小凌河卵石地層的定向鉆穿越

楊德水

中油遼河工程有限公司油氣管道所，遼寧盤錦 124010

小凌河卵石地層的定向鉆穿越

楊德水

中油遼河工程有限公司油氣管道所，遼寧盤錦 124010

盤錦一錦西石化輸油管道采用定向鉆穿越小凌河卵石地層，施工中遇到了卵石地層孔和定向鉆控向困難問題。文章介紹了采用卵石地層的水泥樁固化方案解決卵石層孔困難，采用有線、無線兩種控向技術同時實施的方案解決定向鉆控向困難的施工技術。該技術的實施取得了定向鉆出土偏差 0.5 m，軸向偏差 1.0 m 的好效果。相對于大開挖穿越技術，定向鉆穿越卵石地層技術縮短施工工期 60 d以上，節約施工投資 300 多萬元。

輸油管道；定向鉆穿越；卵石地層；成孔；控向；施工技術

0 引言

水平定向鉆穿越技術作為管道建設的一種非常重要的非開挖技術，已被廣泛應用于道路、湖泊、沼澤、森林、江河、古跡保護區、水源地和環境保護區等不允許或不能開挖條件下的管道穿越。經過幾十年的發展，該技術越來越成熟，應用領域越來越廣泛，對地層的適應性也越來越強。在施工中穿越的地層不盡相同，穿越卵石地層一直是世界性的難題，通常采取需要耗費大量人力和物力的大開挖施工方式。本文介紹了盤錦—錦西石化輸油管道小凌河卵石地層的定向鉆穿越施工技術和經驗，希望為今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

盤錦—錦西石化輸油管道在凌海市雙羊鎮京沈高速公路的上游 160 m 處穿越小凌河，設計穿越長度 500 m。管道采用螺旋縫埋弧焊鋼管，設計壓力 4.0 MPa，設計溫度 80℃，材質 L360，規格 D 426 mm × 8 mm，采用硬質聚氨酯泡沫黃夾克保溫防護結構，保溫層厚度50 mm，黃夾克厚度 3.5 mm。

小凌河穿越處兩側地勢高程變化較大，河道的東側為旱田地，河道的西側為防護林，河道兩岸與河道高程差達 9 m，并且管道穿越層為卵石地層，這給管道的穿越施工帶來了較大的困難。

2 工程地質和水文條件

擬建場區在勘探孔揭露深度范圍內，地層由上到下的分布如下：

①層粉質黏土：黃褐色，軟塑～可塑狀態，無搖振反應，稍有光澤，干強度韌性中等，局部為黏土、粉土；表層部分為耕植土，含有大量植物根，局部含有腐殖質及炭屑。該層大部分地區有所揭露，主要分布在河道兩岸，揭露厚度為 3.20 ～ 6.60 m。

②層細沙：黃褐色，主要呈稍密～中密狀態，河灘表層部分為粉砂，夾薄層粉質黏土，局部為中砂。該層大部分在河道東分布，揭露層底板埋深為 3.50 ～ 8.20 m，揭露厚度為 1.00 ～5.20 m。

③層圓礫夾中砂：黃褐色，磨圓較好，主要呈中密～密實狀態，含有少量黏性土，局部為卵石，直徑2 ～ 4 cm。該層大部分地區都有揭露，揭露層底板埋深為 6.70 ～ 16.50 m，揭露厚度為 1.00 ～ 9.00 m。

④層卵石夾粗砂：灰色，黃褐色，磨圓較好，密實狀態，卵石孔隙中充填粗砂和圓礫，局部填充為黏性土。本層分布連續，揭露層底板埋深為 15.20 ～ 24.60 m，揭露厚度為 3.70 ～ 12.30 m。

⑤層強風化花崗巖：黃褐色，呈砂土狀，隨勘探孔加深呈碎片狀。該層分布連續，層底板埋深17.40～26.60 m，揭露厚度為 1.20 ～ 3.40 m。

⑥層中風化花崗巖：黃褐色，呈碎片狀，隨勘探孔加深呈短柱狀，節理裂隙發育。該層分布連續，勘探深度范圍內未揭穿該層，層頂板埋深為 17.40 ～ 26.60 m，最大揭露厚度為 12.60 m。

穿越的主體地層主要為圓礫夾中砂層，該層主要含有卵石，直徑較大，含量較高，礫石直徑 2.5 ～ 6.0 cm，比例為 92%，地下水豐富，河灘 0.6 m 見水。復雜的地質結構和較高的地勢差給施工帶來了很大困難。

3 施工工藝流程及存在的困難

水平定向鉆施工工藝主要包括:鉆導向孔、擴孔、管道回拖就位等。本工程存在的主要困難有：

(1) 卵石地層成孔困難。小凌河穿越處地質為卵石地層，卵石含量高，直徑大，目前尚無穿越的經驗可以借鑒，因此其成為本工程水平定向鉆施工的主要困難。

(2) 定向鉆控向困難。讓鉆頭沿著設計軌跡進行導向擴孔，一旦定向鉆導向孔控向發生偏差，離開了已形成半固化的泥漿帶，則意味著定向鉆孔的失敗，因此鉆導向孔時的定向精確程度是決定定向鉆成功與否的又一關鍵因素。

4 解決施工困難的技術措施

4.1 卵石地層定向鉆成孔技術

卵石地層定向鉆穿越的成孔技術是本工程首先需要解決的問題，通過研究國內外定向鉆穿越的案例發現，定向鉆穿越技術廣泛應用于巖石地層中。受此啟發，我們提出了卵石層穿越的地層固化方案，即通過向卵石地層中注入水泥漿對卵石層進行固化，使該固化卵石層具有巖石地層的特征，而后再采用水平定向鉆進行穿越施工。

經過研究、試驗和探索，采取了以下技術措施：將素水泥漿用懸噴機注入地下，在穿越軸線的迎水面打一排水泥樁，水泥樁固結后在地下形成了一面擋墻，該擋墻一方面擋住了地下水，另一方面也固結住了高含卵石的土層，防止鉆機鉆孔時塌孔。

先標識定向鉆穿越的入土點、出土點及穿越中線，而后以管道穿越小凌河中心線為基準，向兩側各 2 m 放出混凝土固化體的寬度邊線；再以主河道中點為基準，向兩側各 100 m 放出混凝土固化體的長度邊線。

固化體的結構由兩側擋墻樁 + 中間填充樁組成。第一步先施工兩側擋墻樁，以保證整體施工質量。擋墻樁單一樁規格為 D 500 mm，相鄰兩樁部分重疊，其中心間距 300 mm，深度 7m。第二步施工填充樁，填充樁單一樁規格為 D 500 mm，相鄰兩樁為套樁，其中心間距 400 mm，深度 7 m。全線共完成 3 100 個水泥樁，具體情況見圖1和圖2。

圖1 水泥樁布置平面示意

4.2 卵石層定向鉆控向技術

在定向鉆穿越施工過程中，為了保證鉆頭與設計軌跡一致，采取了有線、無線兩種控向技術同時實施的方案，定向鉆出土偏差 0.5 m，軸向偏差 1.0 m，保證了整個回拖曲線完全處于設計的施工段固化體內。

圖2 水泥樁布置豎向示意

5 施工過程

5.1 水泥樁施工

用清水泵將清水打入1#泥漿罐，而后加入 32.5 級水泥攪拌約 5 min，再用泥漿泵將1#罐水泥漿打入2#泥漿罐，再次攪拌約 5 min 后待用。根據噴粉樁機的工作情況，采用高壓注漿泵通過軟管、鉆桿將水泥漿注入到井孔中，當發現井孔內上水時，立即注入阻水型快速固化水泥，以保證水泥漿迅速固化而不被水沖走，實現水中作業。主要施工工藝流程如圖3所示。

圖3 水泥漿施工工藝流程

經歷兩個多月，使用一臺 PH-5 型噴粉樁機和一臺水泥漿攪拌輸送車，完成了規格為 D500 mm 的 3100 個水泥樁施工，固化區長 200 m，寬 4 m，高 7 m。

5.2 水平定向鉆穿越施工

5.2.1 導向孔施工

2010年8月3日，鉆機等設備開始進場調試備用，由于考慮到地質情況復雜，因此首先啟動鉆機試鉆，而后注入泥漿試鉆了 2 ～ 3 根鉆桿，等一切正常后開始正式鉆進施工。

使用的設備為一臺上海產的 GD5000-L 水平鉆機，配備了一套巖石鉆進機具用的擴孔器。導鉆機具組合為 D 241 mm（9 1/2in）巖石鉆頭 ＋ 螺桿 ＋ 無磁鉆鋌（內裝控向探頭）＋ D 140 mm（5 1/2 in）鉆桿。8月3日14：38 開鉆導向孔，8月19日15：25 出土，經調整處理，導向孔橫向右偏 0.5 m，軸向正偏 1 m。

5.2.2 預擴孔、洗孔

根據鉆機和地層結構情況，確定該工程采用7級擴孔，1 ～ 7 級擴孔分別采用 D 350 、D 400 、D 450 、D550 、D650 、D700 、D800 mm 的巖石擴孔器擴孔，為了保證管道回拖順利，用 D800 mm 的擴孔器洗孔 3 次。

5.2.3 管道回拖施工

8月30日，擴孔、洗孔全部完成后開始回拖，回拖機具組合為鉆機 ＋ 鉆桿 ＋ D700 mm 巖石擴孔器 ＋ 旋轉接頭 ＋ U型環 ＋ 回拖頭 ＋ 穿越管道，一次回拖成功。

6 結束語

本工程管道定向鉆穿越卵石地層的成功，為復雜地質條件的管道穿越提供了寶貴的經驗，同時也取得了巨大的經濟效益和社會效益，與采用大開挖穿越施工技術相比縮短了施工工期60多天，并節省了施工投資 300 多萬元。

[1]GB 50423-2007，油氣輸送管道穿越工程設計規范 [S].

[2]劉彬，王永波.XX河定向鉆穿越卵礫石地層施工技術淺析[J].非開挖技術，2011，（2）：44-46.

[3]李朝儀，唐學鈁，葉文建.水平定向鉆進技術在砂卵礫石層中的成功應用 [J].天然氣工業，2009，29（12）：87-89.

[4]王海，趙宏生.定向鉆穿越破碎巖層和斷裂帶的施工技術 [J].石油工工程建設，2011，（6）：41-44.

Pieline Crossing Xiaoling River by Directional Drilling in Gravel Stratum

Yang Deshui
China Liaohe Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Panjin 124010,China

The problems of difficult hole forming and directional control are encountered in Panjin-Jinxi Oil Pipeline crossing XiaoLinghe River by diretional drilling in gravel stratum.So that the improvememt construction method is put forward to solve these problems,which include solidifying gravel stratum with control piles to solve difficult hole forming problem and using both wired and wireless directional control techniques to solve difficult directional control problem.Applying this construction method gets good results:the deviation at the exit hole is 0.5 m and the axial deviation is 1.0 m.Comparing with the Large excavation technique,this method shortens more than 60 days in construction period,and saves more than 3000 kilo yuan RMB in construction investment.

oil pipeline;directional drilling crossing;gravel stratum;hole forming;directional control;construction technology

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.011

楊德水（1980-），男，山東鄆城人，工程師，2004年畢業于中國石油大學（華東）油氣儲運專業，現從事油氣管道設計工作。

2012-11-10