沁河定向鉆穿越卵石層施工工藝

摘要

闡述沁陽 — 濟源煤層氣輸氣管道工程的工程概況、沁河的工程地質(zhì)條件，分析定向鉆穿越的施工工藝難點、工藝流程、主要施工設(shè)備，研究了定向鉆穿越卵石層和雙鉆機鉆導(dǎo)向孔并對接的施工工藝。

摘　要：闡述沁陽—濟源煤層氣輸氣管道工程的工程概況、沁河的工程地質(zhì)條件，分析定向鉆穿越的施工工藝難點、工藝流程、主要施工設(shè)備，研究了定向鉆穿越卵石層和雙鉆機鉆導(dǎo)向孔并對接的施工工藝。

關(guān)鍵詞：定向鉆；卵石層；套管隔離；導(dǎo)向?qū)?/span>

Construction Technology for Directional Drilling Crossing Gravel Layer in Qinhe Rive

Abstract：The general situaiion of the Qinyang-Jiyuan coal bed methane pipeline project and the engineering geological condition of Qinhe River are described．The construetion difficulties，process flow and main construction equipment of directional drilling crossing are analyzed．The construction technologies for direction drilling crossing the gravel layer and drilling the pilot holes by two drilling machines and liieir docking are studied．

Keywords：direction drilling；gravel layer；casing pipe isolation；pilot hole docking

1　概述

沁陽—濟源煤層氣輸氣管道工程，是河南省“十二五”能源規(guī)劃確定的重點工程。定向鉆穿越是20世紀(jì)70年代初在應(yīng)用垂直鉆井中定向鉆穿越技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。該方法具有以下優(yōu)點：對河流航運沒有干擾，對生態(tài)、環(huán)保的影響較??；簡便、易行，施工時較少受惡劣天氣的影響，不受施工季節(jié)選擇的限制[1]。定向鉆穿越河流時，一般埋深在河床下7～8 m，地層內(nèi)部的氧單質(zhì)及其他腐蝕性物質(zhì)很少，所以起到天然防腐和保溫的功用。沁陽—濟

源煤層氣輸氣管道沁河定向鉆穿越工程于2012年11月20日開工，2013年1月26日順利完成回拖，歷時68d。項目在工期緊、氣溫低的條件下順利完成了沁河穿越。

2　工程概況

沁陽—濟源煤層氣輸氣管道沁河定向鉆穿越工程位于濟源市五龍口鎮(zhèn)留村西南約1km處，沁河河寬約350m，水面寬約120m，河道中心有寬約30m淺灘。沁河穿越場地位于該管道高壓段，管道公稱直徑為300mm。定向鉆的鉆孔長度為748m，設(shè)計穿越深度為32m。穿越場地地面標(biāo)高相差較大，局部因人工采石，河流原有結(jié)構(gòu)遭到破壞。

3　工程地質(zhì)條件

管道穿越的地層自上而下分為5個工程地質(zhì)層：

①耕土層：褐色、褐黃色，主要有粉砂、粉質(zhì)粘土組成。層底埋深0～4m，厚度0～0.5m：

②粉砂層：褐黃色，松散，土質(zhì)均勻，夾薄層粉質(zhì)粘土。層底埋深1～2m，厚度0.6～2m：

③卵石夾粗砂層：卵石粒徑2～15cm，偶見漂石，空隙填充礫砂，卵石成分多為砂巖、灰?guī)r及少量巖漿巖。層底埋深4.5～12m，厚度3.5～11m；

④卵石層：灰色，卵石主要成分為砂巖、灰?guī)r，卵石粒徑5～15cm，空隙填充礫砂，偶見漂石。卵石含量占卵石、礫砂和漂石全重的60％～85％，層底埋深15.6～25.6m，厚度3.6～7.7m；

⑤粉質(zhì)粘土層：灰黃色，可塑性強，可見鐵錳質(zhì)氧化物，含灰色條帶及棕黃色斑塊，局部含有砂質(zhì)。厚度7.4～18.4m，鉆探深度范圍內(nèi)未穿透該層。

場地主要含水層為卵石夾粗砂層及卵石層，地下水類型屬潛水。

4　工藝存在的難點

一般認(rèn)為定向鉆機適宜穿越的地質(zhì)為粘土、亞粘土、粉砂和中砂層，不適宜穿越巖石層、流沙層、礫石層和卵石層[2]。該項目在出、入土側(cè)附近遇到卵石層，在施工過程中要重視對大粒徑卵石層進行有效破碎或采取套管保護等控制措施。下套管的方式對定向鉆控向技術(shù)的精度要求較高。該項目穿越距離長達748m，如果采用傳統(tǒng)水平定向鉆施工，鉆導(dǎo)向孔時方向控制非常困難，而導(dǎo)向孔與設(shè)計穿越曲線是否重合是管道最后能否成功回拖的重要因素。該項目施工的難點在于穿越管段兩側(cè)共計225m的隔離卵石用的Ø1016×8套管夯入，以及套管夯入后的導(dǎo)向?qū)幼鳂I(yè)。其中，導(dǎo)向?qū)幼鳂I(yè)屬于國內(nèi)定向鉆行業(yè)技術(shù)含量最高的作業(yè)之一。

5　施工方法

5.1　施工工藝流程

根據(jù)穿越地勘斷面報告，穿越管道公稱直徑300mm，定向鉆鉆孔長度748m。入土側(cè)、出土側(cè)均采用Ø1016×8套管將粉砂、粗砂、卵石層隔離。入土側(cè)卵石底層深度約17m，入土側(cè)方向與水平向呈10°，套管夯入105m。出土側(cè)由于卵石深度為23.6m，出土角定為12°，套管夯入120m。套管每段長12m，夯完一段焊接下一段。套管施工結(jié)束，在套管內(nèi)安置Ø273×9中心導(dǎo)向套管，入土側(cè)安放一臺主鉆機，出土點投入一臺副鉆機。入土側(cè)和出土側(cè)的導(dǎo)向鉆頭沿套管內(nèi)安置的中心導(dǎo)向套管行進，進行導(dǎo)向孔導(dǎo)向交會對接施工作業(yè)。導(dǎo)向鉆頭在導(dǎo)向?qū)悠鞯谋O(jiān)控下，主鉆機和副鉆機的導(dǎo)向鉆頭交會，副鉆機鉆頭抽回，主鉆機鉆頭跟進直至出土，完成導(dǎo)向施工，再利用擴孔器(見圖1)進行逐級擴孔，最后進行管道回拖，完成穿越敷設(shè)管道作業(yè)。

沁河定向鉆穿越卵石層施工工藝

本工程采用導(dǎo)向?qū)佣ㄏ蜚@工藝技術(shù)，施工工藝流程見圖2。

5.2　主要施工設(shè)備

①主鉆機

德國海瑞克250t水平定向鉆機一臺，作為主鉆機(見圖3)，用于導(dǎo)向、擴孔和管道回拖。

沁河定向鉆穿越卵石層施工工藝

②副鉆機

北京土行孫120t鉆機一臺，作為副鉆機(見圖4)，用于配合下套管和導(dǎo)向?qū)印?/span>

沁河定向鉆穿越卵石層施工工藝

③導(dǎo)向?qū)悠?/span>

美國英洛克172(INROCK Para Track 2)地磁導(dǎo)向?qū)悠?/span>(見圖5)，用于導(dǎo)向鉆鉆進過程中軌跡的檢測與導(dǎo)向。

沁河定向鉆穿越卵石層施工工藝

蘭州盛達3HS-250型泥漿泵，泥漿排量2500L/min，最高工作壓力25 MPa，用于確保整個施工過程有足夠可靠的泥漿。

⑤夯管錘

德國TRACTO-TECHNIK TF2000型氣動夯管錘，用于夯入套管，與卵石層隔離。

5.3　關(guān)鍵技術(shù)

①夯入套管

本項目需要用套管隔離卵石層的總長度為225m，套管安裝采用的夯管錘，比文獻[3]中長春一吉林輸油管道定向鉆穿越松花江工程中所使用的德國TRACTO-TECHNIK TT600型夯管錘更為先進。氣動夯管是一種常規(guī)的非開挖施工技術(shù)，本項目采用大噸位氣動夯管錘將套管沿一定角度頂進，將卵石層隔離，人工把套管內(nèi)的卵石取出[4]，成功完成了卵石層的定向鉆穿越。

②鉆導(dǎo)向孔和導(dǎo)向?qū)?/span>

鉆導(dǎo)向孔是定向鉆穿越施工過程中重點控制的關(guān)鍵作業(yè)，導(dǎo)向孔質(zhì)量直接影響鉆機回拖時回拖扭矩與拉力的大小。因此，導(dǎo)向孔與設(shè)計穿越曲線是否重合關(guān)系到管道能否成功回拖。本項目采用雙鉆機對接施工，即鉆導(dǎo)向孔時同時使用兩臺鉆機，入土點安裝主鉆機，出土點安裝副鉆機，麗臺鉆機同時按設(shè)計穿越曲線相對進行導(dǎo)向孔施工。副鉆機首先將導(dǎo)向鉆頭鉆入對接區(qū)，主鉆機再把導(dǎo)向孔鉆到對接區(qū)，由主鉆機對接測控，準(zhǔn)確找到副鉆機導(dǎo)向鉆頭，當(dāng)兩臺鉆機的鉆頭鉆至預(yù)先設(shè)定的對接范圍內(nèi)時，由主鉆機的探頭感應(yīng)到副鉆機鉆頭的旋轉(zhuǎn)磁鐵發(fā)出的磁信號后，兩臺鉆機協(xié)調(diào)操作，完成導(dǎo)向孔導(dǎo)向交會對接施工作業(yè)(見圖6)。導(dǎo)向鉆頭交會后，副鉆機勻速回抽鉆桿，主鉆機根據(jù)感應(yīng)的磁信號沿副鉆機的導(dǎo)向孔方位同步勻速鉆進，直至兩個鉆機的穿越曲線完全重合，從而較精確完成導(dǎo)向孔施工。

沁河定向鉆穿越卵石層施工工藝

本項目在鉆導(dǎo)向孔和導(dǎo)向?qū)邮┕み^程的關(guān)鍵在于下列三個方面。

a．使用的美國英洛克P2地磁導(dǎo)向?qū)悠飨到y(tǒng)抗干擾能力很強，系統(tǒng)對軌跡的檢測與導(dǎo)向鉆進同時進行，達到了導(dǎo)向與檢測同時進行的目的，這樣就能準(zhǔn)確控制軌跡，為導(dǎo)向?qū)觿?chuàng)造條件。

b．在導(dǎo)向?qū)訙y控過程中，鉆頭測控并減小偏差是很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮鬟^程，在導(dǎo)向過程中，要進行外加場強全程測控，在已完成的導(dǎo)向軌跡中，可以撤除外加磁場，但在對接區(qū)布置的磁場，應(yīng)保持在對接的全過程，以保證對接全過程測控。

c．一般大型水平定向鉆穿越中通常采用的是地磁有線控向方式，即利用磁感應(yīng)探頭接收地球磁場后產(chǎn)生電信號經(jīng)處理后輸入電腦中，再由操作人員根據(jù)電腦中的反饋數(shù)據(jù)進行鉆頭的方向控制。而采用對接穿越技術(shù)進行導(dǎo)向孔施工時，使用人工敷設(shè)電纜產(chǎn)生的磁場取代地球磁場來控制導(dǎo)向孔鉆進，因此抗周邊磁場干擾的能力明顯增強，提高了施工精度。

③管道擴孔及回拖

擴孔采用2級擴孔，最終的擴孔直徑為560mm，然后進行洗孔作業(yè)。管道回拖時采用主鉆機進行回拖作業(yè)。回拖過程中，拉力一直控制在400～500kN，經(jīng)過5.5h，順利完成了回拖作業(yè)。

6　結(jié)語

施工前進行了縝密的勘察設(shè)計以及完全滿足施工需要的各種配套機械設(shè)備的及時調(diào)運，施工過程中投入了足夠的膨潤土、泥漿添加劑，并對難點關(guān)鍵工序進行了重點作業(yè)，在工期緊、氣溫低的嚴(yán)寒條件下，順利地完成了沁河定向鉆穿越工程，它的成功穿越標(biāo)志著定向鉆穿越不良地層又有新的突破，解決了工程施工中的難題，這對于以后其他管道定向鉆穿越的設(shè)計和施工具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]尹東莉，劉麗妍．水平定向鉆技術(shù)在天然氣管道工程穿越工程的應(yīng)用[J]．煤氣與熱力，2009，29(12)：A30-A32．

[2]錢國梁，王長保，安峰．定向鉆穿越在管道工程中的應(yīng)用[J]．石油和化工設(shè)備，2013，16(6)：35-36．

[3]付景龍，王建華，黃敏．定向鉆穿越不良地層施工技術(shù)新突破[J]．石油工程建設(shè)，2007，33(1)：31-33．

[4]曾強，陳杰，亢會明，等．油氣管道定向鉆穿越勘察設(shè)計和施工中存在的問題及對策[J]．石油工程建設(shè)，2012，38(1)：31-32．