錢(qián)鋒

中國石油天然氣管道工程有限公司

摘要：根據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(xiàn)偏移、穿越節理密集帶卡鉆、縮徑和防腐層損壞等風(fēng)險，從設計和施工兩個(gè)方面采取了相應風(fēng)險管控措施，保證了工程的順利實(shí)施，并為類(lèi)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(xiàn)）工程起點(diǎn)為西氣東輸二、三線(xiàn)古浪壓氣站，途經(jīng)古浪、天祝、景泰、永登、西固3市5區縣，終點(diǎn)為河口壓氣站。古河線(xiàn)管道工程位于黃土高原，沿線(xiàn)經(jīng)過(guò)地形以山區、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(cháng)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)集團所承建的項目中山體定向鉆穿越長(cháng)度最長(cháng)且地質(zhì)最復雜，穿越長(cháng)度達到了1843 m，地質(zhì)主要為全、強、中風(fēng)化泥巖，飽和抗壓強度為1.9 MPa～2 MPa；穿越了4條節理破碎帶總長(cháng)度420 m，強透水性（圖 1）。為解決施工中存在的不利因素，設計提前結合地質(zhì)環(huán)境、工藝條件和施工場(chǎng)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  工程設計及優(yōu)化

1.1  設計方案

三處山體定向鉆穿越地質(zhì)條件相似，其中石圈定向鉆長(cháng)度及破碎帶中穿越長(cháng)度最長(cháng)，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、節理密集帶；③施工區域主要為林地、放牧養殖；④場(chǎng)地受限，施工場(chǎng)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的適用角度、管道埋深、穿越長(cháng)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風(fēng)化砂泥巖、中風(fēng)化砂泥巖、節理密集帶、斷層破碎帶中通過(guò)。

1.2  設計優(yōu)化

現場(chǎng)施工時(shí)由于場(chǎng)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。采用主動(dòng)防護和被動(dòng)防護相結合的方式。山體防護網(wǎng)結構配置為：鋼絲繩網(wǎng)＋鋼絲格柵＋邊緣鋼絲繩錨桿＋支撐繩＋縫合繩，防護網(wǎng)方式為：內網(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，防護網(wǎng)采用鋼絲繩錨桿，錨桿直徑18 mm，長(cháng)2 m，間距4.5 m×4.5 m，梅花形布置，共計布設1000 m²主動(dòng)防護網(wǎng)，100 m²被動(dòng)防護網(wǎng)（圖 2）。

圖 2 石圈山體防護措施

2  施工風(fēng)險及管控措施

結合石圈穿越工程的地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件以及工程建設條件，施工前對施工過(guò)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，在施工中嚴格落實(shí)。

2.1  導向孔軌跡失控風(fēng)險

因定向鉆埋深大（最大埋深156 m）、距離長(cháng)（長(cháng)度1843 m），工程施工時(shí)控向難度大且會(huì )導致軸線(xiàn)偏移。

施工措施：采用慣性導向系統進(jìn)行導向孔施工的導向測量定位（圖 3）。在出入土點(diǎn)磁場(chǎng)信號較強和磁場(chǎng)干擾較小區域進(jìn)行短距離導向，然后用陀螺儀導向設備對導向數據進(jìn)行復測，修正導向孔曲線(xiàn)，保證穿越曲線(xiàn)的準確。在出入土點(diǎn)兩側及山體腹地低洼處布置線(xiàn)圈等人工磁場(chǎng)，并輔以磁靶作為慣性導向系統。

圖 3 陀螺儀設備組裝

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（負均為往左偏），穿越實(shí)際曲線(xiàn)與設計穿越曲線(xiàn)偏差約0.1%。

2.2  穿越節理密集帶風(fēng)險

山體定向鉆通過(guò)2處節理密集帶和2處節理破碎帶，總長(cháng)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，避免節理和細小裂隙的泥漿漏失；③采用隨鉆隨洗擴孔工藝，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(wú)影響�？墒鼓酀{漏失量由原來(lái)的30%降到10%左右，且無(wú)泥漿滲透至地表的現象發(fā)生；⑤考慮穿越地層泥巖的抗壓強度最大只有15.1 MPa，為軟巖，擴孔過(guò)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，協(xié)助主鉆機進(jìn)行擴孔作業(yè)，其次在穿越快接近節理密集帶（節理破碎帶）時(shí)，降低鉆機轉速，最后提前做好解卡的應急預案，配備相應的套洗設備。

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，擴孔中的鉆屑易導致抱鉆、縮徑。

施工措施：①加大鉆盤(pán)鉆速，使切削下來(lái)的泥巖顆粒變小，減小切削的黏土顆粒；②結合泥巖地層的特性，合理控制好泥漿粘度，以便使切屑懸��；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，不斷噴漿擾動(dòng)孔內泥漿，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施工中擴孔直徑不得小于設計要求的尺寸；⑥最后一次洗孔后及時(shí)回拖管道，減少泥巖縮徑時(shí)間。

2.4  鉆桿卡鉆斷裂風(fēng)險

定向鉆地層為泥巖，且穿越長(cháng)，并穿越節理密集帶，存在抱鉆時(shí)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進(jìn)行擴孔施工，降低主鉆機的扭矩，減小卡鉆、斷裂的風(fēng)險（圖 4）；②長(cháng)距離穿越擴孔扭矩大，采用高強度鉆桿，設計采用全新6-5/8″ S135鉆桿；③大級別擴孔時(shí)，在擴孔器前后各加一小直徑擴孔器過(guò)渡，且擴孔器之間使用柔性鉆桿連接，避免了應力集中，減少鉆具斷裂事故發(fā)生；④擴孔扭矩大，可采用正擴工藝擴孔。

圖 4 雙鉆機擴孔施工示意

2.5  回拖“多接一”風(fēng)險

“多接一”會(huì )導致管道回拖時(shí)間加長(cháng)從而增加孔道塌孔的風(fēng)險，同時(shí)泥漿自身靜置時(shí)間長(cháng)會(huì )產(chǎn)生絮凝分層，導致懸浮、護壁等性能降低進(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(shí)各個(gè)環(huán)節都要緊湊，提前做好焊接施工預案，減少焊接及檢測時(shí)間；②連頭焊接期間，孔洞內泥漿要循環(huán)流動(dòng)；③現場(chǎng)配備推管機，重新啟動(dòng)時(shí)可借助推管機助力；④通過(guò)洗孔保證孔洞圓滑、清潔，以防回拖卡管；⑤回拖時(shí)按照設計要求配重，減小回拖阻力；⑥回拖前要完成所有設備的故障排除、維修、保養工作，避免因設備問(wèn)題導致回拖暫停。

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(guò)節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（圖 5）；②回拖前洗孔，洗孔結束立即回拖。按照設計要求設置回拖“貓背”，使管道入洞角度與實(shí)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層進(jìn)行檢測，不應有貫穿性損傷�；赝虾髮�管段防腐層進(jìn)行饋電測試，饋電測試方法應按照GB 50424―2013《油氣輸送管道穿越工程施工規范》進(jìn)行，防腐層標稱(chēng)電導率λ不應大于200 μS/m²或防腐層絕緣電阻 R不應小于5000 Ω·m²為合格。

圖 5 玻璃鋼防護

3  結語(yǔ)

石圈山體定向鉆工程于2023年5月31日回拖成功。表明國內山體定向鉆技術(shù)水平得到了大幅提升，同時(shí)也為今后類(lèi)似工程的順利實(shí)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計和施工中應著(zhù)重注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

（1）穿越位置選擇應結合區域水文地質(zhì)條件，避開(kāi)斷裂帶及富水區。

（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，應多次修孔，保證孔洞圓滑過(guò)渡，避免因鉆屑堆積形成卡鉆風(fēng)險。

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

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