淺談山區(qū)喀斯特地貌超長距離定向鉆穿越施工管理難點與建議

胥錕

摘? 要：隨著國家和地方規(guī)劃選址要求不斷規(guī)范、穿越工程施工技術不斷進步、管道本質安全建設水平不斷提升，長輸管道施工中穿越工程比例呈現(xiàn)快速上升趨勢，復雜地質條件下的超長距離穿越施工愈發(fā)頻繁。本文結合2021年新建項目施工管理經(jīng)驗，介紹在山區(qū)喀斯特地貌環(huán)境下開展超長距離定向鉆穿越工程面臨的管理難點，并提出參考建議。

關鍵詞：成品油管道 山區(qū) 喀斯特地貌 超長距離 定向鉆穿越

從1985年首次引進西方定向鉆穿越技術順利實施長輸管道黃河穿越工程開始，近40年國內定向鉆穿越施工迎來高速發(fā)展，越來越成為長輸管道工程中解決選址矛盾、用地矛盾、降低安全環(huán)保風險的重要選項。目前我國自主研發(fā)的水平定向鉆機已經(jīng)達到國際領先水平，最長穿越長度5200米，最大鉆孔埋深約120米，技術儲備完整;由國家管網(wǎng)集團華南公司直接參與管理的長輸管道定向鉆穿越規(guī)模，從2011年長江穿越1027米，到2012年重慶南山穿越2200米，再到2019年湛江到北海穿越工程4071米，管理經(jīng)驗也不斷積累，具備在復雜地址條件下運用超長距離定向鉆穿越施工的內外部條件。本文以貴州白云某長輸成品油管道穿越工程為例，重點介紹在山區(qū)段喀斯特地貌地質條件下超長距離穿越施工的管理難點及對策建議。

1 喀斯特地貌下定向鉆穿越施工風險分析

貴州地區(qū)屬典型喀斯特地貌，地下熔巖、裂隙、溶洞豐富，地質條件非常復雜，疊加白云山區(qū)因不同時期民間自采、盜采地下礦產(chǎn)所遺留的大量作業(yè)坑道，給定向鉆穿越施工造成極大風險。定向鉆穿越主要包括選線與勘察、施工準備、導向孔鉆進與擴孔、管道回拖等關鍵環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都面臨重大風險挑戰(zhàn)。

1.1 地質勘察階段，在超長距離定向鉆穿越工程中，不能有效運用地圖資料、現(xiàn)場踏勘收集信息進行選址論證，避開既有溶洞、裂隙、采空區(qū)，沒有科學選取地質勘查技術，造成地質條件重大誤判、整體工期嚴重影響、勘察費用比例嚴重超支。

1.2 施工準備階段，沒有充分調研施工周邊電力、給排水、道路、應急擴征用地預留等依托條件，造成施工準備嚴重超時，施工過程非必要中斷，施工應急處置受到嚴重制約。

1.3 導向孔鉆進與擴孔階段，因鉆頭鉆進巖石裂隙部位沿裂隙前進出現(xiàn)偏鉆，或是遇大型溶洞與作業(yè)坑道出現(xiàn)掉鉆，或是遇局部卵石層出現(xiàn)浮漂導致鉆頭偏移;因溶洞、裂隙或是裂隙發(fā)育地質溶蝕造成大量漏漿、不返漿;因喀斯特地貌豐富地下水系造成漏漿擴散引發(fā)生態(tài)環(huán)境災害。此外卡鉆、鉆頭磨損頻繁、塌孔等風險較一般地質條件更加嚴重。

1.4 管道回拖階段，因前述原因導致洗孔效果不好、損傷管道防腐層，或是管道在溶洞、坑道位置大段懸空造成應力集中、扭矩過大等致使回拖失敗。

2 地質勘察

2.1 明確勘察目標

該工程穿越路徑上方植被發(fā)育，為森林地帶，根據(jù)收集的區(qū)域地形地質資料結合現(xiàn)場調查情況，判斷該區(qū)域地層表層為砂巖，砂巖下部為含煤系地層，再往下為灰?guī)r，灰?guī)r溶蝕非常發(fā)育，往往有溶洞存在。勘察工作的主要目標鎖定為定向鉆穿越尋找穩(wěn)定合適的地層。

2.2 確定勘察方案

本項目地處山區(qū)，鉆探施工用水困難，需使用水車外運，現(xiàn)場交通不便，需要長距離搬遷鉆探設備，并且工期緊急。制約本項目的工期和成本的主要因素是合理確定鉆探工作量，在保證成果有效性的基礎上力爭采用最少的鉆孔數(shù)量和最少的鉆探深度來降低鉆探工作量。考慮穿越路徑上方地勢相對平緩，適合展開物探工作，而且資料豐富，地面露頭多，利于工程地質測繪，綜合判斷決定加強工程地質測繪和工程物探比重，有針對性確定鉆探工作量。

2.3 工程地質測繪與物探

通過測繪研究發(fā)現(xiàn)，本地主要不良地質問題是巖溶問題，排除采空區(qū)塌陷對管道穿越的影響可能，初步確定定向鉆的穿越地層，初步明確定向鉆的穿越深度和最佳的出土入土點。采用高密度電阻率法布置1條縱向測線，垂直穿越中線布置7條橫向測線，綜合分析得出穿越段地層較為單一，上部為第四系沖洪積沉積的覆蓋層，以黏性土為主，下部以灰?guī)r為主，低阻異常位置推測為巖溶發(fā)育，需重點關注，為后期鉆探的針對性提高進一步的依據(jù)。

2.4 工程鉆探與鉆孔攝像

結合測繪與物探結果，決定執(zhí)行巖土工程勘察規(guī)范從緊要求，在可能存在不良地質情況的區(qū)段布置鉆孔6個，并采用鉆孔攝像提高錄井準確度，直觀觀察巖溶縫隙發(fā)育情況、破碎帶情況，對溶洞的分布及規(guī)模進行實景分析，有效判斷巖體節(jié)理發(fā)育情況，保證所依據(jù)的外業(yè)資料更加準確可靠。

3 施工準備

3.1 預判道路與施工場地需求條件

根據(jù)《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》GB50424-2015的相關規(guī)定，回拖力計算按下式進行：

貴州白云管道穿越工程設計長度2600m，管道規(guī)格φ323.9×12mm，計算得出回拖力約500kN。根據(jù)既往施工經(jīng)驗，一般設計時取回拖力的值為計算回拖力的1.5—3倍，通常取3倍安全系數(shù)，但該項目考慮要頂進相當長度穿越套管，并預留充分的鉆機儲能應對復雜情況，最終選型回拖力為6000kN的鉆機。該型鉆機為現(xiàn)場組裝，依據(jù)單個組件最大自重、車載軸距復核入場道路要求。經(jīng)現(xiàn)場勘察，道路承重等級、轉彎半徑均不滿足運輸需求，遂提前在關鍵位置采取路面襯墊、加固以及臨時修筑進場便道。

該施工場地位于已征地范圍內，但征地面積有限，且場站作業(yè)與穿越作業(yè)同時施工。一方面必須要求設計單位在規(guī)劃總平布置時，同步提出施工布置方案，避免交叉作業(yè);另一方面各參建單位全部現(xiàn)場交底，明確施工干擾范圍、水電布置走向。

3.2 摸查周邊水源及最大給水量

山區(qū)段穿越施工無市政供水依托，喀斯特地貌條件下施工過程部分返漿和不返漿存在極大可能性，必須按照不返漿的極端情況進行日均用水量測算，并修建配套供水設施、蓄水池。該項目實際建設蓄水池容量200m?，建立了臨時市政管線搭接、即有匯水井水收集、車載供水應急的綜合保障體系。

3.3 規(guī)劃應急用地擴征預留

喀斯特地貌穿越的另一個顯著特征是透水，結合周邊存在的地下開采歷史跡象，要識別可能出現(xiàn)的大流量渾濁透水甚至毒害物質透出等極端情況，在入土側、出土側、穿越路徑上方地形低點位置規(guī)劃用于應急處置的擴征預留地，主要用于建設透水（透漿）回收、蓄積、過濾、沉淀池。

4 導向孔鉆進

4.1 采取兩端鉆進、中間對接方式

因穿越距離長2657.3m，根據(jù)導向鉆進過程中鉆桿受力分析的結果，單端鉆進很難完成導向孔，決定采用兩端同時鉆進導向孔、中間對接的方式完成施工。項目管理單位要重點關注在導向孔鉆進過程中的控向曲線變化，每根鉆桿改變的角度必須符合施工規(guī)范，同時在滿足規(guī)范的情況下盡量減小每根鉆桿所改變的角度，同時每三組鉆桿所改變的角度也控制在規(guī)范的值域下。

4.2 導向孔鉆具選型

為降低穿越施工中在喀斯特地貌石灰?guī)r中的卡鉆、抱鉆風險，本項目計劃采用8-5/8"無接箍鉆桿、具有孔底壓力監(jiān)測功能的導向探測器、13-3/4"防卡牙輪鉆頭鉆導向孔，使用加大鉆頭可以加大鉆孔與鉆具間的空隙，便于卡鉆時套洗解卡，鉆具連接方式如下：鉆機→8-5/8"鉆桿→9"無磁鉆鋌（壓力監(jiān)測）→9"泥漿馬達→13-3/4"防卡牙輪鉆頭。

4.3 導向套管安裝

因套鉆套管能保證鉆機的推力可有效的施加給鉆頭，增加鉆進效率，同時對回填層進行有效護壁，及保證返漿暢通，出入土側分別頂入了導向套管。套管長度依據(jù)實際需要設置，出土側導向孔鉆進回填土過程中出現(xiàn)嚴重的卵石層浮漂導致鉆頭偏移現(xiàn)象，通過夯入80m導向孔，配合絞龍?zhí)屯诨靥盥咽?，順利穿越不良地層?/p>

4.4 成孔質量控制

為保證導向孔成孔質量，制定質量控制措施，實施前認真對儀器、設備進行校準，確保每根鉆桿調整角度在合理范圍內。具體措施包括準確測量穿越的實際方位角，為減小方位角的誤差，根據(jù)現(xiàn)場實際情況組織多點測量;通過GPS校準測量入土點到出土點的實際距離和兩端高程差;準確測量所用鉆具的長度，在實際控向操作過程中嚴格按照設計曲線控制鉆頭鉆進方向;利用強磁場定位軟件對鉆頭進行定位，有效消除地磁干擾和人工操作造成的偏差。

5 擴孔與測修孔

5.1 一級擴孔

本工程穿越管徑為φ323.9mm，結合石灰?guī)r地層情況，決定采用一級擴孔達到500mm孔徑。擴孔設備選用8-5/8″S-135鉆桿，采用動力擴孔器、牙輪擴孔器。因穿越地層復雜，期間穿越溶洞、裂隙發(fā)育區(qū)，巖石軟硬不均且個別單軸抗壓強度達到110Mpa左右，硬度極高，采用常規(guī)擴孔器及擴孔工藝很難完成擴孔施工，針對該情況決定采用兩臺鉆機同步協(xié)調擴孔施工工藝進行擴孔施工，取得了良好效果。

5.2 測孔與修孔

針對本工程中風化石灰?guī)r地質溶洞、裂隙分布多，為了保證管道順利回拖及防腐層完好，完成擴孔后進行了測孔、修孔，判斷測孔參數(shù)是否滿足設計文件及相關規(guī)范對回拖管線的曲率要求。

6 管道回拖

6.1 回拖方式

由于管道預制受場地限制，2.6km管道采取“九接一”的回拖方式，即管道提前組焊預制為9組，在回拖時現(xiàn)場開展前后兩段連頭施工，待連頭口組焊、無損檢測、補口完成后再繼續(xù)管道回拖，依次循環(huán)。

6.2 關鍵工序控制

按照設計要求分別進行組焊、無損檢測、補口、試壓、通球，通球合格后將九段管道放到回拖區(qū)域之間，擴孔完成后，先回拖第一段管道，第一段管道留在地面的長度約150m，然后鉆機停止回拖，進行第一段與第二段管道的連頭工作，連頭口焊接必須選派經(jīng)驗豐富的技術骨干，確保焊接一次合格。焊接完成后，先進行超聲波檢測，檢測合格后進行焊道的X射線探傷，無損檢測合格后焊口進行補口，其中玻璃鋼防腐采用光固化，以縮短施工時間。從組對到防腐補口嚴格控制在4小時之內，為保證回拖管線的焊接質量，在4小時內管線不再進行回拖，靜止不動。補口完成合格后，滿4小時后再繼續(xù)管道回拖。

7 結語

本工程施工過程中，克服了山區(qū)環(huán)境下特有的場地、交通、供水受限等外部條件，提出了合理的地質勘察技術經(jīng)濟比選方案，成功應對了喀斯特地貌地質下出現(xiàn)的因溶洞和裂隙導致不返漿、透水、冒漿等復雜施工場景，保證回拖一次成功。該穿越的完成，為定向鉆在復雜地質條件下的應用積累了寶貴的管理和實踐經(jīng)驗，對油氣管道行業(yè)高質量發(fā)展具有積極意義。

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（作者單位：國家管網(wǎng)集團華南公司貴州輸油部）