水平定向鉆穿越海溝施工難點(diǎn)及處理方法

王 海，劉艷輝，霍學(xué)慶

中國(guó)石油管道局工程有限公司第四分公司，河北廊坊 065000

1 工程概況

中緬油氣管道5#海溝穿越位于緬甸西海岸，包括三條管道，分別為：D 1016 mm×17.5 mm的X70天然氣管道、D 813 mm×14 mm的X70原油管道和D 114 mm×6.0 mm的光纜硅膠套管。三條管道平行穿越，原油與天然氣管道間距15 m，天然氣管道與硅膠套管間距12 m。設(shè)計(jì)范圍內(nèi)管道實(shí)長(zhǎng)約1498 m，其中定向鉆穿越段1206 m，一般施工線路段292 m。穿越工程等級(jí)為大型。

2 地質(zhì)情況

5#海溝穿越位置位于安村那英島（Na yangtaung）與耶罔春島（Ye gaungchein）之間。屬于阿拉干海濱低地，呈北向西展布，該區(qū)大部分地帶屬于包含了眾多大小不等島嶼的潮間濱海濕地和海岸階地平原地貌。其中濱海濕地和階地分布最廣，表現(xiàn)為包含一些零星的基巖島山和僅高出海平面幾米的平原地貌。測(cè)量資料顯示，海溝穿越段最低點(diǎn)低于海面17.1 m，海堤外圍兩岸地形平緩，海溝SW岸為水稻田，屬“圍海造田”帶，地面高程低于海面1.3～1.7 m；海溝NE岸為大片養(yǎng)蝦塘，地面高程低于海面0.9～3.1 m，局部高于海面0.5～1.5 m。海溝地貌情況見圖1。

圖1 海溝地貌

5#海溝場(chǎng)區(qū)地層覆蓋層構(gòu)成包括：第四系坡積層第四系海相沉積層，第四系海陸交匯沉積層下伏基巖為第三系中新統(tǒng)（T）

m泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和砂巖構(gòu)成厚度不等的沉積韻律，由于地表均被第四系覆蓋層覆蓋，工程勘察區(qū)及周圍無基巖出露，由鉆孔巖芯初步判定，巖層傾角在48°～65°。詳勘揭露的工程地質(zhì)單元層由上至下為：

⑦-2第三系中新統(tǒng)（Tm）強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、泥巖：深灰、灰黑色中厚層粉砂質(zhì)泥巖、泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，以陡傾角節(jié)理最發(fā)育，其次是中等傾角節(jié)理，緩傾角少見，巖芯呈碎塊狀、巖屑狀，勘探孔巖層傾角在40°左右，本層厚度為0.5～2.1 m，平均厚度為1.27 m，全孔巖芯平均采取率為98.7%，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD普遍為0%，在勘察范圍內(nèi)及外圍2 km范圍普遍為第四系覆蓋層覆蓋無基巖露頭。

⑦-3第三系中新統(tǒng)（Tm）中等風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、泥巖：深灰、灰黑色中厚層狀粉砂質(zhì)泥巖、泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，以陡傾角節(jié)理最發(fā)育，巖層傾角為60°～65°，其次是中等傾角節(jié)理，緩傾角少見，巖芯多呈短柱狀、碎塊狀，少量柱狀，勘探孔巖層傾角在40°左右。全孔巖芯平均采取率為98.4%，RQD普遍為0%。

斷層帶及斷層影響帶：斷層帶所處地層為第三系中新統(tǒng)，可判定斷層發(fā)育時(shí)間為第三系中新統(tǒng)，斷層帶組成物質(zhì)為碎裂巖、碎塊巖、片狀巖及少量糜棱巖，局部可見構(gòu)造透鏡體，弱膠結(jié)，巖成分為粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。

本次5#海溝穿越主要地層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖和粉質(zhì)黏土、淤泥。

3 施工過程

2012年10月開始施工準(zhǔn)備，光纜套管施工時(shí)間為11月20日至11月26日，輸氣管道施工時(shí)間12月15日至2013年2月6日，輸油管道施工時(shí)間2013年2月15日至3月19日，2013年5月1日完成地貌恢復(fù)。

導(dǎo)向孔采用9.5 in（1 in=25.4 mm）鉆頭和外徑165 mm的泥漿馬達(dá)鉆具組合施工[1]。預(yù)擴(kuò)孔采用巖石擴(kuò)孔器，輸油管道進(jìn)行22、30、38、44 in共4級(jí)擴(kuò)孔，氣管道進(jìn)行24、32、40、46、52 in共5級(jí)擴(kuò)孔。管道回拖采用桶式擴(kuò)孔器帶管回拖。

本次施工泥漿使用高效膨潤(rùn)土和添加劑配置，并增加水化裝置，保證泥漿的護(hù)壁性能，泥漿黏度120～150s之間，pH值控制在9～11，相對(duì)密度值約1.05。

4 主要施工難點(diǎn)及處理方法

4.1 軟硬交界面穿越

出土側(cè)穿越曲線斷面見圖2。5#海溝黏土層與基巖的交界面據(jù)出土點(diǎn)250 m，且由于黏土層與淤泥層抗壓強(qiáng)度差，擴(kuò)孔時(shí)擴(kuò)孔器在重力作用下大幅度下沉，因此導(dǎo)致穿越曲線形成夾角，造成管道回拖風(fēng)險(xiǎn)加大[2]。針對(duì)這種情況，采取以下方法盡量減小穿越曲線形成的夾角，使穿越曲線處于理想的狀態(tài)。

圖2 出土側(cè)穿越曲線斷面圖

（1）調(diào)整擴(kuò)孔方向。導(dǎo)向孔穿越完成后，在出土點(diǎn)一側(cè)安裝另一臺(tái)鉆機(jī)，從入土點(diǎn)方向往出土點(diǎn)方向擴(kuò)孔，由于擴(kuò)孔方向的變化導(dǎo)致擴(kuò)孔器受力的改變，從而減少了擴(kuò)孔器在黏土層的下沉程度，有利于穿越曲線的圓滑過渡。

（2）提升擴(kuò)孔速度。在擴(kuò)孔器從泥巖層進(jìn)入黏土層和淤泥層后，加快擴(kuò)孔速度，盡可能增大鉆桿的拉力，從而適度抵消擴(kuò)孔器重力引起的擴(kuò)孔器下沉，提高擴(kuò)孔曲線的精確度。

4.2 擴(kuò)孔扭矩大

對(duì)于長(zhǎng)距離海溝穿越，盡管泥巖抗壓強(qiáng)度不大，但擴(kuò)孔扭矩卻較大，這是整個(gè)中緬管道海溝穿越普遍遇到的問題。此外，由于巖性破碎，切削的巖屑顆粒度大小不均勻，局部容易形成堆積，也給擴(kuò)孔扭矩帶來了很大影響。由此引起了擴(kuò)孔速度慢、泥漿使用量大、施工時(shí)斷時(shí)續(xù)等問題，為有效解決這些問題，采取了以下措施：

（1）在入、出土點(diǎn)各安裝1臺(tái)鉆機(jī)實(shí)行聯(lián)合擴(kuò)孔。其中1臺(tái)為主鉆機(jī)，按照正常旋轉(zhuǎn)方向擴(kuò)孔，擴(kuò)孔扭矩控制在30000～40000N·m。另一臺(tái)鉆機(jī)反向旋轉(zhuǎn)與主擴(kuò)孔鉆機(jī)轉(zhuǎn)速同步，控制扭矩≤30000 N·m，這樣就可以滿足大扭矩?cái)U(kuò)孔的需要。實(shí)踐證明，只要兩臺(tái)鉆機(jī)的司鉆人員密切配合，雙鉆機(jī)擴(kuò)孔速度明顯高于一臺(tái)鉆機(jī)擴(kuò)孔速度。

（2）加大泥漿排量。在入、出土點(diǎn)各安裝2臺(tái)泥漿泵及其配套的泥漿回收和配制系統(tǒng)，擴(kuò)孔時(shí)從入、出土點(diǎn)同時(shí)注入泥漿，提高擴(kuò)孔器水眼的射流速度，減少巖屑堆積對(duì)擴(kuò)孔器的影響[3-4]。

4.3 泥漿漏失

海溝穿越地層主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，RQD普遍為0%。因此，導(dǎo)向孔鉆進(jìn)幾百米出現(xiàn)泥漿漏失，漏失點(diǎn)容易形成巖屑堆積，對(duì)后續(xù)擴(kuò)孔及回拖作業(yè)帶來了極大的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)此采取以下措施：

（1）保障泥漿性能。提高泥漿的攜帶性和流動(dòng)性，施工前嚴(yán)格制訂泥漿技術(shù)指標(biāo)，施工中使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，對(duì)配制的每罐泥漿進(jìn)行性能檢測(cè)，在切實(shí)滿足質(zhì)量要求的情況下方可使用。

（2）提高泥漿流動(dòng)性。加大泥漿排量，降低泥漿固相含量，提高泥漿的流動(dòng)性[5]。

（3）增加洗孔作業(yè)。每級(jí)擴(kuò)孔完成后使用小一級(jí)的桶式擴(kuò)孔器進(jìn)行洗孔作業(yè)，進(jìn)一步降低孔內(nèi)泥漿的固相含量，提高泥漿的流動(dòng)性和孔內(nèi)的通暢性。

（4）進(jìn)行泥漿堵漏。在施工中出現(xiàn)泥漿漏失時(shí)，及時(shí)在泥漿中加入隨鉆堵漏劑。

4.4 泥漿性能穩(wěn)定性

穿越點(diǎn)地處海相沉積地層，會(huì)發(fā)生海水侵入，對(duì)泥漿性能損害非常大，此地層中鈣鎂離子含量高，氯化鈉含量高，因此泥漿的性能及穩(wěn)定性是穿越成功的關(guān)鍵因素之一，對(duì)此采用以下方法：

（1）提高泥漿pH值。為減少鈣鎂離子和解除鹽侵現(xiàn)象，保證泥漿的攜帶性能，適量加大純堿和燒堿的加入量，加量以保證返出漿的pH值在10以上為準(zhǔn)[6]。

（2）添加CMC（羧甲基纖維素鈉）進(jìn)行護(hù)膠。為防止海水和地層中的氯化鈉破壞泥漿性能，必須加入適量的CMC進(jìn)行護(hù)膠，加量在0.3%左右，如果海水侵入量過大則加入其他添加劑護(hù)膠。

（3）強(qiáng)化泥漿回收循環(huán)利用。加強(qiáng)泥漿的循環(huán)利用，能回收的泥漿盡量回收，這樣既可提高泥漿的穩(wěn)定性、減少泥漿水化時(shí)間，又可以降低泥漿材料的使用量。

4.5 管道的焊接與發(fā)送

穿越管道出土點(diǎn)位于海溝SW岸為水稻田，屬“圍海造田”帶，地面高程低于海面1.3～1.7 m，因此，管道焊接及發(fā)送是制約穿越的突出問題。為此，采取以下措施：

（1）圍堰。用濕地挖溝機(jī)在原有圍海造田的基礎(chǔ)上圍住一個(gè)長(zhǎng)250 m、寬80 m的區(qū)域及與此相通的碼頭和道路，圍堰高度1.8 m，保證最大潮位時(shí)作業(yè)不受影響。

（2）場(chǎng)地鋪墊。在圍好的區(qū)域四周抽水以降低圍堰內(nèi)的地下水位，同時(shí)圍堰內(nèi)鋪墊山體土50 cm厚，保證設(shè)備正常行走和吊裝，由于施工期間處于旱季，基本不受降雨影響，因此，圍好的場(chǎng)地只要鋪墊適當(dāng)足以滿足正常施工。

（3）安裝滾輪架，進(jìn)行管道分段預(yù)制。在已經(jīng)鋪墊好的場(chǎng)地內(nèi)安裝10～15組滾輪架進(jìn)行管道焊接、檢測(cè)、補(bǔ)口，當(dāng)完成上述作業(yè)達(dá)到180 m時(shí)，將管道推入圍堰外的灘涂發(fā)送溝中，再進(jìn)行后續(xù)180 m的焊接[7]，以此類推直到完成全部管道預(yù)制。滾輪架及發(fā)送溝見圖3、圖4。

圖3 利用滾輪架協(xié)助管道安裝

圖4 將分段預(yù)制完成的管道推入發(fā)送溝內(nèi)

5 結(jié)束語

5#海溝穿越施工過程中嚴(yán)格執(zhí)行了上述技術(shù)措施，輸氣管道穿越從導(dǎo)向孔開鉆到完成回拖歷時(shí)54 d，最大回拖力800 kN，輸油管道穿越從導(dǎo)向孔開鉆到完成回拖歷時(shí)38 d，最大回拖力僅700 kN，達(dá)到了理想的預(yù)期效果，也進(jìn)一步說明了采取的施工措施得力有效。