軟硬交錯(cuò)地層中的定向鉆穿越施工技術(shù)

王 海，樓岱瑩，屠言輝

（中國石油天然氣管道局穿越分公司，河北廊坊 065001）

0 引言

典型的水平定向鉆軌跡曲線由斜直線段 （入土）、圓弧段 （造斜）、水平直線段、圓弧段 （造斜）和斜直線段 （出土）等部分組成，其中水平直線段的高程要比其他段低。同時(shí)，地層的硬度一般說來從地表向下呈現(xiàn)出愈來愈硬的趨勢，這種趨勢在巖石地層中尤為突出。當(dāng)采用水平定向鉆工藝穿越的河床或障礙物下面為巖石地層時(shí)，多數(shù)情況下入、出土端的地表覆蓋的是相對較軟的淤泥層、黏土層等，在這種中間分布較硬巖層、兩端分布較軟淤泥或黏土層的工況下，大口徑多級(jí)擴(kuò)孔后很容易在軟硬交錯(cuò)地層處形成擴(kuò)孔臺(tái)階。針對此種擴(kuò)孔臺(tái)階，目前國內(nèi)還沒有專用鉆具可以對其修補(bǔ)，通過本文介紹的擴(kuò)孔工藝，可有效減輕此種擴(kuò)孔臺(tái)階對后續(xù)工序的影響。

前些年由于采用水平定向鉆安裝的管道管徑較小，預(yù)擴(kuò)孔時(shí)終孔孔徑一般也較小，擴(kuò)孔器的重量較輕，擴(kuò)孔臺(tái)階的形成不是很明顯。但隨著西氣東輸二線大口徑管道 （直徑D1219 mm）工程的建設(shè)，定向鉆擴(kuò)孔孔徑也隨之增大，在西氣東輸二線工程諸多河流定向鉆穿越施工中，擴(kuò)孔孔徑最大可達(dá)1 627 mm （64 in），擴(kuò)孔器質(zhì)量高達(dá)2.2 t，如此大質(zhì)量的擴(kuò)孔器在軟硬交錯(cuò)地層中由于沉降幅度不同，極易在軟硬地層交錯(cuò)處形成擴(kuò)孔臺(tái)階，極大地影響了定向鉆施工的成功率。

本文闡述的擴(kuò)孔臺(tái)階均指在距離入、出土點(diǎn)150 m以內(nèi)穿越兩端的軟硬交錯(cuò)地層處產(chǎn)生的擴(kuò)孔臺(tái)階，提出的相應(yīng)措施也是針對上述區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)孔臺(tái)階。在水平穿越段如果存在軟硬交錯(cuò)地層，大口徑多級(jí)擴(kuò)孔后也會(huì)在軟硬地層交錯(cuò)處產(chǎn)生擴(kuò)孔臺(tái)階，然而就目前技術(shù)水平來講還不具備處理該類擴(kuò)孔臺(tái)階的能力。

1 擴(kuò)孔臺(tái)階形成機(jī)理

擴(kuò)孔臺(tái)階的形成主要是由于作用在擴(kuò)孔器上垂直向下的合力在軟硬交錯(cuò)地層中引起的沉降不同而產(chǎn)生的。然而在同一工程中，穿越兩端軟硬地層交錯(cuò)處形成臺(tái)階的程度有很大差異，這主要是由于擴(kuò)孔器在穿越兩端時(shí)受力狀態(tài)不同而產(chǎn)生的。目前，水平定向鉆擴(kuò)孔一般采用鉆機(jī)回拉擴(kuò)孔工藝，因此擴(kuò)孔器在穿越兩端時(shí)受力不同，導(dǎo)致穿越兩端時(shí)形成擴(kuò)孔臺(tái)階的狀況及影響程度也不同，下面作詳細(xì)分析。

圖1為處在管道側(cè) （導(dǎo)向孔出土側(cè)）軟硬地層交錯(cuò)處的擴(kuò)孔器受力狀態(tài)。此狀態(tài)下，擴(kuò)孔器受到鉆機(jī)沿鉆柱前進(jìn)方向的拉力F1、背對前進(jìn)方向的地層阻力F2、背對前進(jìn)方向的孔中泥漿摩擦阻力F3、自身重力Fg和浮力Ff，鉆機(jī)拉力F1要克服地層阻力F2和泥漿摩擦阻力F3的影響使得擴(kuò)孔器不斷切屑地層并前進(jìn)。設(shè)F1、F2、F3的合力為Fa，對Fa、Fg、Ff三個(gè)力進(jìn)行正交分解，可得到擴(kuò)孔器受到的垂直向下的合力為：F管側(cè)=Fg+Fa1-Ff，此合力導(dǎo)致擴(kuò)孔器在地層中的沉降。

圖1 處于管道側(cè)的擴(kuò)孔器受力狀態(tài)

圖2為處在鉆機(jī)側(cè) （導(dǎo)向孔入土側(cè)）軟硬地層交錯(cuò)處擴(kuò)孔器的受力狀態(tài)。與圖1所示狀態(tài)相似，可得到擴(kuò)孔器受到的垂直向下的合力為：F鉆側(cè)=Fg-Fa1-Ff。

圖2 處于鉆機(jī)側(cè)的擴(kuò)孔器受力狀態(tài)

這里假設(shè)在圖1和圖2所示的兩種狀態(tài)下，擴(kuò)孔器重力Fg、鉆機(jī)拉力在垂直方向的分力Fa1（穿越入、出土角相等的情況下該分力大小相等）以及浮力Ff均相同，將擴(kuò)孔器在管道側(cè)和鉆機(jī)側(cè)分別受到的向下合力進(jìn)行對比容易得知：F管側(cè)＞F鉆側(cè)。因此，擴(kuò)孔器在管道側(cè)軟硬地層交錯(cuò)處產(chǎn)生的擴(kuò)孔臺(tái)階較大，從而在管道回拖過程中易引起臺(tái)階卡住管頭導(dǎo)致回拖受阻甚至失敗。

在實(shí)際的定向鉆施工過程中，穿越兩端軟硬地層交錯(cuò)處產(chǎn)生的擴(kuò)孔臺(tái)階如圖3所示。

2 擴(kuò)孔臺(tái)階的應(yīng)對措施

實(shí)際施工過程中，在遇到穿越曲線兩端或單端存在軟硬交錯(cuò)地層的情況時(shí)，主要采用以下工藝進(jìn)行處理：

（1）大開挖去除不良地層。

（2）采用夯管或頂管法安裝隔離套管。

（3）通過地質(zhì)改良固化軟地層。

（4）合理選擇鉆機(jī)安裝位置 （河流兩側(cè)），改變擴(kuò)孔方向，減小或避免擴(kuò)孔臺(tái)階的影響。

前三種施工工藝作為水平定向鉆施工的輔助工藝已經(jīng)得到較為成熟的應(yīng)用，尤其在隔離穿越河流兩端分布的短距離不良地層 （如卵礫石地層或淤泥軟地層等）方面效果顯著，而第 （4）種工藝是基于前三種工藝的合理優(yōu)化，也是本文闡述的重點(diǎn)。上述四種工藝的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

圖3 在穿越兩端軟硬地層交錯(cuò)處形成的擴(kuò)孔臺(tái)階示意

表1 水平定向鉆輔助工藝的比較

下面著重介紹第 （4）種方法的適用范圍及使用效果，此種施工方法主要適用于以下兩種情況：

（1）穿越兩端只有一端存在軟硬交錯(cuò)地層的情況。在該種情況下，擴(kuò)孔時(shí)可以將存在軟硬交錯(cuò)地層的一側(cè)作為鉆機(jī)側(cè)，而無軟硬交錯(cuò)地層的一側(cè)作為管道側(cè)，充分利用圖2所示擴(kuò)孔器受力狀態(tài)優(yōu)勢，合理減小甚至避免擴(kuò)孔臺(tái)階的影響。

（2）穿越兩端均存在軟硬交錯(cuò)地層的情況。在這種情況下可以選擇一端夯套管隔離軟地層，而另一端不采取措施，從而降低成本。擴(kuò)孔時(shí)，將有套管的一側(cè)作為管道側(cè)，而無套管的一側(cè)作為鉆機(jī)側(cè)，同樣利用圖2所示擴(kuò)孔器受力狀態(tài)優(yōu)勢，合理減小甚至避免擴(kuò)孔臺(tái)階的影響。

3 工程實(shí)例

蘭—鄭—長成品油管道長江穿越 （第3次穿越）項(xiàng)目是成功應(yīng)用上述方法的實(shí)例，該管道為D 610 mm×12.7 mm的成品油管道。穿越處高程-15 m以上地層為砂層，局部夾雜黏土透鏡體；高程-15 m以下為基巖，主要以砂礫巖為主，部分巖體存在砂巖，穿越兩端均存在典型的軟硬地層交錯(cuò)面 （見圖 4）。

圖4 蘭—鄭—長管道長江穿越斷面示意

針對該地質(zhì)條件，長江穿越原設(shè)計(jì)方案如下：水平穿越長度1 984 m，導(dǎo)向孔入土點(diǎn)在右側(cè)，入土角度16°，導(dǎo)向孔出土點(diǎn)在左側(cè)，出土角度15°，在入土點(diǎn)和出土點(diǎn)夯入長度分別為118 m和157 m，管徑為D1219 mm的鋼套管，套管下頂端夯入基巖內(nèi)以消除擴(kuò)孔過程中擴(kuò)孔器在軟硬地層交錯(cuò)處產(chǎn)生擴(kuò)孔臺(tái)階的可能性。如果兩端鋼套管安裝到位，導(dǎo)向孔采用兩臺(tái)鉆機(jī)雙向施工，孔道對接完成，擴(kuò)孔時(shí)從導(dǎo)向孔出土點(diǎn)向入土點(diǎn)方向逐級(jí)擴(kuò)孔。

在原方案實(shí)施過程中，入土端套管安裝長度完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，長度118 m的套管其下頂端完全夯入基巖。然而，出土端由于砂層中存在卵礫石夾層涌水嚴(yán)重，最終套管夯入長度僅有80 m，未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

針對此情況，放棄了出土端安裝套管的方案，將出土點(diǎn)后移 100 m，出土角改為 14°（見圖4）。鑒于出土端軟地層厚度較厚、套管安裝方案不可行的情況，決定采用使擴(kuò)孔器處于如圖2所示受力狀態(tài)的方案，從而避免了夯入套管的施工難點(diǎn)。具體實(shí)施方案如下：鉆導(dǎo)向孔時(shí)，鉆機(jī)安裝在右側(cè)，導(dǎo)向孔入土角16°，出土角14°，鉆進(jìn)水平長度2 084 m，即入土點(diǎn)不變，而實(shí)際出土點(diǎn)較原設(shè)計(jì)方案中的出土點(diǎn)后移100 m；擴(kuò)孔時(shí)，將鉆機(jī)挪位至左側(cè)，擴(kuò)孔方向與原設(shè)計(jì)方案中的擴(kuò)孔方向相反，讓套管安裝成功的一端作為管道側(cè)，未安裝套管的一端作為鉆機(jī)側(cè)，這樣就可以減小甚至避免擴(kuò)孔臺(tái)階的形成。2011年12月16日長江穿越管道回拖成功，管道回拖過程中鉆機(jī)回拖力平穩(wěn)且不大于850 kN，實(shí)踐證明該工程地下孔洞成形較好，鉆機(jī)側(cè)軟硬地層交錯(cuò)處未產(chǎn)生能夠明顯影響回拖力的擴(kuò)孔臺(tái)階。

[1]李國民，劉寶林，方雪松.松散砂礫石層非開挖水平導(dǎo)向鉆進(jìn)成孔方法的探討[J].非開挖技術(shù),2005,（2）：41-43.

[2]李山.水平定向鉆進(jìn)地層適應(yīng)性的評(píng)價(jià)方法[J].非開挖技術(shù),2008，（1）：39-44.

[3]蔡亮學(xué)，何利民，呂宇玲，等.水平定向鉆穿越方案設(shè)計(jì)方法研究[J].石油工程建設(shè)，2010，（2）：1-4.