定向鉆穿越破碎巖層和斷裂帶的施工技術

王 海，趙宏生

（中國石油天然氣管道局穿越分公司，河北廊坊 065001）

定向鉆穿越破碎巖層和斷裂帶的施工技術

王 海，趙宏生

（中國石油天然氣管道局穿越分公司，河北廊坊 065001）

澀寧蘭輸氣管道復線工程，在甘肅省蘭州市八盤峽黃河標段需采用定向鉆依次穿越黃河、蘭青鐵路和青石咀山體，該穿越段地質屬于破碎巖層并具有斷裂帶，文章從鉆導向孔、擴孔、回拖各施工環節的鉆具組合以及泥漿配置等方面論述了該次定向鉆穿越施工工藝，并針對施工中出現的擴孔速度緩慢、破碎巖層擴孔困難、入出土點高差大、回拖卡鉆等問題，提出了應對措施。

長輸管道；定向鉆；穿越；破碎巖層；河流與山體

1 工程概況

澀寧蘭輸氣管道復線工程起自青海省柴達木盆地澀北一號氣田澀寧蘭一線澀北首站，東至蘭州市河口末站，線路長度921.4 km。干線管徑660 mm，材質L450，設計壓力6.3 MPa。

八盤峽黃河穿越位于甘肅省蘭州市西固區河口鎮八盤村北，在已建澀寧蘭輸氣管道黃河跨越上游約200 m處。本工程采用定向鉆依次穿越黃河、蘭青鐵路和青石咀山體。同時并排穿越2條管道，分別為D 660 mm×11.9 mm輸氣管道和D 114 mm×4.5 mm硅管套管，其間距10 m。定向鉆穿越水平長度1 309m，曲線長度1310.6m，設計曲率半徑為990 m，入土角16°，出土角9°，河床處最大埋深40 m。

2 穿越地質

按照成因、時代、組成物質和結構，對穿越斷面場地內地層巖性進行分層分述如下：

白堊系下統泥巖、砂巖互層 （K1、r3）④：泥巖呈紫紅、褐紅色，強風化，破碎，局部呈土狀，風化裂隙發育，主要為黏土礦物，泥質結構，薄層～中厚層狀構造，巖芯采取率小于30%，RQD值為15%～20%，質量極差，整個斷面均有分布。砂巖呈灰白色，強風化，風化裂隙發育，細～中粒結構，薄層～中厚層狀構造，其中多夾10～30cm薄層泥巖，巖芯采取率小于40%，RQD值為25%～30%，質量差。該層厚度為2.8～7.5 m，層面標高為1 549.50～1 589.60 m。

白堊系下統泥巖、砂巖互層 （K1、r2）⑤：泥巖呈紫紅色，中等風化，泥質結構，薄層～中厚層狀構造，礦物成分主要為黏土礦物、長石、石英等，局部夾粉砂質泥巖或10～30 cm砂巖薄層，巖質軟，遇水易軟化，脫水易干裂，巖芯以柱狀為主，巖芯采取率一般在70%～85%，RQD值為75%～85%，質量較好。河床內鉆孔巖芯采取率一般在40%～55%，RQD值在55%左右，質量較差。砂巖呈灰白色，中等風化，細～中粒結構，薄～中厚層狀構造，多夾10～30 cm薄層泥巖，巖芯采取率一般在70%～85%，RQD值為75%～80%，質量較好。河床內鉆孔巖芯采取率一般在40%～55%，RQD值為52%～60%，質量較差。整個斷面均有分布，該層厚度為3.2～15.8 m，層面標高為1 541.20～1 582.80 m。

白堊系下統泥巖、砂巖互層 （K1、r1）⑥：泥巖呈紫紅色，弱風化，泥質結構，薄層～中厚層狀構造，礦物成分主要為黏土礦物、石英等，局部夾粉砂質泥巖或10～30 cm砂巖薄層，巖質軟，遇水易軟化，脫水易干裂，巖芯以柱狀為主，巖芯采取率一般在80%～95%，RQD值大于90%，質量好。河床內鉆孔巖芯采取率一般小于40%，RQD值為25%～30%，質量差。砂巖呈灰白色，中等風化，細～中細粒結構，薄層～中厚層狀構造，多夾10～30cm薄層泥巖，巖芯采取率一般在80%～95%，RQD值為90%～95%，質量好。河床內鉆孔巖芯采取率一般在40%～55%，RQD值為50%～55%，質量較差。

其中河床內鉆孔3在標高1525.56～1529.56m、鉆孔4在標高1 506.38～1 511.78 m、鉆孔5在標高1 516.40～1 522.6 m、鉆孔6在標高1 533.49～1 536.39 m、1 524.89～1 527.69 m、1 515.82～1 518.59 m，巖芯采取率在60%～65%，RQD值為65%～75%，巖石質量較差～較好。巖石單軸極限抗壓強度統計見表1。

表1 巖石單軸極限抗壓強度/MPa

穿越曲線在河床底部穿越④⑤⑥層，屬于地質破碎層。

3 穿越施工

3.1 鉆導向孔

（1）鉆導向孔的鉆具組合： 251 mm(9.875 in)銑齒鉆頭 ＋泥漿馬達175 mm （7in）無磁鉆鋌 +127 mm （5 in）鉆桿的組合進行鉆進。

（2）為減少鉆桿懸空長度，將入土角度適當增大為16°，鉆導向孔時，要注意調整鉆桿的角度，每根鉆桿調整角度0.3°，單根鉆桿最大調整角度不得超過0.5°，每3根鉆桿的綜合曲率半徑要滿足990 m的要求。

（3）黃河河床底部地質破碎，鉆進過程中容易漏失泥漿，在鉆進過程中要密切關注推力和扭矩變化，及時進行調整。

（4）穿越現場地勢起伏較大，無法布置完整的人工磁場線圈，需分段布置，控向人員必須精心操作，保證穿越軸線滿足設計要求。

3.2 預擴孔

（1）針對黃河穿越泥巖與砂巖交互地層，巖石硬度在8～58 MPa，采用本體＋鑲齒牙輪組合的擴孔器分別進行558.8、762、965.2 mm三次擴孔。

（2）擴孔器采用美國Sharewell公司生產的巖石鉆具，擴孔器的本體和牙輪組合見表2。

表2 擴孔器本體和牙輪型式

（3）每遍擴孔結束后，用小于擴孔直徑50.8～101.6 mm的桶式擴孔器分別進行一次洗孔。并視實際擴孔和洗孔情況，適當增加洗孔次數。

（4）泥漿用量控制在大于1.5 m3/min。擴孔扭矩不得大于50 kN·m。

（5）鑒于穿越巖層硬度較高，磨粒組分大，對擴孔器的磨損比較嚴重，因此在進行擴孔前，對擴孔器進行嚴格的檢查，保證水眼暢通并具有規定的射流。擴孔時間達到牙輪規定使用時間時立即進行更換。

（6）更換牙輪時，鉆桿推力不得大于200 kN。

3.3 回拖

回拖是最關鍵的一步，連接方式為：863.3 mm桶式擴孔器+2 500 kN回拖萬向節+U形環+D 660 mm穿越管道。

黃河出土點焊接場地長度只有700 m，只能做“二接一”，焊接場地起伏大且沒有水源，不能采用發送溝發送。必須使用滾輪架發送回拖管道。

回拖時要適當抬高鋼管的高度并使管道頭部下沉，使回拖管道保持與出土角基本重合，由鉆機啟動回拖，使管道順利入洞。

3.4 泥漿配制

本次穿越地層主要為砂巖，泥漿的攜帶性能和流動性至關重要。

配制泥漿的水可直接從黃河中抽取，凈化。為了確保泥漿的性能，要求每罐泥漿都有足夠的水化時間，定時測量黏度，并記錄泥漿用料名稱及數量。黃河穿越由于經過破碎地質層，泥漿黏度必須滿足表3的指標 （表3為針對導向孔、擴孔、回拖三個階段的泥漿黏度）。

表3 泥漿黏度

為了充分利用回收泥漿，在入土點各配置一套美國奧格公司生產的泥漿回收裝置進行泥漿的回收利用，回收的泥漿經過重新配置達到性能要求后方可使用。定期化驗返出泥漿的含砂量，及時調整泥漿配方。

4 穿越難點及應對措施

4.1 擴孔速度緩慢

第一級擴孔558.8 mm開始后速度始終較慢，其主要原因是鉆具選擇不合理，泥漿排量偏小，設備老化維修時間長，泥漿池太小，不能實現連續作業等。為此采取以下措施：

（1）增大出土點泥漿池的容量，保證設備正常的情況下連續作業。

（2）對鉆具進行優化，比較軟的泥巖和砂巖層采用銑齒牙輪，進入較硬的砂巖層后采用鑲齒牙輪。

（3）在原有入土點已有2臺泥漿泵、1臺泥漿回收裝置的基礎上增加1臺水化裝置，加速泥漿配比速度。同時，在出土點新增2臺泥漿泵和1臺泥漿回收裝置，加大泥漿的回收利用，實現兩側對注，增加泥漿排量。

（4）增加有經驗的設備維修人員，并與專業廠家積極聯系，備足設備配件，保證設備的正常連續運轉，從而保證穿越施工連續進行。

通過采取以上措施，第二級擴孔速度明顯加快，取得了預期的效果。

4.2 地質斷裂帶附近擴孔困難

地質斷裂帶附近地質十分破碎，取芯率只有25%～50%，因此，按照地質構造通常的規律和專家的建議，在此處穿越深度加深15～20 m。實際施工過程中，我們在設計人員的指導下加深了近20 m，即使如此，穿越過程中在斷裂帶附近100 m范圍內，仍是本工程最難施工的一段。具體表現在：進尺速度十分緩慢，擴孔扭矩難以控制，洗孔過程出現卡鉆，首次回拖拉力突增。

針對這種情況，我們在施工中采取了以下措施：

（1）加大泥漿排量，始終保持泥漿排量在1.8 m3/min以上。（2）提高泥漿黏度，泥漿黏度控制在高于100s。（3）限制擴孔扭矩，以免扭矩過大切削的顆粒太大，使泥漿不易攜帶。

（4）盡量提高鉆機擴孔轉速，加快擴孔切削速度。

（5）控制擴孔拉力，保證鉆機快速均勻施工。

4.3 入出土點高差大

入土點與出土點高差達18.8 m，因高差產生的泥漿空洞長達135 m。泥漿空洞過長，在管道回拖過程中容易對防腐層造成損害。為此，采用了以下兩個措施：

（1）對設計曲線進行了調整。在原穿越深度基礎上，在入土角不變的前提下，盡量延長穿越水平段的長度，使泥漿空洞長度盡量縮短，減少對防腐層的損害。

（2）在回拖過程中，在出土點一側注入高黏度泥漿，以減少空洞長度，減少摩擦阻力。

4.4 回拖過程中卡鉆

在首次回拖過程中，前1 000 m鉆桿回拖力和回拖速度一切正常，隨后回拖力突然增大，回拖速度明顯減緩；在不到20 m的范圍內拉力陡升至2 400 kN，此時，增加拉力仍不能正常回拖，發生了卡鉆。

發生拉力突增的地點恰恰處于地質斷裂帶附近，在此處擴孔和洗孔都曾出現過卡鉆現象，雖然經過反復洗孔使擴孔器運行趨于正常，在回拖過程中地質破碎仍使此處淤積了過多的切削物，從而使拉力突然增加。

針對出現的問題和分析產生問題的原因，主要采取了以下措施：

（1）立即啟動應急預案，緊急調運600 t滑輪組進行解卡，成功拖出入洞的鋼管。

（2）為了確保空洞內的淤積物盡可能排出，先進行了一次762 mm桶式擴孔器洗孔，通暢后又進行了863.6 mm桶式擴孔器洗孔。

（3）在863.6 mm桶式擴孔器洗孔通暢的情況下，用50～90 m鋼管試回拖。

（4）試回拖成功后再次進行863.6 mm桶式擴孔器洗孔，然后進行主管回拖。

通過采取以上措施，再次回拖一次成功。

5 結束語

八盤峽黃河穿越成功，創造了國內大型河流、山體、鐵路三連穿的先河，在國內大型河流定向鉆穿越中率先嘗試了破碎巖層、斷裂帶地質的穿越。穿越深度達到84 m，這在國內外定向鉆穿越工程中實屬罕見。通過八盤峽黃河穿越，我們總結出以下幾點經驗，可供未來大型定向鉆穿越工程借鑒。

（1）在具有斷裂帶且地質比較破碎的巖層穿越時，盡管導向孔鉆進比較正常，但絕不意味著擴孔、洗孔和回拖沒有問題。

（2）對于泥巖與砂巖交互層，在單軸抗壓強度低于30 MPa的情況下，采用銑齒牙輪的擴孔速度要明顯優于鑲齒牙輪。

（3）在條件允許的情況下，無論是在鉆導向孔還是在擴孔階段，都應盡量增大泥漿排量，提高泥漿黏度。

（4）在穿越入、出土點必須配備泥漿回收裝置和泥漿配置裝置，以提高泥漿回收率，有利于保證泥漿的性能。

（5）對于復雜地質的大型河流定向鉆穿越工程，應該在洗孔正常的情況下試回拖，在試回拖成功的基礎上再進行主管回拖。

[1]閻慶華，孫玉杰，付超，等.長輸管道河流穿跨越方案選擇[J].石油工程建設，2011，（3）：1-5.

Construction Technology of Directional Drilling for Crossing Fragmented Terrane and Fault Zone

WANG Hai（Pipeline Crossing Branch of China Petroleum Pipeline Bureau,Langfang 065001,China）,ZHAO Hong-sheng

In the second She-Ning-Lan gas transmission pipeline project,the pipeline located at the Yellow River bidding section of Bapanxia,Lanzhou City needed crossing the Yellow River,Lan-Qing railway and Qingshizui Mountain in turn,where the geological condition belongs to fragmented terrane and fault zone.In this paper,the construction processes of the pipeline crossings are discussed including the drilling tool combination in the stages of pilot hole drilling,reaming and pullback and the mud preparation.And the countermeasures for solving problems such as low reaming speed,difficult reaming in fragmented terrane,big height difference between pipeline entry point and exit point,and drill tool sticking at pullback stage are put forward.

long-distance pipeline;directional drilling;crossing;fragmented terrane;river and mountain

TE973.4

B

1001－2206（2011）06－0041－04

王 海 （1963-），男，天津人，高級工程師，1983年畢業于太原重型機械學院工程機械專業，現從事水平定向鉆施工管理工作。

2010-11-18