干货丨砂卵复杂地质条件下的定向钻穿越施工

摘要：

随着长输管道施工技术的发展，水平定向钻以其施工周期短、成本低、安全风险低、适用多种复杂地形等优势得到广泛应用。但定向钻穿越受地质条件影响较大，特别是在卵石层、松散沙土、粗沙层、砾石层与破碎状岩石层中穿越必须根据地质勘查报告采取相应的技术措施。荆襄成品油管道工程蛮河穿越位于湖北襄阳宜城市孔湾镇，蛮河河床以下均为砂卵复合地质，通过选用大型号钻机、高强度岩石钻具、加大泥浆黏度、添加纤维素和失水剂、特别是选取合适穿越深度等技术措施成功采用定向钻穿越砂卵复合地层。

1. 概述

荆襄成品油管道设计压力9.5MPa，蛮河穿越采用p355.6×8.7/L415M高频直缝电阻焊钢管，3PE加强级防腐。蛮河穿越位于宜城市孔湾镇李家湾西南侧，蛮河两侧大堤间距约500m，水面宽约70m，水深约2m，东侧河堤距离水面约为400米，为粉沙土滩地，地势平坦，滩地与水面高差为6米。西侧河堤紧邻蛮河水面，高差约为14米，堤外为农田，地势平坦。原设计蛮河穿越为大开挖，管道河底埋深为3米。枯水期为每年11月份至次年3月份，枯水期水面宽度为70米，水深2.5米，河堤与水面高差不低于7米。最佳穿越时间为11月份至次年3月份。

图1 蛮河穿越平面图

蛮河穿越勘探深度范围内的地层，从上至下共分为2层，分述如下：

①粉质黏土：灰褐色~黄褐色，硬塑，土质较均匀，切面较光滑，摇震反应无，含少量铁锰质结核，干强度及韧性中等。

该层层厚4.50~9.80m，层底高程44.90~47.32m，层底深度4.50~9.80m，中密和密实。

②层卵石：灰褐色，饱和，含有较多细砂，砂质不均匀，主要矿物成分为石英、长石、云母，级配良好，卵石粒径3~8cm。该层在本场地均有分布，勘探期间未揭穿该层，该层最大揭露厚度20.5m，卵石含量为30%-50%，中密和密实。

图2 蛮河穿越轴线地质示意图

2. 技术难点与特点

2.1 大开挖穿越

（1）原设计蛮河穿越采用大开挖方式，蛮河属于泄洪通道以及备用航道。采用吹沙围堰筑拦水坝同时在滩地开挖导流渠的方式穿越，施工周期约为45天。

（2）由于滩地与河面高差6米，枯水期河深2米，宽70米，水流速为40m2/s。吹沙围堰的迎水面坝高至少6米，导流渠挖深至少8米，且由于滩地0-6米深为粉沙土（含水），6米以下为卵石层，有塌方风险。安全管理风险大。

（3）由于河底下即为卵石层，考虑大开挖穿越机械进出及土石方堆放场地，围堰坝体间距至少80米。导流渠中线长度为120米。根据水利设计院提供数据：围堰坝体（迎水面）尺寸为底部宽度12米，上口宽度4米，高6米。导流渠底部宽度为20米，上口宽度为40米。施工成本大。

2.2 定向钻穿越

（1）蛮河采用定向钻穿越必然穿越卵石层，成孔难度大。

（2）定向钻穿越卵石层钻具在卵石层中扭矩大且易跳动，卵石无法挤入旁边土层或扭矩不足会造成卡钻。

（3）定向钻卵石层导向时钻头容易上扬，极难控制。导向深度与曲线控制难度大。

（4）定向钻穿越施工周期约为7天。周期短，成本低，安全管理风险低。

3. 方案选择

由于大开挖穿越蛮河施工周期长、安全管理风险大、施工成本高，而定向钻穿越蛮河施工周期短、安全管理风险小、施工成本低，故定向钻穿越蛮河为佳。但定向钻穿越蛮河必须穿过卵石层，如果措施不当，穿越失败的概率较高，选择合适的穿越深度是穿越成功与否的关键。根据勘察取芯图片图三、图四（该取样点位于河滩地，距离河面约8米）：

图3 0.0-20.0m取芯

图4 15.0-22.0m取芯

根据勘察取芯情况，14.0m以下卵石含量达50%以上，15.0m以下卵石含量达90%以上，13.0-14.0m卵石含量为30%左右，0.0-13.0m卵石含量更低。根据现场实际测量情况，结合地质勘察报告，13.0-14.0m为最佳穿越深度，即河床底部3-4m。穿越深度过深则卵石含量大，穿越成功的概率低。穿越深度过浅，则河底冒浆的可能性增加。

根据GB50423-2013《油气输送管道穿越工程设计规范》5.1.4条第一款：水域穿越管段管顶埋深不宜小于洪水冲刷线或疏浚线以下6m。蛮河定向钻最佳穿越深度为3.5m，不满足该条款要求。但该条款未非强制性条款，主要是考虑保证穿越不冒浆、河道通航抛锚及抗压等因素。经多次与建设单位和设计单位沟通，最终同意将原设计大开挖穿越蛮河方案更改为定向钻穿越。定向钻长度为325m。根据现场情况：入土点在河滩地、出土点位于西侧河堤外。

4. 定向钻穿越蛮河

4.1机具选择

由于钻机钻杆在钻进过程中容易跳动和上扬，且须把卵石挤入周围土层，扭矩较大。同时在钻进过程中有卡钻的风险，故本次选择钻机为160吨，钻杆直径为140mm，导向钻头采用9.5英寸pdc 钻头，扩孔钻头采用滚刀轮岩石钻头。pdc 钻头为长圆形状带有凹槽，导向时经过卵石层不易卡钻头，容易挤压开此类地层。

滚刀轮岩石钻头因滚轮较大，直径32~36cm，厚度18~20cm，在卵石层中施工可充分利用滚轮挤压地层，10cm以下的卵石很难卡住钻头，10cm以上的卵石在扩孔中，若无法挤压入地层中，也可随着钻头扩孔带出孔外。

4.2膨润土选择及调配

由于卵石地层难成孔，易塌陷。本次蛮河定向钻穿越必须选用优质膨润土，同时添加膨润土专用速溶纤维素作为增稠剂添加比例约为5~6%0。由于卵石层透水率高，为防止膨润土中水分流失，可同时添加降失水剂（本次穿越根据返浆情况未予添加）。泥浆调配粘度控制在120~140s。

4.3管道保护

卵石地层在管线回拖的过程中必然会对管道造成挤压和摩擦，3PE防腐层不能够有效保护管道。为防止管道划伤，在3PE管道防腐层外侧加硬质保护层（玻璃钢或者光固化）。本次选择在管道外侧加四布五胶的玻璃钢防腐。

4.4导向孔施工

导向孔钻具组合：160吨钻机+泥浆马达+140mm钻杆+9.5英寸pdc钻头。

按设计轨迹进行导向，采用给进低压泥浆、钻具慢进的方法。在钻进卵石层施工时每根钻杆均进行回抽再钻进，使泥浆充分融入该地层，在钻头和钻杆的旋转挤压下，改变该地层的物质组成及结构，增大地层的粘结性。并使钻孔孔壁形成泥皮，起到保护钻孔并使钻孔稳定的作用，同时纠正卵石层钻进过程中钻头上扬带来的误差，确保导向曲线和导向深度，直至导向完成。

4.5扩、洗孔施工

为防止扩孔过程中卡钻、塌孔，本次扩孔分四级进行，分别采用12英寸、14英寸、16英寸、18英寸滚刀轮岩石钻头扩孔。

在扩孔过程中注意扭矩变化，对于扭矩较大的部位钻杆均进行回抽再钻进扩孔，直至扭矩下降至正常水平。由于卵石层成孔不稳定，减少洗孔次数，控制在2次以内。洗孔时泥浆粘度不变。

4.6管线回拖

本次定向钻主管与光缆管同孔回拖，光缆管为114mm。为防止在回拖的过程中钻杆侧轻微塌孔，增加阻力。同时保证进孔管道周围有泥浆，采用14英寸滚刀轮岩石钻头回拖。回拖时必须连续施工，防止中间暂停造成塌孔。

4.7馈电检测

由于卵石层在管道回拖时会对管道挤压和摩擦，管道回拖完毕进行了馈电检测，以检查管道回拖质量及管道受损程度。检测结果良好。

图5 馈电检测结果

5. 结论

本次蛮河卵石层穿越由大开挖改为定向钻穿越，并成功实施。很大程度上节约了施工工期和施工成本，降低了安全管理风险。成为定向钻卵石层穿越的一次成功尝试。本次卵石层穿越中线位置卵石含量选择在30%左右，且地层密实度较好，为本次成功穿越的基础。如卵石层结构松散，则很可能河底冒浆且塌孔的概率将加大。卵石层定向钻穿越成功的条件较为苛刻，如遇松散卵石或者砂卵结合地层，可考虑将该穿越中线地层改良：如注水泥浆固化等。

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