軟硬交錯地層中的定向鉆穿越施工技術

王 海，樓岱瑩，屠言輝

（中國石油天然氣管道局穿越分公司，河北廊坊 065001）

0 引言

典型的水平定向鉆軌跡曲線由斜直線段 （入土）、圓弧段 （造斜）、水平直線段、圓弧段 （造斜）和斜直線段 （出土）等部分組成，其中水平直線段的高程要比其他段低。同時，地層的硬度一般說來從地表向下呈現出愈來愈硬的趨勢，這種趨勢在巖石地層中尤為突出。當采用水平定向鉆工藝穿越的河床或障礙物下面為巖石地層時，多數情況下入、出土端的地表覆蓋的是相對較軟的淤泥層、黏土層等，在這種中間分布較硬巖層、兩端分布較軟淤泥或黏土層的工況下，大口徑多級擴孔后很容易在軟硬交錯地層處形成擴孔臺階。針對此種擴孔臺階，目前國內還沒有專用鉆具可以對其修補，通過本文介紹的擴孔工藝，可有效減輕此種擴孔臺階對后續工序的影響。

前些年由于采用水平定向鉆安裝的管道管徑較小，預擴孔時終孔孔徑一般也較小，擴孔器的重量較輕，擴孔臺階的形成不是很明顯。但隨著西氣東輸二線大口徑管道 （直徑D1219 mm）工程的建設，定向鉆擴孔孔徑也隨之增大，在西氣東輸二線工程諸多河流定向鉆穿越施工中，擴孔孔徑最大可達1 627 mm （64 in），擴孔器質量高達2.2 t，如此大質量的擴孔器在軟硬交錯地層中由于沉降幅度不同，極易在軟硬地層交錯處形成擴孔臺階，極大地影響了定向鉆施工的成功率。

本文闡述的擴孔臺階均指在距離入、出土點150 m以內穿越兩端的軟硬交錯地層處產生的擴孔臺階，提出的相應措施也是針對上述區域內的擴孔臺階。在水平穿越段如果存在軟硬交錯地層，大口徑多級擴孔后也會在軟硬地層交錯處產生擴孔臺階，然而就目前技術水平來講還不具備處理該類擴孔臺階的能力。

1 擴孔臺階形成機理

擴孔臺階的形成主要是由于作用在擴孔器上垂直向下的合力在軟硬交錯地層中引起的沉降不同而產生的。然而在同一工程中，穿越兩端軟硬地層交錯處形成臺階的程度有很大差異，這主要是由于擴孔器在穿越兩端時受力狀態不同而產生的。目前，水平定向鉆擴孔一般采用鉆機回拉擴孔工藝，因此擴孔器在穿越兩端時受力不同，導致穿越兩端時形成擴孔臺階的狀況及影響程度也不同，下面作詳細分析。

圖1為處在管道側 （導向孔出土側）軟硬地層交錯處的擴孔器受力狀態。此狀態下，擴孔器受到鉆機沿鉆柱前進方向的拉力F1、背對前進方向的地層阻力F2、背對前進方向的孔中泥漿摩擦阻力F3、自身重力Fg和浮力Ff，鉆機拉力F1要克服地層阻力F2和泥漿摩擦阻力F3的影響使得擴孔器不斷切屑地層并前進。設F1、F2、F3的合力為Fa，對Fa、Fg、Ff三個力進行正交分解，可得到擴孔器受到的垂直向下的合力為：F管側=Fg+Fa1-Ff，此合力導致擴孔器在地層中的沉降。

圖1 處于管道側的擴孔器受力狀態

圖2為處在鉆機側 （導向孔入土側）軟硬地層交錯處擴孔器的受力狀態。與圖1所示狀態相似，可得到擴孔器受到的垂直向下的合力為：F鉆側=Fg-Fa1-Ff。

圖2 處于鉆機側的擴孔器受力狀態

這里假設在圖1和圖2所示的兩種狀態下，擴孔器重力Fg、鉆機拉力在垂直方向的分力Fa1（穿越入、出土角相等的情況下該分力大小相等）以及浮力Ff均相同，將擴孔器在管道側和鉆機側分別受到的向下合力進行對比容易得知：F管側＞F鉆側。因此，擴孔器在管道側軟硬地層交錯處產生的擴孔臺階較大，從而在管道回拖過程中易引起臺階卡住管頭導致回拖受阻甚至失敗。

在實際的定向鉆施工過程中，穿越兩端軟硬地層交錯處產生的擴孔臺階如圖3所示。

2 擴孔臺階的應對措施

實際施工過程中，在遇到穿越曲線兩端或單端存在軟硬交錯地層的情況時，主要采用以下工藝進行處理：

（1）大開挖去除不良地層。

（2）采用夯管或頂管法安裝隔離套管。

（3）通過地質改良固化軟地層。

（4）合理選擇鉆機安裝位置 （河流兩側），改變擴孔方向，減小或避免擴孔臺階的影響。

前三種施工工藝作為水平定向鉆施工的輔助工藝已經得到較為成熟的應用，尤其在隔離穿越河流兩端分布的短距離不良地層 （如卵礫石地層或淤泥軟地層等）方面效果顯著，而第 （4）種工藝是基于前三種工藝的合理優化，也是本文闡述的重點。上述四種工藝的適用范圍和優缺點見表1。

圖3 在穿越兩端軟硬地層交錯處形成的擴孔臺階示意

表1 水平定向鉆輔助工藝的比較

下面著重介紹第 （4）種方法的適用范圍及使用效果，此種施工方法主要適用于以下兩種情況：

（1）穿越兩端只有一端存在軟硬交錯地層的情況。在該種情況下，擴孔時可以將存在軟硬交錯地層的一側作為鉆機側，而無軟硬交錯地層的一側作為管道側，充分利用圖2所示擴孔器受力狀態優勢，合理減小甚至避免擴孔臺階的影響。

（2）穿越兩端均存在軟硬交錯地層的情況。在這種情況下可以選擇一端夯套管隔離軟地層，而另一端不采取措施，從而降低成本。擴孔時，將有套管的一側作為管道側，而無套管的一側作為鉆機側，同樣利用圖2所示擴孔器受力狀態優勢，合理減小甚至避免擴孔臺階的影響。

3 工程實例

蘭—鄭—長成品油管道長江穿越 （第3次穿越）項目是成功應用上述方法的實例，該管道為D 610 mm×12.7 mm的成品油管道。穿越處高程-15 m以上地層為砂層，局部夾雜黏土透鏡體；高程-15 m以下為基巖，主要以砂礫巖為主，部分巖體存在砂巖，穿越兩端均存在典型的軟硬地層交錯面 （見圖 4）。

圖4 蘭—鄭—長管道長江穿越斷面示意

針對該地質條件，長江穿越原設計方案如下：水平穿越長度1 984 m，導向孔入土點在右側，入土角度16°，導向孔出土點在左側，出土角度15°，在入土點和出土點夯入長度分別為118 m和157 m，管徑為D1219 mm的鋼套管，套管下頂端夯入基巖內以消除擴孔過程中擴孔器在軟硬地層交錯處產生擴孔臺階的可能性。如果兩端鋼套管安裝到位，導向孔采用兩臺鉆機雙向施工，孔道對接完成，擴孔時從導向孔出土點向入土點方向逐級擴孔。

在原方案實施過程中，入土端套管安裝長度完全達到設計要求，長度118 m的套管其下頂端完全夯入基巖。然而，出土端由于砂層中存在卵礫石夾層涌水嚴重，最終套管夯入長度僅有80 m，未能達到設計要求。

針對此情況，放棄了出土端安裝套管的方案，將出土點后移 100 m，出土角改為 14°（見圖4）。鑒于出土端軟地層厚度較厚、套管安裝方案不可行的情況，決定采用使擴孔器處于如圖2所示受力狀態的方案，從而避免了夯入套管的施工難點。具體實施方案如下：鉆導向孔時，鉆機安裝在右側，導向孔入土角16°，出土角14°，鉆進水平長度2 084 m，即入土點不變，而實際出土點較原設計方案中的出土點后移100 m；擴孔時，將鉆機挪位至左側，擴孔方向與原設計方案中的擴孔方向相反，讓套管安裝成功的一端作為管道側，未安裝套管的一端作為鉆機側，這樣就可以減小甚至避免擴孔臺階的形成。2011年12月16日長江穿越管道回拖成功，管道回拖過程中鉆機回拖力平穩且不大于850 kN，實踐證明該工程地下孔洞成形較好，鉆機側軟硬地層交錯處未產生能夠明顯影響回拖力的擴孔臺階。

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