水平定向鉆穿越湘江復雜卵石地層關鍵技術

目前國內輸氣管道在穿越大型河流時多采用水平定向鉆的方式進行穿越，該技術已趨成熟，穿越長度、穿越復雜地層不斷刷新記錄。但受地形、地貌以及河流特殊地質等條件的影響，水平定向鉆也存在一些技術難題，特別是長距離穿越卵石、圓礫地層就是一大難題。本文以某工程采用水平定向鉆穿越湘江為例，對解決上述難題的關鍵技術套管隔離卵石層、定向鉆雙向對鉆中間對接、配置專用泥漿穿越圓礫層等方面進行分析和探討。

工程概況

某輸氣管道在湖南省境內穿越湘江，湘江河面寬約1090m。輸氣管道公稱直徑為400mm，設計壓力為4.0MPa，定向鉆穿越水平長度為1408m，管道穿越深度位于河床以下30~40m。

工程地質條件

擬穿越湘江河段勘察深度范圍內工程地質剖面見下圖，圖中標高單位為m。該地質對水平定向鉆穿越適宜性較差。

由下圖可知，穿越西岸和東岸均有不同深度的卵石層，西岸卵石層埋深約27m，垂直厚度約為8m；東岸卵石層埋深約10m，垂直厚度約為5m。卵石層粒徑2~20mm的礫石體積分數為20%左右，粒徑2~5cm的卵石體積分數為40%~50%，少數粒徑達7~8cm；卵石母巖成分主要為石英質砂巖、硅質巖和砂巖等，膠結性差，級配較差。圓礫層粒徑2~20mm的礫石體積分數為30%~50%，粒徑2~5cm的卵石體積分數為10%~20%，極個別***大粒徑達7~8cm，中粗砂體積分數約30%，膠結性差，級配差。

穿越風險

為滿足穿越管段曲率半徑要求，并避免后期可能出現的采砂、拋錨或其他因素的影響，穿越水平段埋設在第6層圓礫層較為合理，管頂***小埋深約30.2m。

穿越上述不良地質場地會給定向鉆穿越帶來較大風險，故在項目前期經過多方面的技術論證和方案比選。本次實施的穿越風險主要體現在以下幾個方面：

①卵石層厚度大、埋深大，夯管長度大。為解決水平定向鉆穿越卵石層無法成孔的問題，采用夯套管隔離卵石層的方式，西岸入土端套管長度達154m，東岸出土端套管長度為68m。

②水域穿越長度大，導向孔方向控制難度大。從西岸入土點到東岸出土點，穿越水平長度達1408m，且穿越地層復雜，主要為卵石層、中砂層、圓礫層。穿越兩岸均需設置鋼套管隔離卵石層，鋼套管對定向鉆地磁場影響非常大；且湘江為二級通航河流，穿越設計曲線附近船舶航行及拋錨頻繁，均會對定向鉆磁場產生干擾，導致定向鉆導向孔方向控制難度大。

③圓礫層礫石含量高，導向孔成型難度大；穿越長度大，穿越風險高。本工程圓礫層礫石、卵石總體積分數達40%~70%，膠結性差，級配差，導向孔成型難度大，且穿越管道有820m需穿越圓礫層，穿越風險高。輸氣管道穿越湘江剖面見下圖，圖中套管外直徑均為1016mm。

定向鉆穿越關鍵技術分析

套管隔離卵石層

目前國內定向鉆穿越卵石層常用的技術處理措施主要為開挖換填法、注漿固化法和套管隔離法等。

開挖換填法是將兩岸所要穿越的卵石層挖除后，密實回填一種定向鉆更適合的土質（如黏土），再進行鉆孔和回拖，該方法主要適用于卵石層埋深較淺、地下水位較低、地質良好的地段。

注漿固化法是采用水泥砂漿注漿，使卵石層固化成一個整體，然后再進行定向鉆施工穿越，該方法***大風險在于固化土體仍然軟硬不均，鉆頭鉆進困難，且注漿對環(huán)境影響較大。

套管隔離法主要是采用夯管錘將套管沿一定角度（一般為定向鉆鉆桿鉆進角度）夯進到一定長度（穿越過卵石層），起到將卵石層隔離的作用。夯管錘在壓縮空氣驅動下產生的較大沖擊力直接作用在套管后端，傳遞到套管前端的鋼質切削管頭切入土體，并克服土層與套管的摩擦力，使套管不斷進入地層。被切削的土芯進入套管內，然后采用人工、攪籠、水力沖擊等方法進行土芯清除，從而完成套管隔離卵石層的目的。然后主管道在套管內進行定向鉆鉆進，從而完成整個定向鉆穿越過程。

本工程鑒于卵石層埋深較深、地下水位較高、距離湘江較近，采用套管隔離卵石層的方法比較穩(wěn)妥。本次夯進距離太長，夯進過程中采用觸變泥漿、石蠟等減阻技術，確保工程順利實施。

定向鉆雙向對鉆中間對接技術

傳統(tǒng)水平定向鉆單向穿越施工中，由于受到穿越地層的阻力，鉆機的推進力和扭矩增大，尤其是在長距離、復雜地質、穿越兩端安裝鋼套管等情況下，定向鉆穿越導向孔方向控制會變得非常困難，尤其是鋼套管對定向鉆地磁場影響非常大，經常造成導向孔與設計穿越曲線偏移，以及鉆頭難以抬頭的情況，造成施工風險甚至安全事故。因此在本工程的水平定向鉆穿越中，傳統(tǒng)單向穿越的局限性已無法保證穿越的成功率，需要采用更先 進的雙向對鉆中間對接技術解決工程難題。

雙向對鉆中間對接技術是在水平定向鉆單向穿越技術的基礎上進行了技術改進，在穿越出、入土點各設置一臺鉆機，兩臺鉆機同時按設計穿越曲線進行導向孔施工，采用更加精準的人工磁場導向控向，增大穿越的成功率。本次定向鉆穿越入土點鉆機HK-450作為主施工鉆機，出土點鉆機HK-300作為輔助施工鉆機，采用ParatrackⅡ控向系統(tǒng)和磁信號電纜，對接點設置在與入土點水平距離約800m處，對接點前、后50m范圍內為對接區(qū)域。

輔助鉆機抵達對接區(qū)域時，啟動鉆頭短節(jié)內安裝的目標磁鐵，引導主鉆機的鉆頭鉆進。兩臺鉆機相互協(xié)調工作，直至主鉆機的探頭與輔助鉆機的目標磁鐵碰頭，即完成導向孔的對接。對接成功后，輔助鉆機逐步回退鉆桿，同時，主鉆機一邊采集輔助鉆機目標磁鐵的磁信號，一邊利用采集的磁信號控制鉆進方向，使之逐步向輔助鉆機已形成的導向孔平緩趨進，直至沿輔助鉆機已完成的導向孔出土，完成整個導向孔的穿越。

定向鉆穿越圓礫層的技術措施

根據目前國內水平定向鉆穿越的技術水平，適合采用定向鉆穿越的地層有：粉土、粉質黏土、粉細砂層、中砂層、較完整且天然單軸抗壓強度小于80MPa的巖石層、粒徑2mm以上顆粒體積分數小于30%的礫砂層。穿越有一定難度和風險，但采取措施可以穿越的地層有：松散狀砂土、粗砂層、粒徑2mm以上顆粒體積分數為30%~50%但膠結較好的礫砂層。不應長距離穿越的地層有：卵石層、礫石層、粒徑2mm以上顆粒體積分數為30%~50%但膠結差的礫砂層。

本工程圓礫層中礫石、卵石總體積分數為40%~70%，膠結差，已超出目前國內傳統(tǒng)定向鉆穿越水平，穿越風險更高。長距離穿越圓礫層會給定向鉆穿越帶來的風險：穿越圓礫層時，導向孔成型難度大，鉆頭很難按照預定軌跡行進，偏離設計曲線；擴孔時，較大粒徑的礫石坍塌，擴孔器易被卡??；鉆具無法將孔內活動的碎石有效磨碎利用循環(huán)泥漿排出孔外，孔內有效空間縮小，回拖時孔內管道與鉆屑會相互擠壓，導致回拖力加大，造成管道變形、防腐層破壞，甚至回拖不動造成穿越失敗。本文針對1*3*1+19-10/29+7-3圓礫層這種復雜地質配置專用***泥漿，確保成孔性能，防止塌孔、鉆屑堆積、卡鉆等事故的發(fā)生。同時為防止定向鉆回拖中損傷管道防腐層，在管道外壁裹覆CND光敏固化玻璃鋼保護套，解決防腐層保護問題。

CND光敏固化玻璃鋼保護套

圓礫層中礫石含量較高，粒徑較大，極個別***大粒徑達7~8cm。為防止定向鉆回拖中損傷管道防腐層，采用管道防腐層外壁裹覆CND光敏固化玻璃鋼保護套。CND光敏固化玻璃鋼是環(huán)氧-聚氨酯光敏樹脂膠與玻璃絲布在高溫下浸潤24h以上形成，材料結構組成為2層玻璃絲布+2層布氈復合編織增強纖維+5層環(huán)氧-聚氨酯光敏樹脂膠。作為穿越管道的***外層保護，其具有高強度、高硬度、耐劃傷、抗陰極剝離的**性能。

CND光敏固化玻璃鋼保護套裹覆施工簡單，其內側顯示黑色膜，外側顯示透明膜，黑色膜面朝向管道，透明膜面朝外包裹在管道上，在陽光或紫外線燈照射下，20~30min即可使CND光敏固化玻璃鋼完全固化。

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