對長距離天然氣管道定向鉆穿越巖石層施工工藝的探討

孫琦 李明

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)水平越來越高，我國各方面得到了快速的發(fā)展，在保證經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的同時，人們對環(huán)境保護(hù)的關(guān)注度越來越高。天然氣是一種高效、低能耗、污染小的清潔能源，我國近些年非常重視天然氣應(yīng)用的發(fā)展，天然氣管道項(xiàng)目建設(shè)越來越多，施工難度不一，而長距離天然氣管道定向鉆穿越巖石層是施工項(xiàng)目中必要的環(huán)節(jié)，技術(shù)難度很大。本文以某項(xiàng)工程為例結(jié)合相關(guān)技術(shù)資料對此進(jìn)行了分析研究，希望能為我國天然氣行業(yè)的發(fā)展提供一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：長距離;天然氣管道;定向鉆穿越;巖石層;施工工藝;分析

中圖分類號：TE973.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0110-02

近些年定向鉆穿越技術(shù)得到了越來越多建設(shè)項(xiàng)目的應(yīng)用，定向鉆穿越技術(shù)的關(guān)鍵是需要把好控向關(guān)，主要操作方法是在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程中使用無線控向系統(tǒng)，在出入土點(diǎn)兩側(cè)位置處的中心線布置地面信標(biāo)系統(tǒng)，鉆桿內(nèi)可以通過信號反應(yīng)鉆具的位置，控向室可以通過鉆具顯示的位置進(jìn)行操作調(diào)整，通過地面信標(biāo)系統(tǒng)找到準(zhǔn)確的方向，還可以減少外來磁場的干擾。長距離天然氣管道定向鉆穿越巖石層，非常需要這一技術(shù)的支持，并且此項(xiàng)技術(shù)具有安全度高、操作便捷的優(yōu)點(diǎn)，十分適合在長距離天然氣管道定向鉆穿越巖石層施工中應(yīng)用。

1 工程概述

本文主要選擇了某石化天然氣公司的某項(xiàng)工程的一個分支，施工環(huán)境相對復(fù)雜，施工難度較大，巖石層的抗壓強(qiáng)度基本在70～120MPa之間。該段管道需要穿越巖石層，所以需要采用水平定向鉆穿越施工技術(shù)。此段施工設(shè)計(jì)共計(jì)需要穿越的線路總長為1400米，實(shí)際需要的長度為1350米，施工時穿越的入土角度約10度，出土位置處的角度約為6度，穿越時選擇使用φ508×8.7mm規(guī)格的管道，為避免回拖阻力過大，穿越管道曲率半徑定為1500D，穿越深度需要達(dá)到至少20米，選擇材質(zhì)為直縫埋弧焊鋼管。

2 工程定向鉆穿越的地質(zhì)條件

本次鋪設(shè)天然氣管道的工程路段處的巖層主要由風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和礫巖構(gòu)成，硬度較大，巖層的單軸極限抗壓強(qiáng)度在70-120MPa之間。穿越點(diǎn)四周的底層由粉質(zhì)粘土、粉砂以及礫石組成，并且硬度不一，河面較寬。

3 工程施工特點(diǎn)與施工工藝技術(shù)難點(diǎn)

3.1 工程施工特征

本次工程施工主要有三方面的特征，第一，需要通過定向鉆穿越施工的路段距離較長，達(dá)到了1400米;第二，施工地段的地理環(huán)境復(fù)雜，巖層較硬且軟硬度不一，存在已經(jīng)逐漸風(fēng)化的花崗巖、泥質(zhì)粉砂巖層等，這對施工設(shè)備的安全性和質(zhì)量要求較高;第三，由于施工距離以及施工難度的影響，施工工期會較長，并且容易出現(xiàn)各類難以預(yù)料到的情況，對工程的整體把控性要求較高。

3.2 施工工藝技術(shù)難點(diǎn)

前期已經(jīng)對施工特征進(jìn)行了描述，那么通過對工程施工特征的了解，可以明確的分析出進(jìn)行長距離天然氣管道定向鉆穿越巖石層施工技術(shù)中的難點(diǎn)，具體如下。

第一，控向難度較大。由于受施工地段地理環(huán)境以及地質(zhì)特征的影響，并且?guī)r石層單軸極限抗壓度均值較大，需要穿越的深度也比較深，所以增加了操作人員的控向難度。當(dāng)?shù)乩憝h(huán)境越復(fù)雜時，電磁磁場越不穩(wěn)定，所以增加了施工人員對施工地段數(shù)據(jù)信息收集的難度，當(dāng)信息不準(zhǔn)確時難以發(fā)出正確的指令，不能及時監(jiān)督施工的進(jìn)度并加以正確引導(dǎo)，同樣增加了控向難度。

第二，擴(kuò)孔難度較大。施工地段的巖石層硬度非常高，抗壓強(qiáng)度最高值已經(jīng)超過115MPa，這對地層擴(kuò)孔技術(shù)的要求很高，并且在施工過程中還要避免出現(xiàn)“沉降”、“塌孔”一類的問題。

第三，對泥漿工藝的要求較高。由于施工地段的地質(zhì)構(gòu)成比較復(fù)雜，在施工中需要定向鉆穿越不同的巖層面，這對泥漿工藝要求較高，因?yàn)樵谑┕み^程中需要運(yùn)用泥漿將管道固定在巖石層中，不同的巖石層對泥漿的要求不同，并且需要泥漿具有良好的附著性、固壁性以及攜屑力，避免出現(xiàn)“泥漿漏失”、“塌孔”等現(xiàn)象并將鉆屑等雜物排除出來。

第四，容易發(fā)生鉆桿變形甚至折斷、管道損壞等問題。本次施工地段的整體工線較長，并且入土端的土層較軟，荷載力不高，在施工的過程中會隨著施工的位置的不斷深入，推力逐步增大，這使得鉆桿承受的壓力越來越大，鉆桿會逐漸變形，嚴(yán)重的情況就可能會折斷。在實(shí)行回拖時，由于受到管道重量、線路長度以及管道與巖石面摩擦產(chǎn)生的阻力的影響，非常容易使管道磨損，發(fā)生損壞。

4 施工設(shè)計(jì)方案與施工工藝調(diào)整

通過上述內(nèi)容對工程特征以及技術(shù)難點(diǎn)的說明，結(jié)合施工工程人員對施工地段數(shù)據(jù)信息的收集以及實(shí)地勘測，對需要進(jìn)行施工的地段制定了科學(xué)的方案，并針對施工中的遇到的技術(shù)難點(diǎn)做了調(diào)整。

4.1 定向鉆穿越施工中導(dǎo)向孔施工設(shè)計(jì)

在進(jìn)行導(dǎo)向孔施工建設(shè)前，需要由專業(yè)的技術(shù)人員做好定向鉆穿越曲線設(shè)計(jì)，并且根據(jù)實(shí)際需要選好定向鉆穿越需要的設(shè)備，可以從以下幾個方面進(jìn)行操作。

第一，需要選用專業(yè)的技術(shù)人員，將實(shí)際勘測的結(jié)果以及相關(guān)政策相結(jié)合，綜合考慮進(jìn)行定向鉆穿越曲線的施工設(shè)計(jì)，要考慮到地理環(huán)境以及其它因素對施工的影響，對出入土角度、穿越管道的深度等進(jìn)行明確的分析、確認(rèn)，進(jìn)行多次演練，為之后進(jìn)行施工做好基礎(chǔ)。

第二，對于定向鉆穿越施工過程中需要選擇的設(shè)備方面，可以由工作人員根據(jù)相關(guān)資料的指導(dǎo)進(jìn)行選擇，尋找多個廠家，將各個廠家的設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量、價(jià)格上的對比，選擇性價(jià)比最高的，在節(jié)約成本的同時做到科學(xué)合理。在選擇鉆機(jī)的時候，要滿足施工過程中對拖力、扭轉(zhuǎn)力的需求，并且可以多選擇一些鉆頭，用來滿足不同情況時對設(shè)備的要求。要選擇合適的控向系統(tǒng)，并要根據(jù)施工位置的其它參數(shù)選則合適的鉆桿、擴(kuò)孔器等設(shè)備工具。

第三，通過對定向鉆穿越技術(shù)中導(dǎo)向孔施工中存在的難點(diǎn)進(jìn)行分析，施工單位還可以采用一些適當(dāng)?shù)姆绞?，提升?dǎo)向孔施工的速度和效率。首先，可以選擇一些適用的鉆井液，減少施工工具尤其是鉆具和孔壁之間的摩擦阻力，減少摩擦對鉆頭造成的損害;其次，可以利用一些信號數(shù)據(jù)捕捉設(shè)備的運(yùn)行情況，比如使用信號設(shè)備固定在定向鉆穿越中心線的地磁方向角處建立自有磁場，更加清楚直接、快捷的收集數(shù)據(jù)信息，提升鉆孔作業(yè)的準(zhǔn)確性;最后，選擇可靠的泥漿馬達(dá)來對導(dǎo)向孔進(jìn)行處理，防止對導(dǎo)向孔造成傷害。

4.2 定向鉆穿越施工中擴(kuò)孔施工工藝

4.2.1 鉆進(jìn)工藝技術(shù)

由于此次施工工線長、巖石層較長且地質(zhì)復(fù)雜，為了提升施工效率，保障施工安全，特地選用了“雙鉆機(jī)同步復(fù)式擴(kuò)孔工藝”對鉆進(jìn)作業(yè)進(jìn)行施工操作。這打破了傳統(tǒng)的僅僅進(jìn)行“反向擴(kuò)孔”操作的局限性，提升了施工的整體效率，縮短了一定時間的工期，并且對施工過程的連續(xù)性有促進(jìn)作用，一定程度上減少了施工過程中的成本。在實(shí)施過程中，首先，應(yīng)該根據(jù)前期收集到的一些地質(zhì)勘探的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，找到合理的位置，并對巖石層進(jìn)行科學(xué)合理的切割;其次，通過正反向相結(jié)合，提升作業(yè)效率，根據(jù)施工過程中的情況，及時對機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的角度、鉆頭的強(qiáng)度速度等進(jìn)行調(diào)整，通過對施工位置的了解，把握好方向，做好巖石孔的維護(hù)工作;最后，要避免“卡鉆”現(xiàn)象的出現(xiàn)，及時對施工力度、角度進(jìn)行控制調(diào)整，使施工能順利進(jìn)行。

4.2.2 泥漿施工工藝技術(shù)

進(jìn)行泥漿施工時，需要注意的是泥漿的調(diào)配問題，以本地段工程為例，需要將工業(yè)專用土和水進(jìn)行科學(xué)混合，可以按照8%-10%的比例配置出基漿，然后放入3%-9%占比的增粘劑、清屑劑、護(hù)壁劑等制劑，改善泥漿的性能，使其能夠滿足施工作業(yè)的需求。

4.2.3 回拖施工工藝技術(shù)

在進(jìn)行回拖施工操作時，可以通過控制一些施工步驟的操作情況，提升施工質(zhì)量，比如利用回拖速度與旋轉(zhuǎn)速度對土層和巖石的接觸面進(jìn)行打磨，利用泥漿于巖石面產(chǎn)生的摩擦力、泥漿自身的重量等因素對管線的連接進(jìn)行處理，調(diào)整回拖產(chǎn)生的摩擦阻力，進(jìn)一步提高施工質(zhì)量和效率。

5 結(jié)語

綜上所述，本文主要以某石化天然氣公司的某項(xiàng)工程的一個分支建設(shè)為實(shí)例，通過其對長距離天然氣管道定向鉆穿越巖石施工技術(shù)的分析探討，包括工程特征、施工技術(shù)難點(diǎn)、機(jī)械設(shè)備的選擇等方面，提出了施工設(shè)計(jì)方案與施工工藝調(diào)整改進(jìn)方案，從定向鉆穿越施工中導(dǎo)向孔和擴(kuò)孔施工設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，提出了科學(xué)合理化建議，為長距離天然氣管道定向鉆穿越巖石層技術(shù)的發(fā)展提供了借鑒意義，為我國管道建設(shè)類發(fā)展事業(yè)做出了貢獻(xiàn)。

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