錢鋒

中國石油天然氣管道工程有限公司

摘要：根據(jù)石圈山體定向鉆穿越工程的水文地質(zhì)條件以及工程建設(shè)條件，研究分析了定向鉆工程特點(diǎn)及施工中可能遇到的軸線偏移、穿越節(jié)理密集帶卡鉆、縮徑和防腐層損壞等風(fēng)險，從設(shè)計和施工兩個方面采取了相應(yīng)風(fēng)險管控措施，保證了工程的順利實施，并為類似山體定向鉆工程積累了經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：山體定向鉆；施工風(fēng)險；管控措施

古浪—河口天然氣聯(lián)絡(luò)管道（古河線）工程起點(diǎn)為西氣東輸二、三線古浪壓氣站，途經(jīng)古浪、天祝、景泰、永登、西固3市5區(qū)縣，終點(diǎn)為河口壓氣站。古河線管道工程位于黃土高原，沿線經(jīng)過地形以山區(qū)、黃土丘陵、沖積平原和河流谷地為主。上石圈、石圈、河口1#三處山體定向鉆穿越工程管徑914 mm，穿越長度1447 m～1843 m，是本項目的“卡脖子”工程。其中石圈定向鉆穿越是國家管網(wǎng)集團(tuán)所承建的項目中山體定向鉆穿越長度最長且地質(zhì)最復(fù)雜，穿越長度達(dá)到了1843 m，地質(zhì)主要為全、強(qiáng)、中風(fēng)化泥巖，飽和抗壓強(qiáng)度為1.9 MPa～2 MPa；穿越了4條節(jié)理破碎帶總長度420 m，強(qiáng)透水性（圖 1）。為解決施工中存在的不利因素，設(shè)計提前結(jié)合地質(zhì)環(huán)境、工藝條件和施工場地對塌孔、卡鉆和防腐層劃傷等因素進(jìn)行分析，并制定了相應(yīng)的風(fēng)險管控措施。

圖 1 石圈山體定向鉆穿越位置示意

1  工程設(shè)計及優(yōu)化

1.1  設(shè)計方案

三處山體定向鉆穿越地質(zhì)條件相似，其中石圈定向鉆長度及破碎帶中穿越長度最長，施工中三接一回拖，施工難度最大。具有以下特點(diǎn)：①穿越位置處山體起伏較大，沖溝分布較多，山體坡度較大，地表破碎；②穿越山體主要為泥巖夾砂質(zhì)泥巖、節(jié)理密集帶；③施工區(qū)域主要為林地、放牧養(yǎng)殖；④場地受限，施工場地與鄰近單體存在交叉。

石圈定向鉆穿越出入土角度的選擇考慮鉆機(jī)的適用角度、管道埋深、穿越長度、曲率半徑、穿越地層等因素。穿越出入土點(diǎn)高差4.34 m，入土角為5°，出土角為5°，穿越管段的曲率半徑為1500 D（D為穿越管段外徑）。綜合考慮出入土角、曲率半徑、穿越地層的適應(yīng)性等要求，管道在地面以下最小埋深為29.4 m，最大埋深為144.9 m，穿越段管道主要從全強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖、中風(fēng)化砂泥巖、節(jié)理密集帶、斷層破碎帶中通過。

1.2  設(shè)計優(yōu)化

現(xiàn)場施工時由于場地受限，將石圈定向鉆入土點(diǎn)前移6 m，對山體進(jìn)行削方并同步進(jìn)行山體防護(hù)。采用主動防護(hù)和被動防護(hù)相結(jié)合的方式。山體防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)配置為：鋼絲繩網(wǎng)＋鋼絲格柵＋邊緣鋼絲繩錨桿＋支撐繩＋縫合繩，防護(hù)網(wǎng)方式為：內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)孔6 cm，外網(wǎng)采用8號鋼絲繩，網(wǎng)孔30 cm×30 cm，配件采用16號橫向支撐繩，12號縱向支撐繩及8號縫合繩，防護(hù)網(wǎng)采用鋼絲繩錨桿，錨桿直徑18 mm，長2 m，間距4.5 m×4.5 m，梅花形布置，共計布設(shè)1000 m²主動防護(hù)網(wǎng)，100 m²被動防護(hù)網(wǎng)（圖 2）。

圖 2 石圈山體防護(hù)措施

2  施工風(fēng)險及管控措施

結(jié)合石圈穿越工程的地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件以及工程建設(shè)條件，施工前對施工過程中可能遇到的相關(guān)風(fēng)險進(jìn)行識別分析，制定風(fēng)險管控措施，在施工中嚴(yán)格落實。

2.1  導(dǎo)向孔軌跡失控風(fēng)險

因定向鉆埋深大（最大埋深156 m）、距離長（長度1843 m），工程施工時控向難度大且會導(dǎo)致軸線偏移。

施工措施：采用慣性導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)向孔施工的導(dǎo)向測量定位（圖 3）。在出入土點(diǎn)磁場信號較強(qiáng)和磁場干擾較小區(qū)域進(jìn)行短距離導(dǎo)向，然后用陀螺儀導(dǎo)向設(shè)備對導(dǎo)向數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)測，修正導(dǎo)向孔曲線，保證穿越曲線的準(zhǔn)確。在出入土點(diǎn)兩側(cè)及山體腹地低洼處布置線圈等人工磁場，并輔以磁靶作為慣性導(dǎo)向系統(tǒng)。

圖 3 陀螺儀設(shè)備組裝

最終石圈山體定向鉆光纜管出土點(diǎn)縱向偏差為﹣0.2 m，橫向偏差為﹣0.4 m，主管出土點(diǎn)縱向偏差為1.2 m，橫向偏差為﹣0.2 m（負(fù)均為往左偏），穿越實際曲線與設(shè)計穿越曲線偏差約0.1%。

2.2  穿越節(jié)理密集帶風(fēng)險

山體定向鉆通過2處節(jié)理密集帶和2處節(jié)理破碎帶，總長度為460 m。地層雖不富水，在破碎帶位置可能存在泥漿漏失和卡鉆的風(fēng)險。

施工措施：①預(yù)先在泥漿體系中增加纖維、鉆屑、堵漏劑等材料，降低泥漿漏失風(fēng)險；②采用正電膠泥漿體系，避免節(jié)理和細(xì)小裂隙的泥漿漏失；③采用隨鉆隨洗擴(kuò)孔工藝，降低泥漿漏失風(fēng)險；④采用新型環(huán)保型纖維泥漿。新型泥漿不但能起到橋接堵漏效果，且對泥漿其他的性能無影響。可使泥漿漏失量由原來的30%降到10%左右，且無泥漿滲透至地表的現(xiàn)象發(fā)生；⑤考慮穿越地層泥巖的抗壓強(qiáng)度最大只有15.1 MPa，為軟巖，擴(kuò)孔過程中存在卡鉆的風(fēng)險，為保證施工順利進(jìn)行，首先在出土端布置一臺輔助鉆機(jī)，協(xié)助主鉆機(jī)進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)，其次在穿越快接近節(jié)理密集帶（節(jié)理破碎帶）時，降低鉆機(jī)轉(zhuǎn)速，最后提前做好解卡的應(yīng)急預(yù)案，配備相應(yīng)的套洗設(shè)備。

2.3  泥巖抱鉆縮徑風(fēng)險

本項目穿越地層皆為泥巖，泥巖具有遇水膨脹性，擴(kuò)孔中的鉆屑易導(dǎo)致抱鉆、縮徑。

施工措施：①加大鉆盤鉆速，使切削下來的泥巖顆粒變小，減小切削的黏土顆粒；②結(jié)合泥巖地層的特性，合理控制好泥漿粘度，以便使切屑懸浮；泥漿中加入油性和水性添加劑；③每隔一定距離在鉆桿上加一帶孔短節(jié)，不斷噴漿擾動孔內(nèi)泥漿，使泥漿不斷更新、循環(huán)，不致凝固，減小摩擦阻力；④控制泥漿排量和行走速度，以加大泥漿攜帶切屑的能力；⑤施工中擴(kuò)孔直徑不得小于設(shè)計要求的尺寸；⑥最后一次洗孔后及時回拖管道，減少泥巖縮徑時間。

2.4  鉆桿卡鉆斷裂風(fēng)險

定向鉆地層為泥巖，且穿越長，并穿越節(jié)理密集帶，存在抱鉆時扭矩大、鉆桿易疲勞斷裂的風(fēng)險。

施工措施：①采用出入土端雙鉆機(jī)進(jìn)行擴(kuò)孔施工，降低主鉆機(jī)的扭矩，減小卡鉆、斷裂的風(fēng)險（圖 4）；②長距離穿越擴(kuò)孔扭矩大，采用高強(qiáng)度鉆桿，設(shè)計采用全新6-5/8″ S135鉆桿；③大級別擴(kuò)孔時，在擴(kuò)孔器前后各加一小直徑擴(kuò)孔器過渡，且擴(kuò)孔器之間使用柔性鉆桿連接，避免了應(yīng)力集中，減少鉆具斷裂事故發(fā)生；④擴(kuò)孔扭矩大，可采用正擴(kuò)工藝擴(kuò)孔。

圖 4 雙鉆機(jī)擴(kuò)孔施工示意

2.5  回拖“多接一”風(fēng)險

“多接一”會導(dǎo)致管道回拖時間加長從而增加孔道塌孔的風(fēng)險，同時泥漿自身靜置時間長會產(chǎn)生絮凝分層，導(dǎo)致懸浮、護(hù)壁等性能降低進(jìn)而使卡管的風(fēng)險升高。

施工措施：①對于“多接一”連頭焊口管道焊接時各個環(huán)節(jié)都要緊湊，提前做好焊接施工預(yù)案，減少焊接及檢測時間；②連頭焊接期間，孔洞內(nèi)泥漿要循環(huán)流動；③現(xiàn)場配備推管機(jī)，重新啟動時可借助推管機(jī)助力；④通過洗孔保證孔洞圓滑、清潔，以防回拖卡管；⑤回拖時按照設(shè)計要求配重，減小回拖阻力；⑥回拖前要完成所有設(shè)備的故障排除、維修、保養(yǎng)工作，避免因設(shè)備問題導(dǎo)致回拖暫停。

2.6  防腐層損壞風(fēng)險

山體定向鉆穿越地層為泥巖，管道回拖中經(jīng)過節(jié)理破碎帶位置處容易劃傷防腐層。

施工措施：①定向鉆穿越段管道采用加強(qiáng)級常溫型3LPE防腐層，采用環(huán)氧玻璃鋼對定向鉆穿越段管道外防腐進(jìn)行整體防護(hù)（圖 5）；②回拖前洗孔，洗孔結(jié)束立即回拖。按照設(shè)計要求設(shè)置回拖“貓背”，使管道入洞角度與實際鉆孔角度一致，減小回拖力；③回拖后對管道出土端管段防腐層或防護(hù)層進(jìn)行檢測，不應(yīng)有貫穿性損傷。回拖后對管段防腐層進(jìn)行饋電測試，饋電測試方法應(yīng)按照GB 50424―2013《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》進(jìn)行，防腐層標(biāo)稱電導(dǎo)率λ不應(yīng)大于200 μS/m²或防腐層絕緣電阻 R不應(yīng)小于5000 Ω·m²為合格。

圖 5 玻璃鋼防護(hù)

3  結(jié)語

石圈山體定向鉆工程于2023年5月31日回拖成功。表明國內(nèi)山體定向鉆技術(shù)水平得到了大幅提升，同時也為今后類似工程的順利實施提供了寶貴的經(jīng)驗。建議在今后山體管道定向鉆穿越設(shè)計和施工中應(yīng)著重注意以下幾個方面的問題。

（1）穿越位置選擇應(yīng)結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件，避開斷裂帶及富水區(qū)。

（2）進(jìn)一步研究針對破碎帶、斷層穿越的防塌孔及堵水、堵漏技術(shù)，改進(jìn)設(shè)備工藝、優(yōu)化泥漿配比，減少卡鉆風(fēng)險。

（3）軟硬不均的地層，應(yīng)多次修孔，保證孔洞圓滑過渡，避免因鉆屑堆積形成卡鉆風(fēng)險。

（4）破碎地層穿越處應(yīng)密切關(guān)注鉆桿扭矩變化，為減少擴(kuò)孔中鉆桿扭矩過大斷裂風(fēng)險，石圈穿越采用出入土點(diǎn)主輔鉆機(jī)進(jìn)行正擴(kuò)，中間進(jìn)行反擴(kuò)，扭矩過大斷裂風(fēng)險降低30%。并且在進(jìn)行反擴(kuò)時，擴(kuò)孔器交替擴(kuò)孔，增加鉆屑返流通道，進(jìn)一步減小扭矩，從而避免疲勞斷裂。今后設(shè)計過程中應(yīng)深入分析正擴(kuò)及反擴(kuò)施工工藝，提出詳細(xì)施工技術(shù)要求。

作者簡介：錢鋒，高級工程師，就職于中國石油天然氣管道工程有限公司，主要從事穿跨越設(shè)計、非開挖穿越技術(shù)等研究工作。聯(lián)系方式：13931603066，42945899@qq.com。