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        燃?xì)夤艿蓝ㄏ蜚@對(duì)接穿越卵石層技術(shù)探討

        2022-10-25 04:23:12王落飚葛洪凱
        煤氣與熱力 2022年10期
        關(guān)鍵詞:施工

        王落飚, 童 德, 葛洪凱

        (浙江浙能燃?xì)夤煞萦邢薰荆憬贾?10008)

        定向穿越卵石層是定向鉆穿越施工的一大難題,一般在定向鉆穿越曲線的一端或兩端需要穿越卵石層,主要有開挖換填、套管隔離、改良地層3種穿越方案[1-3]。本文以某中壓燃?xì)夤艿来┰焦こ虨槔接懚ㄏ蜚@對(duì)接穿越卵石層技術(shù)。

        1 工程概述

        本工程位于義烏市大陳鎮(zhèn)蘇八線八都溪段,外直徑315 mm中壓管道沿八楂公路東南側(cè)敷設(shè)。結(jié)合穿越場(chǎng)地的地形地貌及用地狀況、河流性質(zhì)、河流水文地質(zhì)狀況,采用定向鉆穿越方式穿越八都溪。新建中壓燃?xì)夤艿揽傞L(zhǎng)度350 m,定向鉆水平距離295 m,材質(zhì)為PE100,規(guī)格為SDR11。

        2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

        根據(jù)勘探資料,場(chǎng)地地基土按巖性、成因時(shí)代、埋藏分布特征、物理力學(xué)性質(zhì),將勘探深度內(nèi)地基土細(xì)分為4個(gè)工程地質(zhì)亞層。

        ① 雜填土層

        以碎石、塊石及少量黏性土回填,土質(zhì)不均勻,碎石含量占30%~40%,可見粒徑30~100 mm,最大粒徑大于100 mm,全場(chǎng)分布。

        ② 卵石層

        粒徑大于20 mm的顆粒含量占總量的60.1%,礫石含量約19.0%左右,粒徑以2~90 mm為主,其余為砂及黏性土填充。磨圓度較好,多呈亞圓形,母巖成分為凝灰?guī)r,母巖的強(qiáng)度較高,級(jí)配、分選性一般,膠結(jié)程度較差。

        ③ 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層

        含少量云母碎片以及高嶺土土斑團(tuán),原巖結(jié)構(gòu)已大部分破壞,風(fēng)化程度不一,呈原巖碎塊夾土狀。

        ④ 中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層

        泥質(zhì)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu),成分以粉砂質(zhì)為主,泥質(zhì)次之。含少量云母碎片以及高嶺土土斑團(tuán),巖石裂隙稍有發(fā)育,巖芯較完整,飽和單軸抗壓強(qiáng)度為12.4 MPa,屬于軟巖,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為IV級(jí), RQD(巖石質(zhì)量指標(biāo))約70%~80%,最大控制層厚9.60 m。

        場(chǎng)地勘探深度范圍內(nèi)地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水。主要賦存于淺部雜填土層、卵石層中,其中雜填土屬中透水性,且與地表聯(lián)系密切,卵石層屬于強(qiáng)透水性。地層分布統(tǒng)計(jì)見表1(表中范圍為最大值至最小值)。

        表1 地層分布統(tǒng)計(jì)

        3 穿越方案選擇

        根據(jù)SY/T 6968—2021《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設(shè)計(jì)規(guī)范》,一般有開挖換填、套管隔離、改良地層3種穿越方案,對(duì)不同方案進(jìn)行比較。

        ① 開挖換填

        將兩岸所要穿越的卵石層挖出后,密實(shí)回填更適合定向鉆的土質(zhì),再進(jìn)行鉆孔和回拖,適用于卵石層較淺、地下水位較低、周邊開挖條件較好的地段。本工程由于受限于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、地方河道管理部門要求,且所需作業(yè)面及土石方太大,現(xiàn)場(chǎng)不具備條件,故不作進(jìn)一步分析。

        ② 套管隔離

        采用夯管機(jī)將DN 800 mm或DN 1 000 mm的鋼質(zhì)套管沿穿越路徑夯入雜填土層及卵石層,夯管結(jié)束后使用攪龍進(jìn)行鋼套管內(nèi)取土作業(yè)。進(jìn)出土兩端套管夯管取土完成后,采用定向鉆機(jī)將導(dǎo)向孔貫通,經(jīng)擴(kuò)孔后將燃?xì)夤艿缽奶坠苤谢赝贤瓿纱┰健?/p>

        優(yōu)點(diǎn):不需太大土方量,作業(yè)面較小;作為地質(zhì)改良中經(jīng)常使用的辦法,國(guó)內(nèi)外均有很多先例,施工手段成熟,有較高的成功率;解卡鉆能力較強(qiáng)。缺點(diǎn):夯管過程中會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲污染;配套控向必須精準(zhǔn)。

        ③ 改良地層

        采用入土端夯管,出土端黏土(黏性土的一種)固化改良。在導(dǎo)向孔施工時(shí),使用高黏度并添加堵漏劑的膨潤(rùn)土泥漿在卵石層底部對(duì)穿越段卵石層先進(jìn)行滲透注漿,使整個(gè)卵石層達(dá)到一定自穩(wěn)能力,達(dá)到滿足控向?qū)蜚@頭穩(wěn)定承載力即可。在每一級(jí)擴(kuò)孔前,使用高黏度黏土泥球?qū)υ谢財(cái)U(kuò)孔洞進(jìn)行填充,再通過桶式擴(kuò)孔器進(jìn)行擠壓式擴(kuò)孔。通過多次填充后擠壓,使整個(gè)穿越軌跡在卵石層形成一個(gè)穩(wěn)定空間。

        優(yōu)點(diǎn):施工過程中產(chǎn)生噪聲污染的時(shí)間較短,只有入土端夯管,工期較短,一次成功時(shí)造價(jià)較低。缺點(diǎn):由于黏土固化工藝較新,較依賴施工經(jīng)驗(yàn),一次成功率較低,解卡鉆能力較弱。

        根據(jù)本工程具體情況,采用套管隔離穿越方案。

        4 方案的設(shè)計(jì)

        ① 入土角、出土角的設(shè)置

        入土角和出土角應(yīng)根據(jù)穿越長(zhǎng)度、穿越深度、管道彈性敷設(shè)條件等綜合確定。入土角宜為8°~18°,出土角宜為4°~12°,本工程入土角、出土角均設(shè)置為10°。

        ② 套管的確定

        兩端套管選用直縫高頻電阻焊鋼管,直縫管比螺旋縫管在受力時(shí)更不容易變形,比無縫管價(jià)格低,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9711——2017《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》,材質(zhì)Q235B。

        本工程入土端套管采用DN 800 mm直縫高頻電阻焊鋼管(外直徑為813 mm,壁厚25 mm)。出土端為提高導(dǎo)向控向成功率,擴(kuò)大鋼管規(guī)格,套管采用DN 1 000 mm直縫高頻電阻焊鋼管(外直徑為1 016 mm,壁厚25 mm)。套管穿越深度6~8 m的卵石層到達(dá)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。DN 800 mm、DN 1 000 mm套管長(zhǎng)度均為48 m。

        ③ 定向鉆設(shè)備、夯管機(jī)的確定

        考慮通過巖石地層施工,為避免鉆桿斷裂,必須使用經(jīng)無損檢測(cè)的直徑114 mm以上的鉆桿擴(kuò)孔,鉆機(jī)應(yīng)保證扭矩。為避免套管損壞,根據(jù)套管壁厚,選擇夯管機(jī)。為保證套管入土角為10°,需在工作坑內(nèi)提前設(shè)置10°的操作平臺(tái)并設(shè)置導(dǎo)軌,導(dǎo)軌中心軸線必須與夯進(jìn)的中心軸線完全符合,確保夯進(jìn)套管準(zhǔn)確度。套管在夯進(jìn)過程中邊夯進(jìn)邊焊接,鋼管內(nèi)的渣土一般可采用壓縮空氣射流、高壓水射流、人工掏土等方法進(jìn)行清理。為確保人員安全,本工程采用鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)攪龍將套管內(nèi)的渣土帶出。

        ④ 對(duì)接穿越技術(shù)

        在兩端夯管基礎(chǔ)上,定向鉆穿越導(dǎo)向孔方向(即鉆頭的角度)控制會(huì)比較難,采用對(duì)接穿越技術(shù)可以比較好地解決這一問題。對(duì)接穿越技術(shù)就是在穿越曲線的出、入土端各設(shè)置一臺(tái)鉆機(jī),其中入土點(diǎn)鉆機(jī)為主鉆機(jī),出土點(diǎn)鉆機(jī)為輔助鉆機(jī),兩臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)按設(shè)計(jì)穿越曲線相對(duì)進(jìn)行導(dǎo)向孔施工。當(dāng)兩臺(tái)鉆機(jī)的鉆頭鉆至預(yù)先設(shè)定的對(duì)接區(qū)域內(nèi)時(shí),入土端鉆機(jī)的探頭(探頭安裝在主鉆機(jī)鉆頭后探棒倉(cāng)內(nèi))感應(yīng)到出土端鉆機(jī)鉆頭發(fā)出的磁信號(hào)后,出土端鉆機(jī)勻速回抽鉆桿,入土端鉆機(jī)根據(jù)感應(yīng)的磁信號(hào)沿出土端鉆機(jī)的導(dǎo)向孔方位同步勻速鉆進(jìn),直至兩個(gè)鉆機(jī)的穿越曲線完全合二為一,從而較精確完成導(dǎo)向孔施工。

        對(duì)接區(qū)域應(yīng)選擇在地質(zhì)相對(duì)單一、無裂隙、無斷層、巖石狀況較好的距出土端較近的水平段上,同時(shí)地面無磁場(chǎng)干擾。本工程對(duì)接區(qū)域設(shè)置在水平段穩(wěn)定基巖內(nèi)。

        5 施工技術(shù)要點(diǎn)

        ① 夯管施工

        a.夯管前檢查夯管錘的方位與水平角度,若偏差超過0.5°需重新調(diào)整就位。為確保套管能鉆透卵石層,夯管角度為10°。

        b.夯管過程中要求實(shí)時(shí)復(fù)測(cè)套管入土角度。由于第1根套管夯進(jìn)方向的準(zhǔn)確性是關(guān)鍵,所以在第1根套管夯進(jìn)500 mm后,應(yīng)仔細(xì)測(cè)量套管的方位與水平角度,軸線偏差不超過夯進(jìn)長(zhǎng)度的1%時(shí)可繼續(xù)夯進(jìn),若軸線偏差超出允許范圍,應(yīng)進(jìn)行糾偏。管尾留在操作坑外4 m左右,以便和第2根套管進(jìn)行焊接。每夯進(jìn)8 m時(shí)再進(jìn)行一次復(fù)測(cè),確保夯進(jìn)方向不出現(xiàn)較大偏移。

        c.為在夯進(jìn)時(shí)不使鋼管前端發(fā)生卷邊變形,加工鑄鋼切削環(huán)焊接在管頭上,用于切削地層。套管前進(jìn)阻力較大時(shí)及時(shí)清土,在套管夯進(jìn)過程中,如發(fā)現(xiàn)套管前進(jìn)速度緩慢或停滯不前,應(yīng)立即停止夯進(jìn),將套管內(nèi)的積土清除干凈后再繼續(xù)。根據(jù)套管管徑利用攪龍進(jìn)行取土作業(yè),嚴(yán)禁人工取土。攪龍取土見圖1。

        圖1 攪龍取土

        ② 定向鉆施工

        定向鉆對(duì)接穿越見圖2。

        圖2 定向鉆對(duì)接穿越

        a.鉆機(jī)及配套設(shè)備就位。主鉆機(jī)和輔助鉆機(jī)保證在穿越中心線位置上,兩臺(tái)鉆機(jī)就位完成后,進(jìn)行各系統(tǒng)連接、試運(yùn)轉(zhuǎn),保證設(shè)備正常工作,并確保兩個(gè)鉆機(jī)場(chǎng)地之間的無線電通信正常。

        b.設(shè)置人工磁場(chǎng)。在地表沿穿越曲線中心線人工敷設(shè)電纜,該電纜通交流電后在穿越過程中將作為導(dǎo)向孔施工控向系統(tǒng)的磁信號(hào)源。

        c.測(cè)量控向參數(shù)。校準(zhǔn)導(dǎo)向孔施工控向儀器,標(biāo)定控向參數(shù)。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,在穿越中心線的不同位置測(cè)取,進(jìn)行對(duì)比,并做好記錄。

        d.導(dǎo)向孔施工。待兩個(gè)鉆機(jī)場(chǎng)地的設(shè)備和儀器準(zhǔn)備就緒,鉆桿和鉆頭清掃完畢后進(jìn)行試鉆。啟動(dòng)控向儀器,信號(hào)電纜將產(chǎn)生交流磁信號(hào),此時(shí)啟動(dòng)鉆機(jī)并鉆進(jìn)。當(dāng)鉆進(jìn)1~2根鉆桿后檢查各部位運(yùn)行情況,各種參數(shù)正常后正常鉆進(jìn)。當(dāng)主鉆機(jī)鉆進(jìn)導(dǎo)向孔時(shí),輔助鉆機(jī)同時(shí)進(jìn)行鉆進(jìn),當(dāng)輔助鉆機(jī)鉆頭抵達(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,該目標(biāo)磁鐵負(fù)責(zé)在對(duì)接時(shí)引導(dǎo)主鉆機(jī)的鉆頭鉆進(jìn)。在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程中,進(jìn)行泥漿配比時(shí)加入適量的泥漿潤(rùn)滑劑,保證導(dǎo)向孔孔壁的完整性,減小鉆進(jìn)阻力,防止粘卡現(xiàn)象發(fā)生。

        e.對(duì)接。兩臺(tái)鉆機(jī)相互協(xié)調(diào)工作,當(dāng)主鉆機(jī)鉆頭與輔助鉆機(jī)目標(biāo)磁鐵的間距在5 m以內(nèi)時(shí),即可進(jìn)行導(dǎo)向孔的對(duì)接。對(duì)接成功后輔助鉆機(jī)回退鉆桿,主鉆機(jī)根據(jù)采集的磁性號(hào)控制鉆進(jìn)方向,沿輔助鉆機(jī)已形成的導(dǎo)向孔頂進(jìn),直至出土,完成整個(gè)導(dǎo)向孔施工。

        f.導(dǎo)向孔完成后,即可連接擴(kuò)孔器,開始擴(kuò)孔、洗孔及拖管施工作業(yè)。

        6 結(jié)語

        定向穿越卵石層施工技術(shù)方案的制定,需要詳細(xì)完整的地質(zhì)勘察資料,了解穿越段及周邊區(qū)域地質(zhì)情況。本工程采用兩端夯管+定向鉆對(duì)接穿越技術(shù),根據(jù)所穿越區(qū)域土層分布情況,針對(duì)特殊地質(zhì),綜合應(yīng)用夯鋼套管隔離、攪龍取土、對(duì)接穿越、調(diào)制泥漿護(hù)壁等關(guān)鍵技術(shù)和管理工序,使工程在確保安全的情況下順利完成。

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