大落差地形、高硬度破碎巖層定向鉆穿越的技術應用

祁小偉 王風雷 李長才 李松 冒乃兵

摘 要：山區地形較為復雜，一般具有高差起伏大、坡勢陡、平坦地勢少、地質情況復雜等特征。隨著水平定向鉆技術的快速發展，山區定向鉆穿越的難題一一攻克[1]，但同時也提出了更高的要求。本文結合云南天然氣管道騰沖支線龍川江穿越工程，對大落差地形、高硬度破碎巖層定向鉆技術進行了分析探討，為今后類似定向鉆施工提供一些參考和借鑒。

關鍵詞：水平定向鉆穿越;大落差;高硬度破碎巖層;回拖

近年來，隨著我國的經濟發展，山區管道建設得到了迅速發展。山區的特殊地形、復雜地質也為定向鉆穿越施工帶來了很大的難度[2]。云南天然氣管道騰沖支線龍川江穿越工程，地形落差大[3]、工程地質復雜[3]，施工過程中對所遇的技術難點進行分析，對相應技術難點采取針對性的應對措施，保證了龍川江穿越工程施工的順利完成。

1 項目概況

云南天然氣管道騰沖支線龍川江穿越地段位于保山市騰沖縣與龍陵縣交界處的八灣田村附近，穿越段管線設計壓力為6.3MPa，鋼管采用Φ219.1×6.3mm L245 直縫高頻電阻焊鋼管。穿越設計起、終點樁號：TC1044、TC2001，定向鉆穿越入土點位于西岸，距西岸外大堤約137m;出土點位于東岸，距東岸外大堤約219m。定向鉆曲率半徑為1500D，出、入土角根據穿越地形、地質條件和穿越管徑的大小確定為：入土角20°，出土角13°。河床底的最小管頂埋深約為 14m，管底設計標高約為1096.3m。穿越段管道水平長度為811m、曲線實長為839m。

2工程地質

根據工程地質剖面圖上所揭示的地層，穿越管線主要在高黎貢山群強風化花崗片麻巖層穿越。其特性如下：

花崗片麻巖：強風化，灰白色、灰色，巖石結構及構造大部分破壞，僅具原巖外現，呈變晶結構，片麻狀構造，亦可見條帶狀構造，主要礦物成分為長石、石英、云母片等，可見巖體傾角約為45°～50°，巖體破碎，巖石節理裂隙很發育，結構面約3～5 組，結構面間距0.4～0.2m，局部小于0.2m，結合程度一般～較差，巖體呈差異性風化，致巖石軟硬不均，局部鉆進困難，巖芯破碎，呈碎塊狀（30～50mm）、散體狀，少量短柱狀（100～200mm），鉆探進尺較慢， RQD=0%～30%，巖石軟硬相間，單軸抗壓強度離散性較大，巖石質量差，巖體基本質量指標Ⅳ級。該層場區內廣泛分布，所有鉆孔均有揭露，揭露層厚 30.10～84.80m，鉆探未揭穿該層。

3工程主要難點

3.1出、入土點落差大

龍川江穿越工程入土點高程1214.3，出土點高程1163，兩岸落差51.3米。

3.2泥漿循環困難

由于兩側落差較大，導向孔完成后的孔內泥漿循環存儲影響很大，泥漿無法在孔內有效循環存留易造成巖屑沉積[4]。

3.3管道防腐層的保護

破碎巖層對管道防腐層容易造成破壞，需要對管道防腐層加以保護。

4施工工藝

4.1設備選擇

根據國內、外的經驗，一般設計時取回拖力的值為計算回拖力的1.5-3倍，根據本工程施工條件，取3倍的安全系數，設計回拖力取值為不小于414KN，選取回拖力大于414KN的鉆機。龍川江穿越工程選用GD-380鉆機（430KN）。

4.2鉆柱結構設計、計算

根據多年的施工實踐總結，5″鉆桿在通常情況下鉆導向孔的距離都能超過1300米，按照5 ″鉆桿能穿越1300米的施工能力進行反推，可以推算出結合使用5 ″、5-1/2 ″、6-5/8 ″鉆桿后的水平定向鉆穿越距離。

由于鉆桿的施工能力與鉆桿的壓桿失穩密切相關，鉆桿的壓桿失穩又與鉆桿的軸慣性矩關系緊密，導致壓桿失穩的臨界力計算公式如下式：

上式中：PLj-為鉆桿所能承受的臨界壓力;E-鉆桿的彈性模量; I-為鉆桿的軸慣性矩;L-為壓桿的長度（即從鉆機動力輸出端至鉗口的距離）;?-為長度系數，在本文計算中根據桿端支撐情況取值為0.5。

因此由上表的比值可知，在鉆機施工能力（最大推力）的許可下，如果采用5″鉆桿可進行的施工長度為1300米，在忽略鉆桿外徑變化對摩擦阻力的影響，則采用5-1/2″鉆桿則可達到1963米，采用6-5/8″鉆桿則可以達到3671.2米。

根據計算采用5-1/2 ″鉆桿滿足本工程施工要求。在定向鉆穿越之前，委托專業的檢測單位對每根鉆桿進行裂紋檢測[5]，確保鉆桿完好，以達到降低穿越風險的目的。

4.3導向孔

4.3.1穿越曲線優化

按照原設計曲線半徑1500D（328.7米），導向孔傾角INC每約 5米抬一度，實現困難，即使實現，鉆桿鉆具非常不安全，如果只增加曲率半徑，入土點需要反向延長40米，方能保證距入土點305米處埋深，但管線預制作業帶無法滿足。經協調，在保證穿越長度及龍川江河底埋深的情況下，通過增大出、入土角度和曲率半徑，對穿越曲線進行了合理優化。入土角又原設計20°增加至22°，出土角由原設計13°增加至16°，曲率半徑由原設計328.7米增加至649.9米。

4.3.2導向孔鉆具組合

導向孔的鉆進是整個定向鉆施工的關鍵，本次工程鉆導向孔采用大鉆頭+泥漿馬達施工工藝，鉆具組合如下：12-1/4寸鉆頭+￠244mm泥漿馬達+￠203mm無磁鉆桿+5-1/2 ″鉆桿。

4.4洗孔

導向孔鉆進過程中采用每根鉆桿反復鉆進工藝進行洗孔作業，由于入土點高程比出土點高程高51.3米，當導向孔鉆進至出土點剩40米時候鉆頭不出土，回抽鉆桿，采用洗孔短節進行大排量泥漿進行洗孔作業，在進行多次清孔后導向孔出土，減少出土點側泥漿量。

4.5管線回拖

回拖是穿越的最后一步，也是最為關鍵的一步，在回拖時采用的方式是： 5-1/2 ″鉆桿+Φ300筒式洗孔器+100T萬向節+Φ219管線。

本次穿越施工出土角較大達到了16°，在進行管道回拖的初始入洞階段，由于管道的彈性曲率半徑和剛度都很大，導致回拖初始階段，管道以出土角進行入洞的難度很大。采取的應對措施為：采用出土點地面墊高與出土點向前開挖（10m）方式相結合進行管道發送，目的是減小管道入洞時所需達彎曲的制高點，在出土點附近，布置兩臺的吊挖掘機吊起管道，進行管道的發送。

回拖過程當中對防腐層主要采取的保護措施：（1）采用常溫型加強級三層PE防腐層+環氧玻璃鋼防護結構[6]，有效的保護了管道防腐層;（2）在管線回拖拖拉頭分動器與回拖管道之間每間隔30度角焊接加裝防磨墊塊共計12塊以保證玻璃鋼防腐層不被破碎巖石劃傷而影響管道防腐層。

4.6泥漿方案

龍川江穿越主要為片麻巖、角礫巖地層，采用泥漿為正電膠體系。

泥漿配方：淡水+6%膨潤土+0.1%NAOH+0.1%NA2CO3+0.4%正電膠，泥漿配置要求達到“減小動切力，減小泥漿的結構粘度，增大泥漿的塑性粘度，降低泥漿的濾失量，保持整個泥漿體系的穩定”，確保穿越工程的順利。其參數要求為：

4.6.1泥漿性能指標要求滿足以下性能參數：（1）良好的孔壁職稱性能;（2）良好的流動性;（3）良好的巖屑攜帶性能;（4）比較低的濾失量。

4.6.2量化指標為：（1）六速測試V600=120-130;（2）動塑比>2;（3）中壓失水<10ml;（4）泥漿循環處理后的含沙量<2%;

5取得的效果

龍川江定向鉆穿越工程經過科學的組織，嚴密的工藝安排，采用大鉆頭、大排量多次洗孔等施工工藝，施工過程中未發生巖屑堆積而造成卡鉆事故，管道順利完成回拖，防腐層保護成功。

結束語：針對龍川江穿越小口徑管道施工的工藝，同樣適用于今后的大口徑管道鉆孔方式，通過采取正擴[7]工藝既能避免泥漿無法循環的問題又滿足管道回拖的質量技術要求。為今后類似工程提供了重要的借鑒和參考。

參考文獻：

[1] 秦建英，張宇.水平定向鉆在四川中型河流穿越中的運用[J].天然氣與石油， 2006，24（1）：15-16.

[2] 彭忍社，郭文慶. 西氣東輸工程山區地段管道施工技術[J].油氣儲運，2005（02）：40-41+2-1+61.

[3] 周海東.高落差、長距離、巖石層管道定向鉆穿越施工技術[J].科技創新導報，2013（22）：114-115.

[4] 魏振偉，羅永強，杜明等. 喀斯特地貌區定向鉆穿越的卡鉆風險控制[J].施工技術，2013，42（s2）：215-216.

[5] 邱輝，李亞光. 石油鉆桿表面裂紋檢測技術[J].儀器儀表標準化與計量，2018（05）：43-46.

[6] 梁桂海，唐勇，吳永峰等. 環氧玻璃鋼外防護層技術在長江定向鉆穿越中的應用[J].油氣儲運， 2014，30（08）：12-14

[7] 劉艷輝，王佐，李松等. 定向鉆硬巖正擴工藝鉆桿刺漏原因分析及應對措施[J].石油工程建設， 2018，44（06）：63-65

（中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065001）