對長距離天然氣管道定向鉆穿越巖石層施工工藝的探討

楊福武

（泰山燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，山東 泰安 271000）

對長距離天然氣管道定向鉆穿越巖石層施工工藝的探討

楊福武

（泰山燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，山東 泰安 271000）

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，天然氣管道工程建設(shè)項目逐漸增多，施工工藝技術(shù)水平取得一定發(fā)展。而長距離巖石層天然氣管道定向穿越作為水平定向穿越施工環(huán)節(jié)的重要組成部分，是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。基于此，本文在資料分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了探索。

天然氣管道；定向鉆穿越；巖石層

定向鉆穿越技術(shù)是非開挖施工工藝技術(shù)中的重要組成部分，又被稱為“復(fù)式潛鉆施工技術(shù)（Horizontal Directional Drilling，簡稱“HDD”）”。主要是指在特殊地質(zhì)環(huán)境下，利用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)向、定向鉆施工的方法，如“鉆掘—排土—清渣—方向控制—鉆孔施工—管材預(yù)埋”等。

定向鉆穿越技術(shù)以其地表干擾性小、施工速度快、施工安全性高、適用范圍廣等優(yōu)勢在國內(nèi)城市管網(wǎng)建設(shè)與復(fù)雜環(huán)境下長輸管道施工中得到了廣泛應(yīng)用。因此對長距離天然氣管道定向鉆穿越巖石層施工工藝具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概述

本文工程為某石化天然氣公司天然氣輸送管道工程項目體系中的主干管道重要分支，由于施工環(huán)境相對復(fù)雜，故采用水平定向鉆穿越施工發(fā)進(jìn)行實(shí)踐操作，所設(shè)計的穿越長度為1398米，實(shí)際長度為1340米，其中巖石層長度為1311米，

穿越入土角度為10度，出土角度為6度，穿越管道規(guī)格為φ508×8．7mm，穿越曲率半徑高于1500D，最大穿越深度可達(dá)地下20米以下，本段管道所采用的材質(zhì)為適應(yīng)規(guī)格的直縫埋弧焊鋼管。該工程地質(zhì)條件復(fù)雜，需實(shí)現(xiàn)高硬度連續(xù)巖石層穿越，巖石層抗壓強(qiáng)度平均值在68～115MPa范圍之間。

2 工程定向鉆穿越的地質(zhì)條件

天然氣管道工程主要位于風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、礫巖層中，屬高硬度巖石層，巖石層單軸極限抗壓強(qiáng)度的平均值在68～115MPa之間。在兩端的穿越點(diǎn)附近存在由粉質(zhì)粘土、粉砂以及礫石共同組成的硬度不均衡性底層，河面寬度較寬。

3 工程施工特點(diǎn)與施工工藝技術(shù)難點(diǎn)

3.1 工程施工特點(diǎn)

在工程施工建設(shè)中，主要具有以下特點(diǎn)：其一，本工程屬于長距離（1398米）、巖石層（距離1311米）的天然氣管道水平定向鉆穿越工程，需要進(jìn)行連續(xù)性高硬度巖石層穿越作業(yè)；其二，定向鉆穿越地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，不僅存在軟硬不均衡地層，也存在風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層、花崗巖層、礫巖層等等，對整體施工工藝以及施工設(shè)備，如鉆機(jī)等要求較高；其三，由于所需水平定向鉆穿越的巖石層距離相對較長，因此施工工期也相對較長，加之各環(huán)節(jié)施工工藝要求較高，存在的不確定性因素將相對較多。

3.2 施工工藝技術(shù)難點(diǎn)

由工程施工特點(diǎn)可知，在進(jìn)行長距離巖石層天然氣管道定向穿越巖石層施工中，其施工工藝技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面。

第一，導(dǎo)向、定向控制的難度較大。由于本工程所處地理物質(zhì)特殊，工程施工地質(zhì)條件存在復(fù)雜性，加之巖石層穿越距離以及巖石層單軸極限抗壓強(qiáng)度平均值較大，穿越深度也相對較深，從而在一定程度上加大了控向難度。與此同時，受自然條件與周邊環(huán)境的影響，本工程數(shù)據(jù)信息采集將會受到一定的電磁干擾，不利于地面對地下施工進(jìn)行監(jiān)督與引導(dǎo)，從而進(jìn)一步加大了控向難度。

第二，擴(kuò)孔難度較大。由于本工程巖石層的硬度相對較高，巖石層抗壓強(qiáng)度最高硬度高于110MPa，從而加大了地層擴(kuò)孔的難度。在進(jìn)行實(shí)踐施工作業(yè)中，由于在巖石層與粘土層相連接處出現(xiàn)“沉降”、“塌孔”等問題。

第三，泥漿工藝要求相對較高。由于管道工程地質(zhì)條件相對復(fù)雜，在定向鉆穿越施工中，需要穿越粘土層、粉土層、礫巖層、高硬度巖層。因此，在實(shí)踐穿越施工中要求泥漿具備較強(qiáng)的固壁性，能夠在孔壁形成穩(wěn)定的泥皮，避免出現(xiàn)泥漿漏失、塌孔等危害；要求泥漿具備良好的攜屑能力與流變性，用以提升排屑效率，保證鉆屑完全排出。

第四，易出現(xiàn)鉆桿變形與管道損壞問題。由于本工程定向鉆穿越的曲線較長，加之入土側(cè)的軟土層的荷載能力不高。因此，在進(jìn)行軟土層施工時，隨著推力的不斷增加，鉆孔孔壁向鉆桿施加的力也將相應(yīng)的加大，使鉆桿發(fā)生變形，并在鉆桿推力傳遞的作用下，導(dǎo)致鉆頭失控，甚至在一定程度上致使鉆桿發(fā)生斷裂或折斷。此外，在進(jìn)行回拖作業(yè)時，同樣受定向鉆穿越曲線長度的影響，加之管道自身重量的影響，使管道與鉆孔孔壁之間受摩擦力作用，加大管道推力，當(dāng)力達(dá)到一定程度容易造成管道破損。

4 施工設(shè)計方案與工藝實(shí)施策略

相關(guān)工作人員結(jié)合工程特點(diǎn)，通過資料整合分析與現(xiàn)場實(shí)踐調(diào)研勘測，針對本工程定向鉆穿越巖石層施工制定了科學(xué)、合理的施工方案，并依據(jù)施工工藝要點(diǎn)與難點(diǎn)提出了施工工藝操作策略。

4.1 定向鉆穿越施工中導(dǎo)向孔施工設(shè)計

在導(dǎo)向孔施工中，定向鉆穿越曲線設(shè)計以及定向鉆穿越設(shè)備選用是該階段思考的重點(diǎn)。具體分析如下。

首先，相關(guān)工作人員應(yīng)依據(jù)相關(guān)規(guī)定與設(shè)計基本要求，并結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)踐勘測結(jié)果，對本工程定向鉆穿越曲線進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，包括定向鉆穿越入土角、穿越曲率半徑、出土角、穿越管道入土層埋深范圍等，為工程實(shí)踐作業(yè)奠定基礎(chǔ)，提供依據(jù)。

其次，關(guān)于定向鉆穿越施工設(shè)備的選用，相關(guān)工作人員應(yīng)依據(jù)工程特點(diǎn)，結(jié)合國家有關(guān)規(guī)定進(jìn)行科學(xué)選用，在保證設(shè)備質(zhì)量的同時，保證機(jī)械設(shè)備應(yīng)用的科學(xué)性、適用性。本工程所選用的鉆機(jī)為“DD330-HD”型鉆機(jī)，最大可執(zhí)行200噸的回拖力，72000Nm的扭轉(zhuǎn)力，并在此基礎(chǔ)上配置了其他型號的鉆機(jī)，用以滿足不同條件下不同作業(yè)需求。與此同時，也選用了“MGS有線控向系統(tǒng)”為本工程的控向系統(tǒng)。并根據(jù)定向鉆穿越巖石層長度、地質(zhì)條件以及管徑等參數(shù)值，對巖石鉆頭、巖石擴(kuò)孔器、鉆桿、泥漿馬達(dá)等特殊鉆具進(jìn)行了科學(xué)選用，用以滿足實(shí)際需求。

此外，結(jié)合定向鉆穿越施工中導(dǎo)向孔施工存在工藝要點(diǎn)與難點(diǎn)，需采用以下策略進(jìn)行強(qiáng)化，用以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向孔施工的順利進(jìn)行，提升導(dǎo)向孔施工質(zhì)量。第一，為針對工程施工工藝技術(shù)難點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)長距離、巖石層定向鉆穿越過程中，鉆頭方位以及鉆具與孔壁摩擦阻力的有效控制，可通過科學(xué)配置鉆井液，用以降低摩擦阻力對鉆頭位置的影響。第二，通過利用信號數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如信號棒等，對本工程定向鉆穿越中心線的地磁方向角進(jìn)行確立。與此同時，通過構(gòu)建人工磁場，用以降低工程環(huán)境對控制系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，提升地面信號采集能力，為地下鉆孔作業(yè)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。第三，利用性能好的泥漿馬達(dá)進(jìn)行導(dǎo)向孔處理，保證因?qū)蚩踪|(zhì)量問題致使擴(kuò)孔施工與回拖施工過程中出現(xiàn)“卡鉆”問題。

4.2 定向鉆穿越施工中擴(kuò)孔施工工藝

（1）鉆進(jìn)工藝技術(shù)。為進(jìn)一步提升巖石擴(kuò)孔器的應(yīng)用效率，維護(hù)地下施工作業(yè)安全性與穩(wěn)定性，保證巖石層施工的連續(xù)性，本工程采用了“雙鉆機(jī)同步復(fù)式擴(kuò)孔工藝”進(jìn)行了鉆進(jìn)施工的實(shí)踐操作。相對于傳統(tǒng)擴(kuò)孔施工工藝的“反向擴(kuò)孔”而言，雙鉆機(jī)同步復(fù)式擴(kuò)孔工藝技術(shù)的應(yīng)用，有利于保證長距離巖石層施工作業(yè)的連續(xù)性，提升工程施工效率與質(zhì)量，縮短工期，提高工程施工成本。在此過程中，首先應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場勘測結(jié)果，對巖石層強(qiáng)度進(jìn)行計算，用以保證巖石擴(kuò)孔器應(yīng)用的準(zhǔn)確性與合理性，實(shí)現(xiàn)對巖石層長度的科學(xué)切削。其次，在正向與反向相結(jié)合作業(yè)下，提升施工整體效率。在此過程中要準(zhǔn)確掌握傾角與方位角的變化情況，根據(jù)施工實(shí)際情況進(jìn)行旋轉(zhuǎn)速度、鉆進(jìn)推力、泥漿壓力等的有效調(diào)整，并通過應(yīng)用中心扶正器，進(jìn)行擴(kuò)孔圓心度的維護(hù)。此外，為避免擴(kuò)孔過程中卡鉆問題的產(chǎn)生，可通過對鉆機(jī)擴(kuò)孔過程的動態(tài)觀察，適當(dāng)調(diào)整推拉力、泥漿排量、鉆速等，進(jìn)行科學(xué)處理與控制。

（2）泥漿施工工藝技術(shù)。在進(jìn)行泥漿施工時，需依據(jù)工程項目地層的實(shí)際變化情況，進(jìn)行泥漿的科學(xué)配置。例如，本工程依據(jù)7%～10%的比重，對“專用膨潤土”與“水”進(jìn)行配制，并將其作為定向鉆穿越基漿，并依據(jù)2%～9%的比重，在基漿中適當(dāng)加入增粘劑、清屑劑、護(hù)壁劑等泥漿添加劑，提升泥漿整體性能，保證施工過程中對泥漿要求的滿足。

（3）回拖施工工藝技術(shù)。在回拖施工中，可通過采用“二接一”的方法進(jìn)行實(shí)踐操作，用以提升施工質(zhì)量。在此過程中，可通過控制回拖速度與旋轉(zhuǎn)速度，對巖石層與土層交接面的管線進(jìn)行處理；可通過控制泥漿量、泥漿密度、摩擦力對管線焊接、防腐施工進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)回拖阻力的科學(xué)調(diào)整，保證施工質(zhì)量。

5 結(jié)語

總而言之，本文結(jié)合天然氣管道工程建設(shè)工程實(shí)例，從長距離天然氣管道定向鉆穿越巖石層相關(guān)施工工藝，包括機(jī)械設(shè)備選用、施工方案設(shè)計、施工工藝要點(diǎn)、難點(diǎn)以及質(zhì)量控制等進(jìn)行了分析，以期進(jìn)一步提升定向鉆穿越技術(shù)水平，為復(fù)雜地質(zhì)條件下水平定向鉆穿越巖石的相關(guān)工程提供施工經(jīng)驗，促進(jìn)我國長輸管道建設(shè)的發(fā)展。

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F426.22

A

1671-0711（2017）10（下）-0089-02