水平定向鉆進技術在砂卵礫石層中的成功應用

摘 要

摘要：水平定向鉆進是應用最廣泛的一種非開挖技術，但砂卵礫石地層卻被世界同行公認為水平定向鉆進施工的禁區，到目前為止，還沒有見到在砂卵礫石地層成功應用水平定向鉆進技術的報
摘要：水平定向鉆進是應用最廣泛的一種非開挖技術，但砂卵礫石地層卻被世界同行公認為水平定向鉆進施工的禁區，到目前為止，還沒有見到在砂卵礫石地層成功應用水平定向鉆進技術的報道。為此，通過對常用的隔離技術進行理論分析，研發了“人造巖體”隔離技術，尋找到了在砂卵礫石地層成功應用水平定向鉆進技術的解決途徑。工程實例應用結果表明，該技術成功地解決了水平定向鉆進穿越砂卵礫石地層無法成孔的問題，為定向鉆進施工工序的有序進行提供了保證。該技術的成功應用拓寬了水平定向鉆進技術的應用領域。
關鍵詞：非開挖；管道敷設；水平定向鉆；砂卵礫石；人造巖石
    非開挖技術是現代管線敷設的革命性技術，相對于傳統的管線敷設施工而言，具有不影響交通、不破壞環境、施工周期短、綜合施工成本低、社會效益顯著等優點，近十年在我國得到了快速發展，可廣泛用于穿越公路、鐵路、建筑物、河流以及在鬧市區、古跡保護區、作物和植被保護區等條件下進行供水、煤氣、電力、電訊、石油、天然氣等管線的敷設、更新和修復，還可用在水平降排水工程、隧道工程(管棚)、基礎工程、環境治理工程等領域，是地下管線敷設和修復的全新方法。
    而水平定向鉆進則是非開挖技術中應用最廣泛的一種，它是指利用巖土鉆掘、定向測控等技術手段，在地表不挖槽和地層結構破壞極小的情況下，對諸如供水、煤氣、天然氣、電信電纜等管線進行敷設的一種施工新技術。其發展速度相當快，技術也越來越成熟，應用領域越來越廣，對地層的適應能力也越來越強[1]。
1 水平定向鉆進施工技術介紹
    水平定向鉆進中，大多數工作通過回轉鉆桿柱來完成，鉆機的扭矩、軸向給進、回拉力以及泵壓都是重要參數。水平定向鉆進施工一般有如下3步：
1.1 鉆導向孔
    利用水平定向鉆進設備在入口處開始鉆進，鉆進過程中通過導向儀的監測和控制，使鉆孔按設計的軌跡延伸，并從另一端鉆出地表，完成導向孔的施工。
1.2 擴孔
    如果待敷管線的管徑較大，不能同時完成擴孔和回拖作業，就必須進行逐級擴孔，且根據設備情況、地層條件和現場情況來確定每次擴孔的直徑，一般采用鉆頭分級回拉擴孔。為了保證管線順利敷設，最終的擴孔直徑應是待敷管線直徑的1.25～1.5倍。另外，根據孔徑、不同地層成孔情況好壞及孔內殘余泥土量的多少來決定是否有必要進行清孔。
1.3 敷管
    敷管是非開挖水平定向鉆進技術敷設地下管線方法中的最后一道關鍵工序，也是實現非開挖敷管目標的最后一步。原則上要求擴孔(或清孔)與敷管一氣呵成，中間不允許有長時間的非作業停頓，盡量減少因鉆孔暴露時間過長而引起孔內垮塌的危險。
    敷管一般過程：擴孔(清孔)完畢后，孔壁成型。首先在出口處將已經焊接好的管線依次裝上連接頭、萬向接、擴孔鉆頭；接著在入口處啟動鉆機，把擴孔鉆頭連接到鉆桿上；然后在確定各部件連接牢固后指揮鉆機開始回拉鉆桿；當拉到擴孔鉆頭快要進入孔口時，同時指揮鉆機開泵打水旋轉，通過鉆桿輸送泥漿沖洗液到擴孔鉆頭，一邊旋轉一邊回拉；鉆桿拉完一根，快速卸下土根，管線逐漸進入鉆孔，如此進行，直到待敷管線拉到預定位置。至此，敷管作業完成。
2 水平鉆進技術在砂卵礫石層中的應用研究
    川渝油氣田范圍內地層巖性較為復雜[2]，按斷面積層分為：上覆地層第四系沖洪積層(以砂巖塊石、石英、云母粉砂、卵石、礫石砂巖、硅質巖和灰巖為主)，沖洪積層(以粉質黏土、卵石、礫石砂巖、硅質巖和灰巖為主)，殘坡層(角礫黏土、砂巖、泥巖)，河槽內沖積松散層，下伏侏羅中統沙溪廟組砂巖與泥巖等。具有巖層軟硬度不一、差異較大的地質特征。
    面對復雜的砂卵礫石地層，非開挖水平定向鉆進技術曾一直無能為[3]，原因之一就是因為砂卵礫石地層結構松散，卵礫石顆粒大小差別很大且相當堅硬，水平定向鉆進施工過程中無法形成一個完整的孔道，無法進行擴孔施工和管道回拖。因此，砂卵礫石地層被世界同行公認為水平定向鉆進施工的禁區。到目前為止，還沒有見到在砂卵礫石地層成功應用水平定向鉆進技術的報道[4]。
    為此，通過對常用的隔離技術進行理論分析，筆者研發了“人造巖體”隔離技術，尋找到了在砂卵礫石地層成功應用水平定向鉆進技術的解決途徑。
2.1 隔離技術理論分析
    針對川渝地區砂卵礫石地層結構松散、成孔困難這一特點，通常的做法是將該砂卵礫石地層進行剝離開挖，然后直接采用鋼套管和黏土置換等隔離法來施工。但是，在實際施工中，該隔離施工法很難保證工程的順利實施。
    下面，就鋼套管隔離技術和黏土置換隔離技術進行理論分析。
2.1.1鋼套管隔離技術
該技術通常用于公路穿越和短距離穿越施工，鋼套管或水泥套管是作為保護套管使用。將套管隔離技術引進到定向鉆進施工中，主要目的是在導向孔鉆進過程中限制鉆桿擺動，提高鉆桿在鉆進過程中的剛度。在擴孔過程中通常要將套管取出。但要使用鋼套管來隔離砂卵礫石地層，最大的問題就是套管與基巖之間接觸部位的處理。由于下伏基巖的抗壓強度遠遠小于鋼套管的抗壓強度，它們之間存在較大的抗壓強度變異性，在擴孔過程中容易在鋼套管與下伏基巖接觸部位形成一定的折角，隨著擴孔次數的增加，折角會越來越大，嚴重時將影響管道的回拖(如圖1所示)。
 
    鋼套管隔離技術還存在以下缺陷：由于套管的焊縫為螺旋縫，在管道內壁出現一定高度的凸起，而巖石擴孔器在鋼套管內旋轉振動，很容易將套管磨破，特別是在鋼套管與下伏基巖接觸部位，當擴孔器開始切割下伏基巖時，擴孔器的進程非常緩慢，擴孔器堅硬的切割齒在套管口部位高速旋轉切割，最終造成套管口被磨破甚至發生卷曲引起卡鉆，甚至會造成工程的失敗。
2.1.2黏土置換隔離技術
    黏土置換技術是將砂卵礫石層剝離開挖出來以后，用黏土進行分層碾壓回填，在回拖過程中要不斷排水，保證黏土回填密實。如果排水不暢，黏土回填過程中很容易形成橡皮土，當鉆進導向孔或擴孔時，鉆頭或擴孔器經過該部位時，鉆頭和擴孔器在自身重量的作用下形成嚴重的折角(DL)(俗稱“狗腿值”，英文名字Dog Leg)，如圖2所示。另外，黏土在回填夯實過程中要嚴格控制含水量，含水量過高或過低都不能達到良好的夯實效果。夯實后黏土的單軸抗壓強度要與下伏基巖的抗壓強度相近，才能保證在鉆進導向孔或擴孔過程中不會出現較大的DL值。該方法施工難度大，技術控制要求嚴格。事實上，不論如何夯實黏土層，都很難消除黏土與下伏基巖之間出現抗壓強度的變化。
2.2 “人造巖體”隔離技術理論分析
    “人造巖體”隔離技術是將砂卵礫石地層剝離開挖后，按照下伏基巖的巖體性能制作“人造巖體”的方法來隔離砂卵礫石地層。施工前需先對下伏基巖進行取樣測量，主要測量下伏基巖的飽和抗壓強度，然后再根據獲得的下伏基巖強度制作與之強度相當的“人造巖體”。其施工工藝簡單，技術難度較低且成本相對較低，操作容易。
    由于該技術使用的“人造巖體”強度與下伏基巖強度相當，在鉆進導向孔或擴孔過程中，不會在“人造巖體”墻體與下伏基巖面交界部位出現明顯的DL值(如圖3所示)，保證所形成的孔道平滑順直。
對制作“人造巖體”材料的配制比例進行適當調整，可以消除“人造巖體”與下伏基巖之間存在的強度變異系數，從而減小或消除因強度不同形成的DL值，而且“人造巖體”四周基坑可作為泥漿存儲坑，從而減小了施工作業場地的占地面積。
3 工程實例
    成都至德陽輸氣管道(簡稱成德線)鴨子河定向鉆穿越工程是成德線輸氣管道改造項目的一個咽喉工程，設計穿越管道水平長度565.0m，設計穿越曲線長度570.46m，穿越管道直徑為711mm，管道壁厚為12.5mm，輸氣管道設計工作壓力為6.0MPa。管道采用3層PE加強級防腐，補口采用定向鉆專用熱收縮套。該河流定向鉆穿越設計入土角為11°，出土角為9°，曲率半徑為1250D。
    該河流管道設計穿越的巖層順序為：表層耕植土、砂卵石層、松散礫石層、泥巖層和砂巖層，其中，表層耕植土的厚度為0.5～1m，耕植土下面的砂卵石層厚度為3.5～8.0m，再往下為松散礫石層，其厚度為5.6～8.3m，礫石層下伏穩定性較好的泥巖和砂巖，且泥巖和砂巖為本穿越的主要穿越地層。
    河流兩岸的砂卵礫石地層中，卵石粒徑一般為3～5cm，最大粒徑達23cm，卵石含量超過80%。礫石結構松散，鈣質和硅質膠結，完整性較差，含有大量封閉性溶洞，溶洞中充填棕黃色黏土。入土端砂卵礫石層厚度達13.7m，出土端砂卵礫石層厚度達17m，為了順利通過出入土端砂卵礫石地層，保證定向鉆在導向孔鉆進、擴孔施工和管道回拖過程中的安全，通過大量的比較研究最終選擇了“人造巖體”隔離技術解決了定向鉆穿越砂卵礫石地層這一難題。
4 結論
    “人造巖體”隔離技術應用到水平定向鉆穿越砂卵礫石地層中，成功地解決了水平定向鉆進穿越砂卵礫石地層無法成孔的問題，為定向鉆進施工工序的有序進行提供了保證。該技術的成功應用拓寬了水平定向鉆穿越施工技術的應用領域。
參考文獻
[1] 穆罕默德，納加菲.非開挖工程技術方法及其優越性[C]∥中國石油管道非開挖技術研習會論文集.北京：中國石油科技發展部，2008.
[2] 李干生.中國油氣礦產資源勘探前景展望[EB/OL].[2004-06-17].http：∥WWW.chinamining.corn.cn/news/listnews.asp.
[3] 張林，魏國弄，楊威，等.四川盆地地層巖性油氣藏勘探前景淺析[C]∥第八屆古地理學與沉積學學術會議論文摘要集.大慶：中國地質學會，2004.
[4] 葉文建.水平定向鉆穿越施工中的定向控制技術[J].非開挖技術，2007，24(2).
[5] 劉盛兵，向啟貴，劉坤.水平定向鉆穿越施工及其風險控制措施探討[J].石油與天然氣化工，2008，37(4)：353-356.
 
(本文作者：李朝儀 唐學鈁 葉文建 川慶鉆探工程公司油建公司)