長距離復雜地層水平定向鉆穿越管道施工技術

內容摘要：穿越管道工程穿越曲線超長, 地質條件極為復雜, 施工難度很大。通過對穿越管道工程特點及施工難點的分析, 在導向孔鉆進、擴孔工藝及泥漿控制等方面采取技術措施, 解決了超長距離導向孔施工鉆桿的失穩問題, 以及長距離管道回拖中存在的鉆機推力過大、管道易損壞等施工

一、管道工程概況
岙山鎮海進口原油輸送管道是中國石化集團公司為保障上海和南京地區石化企業進出口原油裝卸與運輸而投資建設的一條主干管道。外釣島 冊子島海底管道定向穿越是整個岙山鎮海管道工程的關鍵部分。管道起點位于外釣島西北側海塘上,止點位于冊子島珠絲門。管道穿越工程曲線長度為2 350 m, 管徑為610 mm, 壁厚為15. 9 mm, 穿越深度為80. 67 m。管道入土角為12 , 入土點標高為2. 50 m; 出土角為9 , 出土點標高為1. 08 m。

穿越管道路由最大水深達66 m, 最低點位于水平面以下80 m, 海底坡度最大達14 。穿越段海底地質條件十分復雜, 外釣島端為含礫瘦粘土, 冊子島端為巖石地基, 其中巖石部分的硬度為140 MPa。

1、 工程特點
( 1) 水平穿越距離與管徑的乘積( 長為2 210. 1m, 管徑為610 mm) 已經超過了2002 年創造的錢塘江穿越長度2 308 m、管徑237 mm 的吉尼斯世界紀錄。
( 2) 穿越深度達80. 67 m, 這在世界水平定向鉆穿越史上是極為罕見的。
( 3) 穿越地質極為復雜, 穿越地層位于兩島之間, 地質變化極大, 包括中風化流紋斑巖、微風化碎裂狀石英巖、強風化巖等。尤其需要穿越冊子島側長達370 m 的高硬度巖石段( 巖石的最高硬度達到140 MPa) , 穿越長度和巖石硬度都是國內之最, 這對工藝提出了更高的要求。
( 4) 浙江沿海一帶屬臺風多發區, 可能給穿越施工帶來難以預測的影響。
( 5) 工程施工地點接近軍事管制區, 協調難度大。

( 6) 冊子島人煙稀少, 遠離大城鎮, 外釣島是一座荒島, 社會依托較差。

2、 技術難點
外釣島冊子島穿越工程要求和地質條件苛刻, 對控向、鉆桿、擴孔、回拖和泥漿技術都提出了新的要求。
( 1) 控向難度大鉆孔軌跡的實時測量是進行管道穿越施工的關鍵技術之一。由于外釣 冊子島管道穿越施工條件惡劣, 地質地理條件復雜, 而且穿越距離超長, 穿越深度較大, 致使準確控向難度很大。

( 2) 鉆桿變形問題 外釣島 冊子島定向鉆穿越曲線長度為2 350 m, 有1 900 m 處在粘土層中,特別是最后的500 m 為塑性粘土。在進行長距離定向鉆施工時, 鉆桿會發生一定程度的變形, 當推力負荷增大, 孔壁內鉆桿的∀ 邊緣荷載# 也相應增加。在較軟的粘土層施工時, 鉆桿將不受限制的繼續變形, 出現失穩, 鉆頭失去控制等問題。此外, 由于鉆進輸出的旋轉力會使鉆桿折斷, 因此, 采用傳統的施工方法( 即一臺鉆機鉆孔) , 無法滿足鉆桿強度與穩定性的要求。

( 3) 擴孔難題多􀀁 冊子島側有長度約370 m 的巖石段, 巖石的最高硬度為140 MPa, 在這種地層擴孔極為困難, 目前在國內尚無先例。在施工過程中,巖石層與粘土層擴孔難易度相差很大, 容易在巖石和粘土段的結合面產生一定程度的沉降, 導致整個孔產生臺階, 影響管道回拖。由于穿越距離較長, 管道的管徑偏大, 并且穿越路由要通過淤泥層, 擴孔施工中很可能出現∀ 抱桿#、塌孔等危險∃1%。

( 4) 回拖易造成管道損壞 外釣島 冊子島海底管道定向鉆穿越曲線長度達2 350 m, 如此長距離的管道回拖, 在國內外穿越史上尚無先例。主要存在的問題是, 回拖時, 管道長度很長, 自身的重量較大, 管道與孔壁之間的摩阻增大, 所需的推力很大∃2%, 回拖過程易造成管道損壞。同時, 鉆機基礎可能出現滑移、失穩等現象。

( 5) 泥漿工藝要求高􀀁 泥漿是水平定向穿越的血液。外釣島冊子島海底管道穿越工程由于鉆進距離長, 地質條件非常復雜, 穿越地層既有粘土、粉土, 又有高硬巖石、碎石, 甚至還有淤泥、砂層。因此, 要求泥漿具有良好的流變性, 保證有較強的攜帶鉆屑能力; 有較低的摩擦系數, 良好的潤滑性能; 有較強的護壁作用, 能在孔壁形成一定力學強度的泥皮, 維護孔壁穩定, 防止泥漿漏失。

三、施工要點
1. 控向糾偏系統
在外釣島 冊子島穿越工程中, 華元機電工程有限公司專門研制了DX 型水平定向鉆機導向系統。該系統較好地解決了外釣島􀀂 冊子島超長距離穿越導向孔鉆進中的精確控向問題。操作者可以通過計算機直觀地了解探頭的詳細情況, 并且沒有深度限制, 系統配有專業的定向系統軟件。

DX 型水平定向鉆機導向系統的主要功能有,穿越軌跡計算機輔助設計( CAD) ; 軌跡測量自動報警; 實際鉆孔軌跡實時測量; 抗強磁場干擾軟件; 軌跡糾偏參數計算; 完整的歷史數據處理和報表打印圖形化人機界面; 軌跡測量自動濾波; 軌跡測量自動糾錯等。

2、 導向孔雙鉆機同步對接施工工藝
采用了國際先進的導向孔雙鉆機同步對接施工工藝, 首次成功地實施了在出土點、入土點兩端雙鉆機同步協調作業, 解決了長距離穿越導向孔施工中鉆桿失穩和強度不足等難題。外釣島􀀂 冊子島穿越工程導向孔雙鉆機同步對接施工工藝設計如下。
( 1) 將電磁線圈布置到外釣島淺灘上, 冊子島側鉆機保持低速旋轉, 利用控向系統將鉆頭向出土點鉆進約2 200 m, 等待與出土點的輔鉆機向入土點鉆進的鉆頭進行對接。
( 2) 將專用打撈鉤安裝到外釣島一側的鉆機上,在控向系統的引導下將打撈鉤鉆入指定位置。

( 3) 外釣島和冊子島鉆機保持旋轉, 打撈鉤打撈到外釣島側鉆桿后, 冊子島側鉆機停止轉動, 將鉆頭牽引出地面。偏差的測量主要是依據兩鉆機的導向傳感器相對測得的, 根據傳感器測量的參數, 計算出偏差的方位和兩鉆桿的相對距離, 逐漸調整, 消除偏差, 達到兩鉆頭對接打撈。
( 4) 根據設計好的穿越曲線對外釣島側導向孔進行調整( 即修孔) , 從而完成整個導向孔的施工。

3、 擴孔施工工藝
( 1) 雙鉆進協調作業 在出入土點各設一臺鉆機, 一臺提供扭距, 一臺提供拉力, 避免了鉆桿過長造成的擴孔器失控問題, 降低了擴孔施工的風險, 提高了擴孔速度。
( 2) 高硬度巖石擴孔 在導向孔施工完成后首先進行了370 m 硬巖石段的擴孔, 應用改造的高硬度巖石擴孔工藝, 在巖石段采用掌式密置牙輪擴孔器進行多次預擴孔。
( 3) 鉆桿換向 巖石段擴孔完畢后, 退出巖石擴孔器, 將巖石擴孔時的鉆桿從出土點拖出, 上后續鉆桿時將鉆桿方向更換, 進行粘土段擴孔。
( 4) 多次擴孔􀀁 擴孔施工中, 泥漿長距離返排攜帶泥沙, 流動阻力較大, 清孔或洗孔的效果不理想,造成地下環形孔的有效尺寸相對減小。采用多次擴孔, 切割刀每次切割下來的土壤化巖屑相對于循環著的泥漿而言, 所需要的返排量減少, 這樣就不會造成孔洞淤塞, 環形空間的有效尺寸得到了充分保障。具體施工中, 在巖石段和粘土段共進行了7 次擴孔,有效減小了擴孔器阻力, 縮短了擴孔周期。
( 5) 洗孔 在每一遍擴孔施工結束后, 都應使用絞籠進行洗孔, 如果一次洗孔不能取得滿意的效果,要進行2~ 3 次洗孔, 以徹底清理出孔內的碎石和雜質。

4、 回拖施工
( 1) 鉆機基礎的加強和加固􀀁 對鉆機基礎進行了驗算和設計, 確�；赝线^程鉆機基礎的穩定性和可靠性。
( 2) 管道試拉􀀁 為試驗管道回拖的阻力, 驗證各橫、立輥輪支撐的合理性和可靠性, 在管道正式回拖前, 對管道進行預拖動。試拖的長度為100 m, 試拖時速度要控制在0. 3~ 0. 5 m/ min 之間。
( 3) 巖石段回拖􀀁 在外釣島采用HY 􀀂 3000 鉆機實施回拖, 記錄鉆機的扭矩、拖力、泥漿排量等參數。在回拖過程中保證一定的回拖速度, 一般控制在1~ 2 m/ min 之間。
( 4) “二接一”施工 在回拖過程中采取了管道“ 二接一”施工工藝, 即回拖時先拖2 080 m 管段, 拖入洞中約220 m 后, 后部與270 m 管段對接。

( 5) 粘土段回拖���“二接一”施工結束后, 立即啟動鉆機繼續進行粘土段回拖, 在進行粘土段回拖時速度要快, 控制在2. 5 m/ min 左右, 防止發生抱管現象。
圖1 是現場測得的外釣島􀀂 冊子島穿越工程回拖力曲線圖。

從圖1 中可以看出, 在整個回拖過程中, 回拖力最大值達到267 t , 但隨著回拖速度的逐漸增大, 回拖力又逐步下降。這是由于冊子島附近地勢高, 彎曲段多, 造成回拖阻力較大, 當在粘土段進行回拖時, 導向孔相對比較平滑, 鉆機回拖速度增大, 使得管道在孔中移動暢通, 降低了管壁在孔內的粘滯阻力, 因而回拖力開始變小。

5、 泥漿工藝
( 1) 泥漿性能調整外釣島􀀂 冊子島海底管道定向鉆穿越工程中,鉆導向孔、預擴孔和回拖階段均需保證良好的成孔以及有效的攜砂性能和潤滑性能。根據地層條件的
變化, 各施工過程泥漿性能調整要求如下。

1. 導向孔斜孔段􀀁 為保證鉆屑攜帶和孔眼清潔, 控制泥漿的失水, 防止塌孔, 需增大固壁劑和增粘劑含量。

2. 導向孔水平孔段􀀁 要及時提高清屑劑和潤滑劑含量, 適當降低粘度和切力, 保證泥漿的流變性能良好, 使鉆屑順利返出地面, 增強泥漿的潤滑性, 減小鉆機旋轉及推進阻力。
3. 擴孔段􀀁 為增強泥漿的造壁性能, 防止孔壁塌陷、縮徑, 需增大固壁劑和增粘劑含量。

4.回拖段􀀁 為提高泥漿的潤滑性, 降低摩擦阻力, 增強攜屑效果, 需提高清屑劑和潤滑劑含量。泥漿的粘度控制應根據穿越段地層情況, 在鉆導向孔階段, 泥漿粘度控制在60~ 65 S 范圍內; 在預擴孔和回拖階段泥漿粘度提高5~ 10 S, 即達到65~ 75 S。

( 2) 專用泥漿研制
外釣島􀀂 冊子島海底管道穿越工程地質條件極為復雜, 泥漿性能要求高, 在施工中, 必須根據實際地層條件配制合乎要求的、優質高性能的專用泥漿。
采取的主要措施如下。
1.按照事先確定的泥漿配比, 用一級膨潤土加上泥漿添加劑, 配出符合要求的泥漿。使用DRISPC 劑、濾餅劑、液體潤滑劑等泥漿添加劑。
2.在粘土段導向孔鉆進和擴孔時添加1%濾餅劑, 在孔壁形成質地優良的泥餅, 可防止冒漿。
3.擴孔完成后進行洗孔時, 添加5% 護壁劑, 提高泥漿粘度, 在含礫粘土層中起到護壁、固壁的作用。
4.在巖石層施工中, 泥漿中添加5% 的懸浮攜砂劑, 提高泥漿的巖屑攜帶能力�？刂颇酀{密度在1. 1~ 1. 2 g/ cm3 之間, 泥漿粘度不低于60 S。

四、結􀀁 論
( 1) 針對外釣島􀀂 冊子島海底管道穿越地質狀況極為復雜, 施工難度很大的特點進行了深入研究,在導向孔鉆進、擴孔工藝及泥漿控制等方面實現了突破, 解決了復雜地層特別是復雜海洋地質條件下的定向鉆穿越問題, 對今后海上定向鉆穿越具有重大的指導意義。
( 2) 外釣島􀀂 冊子島海底管道定向鉆穿越工程在導向孔施工過程中, 首次采用兩臺鉆機兩端聯合作業, 實現了長距離導向孔鉆進的對接施工, 解決了超長距離導向孔施工鉆桿的失穩問題。
( 3) 長距離、高硬度巖石層的穿越及擴孔開拓了定向鉆穿越施工中巖石的鉆進及擴孔工藝, 為水平定向鉆穿越巖石等惡劣地質積累了寶貴的施工經驗。
( 4) 根據不同的地質段情況和不同的擴孔尺寸,結合施工經驗, 采用與之相適應的泥漿參數, 配置外釣島􀀂 冊子島海底穿越專用泥漿, 較好地實現了復雜地層穿越泥漿應具有的流變性、高攜砂性、固壁和潤滑性能。
( 5) 在回拖過程中采用∀ 二接一#施工法, 減小了回拖過程的摩阻力, 解決了長距離管道回拖中存在的鉆機推力過大、管道易損壞等施工難題。