燃氣管道定向鉆對接穿越卵石層技術(shù)探討

王落飚， 童 德， 葛洪凱

(浙江浙能燃氣股份有限公司，浙江杭州310008)

定向穿越卵石層是定向鉆穿越施工的一大難題，一般在定向鉆穿越曲線的一端或兩端需要穿越卵石層，主要有開挖換填、套管隔離、改良地層3種穿越方案[1-3]。本文以某中壓燃氣管道穿越工程為例，探討定向鉆對接穿越卵石層技術(shù)。

1 工程概述

本工程位于義烏市大陳鎮(zhèn)蘇八線八都溪段，外直徑315 mm中壓管道沿八楂公路東南側(cè)敷設(shè)。結(jié)合穿越場地的地形地貌及用地狀況、河流性質(zhì)、河流水文地質(zhì)狀況，采用定向鉆穿越方式穿越八都溪。新建中壓燃氣管道總長度350 m，定向鉆水平距離295 m，材質(zhì)為PE100，規(guī)格為SDR11。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

根據(jù)勘探資料，場地地基土按巖性、成因時代、埋藏分布特征、物理力學(xué)性質(zhì)，將勘探深度內(nèi)地基土細分為4個工程地質(zhì)亞層。

① 雜填土層

以碎石、塊石及少量黏性土回填，土質(zhì)不均勻，碎石含量占30%～40%，可見粒徑30～100 mm，最大粒徑大于100 mm，全場分布。

② 卵石層

粒徑大于20 mm的顆粒含量占總量的60.1%，礫石含量約19.0%左右，粒徑以2～90 mm為主，其余為砂及黏性土填充。磨圓度較好，多呈亞圓形，母巖成分為凝灰?guī)r，母巖的強度較高，級配、分選性一般，膠結(jié)程度較差。

③ 強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層

含少量云母碎片以及高嶺土土斑團，原巖結(jié)構(gòu)已大部分破壞，風(fēng)化程度不一，呈原巖碎塊夾土狀。

④ 中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層

泥質(zhì)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，成分以粉砂質(zhì)為主，泥質(zhì)次之。含少量云母碎片以及高嶺土土斑團，巖石裂隙稍有發(fā)育，巖芯較完整，飽和單軸抗壓強度為12.4 MPa，屬于軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為IV級， RQD(巖石質(zhì)量指標(biāo))約70%～80%，最大控制層厚9.60 m。

場地勘探深度范圍內(nèi)地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水。主要賦存于淺部雜填土層、卵石層中，其中雜填土屬中透水性，且與地表聯(lián)系密切，卵石層屬于強透水性。地層分布統(tǒng)計見表1(表中范圍為最大值至最小值)。

表1 地層分布統(tǒng)計

3 穿越方案選擇

根據(jù)SY/T 6968—2021《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設(shè)計規(guī)范》，一般有開挖換填、套管隔離、改良地層3種穿越方案，對不同方案進行比較。

① 開挖換填

將兩岸所要穿越的卵石層挖出后，密實回填更適合定向鉆的土質(zhì)，再進行鉆孔和回拖，適用于卵石層較淺、地下水位較低、周邊開挖條件較好的地段。本工程由于受限于現(xiàn)場環(huán)境、地方河道管理部門要求，且所需作業(yè)面及土石方太大，現(xiàn)場不具備條件，故不作進一步分析。

② 套管隔離

采用夯管機將DN 800 mm或DN 1 000 mm的鋼質(zhì)套管沿穿越路徑夯入雜填土層及卵石層，夯管結(jié)束后使用攪龍進行鋼套管內(nèi)取土作業(yè)。進出土兩端套管夯管取土完成后，采用定向鉆機將導(dǎo)向孔貫通，經(jīng)擴孔后將燃氣管道從套管中回拖完成穿越。

優(yōu)點：不需太大土方量，作業(yè)面較小；作為地質(zhì)改良中經(jīng)常使用的辦法，國內(nèi)外均有很多先例，施工手段成熟，有較高的成功率；解卡鉆能力較強。缺點：夯管過程中會產(chǎn)生較大的噪聲污染；配套控向必須精準(zhǔn)。

③ 改良地層

采用入土端夯管，出土端黏土(黏性土的一種)固化改良。在導(dǎo)向孔施工時，使用高黏度并添加堵漏劑的膨潤土泥漿在卵石層底部對穿越段卵石層先進行滲透注漿，使整個卵石層達到一定自穩(wěn)能力，達到滿足控向?qū)蜚@頭穩(wěn)定承載力即可。在每一級擴孔前，使用高黏度黏土泥球?qū)υ谢財U孔洞進行填充，再通過桶式擴孔器進行擠壓式擴孔。通過多次填充后擠壓，使整個穿越軌跡在卵石層形成一個穩(wěn)定空間。

優(yōu)點：施工過程中產(chǎn)生噪聲污染的時間較短，只有入土端夯管，工期較短，一次成功時造價較低。缺點：由于黏土固化工藝較新，較依賴施工經(jīng)驗，一次成功率較低，解卡鉆能力較弱。

根據(jù)本工程具體情況，采用套管隔離穿越方案。

4 方案的設(shè)計

① 入土角、出土角的設(shè)置

入土角和出土角應(yīng)根據(jù)穿越長度、穿越深度、管道彈性敷設(shè)條件等綜合確定。入土角宜為8°～18°，出土角宜為4°～12°，本工程入土角、出土角均設(shè)置為10°。

② 套管的確定

兩端套管選用直縫高頻電阻焊鋼管，直縫管比螺旋縫管在受力時更不容易變形，比無縫管價格低，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9711——2017《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》，材質(zhì)Q235B。

本工程入土端套管采用DN 800 mm直縫高頻電阻焊鋼管(外直徑為813 mm，壁厚25 mm)。出土端為提高導(dǎo)向控向成功率，擴大鋼管規(guī)格，套管采用DN 1 000 mm直縫高頻電阻焊鋼管(外直徑為1 016 mm，壁厚25 mm)。套管穿越深度6～8 m的卵石層到達強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。DN 800 mm、DN 1 000 mm套管長度均為48 m。

③ 定向鉆設(shè)備、夯管機的確定

考慮通過巖石地層施工，為避免鉆桿斷裂，必須使用經(jīng)無損檢測的直徑114 mm以上的鉆桿擴孔，鉆機應(yīng)保證扭矩。為避免套管損壞，根據(jù)套管壁厚，選擇夯管機。為保證套管入土角為10°，需在工作坑內(nèi)提前設(shè)置10°的操作平臺并設(shè)置導(dǎo)軌，導(dǎo)軌中心軸線必須與夯進的中心軸線完全符合，確保夯進套管準(zhǔn)確度。套管在夯進過程中邊夯進邊焊接，鋼管內(nèi)的渣土一般可采用壓縮空氣射流、高壓水射流、人工掏土等方法進行清理。為確保人員安全，本工程采用鉆機驅(qū)動攪龍將套管內(nèi)的渣土帶出。

④ 對接穿越技術(shù)

在兩端夯管基礎(chǔ)上，定向鉆穿越導(dǎo)向孔方向(即鉆頭的角度)控制會比較難，采用對接穿越技術(shù)可以比較好地解決這一問題。對接穿越技術(shù)就是在穿越曲線的出、入土端各設(shè)置一臺鉆機，其中入土點鉆機為主鉆機，出土點鉆機為輔助鉆機，兩臺鉆機同時按設(shè)計穿越曲線相對進行導(dǎo)向孔施工。當(dāng)兩臺鉆機的鉆頭鉆至預(yù)先設(shè)定的對接區(qū)域內(nèi)時，入土端鉆機的探頭(探頭安裝在主鉆機鉆頭后探棒倉內(nèi))感應(yīng)到出土端鉆機鉆頭發(fā)出的磁信號后，出土端鉆機勻速回抽鉆桿，入土端鉆機根據(jù)感應(yīng)的磁信號沿出土端鉆機的導(dǎo)向孔方位同步勻速鉆進，直至兩個鉆機的穿越曲線完全合二為一，從而較精確完成導(dǎo)向孔施工。

對接區(qū)域應(yīng)選擇在地質(zhì)相對單一、無裂隙、無斷層、巖石狀況較好的距出土端較近的水平段上，同時地面無磁場干擾。本工程對接區(qū)域設(shè)置在水平段穩(wěn)定基巖內(nèi)。

5 施工技術(shù)要點

① 夯管施工

a.夯管前檢查夯管錘的方位與水平角度，若偏差超過0.5°需重新調(diào)整就位。為確保套管能鉆透卵石層，夯管角度為10°。

b.夯管過程中要求實時復(fù)測套管入土角度。由于第1根套管夯進方向的準(zhǔn)確性是關(guān)鍵，所以在第1根套管夯進500 mm后，應(yīng)仔細測量套管的方位與水平角度，軸線偏差不超過夯進長度的1%時可繼續(xù)夯進，若軸線偏差超出允許范圍，應(yīng)進行糾偏。管尾留在操作坑外4 m左右，以便和第2根套管進行焊接。每夯進8 m時再進行一次復(fù)測，確保夯進方向不出現(xiàn)較大偏移。

c.為在夯進時不使鋼管前端發(fā)生卷邊變形，加工鑄鋼切削環(huán)焊接在管頭上，用于切削地層。套管前進阻力較大時及時清土，在套管夯進過程中，如發(fā)現(xiàn)套管前進速度緩慢或停滯不前，應(yīng)立即停止夯進，將套管內(nèi)的積土清除干凈后再繼續(xù)。根據(jù)套管管徑利用攪龍進行取土作業(yè)，嚴禁人工取土。攪龍取土見圖1。

圖1 攪龍取土

② 定向鉆施工

定向鉆對接穿越見圖2。

圖2 定向鉆對接穿越

a.鉆機及配套設(shè)備就位。主鉆機和輔助鉆機保證在穿越中心線位置上，兩臺鉆機就位完成后，進行各系統(tǒng)連接、試運轉(zhuǎn)，保證設(shè)備正常工作，并確保兩個鉆機場地之間的無線電通信正常。

b.設(shè)置人工磁場。在地表沿穿越曲線中心線人工敷設(shè)電纜，該電纜通交流電后在穿越過程中將作為導(dǎo)向孔施工控向系統(tǒng)的磁信號源。

c.測量控向參數(shù)。校準(zhǔn)導(dǎo)向孔施工控向儀器，標(biāo)定控向參數(shù)。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，在穿越中心線的不同位置測取，進行對比，并做好記錄。

d.導(dǎo)向孔施工。待兩個鉆機場地的設(shè)備和儀器準(zhǔn)備就緒，鉆桿和鉆頭清掃完畢后進行試鉆。啟動控向儀器，信號電纜將產(chǎn)生交流磁信號，此時啟動鉆機并鉆進。當(dāng)鉆進1～2根鉆桿后檢查各部位運行情況，各種參數(shù)正常后正常鉆進。當(dāng)主鉆機鉆進導(dǎo)向孔時，輔助鉆機同時進行鉆進，當(dāng)輔助鉆機鉆頭抵達對接區(qū)域時，啟動鉆頭短節(jié)內(nèi)安裝的目標(biāo)磁鐵，該目標(biāo)磁鐵負責(zé)在對接時引導(dǎo)主鉆機的鉆頭鉆進。在導(dǎo)向孔鉆進過程中，進行泥漿配比時加入適量的泥漿潤滑劑，保證導(dǎo)向孔孔壁的完整性，減小鉆進阻力，防止粘卡現(xiàn)象發(fā)生。

e.對接。兩臺鉆機相互協(xié)調(diào)工作，當(dāng)主鉆機鉆頭與輔助鉆機目標(biāo)磁鐵的間距在5 m以內(nèi)時，即可進行導(dǎo)向孔的對接。對接成功后輔助鉆機回退鉆桿，主鉆機根據(jù)采集的磁性號控制鉆進方向，沿輔助鉆機已形成的導(dǎo)向孔頂進，直至出土，完成整個導(dǎo)向孔施工。

f.導(dǎo)向孔完成后，即可連接擴孔器，開始擴孔、洗孔及拖管施工作業(yè)。

6 結(jié)語

定向穿越卵石層施工技術(shù)方案的制定，需要詳細完整的地質(zhì)勘察資料，了解穿越段及周邊區(qū)域地質(zhì)情況。本工程采用兩端夯管+定向鉆對接穿越技術(shù)，根據(jù)所穿越區(qū)域土層分布情況，針對特殊地質(zhì)，綜合應(yīng)用夯鋼套管隔離、攪龍取土、對接穿越、調(diào)制泥漿護壁等關(guān)鍵技術(shù)和管理工序，使工程在確保安全的情況下順利完成。