定向鉆穿越破碎巖層和斷裂帶的施工技術(shù)

王 海，趙宏生

（中國(guó)石油天然氣管道局穿越分公司，河北廊坊 065001）

定向鉆穿越破碎巖層和斷裂帶的施工技術(shù)

王 海，趙宏生

（中國(guó)石油天然氣管道局穿越分公司，河北廊坊 065001）

澀寧蘭輸氣管道復(fù)線(xiàn)工程，在甘肅省蘭州市八盤(pán)峽黃河標(biāo)段需采用定向鉆依次穿越黃河、蘭青鐵路和青石咀山體，該穿越段地質(zhì)屬于破碎巖層并具有斷裂帶，文章從鉆導(dǎo)向孔、擴(kuò)孔、回拖各施工環(huán)節(jié)的鉆具組合以及泥漿配置等方面論述了該次定向鉆穿越施工工藝，并針對(duì)施工中出現(xiàn)的擴(kuò)孔速度緩慢、破碎巖層擴(kuò)孔困難、入出土點(diǎn)高差大、回拖卡鉆等問(wèn)題，提出了應(yīng)對(duì)措施。

長(zhǎng)輸管道；定向鉆；穿越；破碎巖層；河流與山體

1 工程概況

澀寧蘭輸氣管道復(fù)線(xiàn)工程起自青海省柴達(dá)木盆地澀北一號(hào)氣田澀寧蘭一線(xiàn)澀北首站，東至蘭州市河口末站，線(xiàn)路長(zhǎng)度921.4 km。干線(xiàn)管徑660 mm，材質(zhì)L450，設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa。

八盤(pán)峽黃河穿越位于甘肅省蘭州市西固區(qū)河口鎮(zhèn)八盤(pán)村北，在已建澀寧蘭輸氣管道黃河跨越上游約200 m處。本工程采用定向鉆依次穿越黃河、蘭青鐵路和青石咀山體。同時(shí)并排穿越2條管道，分別為D 660 mm×11.9 mm輸氣管道和D 114 mm×4.5 mm硅管套管，其間距10 m。定向鉆穿越水平長(zhǎng)度1 309m，曲線(xiàn)長(zhǎng)度1310.6m，設(shè)計(jì)曲率半徑為990 m，入土角16°，出土角9°，河床處最大埋深40 m。

2 穿越地質(zhì)

按照成因、時(shí)代、組成物質(zhì)和結(jié)構(gòu)，對(duì)穿越斷面場(chǎng)地內(nèi)地層巖性進(jìn)行分層分述如下：

白堊系下統(tǒng)泥巖、砂巖互層 （K1、r3）④：泥巖呈紫紅、褐紅色，強(qiáng)風(fēng)化，破碎，局部呈土狀，風(fēng)化裂隙發(fā)育，主要為黏土礦物，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層～中厚層狀構(gòu)造，巖芯采取率小于30%，RQD值為15%～20%，質(zhì)量極差，整個(gè)斷面均有分布。砂巖呈灰白色，強(qiáng)風(fēng)化，風(fēng)化裂隙發(fā)育，細(xì)～中粒結(jié)構(gòu)，薄層～中厚層狀構(gòu)造，其中多夾10～30cm薄層泥巖，巖芯采取率小于40%，RQD值為25%～30%，質(zhì)量差。該層厚度為2.8～7.5 m，層面標(biāo)高為1 549.50～1 589.60 m。

白堊系下統(tǒng)泥巖、砂巖互層 （K1、r2）⑤：泥巖呈紫紅色，中等風(fēng)化，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層～中厚層狀構(gòu)造，礦物成分主要為黏土礦物、長(zhǎng)石、石英等，局部夾粉砂質(zhì)泥巖或10～30 cm砂巖薄層，巖質(zhì)軟，遇水易軟化，脫水易干裂，巖芯以柱狀為主，巖芯采取率一般在70%～85%，RQD值為75%～85%，質(zhì)量較好。河床內(nèi)鉆孔巖芯采取率一般在40%～55%，RQD值在55%左右，質(zhì)量較差。砂巖呈灰白色，中等風(fēng)化，細(xì)～中粒結(jié)構(gòu)，薄～中厚層狀構(gòu)造，多夾10～30 cm薄層泥巖，巖芯采取率一般在70%～85%，RQD值為75%～80%，質(zhì)量較好。河床內(nèi)鉆孔巖芯采取率一般在40%～55%，RQD值為52%～60%，質(zhì)量較差。整個(gè)斷面均有分布，該層厚度為3.2～15.8 m，層面標(biāo)高為1 541.20～1 582.80 m。

白堊系下統(tǒng)泥巖、砂巖互層 （K1、r1）⑥：泥巖呈紫紅色，弱風(fēng)化，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層～中厚層狀構(gòu)造，礦物成分主要為黏土礦物、石英等，局部夾粉砂質(zhì)泥巖或10～30 cm砂巖薄層，巖質(zhì)軟，遇水易軟化，脫水易干裂，巖芯以柱狀為主，巖芯采取率一般在80%～95%，RQD值大于90%，質(zhì)量好。河床內(nèi)鉆孔巖芯采取率一般小于40%，RQD值為25%～30%，質(zhì)量差。砂巖呈灰白色，中等風(fēng)化，細(xì)～中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，薄層～中厚層狀構(gòu)造，多夾10～30cm薄層泥巖，巖芯采取率一般在80%～95%，RQD值為90%～95%，質(zhì)量好。河床內(nèi)鉆孔巖芯采取率一般在40%～55%，RQD值為50%～55%，質(zhì)量較差。

其中河床內(nèi)鉆孔3在標(biāo)高1525.56～1529.56m、鉆孔4在標(biāo)高1 506.38～1 511.78 m、鉆孔5在標(biāo)高1 516.40～1 522.6 m、鉆孔6在標(biāo)高1 533.49～1 536.39 m、1 524.89～1 527.69 m、1 515.82～1 518.59 m，巖芯采取率在60%～65%，RQD值為65%～75%，巖石質(zhì)量較差～較好。巖石單軸極限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 巖石單軸極限抗壓強(qiáng)度/MPa

穿越曲線(xiàn)在河床底部穿越④⑤⑥層，屬于地質(zhì)破碎層。

3 穿越施工

3.1 鉆導(dǎo)向孔

（1）鉆導(dǎo)向孔的鉆具組合： 251 mm(9.875 in)銑齒鉆頭 ＋泥漿馬達(dá)175 mm （7in）無(wú)磁鉆鋌 +127 mm （5 in）鉆桿的組合進(jìn)行鉆進(jìn)。

（2）為減少鉆桿懸空長(zhǎng)度，將入土角度適當(dāng)增大為16°，鉆導(dǎo)向孔時(shí)，要注意調(diào)整鉆桿的角度，每根鉆桿調(diào)整角度0.3°，單根鉆桿最大調(diào)整角度不得超過(guò)0.5°，每3根鉆桿的綜合曲率半徑要滿(mǎn)足990 m的要求。

（3）黃河河床底部地質(zhì)破碎，鉆進(jìn)過(guò)程中容易漏失泥漿，在鉆進(jìn)過(guò)程中要密切關(guān)注推力和扭矩變化，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

（4）穿越現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)起伏較大，無(wú)法布置完整的人工磁場(chǎng)線(xiàn)圈，需分段布置，控向人員必須精心操作，保證穿越軸線(xiàn)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 預(yù)擴(kuò)孔

（1）針對(duì)黃河穿越泥巖與砂巖交互地層，巖石硬度在8～58 MPa，采用本體＋鑲齒牙輪組合的擴(kuò)孔器分別進(jìn)行558.8、762、965.2 mm三次擴(kuò)孔。

（2）擴(kuò)孔器采用美國(guó)Sharewell公司生產(chǎn)的巖石鉆具，擴(kuò)孔器的本體和牙輪組合見(jiàn)表2。

表2 擴(kuò)孔器本體和牙輪型式

（3）每遍擴(kuò)孔結(jié)束后，用小于擴(kuò)孔直徑50.8～101.6 mm的桶式擴(kuò)孔器分別進(jìn)行一次洗孔。并視實(shí)際擴(kuò)孔和洗孔情況，適當(dāng)增加洗孔次數(shù)。

（4）泥漿用量控制在大于1.5 m3/min。擴(kuò)孔扭矩不得大于50 kN·m。

（5）鑒于穿越巖層硬度較高，磨粒組分大，對(duì)擴(kuò)孔器的磨損比較嚴(yán)重，因此在進(jìn)行擴(kuò)孔前，對(duì)擴(kuò)孔器進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，保證水眼暢通并具有規(guī)定的射流。擴(kuò)孔時(shí)間達(dá)到牙輪規(guī)定使用時(shí)間時(shí)立即進(jìn)行更換。

（6）更換牙輪時(shí)，鉆桿推力不得大于200 kN。

3.3 回拖

回拖是最關(guān)鍵的一步，連接方式為：863.3 mm桶式擴(kuò)孔器+2 500 kN回拖萬(wàn)向節(jié)+U形環(huán)+D 660 mm穿越管道。

黃河出土點(diǎn)焊接場(chǎng)地長(zhǎng)度只有700 m，只能做“二接一”，焊接場(chǎng)地起伏大且沒(méi)有水源，不能采用發(fā)送溝發(fā)送。必須使用滾輪架發(fā)送回拖管道。

回拖時(shí)要適當(dāng)抬高鋼管的高度并使管道頭部下沉，使回拖管道保持與出土角基本重合，由鉆機(jī)啟動(dòng)回拖，使管道順利入洞。

3.4 泥漿配制

本次穿越地層主要為砂巖，泥漿的攜帶性能和流動(dòng)性至關(guān)重要。

配制泥漿的水可直接從黃河中抽取，凈化。為了確保泥漿的性能，要求每罐泥漿都有足夠的水化時(shí)間，定時(shí)測(cè)量黏度，并記錄泥漿用料名稱(chēng)及數(shù)量。黃河穿越由于經(jīng)過(guò)破碎地質(zhì)層，泥漿黏度必須滿(mǎn)足表3的指標(biāo) （表3為針對(duì)導(dǎo)向孔、擴(kuò)孔、回拖三個(gè)階段的泥漿黏度）。

表3 泥漿黏度

為了充分利用回收泥漿，在入土點(diǎn)各配置一套美國(guó)奧格公司生產(chǎn)的泥漿回收裝置進(jìn)行泥漿的回收利用，回收的泥漿經(jīng)過(guò)重新配置達(dá)到性能要求后方可使用。定期化驗(yàn)返出泥漿的含砂量，及時(shí)調(diào)整泥漿配方。

4 穿越難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

4.1 擴(kuò)孔速度緩慢

第一級(jí)擴(kuò)孔558.8 mm開(kāi)始后速度始終較慢，其主要原因是鉆具選擇不合理，泥漿排量偏小，設(shè)備老化維修時(shí)間長(zhǎng)，泥漿池太小，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)等。為此采取以下措施：

（1）增大出土點(diǎn)泥漿池的容量，保證設(shè)備正常的情況下連續(xù)作業(yè)。

（2）對(duì)鉆具進(jìn)行優(yōu)化，比較軟的泥巖和砂巖層采用銑齒牙輪，進(jìn)入較硬的砂巖層后采用鑲齒牙輪。

（3）在原有入土點(diǎn)已有2臺(tái)泥漿泵、1臺(tái)泥漿回收裝置的基礎(chǔ)上增加1臺(tái)水化裝置，加速泥漿配比速度。同時(shí)，在出土點(diǎn)新增2臺(tái)泥漿泵和1臺(tái)泥漿回收裝置，加大泥漿的回收利用，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)對(duì)注，增加泥漿排量。

（4）增加有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)備維修人員，并與專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家積極聯(lián)系，備足設(shè)備配件，保證設(shè)備的正常連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保證穿越施工連續(xù)進(jìn)行。

通過(guò)采取以上措施，第二級(jí)擴(kuò)孔速度明顯加快，取得了預(yù)期的效果。

4.2 地質(zhì)斷裂帶附近擴(kuò)孔困難

地質(zhì)斷裂帶附近地質(zhì)十分破碎，取芯率只有25%～50%，因此，按照地質(zhì)構(gòu)造通常的規(guī)律和專(zhuān)家的建議，在此處穿越深度加深15～20 m。實(shí)際施工過(guò)程中，我們?cè)谠O(shè)計(jì)人員的指導(dǎo)下加深了近20 m，即使如此，穿越過(guò)程中在斷裂帶附近100 m范圍內(nèi)，仍是本工程最難施工的一段。具體表現(xiàn)在：進(jìn)尺速度十分緩慢，擴(kuò)孔扭矩難以控制，洗孔過(guò)程出現(xiàn)卡鉆，首次回拖拉力突增。

針對(duì)這種情況，我們?cè)谑┕ぶ胁扇×艘韵麓胧?/p>

（1）加大泥漿排量，始終保持泥漿排量在1.8 m3/min以上。（2）提高泥漿黏度，泥漿黏度控制在高于100s。（3）限制擴(kuò)孔扭矩，以免扭矩過(guò)大切削的顆粒太大，使泥漿不易攜帶。

（4）盡量提高鉆機(jī)擴(kuò)孔轉(zhuǎn)速，加快擴(kuò)孔切削速度。

（5）控制擴(kuò)孔拉力，保證鉆機(jī)快速均勻施工。

4.3 入出土點(diǎn)高差大

入土點(diǎn)與出土點(diǎn)高差達(dá)18.8 m，因高差產(chǎn)生的泥漿空洞長(zhǎng)達(dá)135 m。泥漿空洞過(guò)長(zhǎng)，在管道回拖過(guò)程中容易對(duì)防腐層造成損害。為此，采用了以下兩個(gè)措施：

（1）對(duì)設(shè)計(jì)曲線(xiàn)進(jìn)行了調(diào)整。在原穿越深度基礎(chǔ)上，在入土角不變的前提下，盡量延長(zhǎng)穿越水平段的長(zhǎng)度，使泥漿空洞長(zhǎng)度盡量縮短，減少對(duì)防腐層的損害。

（2）在回拖過(guò)程中，在出土點(diǎn)一側(cè)注入高黏度泥漿，以減少空洞長(zhǎng)度，減少摩擦阻力。

4.4 回拖過(guò)程中卡鉆

在首次回拖過(guò)程中，前1 000 m鉆桿回拖力和回拖速度一切正常，隨后回拖力突然增大，回拖速度明顯減緩；在不到20 m的范圍內(nèi)拉力陡升至2 400 kN，此時(shí)，增加拉力仍不能正常回拖，發(fā)生了卡鉆。

發(fā)生拉力突增的地點(diǎn)恰恰處于地質(zhì)斷裂帶附近，在此處擴(kuò)孔和洗孔都曾出現(xiàn)過(guò)卡鉆現(xiàn)象，雖然經(jīng)過(guò)反復(fù)洗孔使擴(kuò)孔器運(yùn)行趨于正常，在回拖過(guò)程中地質(zhì)破碎仍使此處淤積了過(guò)多的切削物，從而使拉力突然增加。

針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題和分析產(chǎn)生問(wèn)題的原因，主要采取了以下措施：

（1）立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，緊急調(diào)運(yùn)600 t滑輪組進(jìn)行解卡，成功拖出入洞的鋼管。

（2）為了確保空洞內(nèi)的淤積物盡可能排出，先進(jìn)行了一次762 mm桶式擴(kuò)孔器洗孔，通暢后又進(jìn)行了863.6 mm桶式擴(kuò)孔器洗孔。

（3）在863.6 mm桶式擴(kuò)孔器洗孔通暢的情況下，用50～90 m鋼管試回拖。

（4）試回拖成功后再次進(jìn)行863.6 mm桶式擴(kuò)孔器洗孔，然后進(jìn)行主管回拖。

通過(guò)采取以上措施，再次回拖一次成功。

5 結(jié)束語(yǔ)

八盤(pán)峽黃河穿越成功，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)大型河流、山體、鐵路三連穿的先河，在國(guó)內(nèi)大型河流定向鉆穿越中率先嘗試了破碎巖層、斷裂帶地質(zhì)的穿越。穿越深度達(dá)到84 m，這在國(guó)內(nèi)外定向鉆穿越工程中實(shí)屬罕見(jiàn)。通過(guò)八盤(pán)峽黃河穿越，我們總結(jié)出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，可供未來(lái)大型定向鉆穿越工程借鑒。

（1）在具有斷裂帶且地質(zhì)比較破碎的巖層穿越時(shí)，盡管導(dǎo)向孔鉆進(jìn)比較正常，但絕不意味著擴(kuò)孔、洗孔和回拖沒(méi)有問(wèn)題。

（2）對(duì)于泥巖與砂巖交互層，在單軸抗壓強(qiáng)度低于30 MPa的情況下，采用銑齒牙輪的擴(kuò)孔速度要明顯優(yōu)于鑲齒牙輪。

（3）在條件允許的情況下，無(wú)論是在鉆導(dǎo)向孔還是在擴(kuò)孔階段，都應(yīng)盡量增大泥漿排量，提高泥漿黏度。

（4）在穿越入、出土點(diǎn)必須配備泥漿回收裝置和泥漿配置裝置，以提高泥漿回收率，有利于保證泥漿的性能。

（5）對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)的大型河流定向鉆穿越工程，應(yīng)該在洗孔正常的情況下試回拖，在試回拖成功的基礎(chǔ)上再進(jìn)行主管回拖。

[1]閻慶華，孫玉杰，付超，等.長(zhǎng)輸管道河流穿跨越方案選擇[J].石油工程建設(shè)，2011，（3）：1-5.

Construction Technology of Directional Drilling for Crossing Fragmented Terrane and Fault Zone

WANG Hai（Pipeline Crossing Branch of China Petroleum Pipeline Bureau,Langfang 065001,China）,ZHAO Hong-sheng

In the second She-Ning-Lan gas transmission pipeline project,the pipeline located at the Yellow River bidding section of Bapanxia,Lanzhou City needed crossing the Yellow River,Lan-Qing railway and Qingshizui Mountain in turn,where the geological condition belongs to fragmented terrane and fault zone.In this paper,the construction processes of the pipeline crossings are discussed including the drilling tool combination in the stages of pilot hole drilling,reaming and pullback and the mud preparation.And the countermeasures for solving problems such as low reaming speed,difficult reaming in fragmented terrane,big height difference between pipeline entry point and exit point,and drill tool sticking at pullback stage are put forward.

long-distance pipeline;directional drilling;crossing;fragmented terrane;river and mountain

TE973.4

B

1001－2206（2011）06－0041－04

王 海 （1963-），男，天津人，高級(jí)工程師，1983年畢業(yè)于太原重型機(jī)械學(xué)院工程機(jī)械專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事水平定向鉆施工管理工作。

2010-11-18