水平定向鉆穿越湘江復(fù)雜卵石地層關(guān)鍵技術(shù)

目前國內(nèi)輸氣管道在穿越大型河流時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)︺@中間對接、配置專用泥漿穿越圓礫層等方面進(jìn)行分析和探討。

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1090m。輸氣管道公稱直徑為400mm，設(shè)計壓力為4.0MPa，定向鉆穿越水平長度為1408m，管道穿越深度位于河床以下30~40m。

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)剖面見下圖，圖中標(biāo)高單位為m。該地質(zhì)對水平定向鉆穿越適宜性較差。

由下圖可知，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27m，垂直厚度約為8m；東岸卵石層埋深約10m，垂直厚度約為5m。卵石層粒徑2~20mm的礫石體積分?jǐn)?shù)為20%左右，粒徑2~5cm的卵石體積分?jǐn)?shù)為40%~50%，少數(shù)粒徑達(dá)7~8cm；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，級配較差。圓礫層粒徑2~20mm的礫石體積分?jǐn)?shù)為30%~50%，粒徑2~5cm的卵石體積分?jǐn)?shù)為10%~20%，極個別***大粒徑達(dá)7~8cm，中粗砂體積分?jǐn)?shù)約30%，膠結(jié)性差，級配差。

穿越風(fēng)險

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***小埋深約30.2m。

穿越上述不良地質(zhì)場地會給定向鉆穿越帶來較大風(fēng)險，故在項目前期經(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)險主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

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)154m，東岸出土端套管長度為68m。

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)1408m，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，鋼套管對定向鉆地磁場影響非常大；且湘江為二級通航河流，穿越設(shè)計曲線附近船舶航行及拋錨頻繁，均會對定向鉆磁場產(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，級配差，導(dǎo)向孔成型難度大，且穿越管道有820m需穿越圓礫層，穿越風(fēng)險高。輸氣管道穿越湘江剖面見下圖，圖中套管外直徑均為1016mm。

定向鉆穿越關(guān)鍵技術(shù)分析

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整體，然后再進(jìn)行定向鉆施工穿越，該方法***大風(fēng)險在于固化土體仍然軟硬不均，鉆頭鉆進(jìn)困難，且注漿對環(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。

定向鉆雙向?qū)︺@中間對接技術(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)向孔方向控制會變得非常困難，尤其是鋼套管對定向鉆地磁場影響非常大，經(jīng)常造成導(dǎo)向孔與設(shè)計穿越曲線偏移，以及鉆頭難以抬頭的情況，造成施工風(fēng)險甚至安全事故。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)︺@中間對接技術(shù)解決工程難題。

雙向?qū)︺@中間對接技術(shù)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)置一臺鉆機(jī)，兩臺鉆機(jī)同時按設(shè)計穿越曲線進(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ParatrackⅡ控向系統(tǒng)和磁信號電纜，對接點(diǎn)設(shè)置在與入土點(diǎn)水平距離約800m處，對接點(diǎn)前、后50m范圍內(nèi)為對接區(qū)域。

輔助鉆機(jī)抵達(dá)對接區(qū)域時，啟動鉆頭短節(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)向孔的對接。對接成功后，輔助鉆機(jī)逐步回退鉆桿，同時，主鉆機(jī)一邊采集輔助鉆機(jī)目標(biāo)磁鐵的磁信號，一邊利用采集的磁信號控制鉆進(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，完成整個導(dǎo)向孔的穿越。

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80MPa的巖石層、粒徑2mm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，但采取措施可以穿越的地層有：松散狀砂土、粗砂層、粒徑2mm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2mm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)險更高。長距離穿越圓礫層會給定向鉆穿越帶來的風(fēng)險：穿越圓礫層時，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)計曲線；擴(kuò)孔時，較大粒徑的礫石坍塌，擴(kuò)孔器易被卡?。汇@具無法將孔內(nèi)活動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，回拖時孔內(nèi)管道與鉆屑會相互擠壓，導(dǎo)致回拖力加大，造成管道變形、防腐層破壞，甚至回拖不動造成穿越失敗。本文針對1*3*1+19-10/29+7-3圓礫層這種復(fù)雜地質(zhì)配置專用***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。

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，極個別***大粒徑達(dá)7~8cm。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24h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***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光敏固化玻璃鋼保護(hù)套裹覆施工簡單，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，20~30min即可使CND光敏固化玻璃鋼完全固化。

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