淺談山區(qū)喀斯特地貌超長距離定向鉆穿越施工管理難點(diǎn)與建議

胥錕

摘? 要：隨著國家和地方規(guī)劃選址要求不斷規(guī)范、穿越工程施工技術(shù)不斷進(jìn)步、管道本質(zhì)安全建設(shè)水平不斷提升，長輸管道施工中穿越工程比例呈現(xiàn)快速上升趨勢，復(fù)雜地質(zhì)條件下的超長距離穿越施工愈發(fā)頻繁。本文結(jié)合2021年新建項(xiàng)目施工管理經(jīng)驗(yàn)，介紹在山區(qū)喀斯特地貌環(huán)境下開展超長距離定向鉆穿越工程面臨的管理難點(diǎn)，并提出參考建議。

關(guān)鍵詞：成品油管道 山區(qū) 喀斯特地貌 超長距離 定向鉆穿越

從1985年首次引進(jìn)西方定向鉆穿越技術(shù)順利實(shí)施長輸管道黃河穿越工程開始，近40年國內(nèi)定向鉆穿越施工迎來高速發(fā)展，越來越成為長輸管道工程中解決選址矛盾、用地矛盾、降低安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)的重要選項(xiàng)。目前我國自主研發(fā)的水平定向鉆機(jī)已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，最長穿越長度5200米，最大鉆孔埋深約120米，技術(shù)儲備完整;由國家管網(wǎng)集團(tuán)華南公司直接參與管理的長輸管道定向鉆穿越規(guī)模，從2011年長江穿越1027米，到2012年重慶南山穿越2200米，再到2019年湛江到北海穿越工程4071米，管理經(jīng)驗(yàn)也不斷積累，具備在復(fù)雜地址條件下運(yùn)用超長距離定向鉆穿越施工的內(nèi)外部條件。本文以貴州白云某長輸成品油管道穿越工程為例，重點(diǎn)介紹在山區(qū)段喀斯特地貌地質(zhì)條件下超長距離穿越施工的管理難點(diǎn)及對策建議。

1 喀斯特地貌下定向鉆穿越施工風(fēng)險(xiǎn)分析

貴州地區(qū)屬典型喀斯特地貌，地下熔巖、裂隙、溶洞豐富，地質(zhì)條件非常復(fù)雜，疊加白云山區(qū)因不同時期民間自采、盜采地下礦產(chǎn)所遺留的大量作業(yè)坑道，給定向鉆穿越施工造成極大風(fēng)險(xiǎn)。定向鉆穿越主要包括選線與勘察、施工準(zhǔn)備、導(dǎo)向孔鉆進(jìn)與擴(kuò)孔、管道回拖等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都面臨重大風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)。

1.1 地質(zhì)勘察階段，在超長距離定向鉆穿越工程中，不能有效運(yùn)用地圖資料、現(xiàn)場踏勘收集信息進(jìn)行選址論證，避開既有溶洞、裂隙、采空區(qū)，沒有科學(xué)選取地質(zhì)勘查技術(shù)，造成地質(zhì)條件重大誤判、整體工期嚴(yán)重影響、勘察費(fèi)用比例嚴(yán)重超支。

1.2 施工準(zhǔn)備階段，沒有充分調(diào)研施工周邊電力、給排水、道路、應(yīng)急擴(kuò)征用地預(yù)留等依托條件，造成施工準(zhǔn)備嚴(yán)重超時，施工過程非必要中斷，施工應(yīng)急處置受到嚴(yán)重制約。

1.3 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)與擴(kuò)孔階段，因鉆頭鉆進(jìn)巖石裂隙部位沿裂隙前進(jìn)出現(xiàn)偏鉆，或是遇大型溶洞與作業(yè)坑道出現(xiàn)掉鉆，或是遇局部卵石層出現(xiàn)浮漂導(dǎo)致鉆頭偏移;因溶洞、裂隙或是裂隙發(fā)育地質(zhì)溶蝕造成大量漏漿、不返漿;因喀斯特地貌豐富地下水系造成漏漿擴(kuò)散引發(fā)生態(tài)環(huán)境災(zāi)害。此外卡鉆、鉆頭磨損頻繁、塌孔等風(fēng)險(xiǎn)較一般地質(zhì)條件更加嚴(yán)重。

1.4 管道回拖階段，因前述原因?qū)е孪纯仔Ч缓谩p傷管道防腐層，或是管道在溶洞、坑道位置大段懸空造成應(yīng)力集中、扭矩過大等致使回拖失敗。

2 地質(zhì)勘察

2.1 明確勘察目標(biāo)

該工程穿越路徑上方植被發(fā)育，為森林地帶，根據(jù)收集的區(qū)域地形地質(zhì)資料結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況，判斷該區(qū)域地層表層為砂巖，砂巖下部為含煤系地層，再往下為灰?guī)r，灰?guī)r溶蝕非常發(fā)育，往往有溶洞存在。勘察工作的主要目標(biāo)鎖定為定向鉆穿越尋找穩(wěn)定合適的地層。

2.2 確定勘察方案

本項(xiàng)目地處山區(qū)，鉆探施工用水困難，需使用水車外運(yùn)，現(xiàn)場交通不便，需要長距離搬遷鉆探設(shè)備，并且工期緊急。制約本項(xiàng)目的工期和成本的主要因素是合理確定鉆探工作量，在保證成果有效性的基礎(chǔ)上力爭采用最少的鉆孔數(shù)量和最少的鉆探深度來降低鉆探工作量。考慮穿越路徑上方地勢相對平緩，適合展開物探工作，而且資料豐富，地面露頭多，利于工程地質(zhì)測繪，綜合判斷決定加強(qiáng)工程地質(zhì)測繪和工程物探比重，有針對性確定鉆探工作量。

2.3 工程地質(zhì)測繪與物探

通過測繪研究發(fā)現(xiàn)，本地主要不良地質(zhì)問題是巖溶問題，排除采空區(qū)塌陷對管道穿越的影響可能，初步確定定向鉆的穿越地層，初步明確定向鉆的穿越深度和最佳的出土入土點(diǎn)。采用高密度電阻率法布置1條縱向測線，垂直穿越中線布置7條橫向測線，綜合分析得出穿越段地層較為單一，上部為第四系沖洪積沉積的覆蓋層，以黏性土為主，下部以灰?guī)r為主，低阻異常位置推測為巖溶發(fā)育，需重點(diǎn)關(guān)注，為后期鉆探的針對性提高進(jìn)一步的依據(jù)。

2.4 工程鉆探與鉆孔攝像

結(jié)合測繪與物探結(jié)果，決定執(zhí)行巖土工程勘察規(guī)范從緊要求，在可能存在不良地質(zhì)情況的區(qū)段布置鉆孔6個，并采用鉆孔攝像提高錄井準(zhǔn)確度，直觀觀察巖溶縫隙發(fā)育情況、破碎帶情況，對溶洞的分布及規(guī)模進(jìn)行實(shí)景分析，有效判斷巖體節(jié)理發(fā)育情況，保證所依據(jù)的外業(yè)資料更加準(zhǔn)確可靠。

3 施工準(zhǔn)備

3.1 預(yù)判道路與施工場地需求條件

根據(jù)《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》GB50424-2015的相關(guān)規(guī)定，回拖力計(jì)算按下式進(jìn)行：

貴州白云管道穿越工程設(shè)計(jì)長度2600m，管道規(guī)格φ323.9×12mm，計(jì)算得出回拖力約500kN。根據(jù)既往施工經(jīng)驗(yàn)，一般設(shè)計(jì)時取回拖力的值為計(jì)算回拖力的1.5—3倍，通常取3倍安全系數(shù)，但該項(xiàng)目考慮要頂進(jìn)相當(dāng)長度穿越套管，并預(yù)留充分的鉆機(jī)儲能應(yīng)對復(fù)雜情況，最終選型回拖力為6000kN的鉆機(jī)。該型鉆機(jī)為現(xiàn)場組裝，依據(jù)單個組件最大自重、車載軸距復(fù)核入場道路要求。經(jīng)現(xiàn)場勘察，道路承重等級、轉(zhuǎn)彎半徑均不滿足運(yùn)輸需求，遂提前在關(guān)鍵位置采取路面襯墊、加固以及臨時修筑進(jìn)場便道。

該施工場地位于已征地范圍內(nèi)，但征地面積有限，且場站作業(yè)與穿越作業(yè)同時施工。一方面必須要求設(shè)計(jì)單位在規(guī)劃總平布置時，同步提出施工布置方案，避免交叉作業(yè);另一方面各參建單位全部現(xiàn)場交底，明確施工干擾范圍、水電布置走向。

3.2 摸查周邊水源及最大給水量

山區(qū)段穿越施工無市政供水依托，喀斯特地貌條件下施工過程部分返漿和不返漿存在極大可能性，必須按照不返漿的極端情況進(jìn)行日均用水量測算，并修建配套供水設(shè)施、蓄水池。該項(xiàng)目實(shí)際建設(shè)蓄水池容量200m?，建立了臨時市政管線搭接、即有匯水井水收集、車載供水應(yīng)急的綜合保障體系。

3.3 規(guī)劃應(yīng)急用地?cái)U(kuò)征預(yù)留

喀斯特地貌穿越的另一個顯著特征是透水，結(jié)合周邊存在的地下開采歷史跡象，要識別可能出現(xiàn)的大流量渾濁透水甚至毒害物質(zhì)透出等極端情況，在入土側(cè)、出土側(cè)、穿越路徑上方地形低點(diǎn)位置規(guī)劃用于應(yīng)急處置的擴(kuò)征預(yù)留地，主要用于建設(shè)透水（透漿）回收、蓄積、過濾、沉淀池。

4 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)

4.1 采取兩端鉆進(jìn)、中間對接方式

因穿越距離長2657.3m，根據(jù)導(dǎo)向鉆進(jìn)過程中鉆桿受力分析的結(jié)果，單端鉆進(jìn)很難完成導(dǎo)向孔，決定采用兩端同時鉆進(jìn)導(dǎo)向孔、中間對接的方式完成施工。項(xiàng)目管理單位要重點(diǎn)關(guān)注在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程中的控向曲線變化，每根鉆桿改變的角度必須符合施工規(guī)范，同時在滿足規(guī)范的情況下盡量減小每根鉆桿所改變的角度，同時每三組鉆桿所改變的角度也控制在規(guī)范的值域下。

4.2 導(dǎo)向孔鉆具選型

為降低穿越施工中在喀斯特地貌石灰?guī)r中的卡鉆、抱鉆風(fēng)險(xiǎn)，本項(xiàng)目計(jì)劃采用8-5/8"無接箍鉆桿、具有孔底壓力監(jiān)測功能的導(dǎo)向探測器、13-3/4"防卡牙輪鉆頭鉆導(dǎo)向孔，使用加大鉆頭可以加大鉆孔與鉆具間的空隙，便于卡鉆時套洗解卡，鉆具連接方式如下：鉆機(jī)→8-5/8"鉆桿→9"無磁鉆鋌（壓力監(jiān)測）→9"泥漿馬達(dá)→13-3/4"防卡牙輪鉆頭。

4.3 導(dǎo)向套管安裝

因套鉆套管能保證鉆機(jī)的推力可有效的施加給鉆頭，增加鉆進(jìn)效率，同時對回填層進(jìn)行有效護(hù)壁，及保證返漿暢通，出入土側(cè)分別頂入了導(dǎo)向套管。套管長度依據(jù)實(shí)際需要設(shè)置，出土側(cè)導(dǎo)向孔鉆進(jìn)回填土過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的卵石層浮漂導(dǎo)致鉆頭偏移現(xiàn)象，通過夯入80m導(dǎo)向孔，配合絞龍?zhí)屯诨靥盥咽樌┰讲涣嫉貙印?/p>

4.4 成孔質(zhì)量控制

為保證導(dǎo)向孔成孔質(zhì)量，制定質(zhì)量控制措施，實(shí)施前認(rèn)真對儀器、設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，確保每根鉆桿調(diào)整角度在合理范圍內(nèi)。具體措施包括準(zhǔn)確測量穿越的實(shí)際方位角，為減小方位角的誤差，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況組織多點(diǎn)測量;通過GPS校準(zhǔn)測量入土點(diǎn)到出土點(diǎn)的實(shí)際距離和兩端高程差;準(zhǔn)確測量所用鉆具的長度，在實(shí)際控向操作過程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)曲線控制鉆頭鉆進(jìn)方向;利用強(qiáng)磁場定位軟件對鉆頭進(jìn)行定位，有效消除地磁干擾和人工操作造成的偏差。

5 擴(kuò)孔與測修孔

5.1 一級擴(kuò)孔

本工程穿越管徑為φ323.9mm，結(jié)合石灰?guī)r地層情況，決定采用一級擴(kuò)孔達(dá)到500mm孔徑。擴(kuò)孔設(shè)備選用8-5/8″S-135鉆桿，采用動力擴(kuò)孔器、牙輪擴(kuò)孔器。因穿越地層復(fù)雜，期間穿越溶洞、裂隙發(fā)育區(qū)，巖石軟硬不均且個別單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到110Mpa左右，硬度極高，采用常規(guī)擴(kuò)孔器及擴(kuò)孔工藝很難完成擴(kuò)孔施工，針對該情況決定采用兩臺鉆機(jī)同步協(xié)調(diào)擴(kuò)孔施工工藝進(jìn)行擴(kuò)孔施工，取得了良好效果。

5.2 測孔與修孔

針對本工程中風(fēng)化石灰?guī)r地質(zhì)溶洞、裂隙分布多，為了保證管道順利回拖及防腐層完好，完成擴(kuò)孔后進(jìn)行了測孔、修孔，判斷測孔參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)文件及相關(guān)規(guī)范對回拖管線的曲率要求。

6 管道回拖

6.1 回拖方式

由于管道預(yù)制受場地限制，2.6km管道采取“九接一”的回拖方式，即管道提前組焊預(yù)制為9組，在回拖時現(xiàn)場開展前后兩段連頭施工，待連頭口組焊、無損檢測、補(bǔ)口完成后再繼續(xù)管道回拖，依次循環(huán)。

6.2 關(guān)鍵工序控制

按照設(shè)計(jì)要求分別進(jìn)行組焊、無損檢測、補(bǔ)口、試壓、通球，通球合格后將九段管道放到回拖區(qū)域之間，擴(kuò)孔完成后，先回拖第一段管道，第一段管道留在地面的長度約150m，然后鉆機(jī)停止回拖，進(jìn)行第一段與第二段管道的連頭工作，連頭口焊接必須選派經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)骨干，確保焊接一次合格。焊接完成后，先進(jìn)行超聲波檢測，檢測合格后進(jìn)行焊道的X射線探傷，無損檢測合格后焊口進(jìn)行補(bǔ)口，其中玻璃鋼防腐采用光固化，以縮短施工時間。從組對到防腐補(bǔ)口嚴(yán)格控制在4小時之內(nèi)，為保證回拖管線的焊接質(zhì)量，在4小時內(nèi)管線不再進(jìn)行回拖，靜止不動。補(bǔ)口完成合格后，滿4小時后再繼續(xù)管道回拖。

7 結(jié)語

本工程施工過程中，克服了山區(qū)環(huán)境下特有的場地、交通、供水受限等外部條件，提出了合理的地質(zhì)勘察技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選方案，成功應(yīng)對了喀斯特地貌地質(zhì)下出現(xiàn)的因溶洞和裂隙導(dǎo)致不返漿、透水、冒漿等復(fù)雜施工場景，保證回拖一次成功。該穿越的完成，為定向鉆在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用積累了寶貴的管理和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對油氣管道行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有積極意義。

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（作者單位：國家管網(wǎng)集團(tuán)華南公司貴州輸油部）