淺析天然氣管道定向穿越楓樹嶺山體施工

摘 要：文章根據(jù)德興市銀香東路中壓管道楓樹嶺段水平定向鉆工程成功穿越的施工實踐，在出入土點(diǎn)存在較大高差、巖石裂隙發(fā)育程度高、巖石強(qiáng)度較高的千枚巖地層復(fù)雜地質(zhì)條件下，以及存在泥漿泄漏的情況下，介紹了從鉆孔、擴(kuò)孔及回拖的穿越施工的工藝過程，分析及采取的對策措施，對以后類似的工程施工具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：水平定向鉆；穿越；導(dǎo)向；泥漿；擴(kuò)孔；回拖

1 工程概況

德興市銀香東路中壓管道楓樹嶺段定向鉆穿越工程，穿越位置為德興市S317省道楓樹嶺段，主管規(guī)格為Φ325×7 Q235B 螺旋焊接鋼管，管壁外防腐采用加強(qiáng)級三層PE防腐。穿越長度約385m，出入土點(diǎn)高差約10m。該工程主要穿越：塊石素填土、強(qiáng)風(fēng)化千枚巖50.4m，強(qiáng)中風(fēng)化千枚巖中13m，中強(qiáng)風(fēng)化千枚巖43.64m，在新鮮變質(zhì)（千枚巖）巖穿越162.7m，中風(fēng)化千枚巖110.99m。巖石平均強(qiáng)度為42MPa。

2 場地地層結(jié)構(gòu)及其工程特性

勘探深度內(nèi)，場地地層結(jié)構(gòu)由（1）第四系人工填土層（Q4ml）、（2）第四系上更新統(tǒng)黏土（Q3el+dl）及前震旦系雙橋山群東坑組千枚巖（Ptshdn）組成。按其成因、巖性及其工程特性，自上而下依次劃分為：①素填土（Q4ml）；②黏土（Q3el+dl）；③-1強(qiáng)風(fēng)化千枚巖（Ptshdn）；③-2中風(fēng)化千枚巖（Ptshdn）；為了整個勘察成果的統(tǒng)一性，順延編號。

3 本工程的施工特點(diǎn)分析

（1）泥漿漏失：穿越地層為千枚巖，片理發(fā)育、受造山運(yùn)動和后期風(fēng)化的作用，垂直裂隙相當(dāng)發(fā)育，山頂最大裂隙達(dá)到3m多寬，與地下裂隙聯(lián)通性非常好，在雨水非常少的情況下經(jīng)常有裂隙水滲出地表，在公路產(chǎn)生水痕；再加上出入土點(diǎn)高差近10m，導(dǎo)向孔將各巖層的裂隙串通起來更加大了地下水和泥漿的漏失，泥漿作為定向穿越的“血液”，在導(dǎo)向、擴(kuò)孔中大量漏失，破碎的巖石碎屑無法有效排除，勢必造成穿越難度的增加。（2）巖石強(qiáng)度較高：從導(dǎo)向及擴(kuò)孔的單位時間進(jìn)尺看，巖石的抗壓強(qiáng)度可能大于42MP。最慢單根擴(kuò)孔時間9小時，最快單根擴(kuò)孔時間4小時。且軟硬不均，由于軟硬不均，造成螺桿鉆具損壞，易出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象?；財U(kuò)時易造成擴(kuò)孔器偏心，產(chǎn)生扭矩不穩(wěn)現(xiàn)象。（3）由于穿越方向角度為211°與片理發(fā)育的方向呈約45℃的夾角，導(dǎo)向鉆進(jìn)時鉆頭出現(xiàn)偏移，穿越方位難以控制，糾偏難度大。（4）出入土點(diǎn)碎石層堆積，碎石層基本以山體崩塌的片狀巖石為主，幾乎無膠結(jié)物，導(dǎo)向及擴(kuò)孔時極易形成臺階狀，鉆桿受剪切力較大易折斷，拖管時易出現(xiàn)卡管現(xiàn)象，造成拖管失敗。

4 工程主要施工技術(shù)措施方案

4.1 設(shè)備選型

針對本工程的特點(diǎn)及難點(diǎn)，設(shè)備在原施工組織的基礎(chǔ)上作了調(diào)整：

（1）鉆機(jī)：選用鉆通ZT220鉆機(jī)，該機(jī)器最大回拖力達(dá)200噸，最大扭矩達(dá)72000NM。（2）鉆具：165泥漿馬達(dá)（1.75度）、8.5英寸三牙輪鑲齒鉆頭、127鉆桿、420mm、500mm三牙輪鑲齒擴(kuò)孔器。（3）泥漿系統(tǒng)：20m3的攪拌罐、20m3的儲漿罐，SH150撬裝式高壓柱塞泥漿泵。（4）導(dǎo)向系統(tǒng)：美國DCI地磁導(dǎo)向系統(tǒng)，配置抗拉強(qiáng)度高的多芯的信號線，可實時隨鉆跟蹤測量。

4.2 泥漿性能的控制和調(diào)整

在施工過程中，現(xiàn)場每混配好一罐泥漿后的漏斗粘度，要及時調(diào)整至滿足施工要求為止，泥漿監(jiān)控是一個動態(tài)變化過程。

（1）按施工泥漿性能要求嚴(yán)格掌握清水與泥漿添加劑比例。（2）控制返出泥漿密度，防止孔壁垮塌。（3）導(dǎo)向擴(kuò)孔施工適當(dāng)提高泥漿粘度、靜切力，有利于孔壁穩(wěn)定。（4）高的動切力有利于攜帶鉆渣。（5）良好的潤滑性能，有利于降低拖管回拖力?？妆诜€(wěn)定要求泥漿的泥漿粘度越高越好，但過高的泥漿粘度會增加回拖力，泥漿粘度控制在45～60s。

4.3 工藝過程的控制

本工程設(shè)計入土角12°，固定好地錨安裝調(diào)試好設(shè)備，進(jìn)行導(dǎo)向孔施工。導(dǎo)向孔由低往高進(jìn)行施工，原因是山體高差較大，穿越距離短，如由高往低進(jìn)行施工，難以滿足曲率半徑要求，導(dǎo)向無法出土，所以由低往高進(jìn)行導(dǎo)向孔施工為最佳選擇。

按照原施工方案進(jìn)行施工，在經(jīng)歷了兩次導(dǎo)向孔失敗后，決定更換設(shè)備，主要是更換泥漿系統(tǒng)，將泥漿泵量提高，有助于導(dǎo)向過程中鉆進(jìn)方向的調(diào)整和巖屑的攜帶。在泥漿系統(tǒng)更換后，泥漿泵量加大，導(dǎo)向孔鉆進(jìn)進(jìn)度有所提高，鉆進(jìn)方向易于控制。

在導(dǎo)向孔成功后，采取傳統(tǒng)定向鉆施工工藝擴(kuò)孔，一級Φ420mm擴(kuò)至186m時，扭矩增大，預(yù)擴(kuò)孔緩慢，及時回抽鉆桿和擴(kuò)孔器。根據(jù)導(dǎo)向孔、預(yù)擴(kuò)孔施工發(fā)生的情況，改變原施工方案，將采取后場注漿施工工藝，進(jìn)行施工。具體操作工藝如下：

（1）山體高差較大及山體本身存在裂隙，孔內(nèi)無法存流泥漿，鉆具磨損嚴(yán)重。首先對孔內(nèi)鉆桿全部置換并用補(bǔ)漿短節(jié)對孔內(nèi)進(jìn)行反復(fù)洗孔，直至空鉆數(shù)據(jù)在允須范圍內(nèi)（一般控制在15000Nm以下）。（2）將鉆機(jī)調(diào)整至后場（出土點(diǎn)）安裝、調(diào)試就位。并購置后場注漿機(jī)具，預(yù)擴(kuò)孔將由低向高施工。機(jī)械設(shè)備需在出入土點(diǎn)反復(fù)進(jìn)出場，S317省道上行走，安全預(yù)防提前。（3）山體高差大，導(dǎo)向孔施工時由下往上施工，導(dǎo)向軌跡基本呈30%坡度，在入土點(diǎn)造斜段后，水平段是巖屑堆積處，為防止因巖屑堆積過多，造成抱鉆，預(yù)擴(kuò)孔時在此處需進(jìn)行反復(fù)洗孔。（4）千枚巖巖性片里發(fā)育，擴(kuò)孔完成后，孔內(nèi)形狀為橢圓（俗稱雞蛋狀），按照施工規(guī)范1.5倍的基礎(chǔ)上，將增加一級擴(kuò)孔，主要考慮巖體掉落，造成巖屑堆積，管線回拖時卡管。（5）在一級擴(kuò)孔完成后，加大泥漿泵量，對孔內(nèi)進(jìn)行反復(fù)洗孔，再進(jìn)行二級預(yù)擴(kuò)孔施工。（6）穿越出入土點(diǎn)前方約50m為塊石回填土，在管線預(yù)擴(kuò)孔前需對其進(jìn)行開挖處理，主要作用為在預(yù)擴(kuò)孔時防止塌孔，造成卡鉆，其二是是防止管線回拖時對管線防腐層造成損傷。（7）出入土點(diǎn)高差大，管線由上向下回拖，回拖時泥漿無法在孔內(nèi)進(jìn)行長時間停滯，避免管線與巖石直接接觸，在回拖時采取泥漿泵注漿和后場人工補(bǔ)漿結(jié)合的方式注漿，對孔內(nèi)回拖管線防腐層給予保護(hù)和潤滑。（8）一級擴(kuò)孔完成后，我們根據(jù)原一級420mm實際孔擴(kuò)數(shù)據(jù)，增加二級500mm擴(kuò)孔，將巖屑有效排除，保證成孔、回拖成功。加補(bǔ)漿短節(jié)，對孔內(nèi)整體清孔，將孔內(nèi)巖屑排除。（9）回拖時采用420mm巖石擴(kuò)孔器加120噸分動器與管道連接，因出入土點(diǎn)約10m高差，如因長時間停滯會造成孔內(nèi)無泥漿保護(hù)回拖管線，在回拖時在入土點(diǎn)位置安放泥漿泵注入泥漿，同時將泥漿抽至出土點(diǎn)管線進(jìn)洞口，泥漿順孔流至入土點(diǎn)，注入適當(dāng)量的泥漿，減少管道與孔壁的磨擦，避免管線防腐層刮傷。全程回拖力小于50噸，管道出土后防腐層完好沒有破損現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

定向鉆在穿越山體存在出入土點(diǎn)高差較大時，首先應(yīng)滿足管線曲率半徑，選擇在高差較高位置作為入土點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)向孔施工。一般在短距離，高差較大穿越時，選擇在高差較低進(jìn)行導(dǎo)向孔施工，在導(dǎo)向孔完成后，如施工場地條件允許，可選擇進(jìn)行反向擴(kuò)孔，采取后場注漿方式進(jìn)行預(yù)擴(kuò)孔。如施工條件不允許可采用傳統(tǒng)施工工藝，但必須進(jìn)行反復(fù)洗孔，保證鉆渣有效排除，拉力扭矩正常，方可進(jìn)行管道回拖。