淺析天然氣管道定向穿越楓樹嶺山體施工

摘 要：文章根據德興市銀香東路中壓管道楓樹嶺段水平定向鉆工程成功穿越的施工實踐，在出入土點存在較大高差、巖石裂隙發育程度高、巖石強度較高的千枚巖地層復雜地質條件下，以及存在泥漿泄漏的情況下，介紹了從鉆孔、擴孔及回拖的穿越施工的工藝過程，分析及采取的對策措施，對以后類似的工程施工具有一定的借鑒作用。

關鍵詞：水平定向鉆；穿越；導向；泥漿；擴孔；回拖

1 工程概況

德興市銀香東路中壓管道楓樹嶺段定向鉆穿越工程，穿越位置為德興市S317省道楓樹嶺段，主管規格為Φ325×7 Q235B 螺旋焊接鋼管，管壁外防腐采用加強級三層PE防腐。穿越長度約385m，出入土點高差約10m。該工程主要穿越：塊石素填土、強風化千枚巖50.4m，強中風化千枚巖中13m，中強風化千枚巖43.64m，在新鮮變質（千枚巖）巖穿越162.7m，中風化千枚巖110.99m。巖石平均強度為42MPa。

2 場地地層結構及其工程特性

勘探深度內，場地地層結構由（1）第四系人工填土層（Q4ml）、（2）第四系上更新統黏土（Q3el+dl）及前震旦系雙橋山群東坑組千枚巖（Ptshdn）組成。按其成因、巖性及其工程特性，自上而下依次劃分為：①素填土（Q4ml）；②黏土（Q3el+dl）；③-1強風化千枚巖（Ptshdn）；③-2中風化千枚巖（Ptshdn）；為了整個勘察成果的統一性，順延編號。

3 本工程的施工特點分析

（1）泥漿漏失：穿越地層為千枚巖，片理發育、受造山運動和后期風化的作用，垂直裂隙相當發育，山頂最大裂隙達到3m多寬，與地下裂隙聯通性非常好，在雨水非常少的情況下經常有裂隙水滲出地表，在公路產生水痕；再加上出入土點高差近10m，導向孔將各巖層的裂隙串通起來更加大了地下水和泥漿的漏失，泥漿作為定向穿越的“血液”，在導向、擴孔中大量漏失，破碎的巖石碎屑無法有效排除，勢必造成穿越難度的增加。（2）巖石強度較高：從導向及擴孔的單位時間進尺看，巖石的抗壓強度可能大于42MP。最慢單根擴孔時間9小時，最快單根擴孔時間4小時。且軟硬不均，由于軟硬不均，造成螺桿鉆具損壞，易出現卡鉆現象。回擴時易造成擴孔器偏心，產生扭矩不穩現象。（3）由于穿越方向角度為211°與片理發育的方向呈約45℃的夾角，導向鉆進時鉆頭出現偏移，穿越方位難以控制，糾偏難度大。（4）出入土點碎石層堆積，碎石層基本以山體崩塌的片狀巖石為主，幾乎無膠結物，導向及擴孔時極易形成臺階狀，鉆桿受剪切力較大易折斷，拖管時易出現卡管現象，造成拖管失敗。

4 工程主要施工技術措施方案

4.1 設備選型

針對本工程的特點及難點，設備在原施工組織的基礎上作了調整：

（1）鉆機：選用鉆通ZT220鉆機，該機器最大回拖力達200噸，最大扭矩達72000NM。（2）鉆具：165泥漿馬達（1.75度）、8.5英寸三牙輪鑲齒鉆頭、127鉆桿、420mm、500mm三牙輪鑲齒擴孔器。（3）泥漿系統：20m3的攪拌罐、20m3的儲漿罐，SH150撬裝式高壓柱塞泥漿泵。（4）導向系統：美國DCI地磁導向系統，配置抗拉強度高的多芯的信號線，可實時隨鉆跟蹤測量。

4.2 泥漿性能的控制和調整

在施工過程中，現場每混配好一罐泥漿后的漏斗粘度，要及時調整至滿足施工要求為止，泥漿監控是一個動態變化過程。

（1）按施工泥漿性能要求嚴格掌握清水與泥漿添加劑比例。（2）控制返出泥漿密度，防止孔壁垮塌。（3）導向擴孔施工適當提高泥漿粘度、靜切力，有利于孔壁穩定。（4）高的動切力有利于攜帶鉆渣。（5）良好的潤滑性能，有利于降低拖管回拖力。孔壁穩定要求泥漿的泥漿粘度越高越好，但過高的泥漿粘度會增加回拖力，泥漿粘度控制在45～60s。

4.3 工藝過程的控制

本工程設計入土角12°，固定好地錨安裝調試好設備，進行導向孔施工。導向孔由低往高進行施工，原因是山體高差較大，穿越距離短，如由高往低進行施工，難以滿足曲率半徑要求，導向無法出土，所以由低往高進行導向孔施工為最佳選擇。

按照原施工方案進行施工，在經歷了兩次導向孔失敗后，決定更換設備，主要是更換泥漿系統，將泥漿泵量提高，有助于導向過程中鉆進方向的調整和巖屑的攜帶。在泥漿系統更換后，泥漿泵量加大，導向孔鉆進進度有所提高，鉆進方向易于控制。

在導向孔成功后，采取傳統定向鉆施工工藝擴孔，一級Φ420mm擴至186m時，扭矩增大，預擴孔緩慢，及時回抽鉆桿和擴孔器。根據導向孔、預擴孔施工發生的情況，改變原施工方案，將采取后場注漿施工工藝，進行施工。具體操作工藝如下：

（1）山體高差較大及山體本身存在裂隙，孔內無法存流泥漿，鉆具磨損嚴重。首先對孔內鉆桿全部置換并用補漿短節對孔內進行反復洗孔，直至空鉆數據在允須范圍內（一般控制在15000Nm以下）。（2）將鉆機調整至后場（出土點）安裝、調試就位。并購置后場注漿機具，預擴孔將由低向高施工。機械設備需在出入土點反復進出場，S317省道上行走，安全預防提前。（3）山體高差大，導向孔施工時由下往上施工，導向軌跡基本呈30%坡度，在入土點造斜段后，水平段是巖屑堆積處，為防止因巖屑堆積過多，造成抱鉆，預擴孔時在此處需進行反復洗孔。（4）千枚巖巖性片里發育，擴孔完成后，孔內形狀為橢圓（俗稱雞蛋狀），按照施工規范1.5倍的基礎上，將增加一級擴孔，主要考慮巖體掉落，造成巖屑堆積，管線回拖時卡管。（5）在一級擴孔完成后，加大泥漿泵量，對孔內進行反復洗孔，再進行二級預擴孔施工。（6）穿越出入土點前方約50m為塊石回填土，在管線預擴孔前需對其進行開挖處理，主要作用為在預擴孔時防止塌孔，造成卡鉆，其二是是防止管線回拖時對管線防腐層造成損傷。（7）出入土點高差大，管線由上向下回拖，回拖時泥漿無法在孔內進行長時間停滯，避免管線與巖石直接接觸，在回拖時采取泥漿泵注漿和后場人工補漿結合的方式注漿，對孔內回拖管線防腐層給予保護和潤滑。（8）一級擴孔完成后，我們根據原一級420mm實際孔擴數據，增加二級500mm擴孔，將巖屑有效排除，保證成孔、回拖成功。加補漿短節，對孔內整體清孔，將孔內巖屑排除。（9）回拖時采用420mm巖石擴孔器加120噸分動器與管道連接，因出入土點約10m高差，如因長時間停滯會造成孔內無泥漿保護回拖管線，在回拖時在入土點位置安放泥漿泵注入泥漿，同時將泥漿抽至出土點管線進洞口，泥漿順孔流至入土點，注入適當量的泥漿，減少管道與孔壁的磨擦，避免管線防腐層刮傷。全程回拖力小于50噸，管道出土后防腐層完好沒有破損現象。

5 結束語

定向鉆在穿越山體存在出入土點高差較大時，首先應滿足管線曲率半徑，選擇在高差較高位置作為入土點進行導向孔施工。一般在短距離，高差較大穿越時，選擇在高差較低進行導向孔施工，在導向孔完成后，如施工場地條件允許，可選擇進行反向擴孔，采取后場注漿方式進行預擴孔。如施工條件不允許可采用傳統施工工藝，但必須進行反復洗孔，保證鉆渣有效排除，拉力扭矩正常，方可進行管道回拖。