議。
1 喀斯特地貌下定向鉆穿越施工風(fēng)險(xiǎn)分析
貴州地區(qū)屬典型喀斯特地貌,地下熔巖、裂隙、溶洞豐富,地質(zhì)條件非常復(fù)雜,疊加白云山區(qū)因不同時(shí)期民間自采、盜采地下礦產(chǎn)所遺留的大量作業(yè)坑道,給定向鉆穿越施工造成極大風(fēng)險(xiǎn)。定向鉆穿越主要包括選線與勘察、施工準(zhǔn)備、導(dǎo)向孔鉆進(jìn)與擴(kuò)孔、管道回拖等關(guān)鍵環(huán)節(jié),每個(gè)環(huán)節(jié)都面臨重大風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)。
1.1 地質(zhì)勘察階段,在超長(zhǎng)距離定向鉆穿越工程中,不能有效運(yùn)用地圖資料、現(xiàn)場(chǎng)踏勘收集信息進(jìn)行選址論證,避開既有溶洞、裂隙、采空區(qū),沒(méi)有科學(xué)選取地質(zhì)勘查技術(shù),造成地質(zhì)條件重大誤判、整體工期嚴(yán)重影響、勘察費(fèi)用比例嚴(yán)重超支。
1.2 施工準(zhǔn)備階段,沒(méi)有充分調(diào)研施工周邊電力、給排水、道路、應(yīng)急擴(kuò)征用地預(yù)留等依托條件,造成施工準(zhǔn)備嚴(yán)重超時(shí),施工過(guò)程非必要中斷,施工應(yīng)急處置受到嚴(yán)重制約。
1.3 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)與擴(kuò)孔階段,因鉆頭鉆進(jìn)巖石裂隙部位沿裂隙前進(jìn)出現(xiàn)偏鉆,或是遇大型溶洞與作業(yè)坑道出現(xiàn)掉鉆,或是遇局部卵石層出現(xiàn)浮漂導(dǎo)致鉆頭偏移;因溶洞、裂隙或是裂隙發(fā)育地質(zhì)溶蝕造成大量漏漿、不返漿;因喀斯特地貌豐富地下水系造成漏漿擴(kuò)散引發(fā)生態(tài)環(huán)境災(zāi)害。此外卡鉆、鉆頭磨損頻繁、塌孔等風(fēng)險(xiǎn)較一般地質(zhì)條件更加嚴(yán)重。
1.4 管道回拖階段,因前述原因?qū)е孪纯仔Ч缓谩p傷管道防腐層,或是管道在溶洞、坑道位置大段懸空造成應(yīng)力集中、扭矩過(guò)大等致使回拖失敗。
2 地質(zhì)勘察
2.1 明確勘察目標(biāo)
該工程穿越路徑上方植被發(fā)育,為森林地帶,根據(jù)收集的區(qū)域地形地質(zhì)資料結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況,判斷該區(qū)域地層表層為砂巖,砂巖下部為含煤系地層,再往下為灰?guī)r,灰?guī)r溶蝕非常發(fā)育,往往有溶洞存在??辈旃ぷ鞯闹饕繕?biāo)鎖定為定向鉆穿越尋找穩(wěn)定合適的地層。
2.2 確定勘察方案
本項(xiàng)目地處山區(qū),鉆探施工用水困難,需使用水車外運(yùn),現(xiàn)場(chǎng)交通不便,需要長(zhǎng)距離搬遷鉆探設(shè)備,并且工期緊急。制約本項(xiàng)目的工期和成本的主要因素是合理確定鉆探工作量,在保證成果有效性的基礎(chǔ)上力爭(zhēng)采用最少的鉆孔數(shù)量和最少的鉆探深度來(lái)降低鉆探工作量??紤]穿越路徑上方地勢(shì)相對(duì)平緩,適合展開物探工作,而且資料豐富,地面露頭多,利于工程地質(zhì)測(cè)繪,綜合判斷決定加強(qiáng)工程地質(zhì)測(cè)繪和工程物探比重,有針對(duì)性確定鉆探工作量。
2.3 工程地質(zhì)測(cè)繪與物探
通過(guò)測(cè)繪研究發(fā)現(xiàn),本地主要不良地質(zhì)問(wèn)題是巖溶問(wèn)題,排除采空區(qū)塌陷對(duì)管道穿越的影響可能,初步確定定向鉆的穿越地層,初步明確定向鉆的穿越深度和最佳的出土入土點(diǎn)。采用高密度電阻率法布置1條縱向測(cè)線,垂直穿越中線布置7條橫向測(cè)線,綜合分析得出穿越段地層較為單一,上部為第四系沖洪積沉積的覆蓋層,以黏性土為主,下部以灰?guī)r為主,低阻異常位置推測(cè)為巖溶發(fā)育,需重點(diǎn)關(guān)注,為后期鉆探的針對(duì)性提高進(jìn)一步的依據(jù)。
2.4 工程鉆探與鉆孔攝像
結(jié)合測(cè)繪與物探結(jié)果,決定執(zhí)行巖土工程勘察規(guī)范從緊要求,在可能存在不良地質(zhì)情況的區(qū)段布置鉆孔6個(gè),并采用鉆孔攝像提高錄井準(zhǔn)確度,直觀觀察巖溶縫隙發(fā)育情況、破碎帶情況,對(duì)溶洞的分布及規(guī)模進(jìn)行實(shí)景分析,有效判斷巖體節(jié)理發(fā)育情況,保證所依據(jù)的外業(yè)資料更加準(zhǔn)確可靠。
3 施工準(zhǔn)備
3.1 預(yù)判道路與施工場(chǎng)地需求條件
根據(jù)《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》GB50424-2015的相關(guān)規(guī)定,回拖力計(jì)算按下式進(jìn)行:
貴州白云管道穿越工程設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2600m,管道規(guī)格φ323.9×12mm,計(jì)算得出回拖力約500kN。根據(jù)既往施工經(jīng)驗(yàn),一般設(shè)計(jì)時(shí)取回拖力的值為計(jì)算回拖力的1.5—3倍,通常取3倍安全系數(shù),但該項(xiàng)目考慮要頂進(jìn)相當(dāng)長(zhǎng)度穿越套管,并預(yù)留充分的鉆機(jī)儲(chǔ)能應(yīng)對(duì)復(fù)雜情況,最終選型回拖力為6000kN的鉆機(jī)。該型鉆機(jī)為現(xiàn)場(chǎng)組裝,依據(jù)單個(gè)組件最大自重、車載軸距復(fù)核入場(chǎng)道路要求。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察,道路承重等級(jí)、轉(zhuǎn)彎半徑均不滿足運(yùn)輸需求,遂提前在關(guān)鍵位置采取路面襯墊、加固以及臨時(shí)修筑進(jìn)場(chǎng)便道。
該施工場(chǎng)地位于已征地范圍內(nèi),但征地面積有限,且場(chǎng)站作業(yè)與穿越作業(yè)同時(shí)施工。一方面必須要求設(shè)計(jì)單位在規(guī)劃總平布置時(shí),同步提出施工布置方案,避免交叉作業(yè);另一方面各參建單位全部現(xiàn)場(chǎng)交底,明確施工干擾范圍、水電布置走向。
3.2 摸查周邊水源及最大給水量
山區(qū)段穿越施工無(wú)市政供水依托,喀斯特地貌條件下施工過(guò)程部分返漿和不返漿存在極大可能性,必須按照不返漿的極端情況進(jìn)行日均用水量測(cè)算,并修建配套供水設(shè)施、蓄水池。該項(xiàng)目實(shí)際建設(shè)蓄水池容量200m?,建立了臨時(shí)市政管線搭接、即有匯水井水收集、車載供水應(yīng)急的綜合保障體系。
3.3 規(guī)劃應(yīng)急用地?cái)U(kuò)征預(yù)留
喀斯特地貌穿越的另一個(gè)顯著特征是透水,結(jié)合周邊存在的地下開采歷史跡象,要識(shí)別可能出現(xiàn)的大流量渾濁透水甚至毒害物質(zhì)透出等極端情況,在入土側(cè)、出土側(cè)、穿越路徑上方地形低點(diǎn)位置規(guī)劃用于應(yīng)急處置的擴(kuò)征預(yù)留地,主要用于建設(shè)透水(透漿)回收、蓄積、過(guò)濾、沉淀池。
4 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)
4.1 采取兩端鉆進(jìn)、中間對(duì)接方式
因穿越距離長(zhǎng)2657.3m,根據(jù)導(dǎo)向鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿受力分析的結(jié)果,單端鉆進(jìn)很難完成導(dǎo)向孔,決定采用兩端同時(shí)鉆進(jìn)導(dǎo)向孔、中間對(duì)接的方式完成施工。項(xiàng)目管理單位要重點(diǎn)關(guān)注在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過(guò)程中的控向曲線變化,每根鉆桿改變的角度必須符合施工規(guī)范,同時(shí)在滿足規(guī)范的情況下盡量減小每根鉆桿所改變的角度,同時(shí)每三組鉆桿所改變的角度也控制在規(guī)范的值域下。
4.2 導(dǎo)向孔鉆具選型
為降低穿越施工中在喀斯特地貌石灰?guī)r中的卡鉆、抱鉆風(fēng)險(xiǎn),本項(xiàng)目計(jì)劃采用8-5/8"無(wú)接箍鉆桿、具有孔底壓力監(jiān)測(cè)功能的導(dǎo)向探測(cè)器、13-3/4"防卡牙輪鉆頭鉆導(dǎo)向孔,使用加大鉆頭可以加大鉆孔與鉆具間的空隙,便于卡鉆時(shí)套洗解卡,鉆具連接方式如下:鉆機(jī)→8-5/8"鉆桿→9"無(wú)磁鉆鋌(壓力監(jiān)測(cè))→9"泥漿馬達(dá)→13-3/4"防卡牙輪鉆頭。
4.3 導(dǎo)向套管安裝
因套鉆套管能保證鉆機(jī)的推力可有效的施加給鉆頭,增加鉆進(jìn)效率,同時(shí)對(duì)回填層進(jìn)行有效護(hù)壁,及保證返漿暢通,出入土側(cè)分別頂入了導(dǎo)向套管。套管長(zhǎng)度依據(jù)實(shí)際需要設(shè)置,出土側(cè)導(dǎo)向孔鉆進(jìn)回填土過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的卵石層浮漂導(dǎo)致鉆頭偏移現(xiàn)象,通過(guò)夯入80m導(dǎo)向孔,配合絞龍?zhí)屯诨靥盥咽?,順利穿越不良地層?/p>
4.4 成孔質(zhì)量控制
為保證導(dǎo)向孔成孔質(zhì)量,制定質(zhì)量控制措施,實(shí)施前認(rèn)真對(duì)儀器、設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn),確保每根鉆桿調(diào)整角度在合理范圍內(nèi)。具體措施包括準(zhǔn)確測(cè)量穿越的實(shí)際方位角,為減小方位角的誤差,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況組織多點(diǎn)測(cè)量;通過(guò)GPS校準(zhǔn)測(cè)量入土點(diǎn)到出土點(diǎn)的實(shí)際距離和兩端高程差;準(zhǔn)確測(cè)量所用鉆具的長(zhǎng)度,在實(shí)際控向操作過(guò)程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)曲線控制鉆頭鉆進(jìn)方向;利用強(qiáng)磁場(chǎng)定位軟件對(duì)鉆頭進(jìn)行定位,有效消除地磁干擾和人工操作造成的偏差。
5 擴(kuò)孔與測(cè)修孔
5.1 一級(jí)擴(kuò)孔
本工程穿越管徑為φ323.9mm,結(jié)合石灰?guī)r地層情況,決定采用一級(jí)擴(kuò)孔達(dá)到500mm孔徑。擴(kuò)孔設(shè)備選用8-5/8″S-135鉆桿,采用動(dòng)力擴(kuò)孔器、牙輪擴(kuò)孔器。因穿越地層復(fù)雜,期間穿越溶洞、裂隙發(fā)育區(qū),巖石軟硬不均且個(gè)別單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到110Mpa左右,硬度極高,采用常規(guī)擴(kuò)孔器及擴(kuò)孔工藝很難完成擴(kuò)孔施工,針對(duì)該情況決定采用兩臺(tái)鉆機(jī)同步協(xié)調(diào)擴(kuò)孔施工工藝進(jìn)行擴(kuò)孔施工,取得了良好效果。
5.2 測(cè)孔與修孔
針對(duì)本工程中風(fēng)化石灰?guī)r地質(zhì)溶洞、裂隙分布多,為了保證管道順利回拖及防腐層完好,完成擴(kuò)孔后進(jìn)行了測(cè)孔、修孔,判斷測(cè)孔參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)文件及相關(guān)規(guī)范對(duì)回拖管線的曲率要求。
6 管道回拖
6.1 回拖方式
由于管道預(yù)制受場(chǎng)地限制,2.6km管道采取“九接一”的回拖方式,即管道提前組焊預(yù)制為9組,在回拖時(shí)現(xiàn)場(chǎng)開展前后兩段連頭施工,待連頭口組焊、無(wú)損檢測(cè)、補(bǔ)口完成后再繼續(xù)管道回拖,依次循環(huán)。
6.2 關(guān)鍵工序控制
按照設(shè)計(jì)要求分別進(jìn)行組焊、無(wú)損檢測(cè)、補(bǔ)口、試壓、通球,通球合格后將九段管道放到回拖區(qū)域之間,擴(kuò)孔完成后,先回拖第一段管道,第一段管道留在地面的長(zhǎng)度約150m,然后鉆機(jī)停止回拖,進(jìn)行第一段與第二段管道的連頭工作,連頭口焊接必須選派經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)骨干,確保焊接一次合格。焊接完成后,先進(jìn)行超聲波檢測(cè),檢測(cè)合格后進(jìn)行焊道的X射線探傷,無(wú)損檢測(cè)合格后焊口進(jìn)行補(bǔ)口,其中玻璃鋼防腐采用光固化,以縮短施工時(shí)間。從組對(duì)到防腐補(bǔ)口嚴(yán)格控制在4小時(shí)之內(nèi),為保證回拖管線的焊接質(zhì)量,在4小時(shí)內(nèi)管線不再進(jìn)行回拖,靜止不動(dòng)。補(bǔ)口完成合格后,滿4小時(shí)后再繼續(xù)管道回拖。
7 結(jié)語(yǔ)
本工程施工過(guò)程中,克服了山區(qū)環(huán)境下特有的場(chǎng)地、交通、供水受限等外部條件,提出了合理的地質(zhì)勘察技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選方案,成功應(yīng)對(duì)了喀斯特地貌地質(zhì)下出現(xiàn)的因溶洞和裂隙導(dǎo)致不返漿、透水、冒漿等復(fù)雜施工場(chǎng)景,保證回拖一次成功。該穿越的完成,為定向鉆在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用積累了寶貴的管理和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)油氣管道行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有積極意義。
參考文獻(xiàn):
[1]馬保松,程勇,劉繼國(guó)等. 超長(zhǎng)距離水平定向鉆進(jìn)技術(shù)在隧道精準(zhǔn)地質(zhì)勘察的研究及應(yīng)用[J]. 隧道建設(shè)(中英文). 2021,41(6):792
[2]陳胥星,杜立,吳揚(yáng)名. 喀斯特地貌下定向鉆穿越施工風(fēng)險(xiǎn)分析及控制措施[J]. 化工管理. 2017(10):198-199
[3]詹旺林,李林兵,高鴻. 定向鉆施工引起堤防塌陷原因及加固方案研究[J]. 水利水電快報(bào). 2022,43(4):96-100
(作者單位:國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)華南公司貴州輸油部)