定向鉆夯套管技術(shù)應(yīng)用與研究

馬馳

摘? 要：定向鉆穿越隨著管道建設(shè)步伐快速，技術(shù)日趨成熟，但是復(fù)雜卵石層長距離穿越夯套管技術(shù)仍然是國內(nèi)工程建設(shè)的難點(diǎn)，夯套管及配套技術(shù)仍是工程設(shè)計(jì)和建設(shè)人員需要研究的課題。這些技術(shù)在錦鄭成品油管道工程六股河穿越實(shí)踐中得到的成功應(yīng)用。文章從定向鉆施工工藝角度對上述關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述研究，為今后管道長距離穿越卵石層設(shè)計(jì)和施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：定向鉆? 卵石層 長距離 夯套管

一、引言

定向鉆穿越作為十分成熟的非開挖技術(shù)廣泛應(yīng)用于管道建設(shè)中，但長距離穿越卵石層一直被視為定向鉆穿越的禁區(qū)。六股河穿越出、入土端卵石層厚度近20m，兩側(cè)均采用夯套管隔離方式[2]，鉆桿直接在鋼套管中心定位器中鉆進(jìn)，確保工程順利實(shí)施。

二、工程地質(zhì)

錦州—鄭州成品油管道工程六股河定向鉆穿越曲線夯套管部分主要在卵石層通過，卵石層地質(zhì)條件如下：

②卵石：黃褐色，中密～密實(shí)，稍濕～飽和，母巖成分部分以花崗巖砂巖為主，磨圓度較好，呈圓棱狀及亞圓狀，一般粒徑為30mm～40mm，最大為70mm，主要為粗砂充填。揭露厚度17.30m～23.80m，層底深度18.20m～26.30m，層底標(biāo)高-16.99m～-10.30m。

三、夯套管工藝計(jì)算

3.1? 夯進(jìn)長度計(jì)算

對于采用夯套管隔離地層設(shè)計(jì)，套管允許夯進(jìn)長度估算如下[3]。

式中：L—允許夯進(jìn)最大長度（m）， F—夯管錘提供最大進(jìn)力（kN），

N—套管迎面阻力（kN），D—套管外徑（m），

F—每延米套管外壁與土壤平均摩阻（kpa）

R—套管切屑環(huán)外徑（m），t—套管切屑環(huán)厚度（m），R—切屑環(huán)阻力（kpa）

設(shè)備的技術(shù)參數(shù)：直徑-600mm-670mm;長度-3645mm;重量-4800kg;耗氣量-50m3;沖擊次數(shù)-180次/分;適用管徑-380mm-4000mm;夯擊力-2000噸/次;當(dāng)最大壓力達(dá)到8bar時(shí)瞬間可以產(chǎn)生2500噸/次的夯擊力;經(jīng)估算，夯管最大長度為144m，可以通過六股河卵石層。

3.2 鋼套管壁厚和外徑選擇

式中：t—套管計(jì)算壁厚（mm）， F—夯管錘提供最大進(jìn)力（kN），

K—鋼管穩(wěn)定系數(shù)，取0.36;D—鋼套管外徑（mm），δ—鋼管規(guī)定屈服強(qiáng)度（MPa）

經(jīng)計(jì)算，鋼套管計(jì)算壁厚為18.6m，為了確保夯進(jìn)過程順利實(shí)施，選取壁厚為33mm;鋼套管內(nèi)徑宜大于最后一級擴(kuò)孔加300mm[2]，因此鋼套管外徑為D1219mm。

四 夯進(jìn)套管方案

六股河出、入土端卵石層近20m深，選取鋼套管規(guī)格為（D1219×33），理論上長度至少130m。設(shè)計(jì)上采取在地表沿鉆進(jìn)曲線方向開挖長約35m，深約5m作業(yè)坑，并采用入土角為12°，出土角為10°的對穿方案減少套管夯進(jìn)長度[1];這樣從作業(yè)坑底部至卵石層底部單側(cè)夯套管長度僅77m，有效的降低施工成本，節(jié)省了施工周期。

4.1 夯套管工藝流程

夯套管作業(yè)工藝流程：設(shè)備進(jìn)場-施工地基、安裝導(dǎo)軌-吊裝管體、夯管錘-緊固安裝-試夯、測驗(yàn)-正常分進(jìn)循環(huán)，正常分進(jìn)循環(huán)階段分別進(jìn)行推土和竣工驗(yàn)收，竣工驗(yàn)收同時(shí)進(jìn)行資料整理和現(xiàn)場整理。夯套管前先用鋼板樁支護(hù)一個(gè)長15m、寬3m的一個(gè)工作坑，支護(hù)面為三個(gè);開挖出一個(gè)斜坡（坡度與入土角或出土角一致），并在斜坡上安裝一個(gè)套管導(dǎo)軌;安裝好氣動(dòng)夯管錘，各設(shè)備裝置進(jìn)行試機(jī)正常后開始作業(yè)，將套管夯至目標(biāo)深度。

4.2、安裝導(dǎo)軌

將夯管工作底面夯實(shí)，上鋪20mm渣石墊底層， 保持正確的傾角，下面均勻鋪墊一層管排或鋼板，在上面鋪設(shè)預(yù)先割好的45號工字鋼按照800mm的間距以（工）型平行放置在工作坑的地基上，鋪設(shè)45號工字鋼兩根單根的長度為2m ，制定兩條導(dǎo)軌的中心線，放置導(dǎo)軌后再精確校正。將45號工字鋼兩側(cè)分別夯入1m長的地錨兩根， 地錨入土不能低于700mm，測量無誤后再與45號工字鋼焊接牢固。由于鋼管軌跡設(shè)計(jì)為水平，因此，槽鋼作為導(dǎo)向軌道，必須平直無彎曲。用水準(zhǔn)儀多點(diǎn)測量控制槽鋼的水平，再根據(jù)需要的水平角度調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的傾角。

4.3、鋪管

按工作平臺長度，將套管第一根前端安裝好切削環(huán)。將第一根鋼管和夯管錘安放在軌道上，用張緊器將夯管錘通過錐套與鋼管連為整體。安裝完成后，檢查鋼管的所需的傾角、垂直位置。送風(fēng)后夯管錘即開始工作。第一根管操作上應(yīng)緩慢開啟注油器、控制空氣量，采用“輕錘慢進(jìn)”，防止鋼管和夯管錘一起往復(fù)串動(dòng)。鋼管夯進(jìn)土層30cm-50cm后，停錘校核鋼管位置，無誤后，再繼續(xù)輕錘夯進(jìn)2m～3m，再次校核鋼管位置，繼續(xù)采用“輕錘慢進(jìn)”參數(shù)將第一根管夯入土層。

4.4、焊接

焊接前應(yīng)檢查兩鋼管的傾角、垂直位置及兩管的同軸情況。鋼管焊接好后，夯管錘送風(fēng)工作，此時(shí)完全打開注油器閥進(jìn)入正常參數(shù)夯管。直至第二根管進(jìn)入土層，校核導(dǎo)軌位置，吊裝第三根管，再校核鋼管對接情況，焊接、夯管，如此循環(huán)，直至鋼管進(jìn)入到巖石層。

4.5、夯管方向的控制

導(dǎo)軌的穩(wěn)固性是方向正確性是最關(guān)鍵的。對于硬基底，可只填碎石并搗實(shí)，對軟地層基底可澆注混凝土墊層，保證在夯管過程中，錘的震動(dòng)力不至于引起導(dǎo)軌下沉。

套管取土采用卷揚(yáng)機(jī)分段進(jìn)行人工取土。

4.6 中心定位器安裝

由于鋼套管（D1219mm）的存在，為了保證鉆桿推力，需在鋼套管內(nèi)安裝中心定位器，使鉆桿獲得支撐并居中。具體做法是在套管中安裝一個(gè)與套管內(nèi)徑相匹配的中心定位器，中心用12”的鋼管，鋼管四周每隔10m焊上6塊定位支撐鋼板，保證鋼管位于套管的中心，主要用于鉆桿的支撐，中心定位器安裝。

本工程采用鉆頭、泥漿馬達(dá)在中心定位器前端，邊鉆進(jìn)邊安裝定位器，當(dāng)鉆進(jìn)1～2根鉆桿后，檢查各部位運(yùn)行情況，各種參數(shù)正常即可正常鉆進(jìn)。

五、結(jié)論

錦鄭管道六股河定向鉆穿越2015年3月開始實(shí)施，10月份結(jié)束，歷時(shí)近7個(gè)月。工程穿越采用兩側(cè)夯套管隔離技術(shù)，尤其是開挖兩側(cè)作業(yè)面，增加出、入土角度以減少夯套管長度，采用中心定位器有效確保鉆進(jìn)曲線精度，關(guān)鍵技術(shù)得到實(shí)踐的成功檢驗(yàn)，節(jié)省工程投資約460萬元，提前35天完工，最主要的是對同類穿越工程具有十分現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

中油遼河工程有限公司? 遼寧盤錦