水平定向鉆進(jìn)技術(shù)在砂卵礫石層中的成功應(yīng)用

摘 要

摘要：水平定向鉆進(jìn)是應(yīng)用最廣泛的一種非開挖技術(shù)，但砂卵礫石地層卻被世界同行公認(rèn)為水平定向鉆進(jìn)施工的禁區(qū)，到目前為止，還沒有見到在砂卵礫石地層成功應(yīng)用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)的報
摘要：水平定向鉆進(jìn)是應(yīng)用最廣泛的一種非開挖技術(shù)，但砂卵礫石地層卻被世界同行公認(rèn)為水平定向鉆進(jìn)施工的禁區(qū)，到目前為止，還沒有見到在砂卵礫石地層成功應(yīng)用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)的報道。為此，通過對常用的隔離技術(shù)進(jìn)行理論分析，研發(fā)了“人造巖體”隔離技術(shù)，尋找到了在砂卵礫石地層成功應(yīng)用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)的解決途徑。工程實例應(yīng)用結(jié)果表明，該技術(shù)成功地解決了水平定向鉆進(jìn)穿越砂卵礫石地層無法成孔的問題，為定向鉆進(jìn)施工工序的有序進(jìn)行提供了保證。該技術(shù)的成功應(yīng)用拓寬了水平定向鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：非開挖；管道敷設(shè)；水平定向鉆；砂卵礫石；人造巖石
    非開挖技術(shù)是現(xiàn)代管線敷設(shè)的革命性技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的管線敷設(shè)施工而言，具有不影響交通、不破壞環(huán)境、施工周期短、綜合施工成本低、社會效益顯著等優(yōu)點，近十年在我國得到了快速發(fā)展，可廣泛用于穿越公路、鐵路、建筑物、河流以及在鬧市區(qū)、古跡保護(hù)區(qū)、作物和植被保護(hù)區(qū)等條件下進(jìn)行供水、煤氣、電力、電訊、石油、天然氣等管線的敷設(shè)、更新和修復(fù)，還可用在水平降排水工程、隧道工程(管棚)、基礎(chǔ)工程、環(huán)境治理工程等領(lǐng)域，是地下管線敷設(shè)和修復(fù)的全新方法。
    而水平定向鉆進(jìn)則是非開挖技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的一種，它是指利用巖土鉆掘、定向測控等技術(shù)手段，在地表不挖槽和地層結(jié)構(gòu)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(jìn)行敷設(shè)的一種施工新技術(shù)。其發(fā)展速度相當(dāng)快，技術(shù)也越來越成熟，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，對地層的適應(yīng)能力也越來越強[1]。
1 水平定向鉆進(jìn)施工技術(shù)介紹
    水平定向鉆進(jìn)中，大多數(shù)工作通過回轉(zhuǎn)鉆桿柱來完成，鉆機的扭矩、軸向給進(jìn)、回拉力以及泵壓都是重要參數(shù)。水平定向鉆進(jìn)施工一般有如下3步：
1.1 鉆導(dǎo)向孔
    利用水平定向鉆進(jìn)設(shè)備在入口處開始鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中通過導(dǎo)向儀的監(jiān)測和控制，使鉆孔按設(shè)計的軌跡延伸，并從另一端鉆出地表，完成導(dǎo)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(yè)，就必須進(jìn)行逐級擴孔，且根據(jù)設(shè)備情況、地層條件和現(xiàn)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(shè)，最終的擴孔直徑應(yīng)是待敷管線直徑的1.25～1.5倍。另外，根據(jù)孔徑、不同地層成孔情況好壞及孔內(nèi)殘余泥土量的多少來決定是否有必要進(jìn)行清孔。
1.3 敷管
    敷管是非開挖水平定向鉆進(jìn)技術(shù)敷設(shè)地下管線方法中的最后一道關(guān)鍵工序，也是實現(xiàn)非開挖敷管目標(biāo)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(yè)停頓，盡量減少因鉆孔暴露時間過長而引起孔內(nèi)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(jīng)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(dāng)拉到擴孔鉆頭快要進(jìn)入孔口時，同時指揮鉆機開泵打水旋轉(zhuǎn)，通過鉆桿輸送泥漿沖洗液到擴孔鉆頭，一邊旋轉(zhuǎn)一邊回拉；鉆桿拉完一根，快速卸下土根，管線逐漸進(jìn)入鉆孔，如此進(jìn)行，直到待敷管線拉到預(yù)定位置。至此，敷管作業(yè)完成。
2 水平鉆進(jìn)技術(shù)在砂卵礫石層中的應(yīng)用研究
    川渝油氣田范圍內(nèi)地層巖性較為復(fù)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(zhì)巖和灰?guī)r為主)，沖洪積層(以粉質(zhì)黏土、卵石、礫石砂巖、硅質(zhì)巖和灰?guī)r為主)，殘坡層(角礫黏土、砂巖、泥巖)，河槽內(nèi)沖積松散層，下伏侏羅中統(tǒng)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(zhì)特征。
    面對復(fù)雜的砂卵礫石地層，非開挖水平定向鉆進(jìn)技術(shù)曾一直無能為[3]，原因之一就是因為砂卵礫石地層結(jié)構(gòu)松散，卵礫石顆粒大小差別很大且相當(dāng)堅硬，水平定向鉆進(jìn)施工過程中無法形成一個完整的孔道，無法進(jìn)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(rèn)為水平定向鉆進(jìn)施工的禁區(qū)。到目前為止，還沒有見到在砂卵礫石地層成功應(yīng)用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)的報道[4]。
    為此，通過對常用的隔離技術(shù)進(jìn)行理論分析，筆者研發(fā)了“人造巖體”隔離技術(shù)，尋找到了在砂卵礫石地層成功應(yīng)用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)的解決途徑。
2.1 隔離技術(shù)理論分析
    針對川渝地區(qū)砂卵礫石地層結(jié)構(gòu)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(jìn)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(shù)和黏土置換隔離技術(shù)進(jìn)行理論分析。
2.1.1鋼套管隔離技術(shù)
該技術(shù)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(hù)套管使用。將套管隔離技術(shù)引進(jìn)到定向鉆進(jìn)施工中，主要目的是在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程中限制鉆桿擺動，提高鉆桿在鉆進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)的增加，折角會越來越大，嚴(yán)重時將影響管道的回拖(如圖1所示)。
 
    鋼套管隔離技術(shù)還存在以下缺陷：由于套管的焊縫為螺旋縫，在管道內(nèi)壁出現(xiàn)一定高度的凸起，而巖石擴孔器在鋼套管內(nèi)旋轉(zhuǎn)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(dāng)擴孔器開始切割下伏基巖時，擴孔器的進(jìn)程非常緩慢，擴孔器堅硬的切割齒在套管口部位高速旋轉(zhuǎn)切割，最終造成套管口被磨破甚至發(fā)生卷曲引起卡鉆，甚至?xí)斐晒こ痰氖　?/span>
2.1.2黏土置換隔離技術(shù)
    黏土置換技術(shù)是將砂卵礫石層剝離開挖出來以后，用黏土進(jìn)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(dāng)鉆進(jìn)導(dǎo)向孔或擴孔時，鉆頭或擴孔器經(jīng)過該部位時，鉆頭和擴孔器在自身重量的作用下形成嚴(yán)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(yán)格控制含水量，含水量過高或過低都不能達(dá)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(jìn)導(dǎo)向孔或擴孔過程中不會出現(xiàn)較大的DL值。該方法施工難度大，技術(shù)控制要求嚴(yán)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(xiàn)抗壓強度的變化。
2.2 “人造巖體”隔離技術(shù)理論分析
    “人造巖體”隔離技術(shù)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(jìn)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(jù)獲得的下伏基巖強度制作與之強度相當(dāng)?shù)?ldquo;人造巖體”。其施工工藝簡單，技術(shù)難度較低且成本相對較低，操作容易。
    由于該技術(shù)使用的“人造巖體”強度與下伏基巖強度相當(dāng)，在鉆進(jìn)導(dǎo)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(xiàn)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(jìn)行適當(dāng)調(diào)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(shù)，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(yè)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(shè)計穿越管道水平長度565.0m，設(shè)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(shè)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(shè)計入土角為11°，出土角為9°，曲率半徑為1250D。
    該河流管道設(shè)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(wěn)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(dá)23cm，卵石含量超過80%。礫石結(jié)構(gòu)松散，鈣質(zhì)和硅質(zhì)膠結(jié)，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(dá)13.7m，出土端砂卵礫石層厚度達(dá)17m，為了順利通過出入土端砂卵礫石地層，保證定向鉆在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)、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(shù)解決了定向鉆穿越砂卵礫石地層這一難題。
4 結(jié)論
    “人造巖體”隔離技術(shù)應(yīng)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(jìn)穿越砂卵礫石地層無法成孔的問題，為定向鉆進(jìn)施工工序的有序進(jìn)行提供了保證。該技術(shù)的成功應(yīng)用拓寬了水平定向鉆穿越施工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)
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[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(xué)與沉積學(xué)學(xué)術(shù)會議論文摘要集.大慶：中國地質(zhì)學(xué)會，2004.
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[5] 劉盛兵，向啟貴，劉坤.水平定向鉆穿越施工及其風(fēng)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(xué)鈁 葉文建 川慶鉆探工程公司油建公司)