大口径管道水平定向钻穿越碎石粘土层施工技术
发布时间：
2023-12-09 09:58
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1 工程概况
该穿越工程是川气东送管道工程建设的难点，也是整个川气东送管道建设的难点之一，该工程穿越地层复杂，主要以含粘性土碎石、全风化粉砂岩等组成。其中碎石粘土层近500 m，是保障川气东送管道主线按期贯通的瓶颈工程。
项目穿越水平长度579.20 m，实长581.60 m，入土角9°，出土角6°，穿越曲率半径为1524 m，穿越段管线的最大埋深为26.8 m（入土点至最大埋深管底）。主管线设计采用Φ1016×26.2 mm×70的直缝埋弧焊钢管，管线设计输送压力为10 MPa。
根据对地质条件的要求分析，软地层很薄，河床以下只有2 m多的土层，但这次川气东送的管径为Φ1016 mm，如果在土层中穿越又达不到管线的埋深设计，不利于安全，因此管道应深置于含碎石粉质粘土、强风化粉砂岩层中，这样穿越成功后，管道与河水互为两个独立的系统，安全性好。但在这种含碎石粉质粘土、强风化粉砂岩层中穿越的特点是两侧为软地层中间段为碎石层和硬地层，地质条件复杂水平定向钻穿越难度极大。
2 碎石粘土层穿越特点
水平定向钻穿越主要有导向孔、预扩孔、回拖三个阶段，与普通软地层定向钻穿越相比，碎石粘土层穿越具有以下特点。
2.1 钻具要求高
大口径管道穿越有碎石层、岩石层等组成的复杂地质层导向孔需要岩石钻头、大排量泥浆马达；预扩孔施工需要专用岩石扩孔器。同时为降低穿越风险，导向孔、单次预扩孔的钻具寿命应达到中途不更换的目的。
2.2 施工工艺复杂
（1）控向工艺复杂：一方面由于采用泥浆马达进行导向孔施工，为避免磁场干扰，控向信号源离钻头的距离要比普通软地层施工时长12～12.5 m，加长了控向作业盲区，增加了控向复杂程度。另一方面，河道船运非常频繁，河面运输船只为铁壳船，对导向磁干扰很大，对控向作业干扰很大，降低了定向工具的精确度。还由于穿越地层有近60 m的碎石层，且卵石及碎石的比例占到了此段地层的60%～70%左右，导向钻具在此地层中易跑偏，导向作业极为困难，水平定向钻穿越施工不适合在卵石、碎石层中穿越，再者，由于在岩石层扩孔器的修控能力很差，为保证成品管的顺利回拖，对保持岩石层导向孔圆滑的控向工艺提出了更高的要求。
（2）钻进工艺复杂：尤其是软土层与碎石层、碎石层与岩石层、软岩层与硬岩层结合部位的钻进工艺要求高，司钻手续密切关注地层变化可能对钻具造成的影响，任何小的失误随时会对整个工程造成灾难性的后果。同时，在碎石层、岩石层导向孔、预扩孔施工期间，卡钻的危险随时都有可能存在。
（2）泥浆工艺复杂：与普通软地层穿越相比，碎石层、岩石层穿越的泥浆需用量会成倍增长（增长量与岩石硬度、泥浆马达的功率有关），其原因是需要大排量的泥浆驱动泥浆马达工作，从而带动钻头切削碎石、岩石，岩石硬度越大，钻头需要切削碎石、岩石的扭矩就越高，需要的泥浆排量就越大。
2.3 施工周期长
根据碎石的含量、碎石颗粒的大小、岩石的硬度不同，在这种复杂地层中穿越的施工周期是普通软地层穿越的2～5倍。
2.4 施工成本相对较高
由碎石层、岩石层等构成的复杂地质中穿越钻具配置高，施工周期长，泥浆等消耗的材料用量大，相应的施工成本较高。
3 施工措施及实施效果
针对穿越岩石管径大、穿越岩石、碎石距离长等施工的难点，公司组织技术攻关组，依据现有图纸资料，分析穿越技术难点，制定科学的施工方案，施工中采取了以下措施。
3.1 钻机选择
根据工程地质条件、穿越长度和穿越管径，选用美国制造的DD—1100大型水平定向钻机进行穿越施工，钻机最大推拉力为500 t，最大扭矩力为136 kN·m。
3.2 主要穿越工艺
针对地质条件、穿越管径和穿越穿越长度，采取了以下穿越工艺：图1主管线穿越工艺。
3.2.1 施工顺序
先施工光缆套管，积累穿越地层经验，然后进行主管线的施工。
3.3 施工专业技术措施
3.3.1 控向技术
（1）在开钻前利用信号棒和全站仪找出东苕溪穿越中心线准确的大地磁方位角，以次为基准控制导向孔的左右偏差，以弥补因河面大范围水域无法布置Trutrack地面信标系统而可能产生的控向偏差。
（2）钻导向孔使用1.75°泥浆马达，减小造斜角度，有利于导向孔曲线的圆滑过度，预防扩孔和回拖期间卡钻事故的发生。
（3）钻导向孔阶段钻具连接时采用两根无磁钻铤（19 m长），以消除泥浆马达及后续一长串钻杆对信号棒产生的干扰。
（4）在入土侧和出土侧陆域，尽可能长地布置Trutrack地面信标系统，以精确测量地下钻头的位置。
（5）碎石、岩石段穿越时，增加信号测量频率，每钻进2～3 m测量一次，以保证导向孔曲线符合设计曲线的要求。
3.3.2 泥浆技术
（1）根据穿越地层条件的变化，泥浆工艺采用地钻专用膨润土，辅以泥浆添加剂，较好的解决携带岩屑，控制漏失，形成好的孔壁，另外采取泥浆回收及废弃泥浆环保固化技术。主要采用复合泥浆配比技术，将使用定向钻膨润土按8%～10%重量比加入淡水配出基浆，使用的主要泥浆添加剂有：固壁剂、増粘剂、清屑剂和润滑剂等，保证泥浆性能符合穿越地层的要求。施工过程泥浆性能调整要求如下：①普通软土层穿越段：控制泥浆的失水，防止塌孔，需增大固壁剂含量。②含碎石地层：增加降滤失剂、胶凝强调和悬浮性提升剂用量，达到固孔和浮流碎石、清洁孔道的目的。③岩石穿越段：为保证钻屑携带和孔眼清洁，要及时提高清屑剂和润滑剂剂量，保证泥浆的流变性能良好，使钻屑顺利返出地面，同时增强泥浆的润滑性，减小钻具与地层的摩擦力。
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