大口径管道穿越碎石粘
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大口径管道穿越碎石粘土层


 1 工程概况

穿越工程是管道工程建设的难点,该工程位于淄博市临淄区,穿越地层复杂,主要以含粘性土碎石、全风化粉砂岩等组成。其中碎石粘土层近500 m,该工程由淄博凯顺机械设备有限公司承担施工任务。

穿越水平长度579.20 m,实长581.60 m,入土角9°,出土角6°,穿越曲率半径为1524 m,穿越段管线埋深为26.8 m。主管线设计采用Φ1016×26.2 mm×70的直缝埋弧焊钢管,管线设计输送压力为10 MPa。

根据《穿越岩土工程勘察报告》及定向钻穿越对地质条件的要求分析,软地层很薄,河床以下只有2 m多的土层,但这次管径为Φ1016 mm,如果在土层中穿越又达不到管线的埋深设计,不利于安全,因此管道应深置于含碎石粉质粘土、强风化粉砂岩层中,这样穿越成功后,管道与河水互为两个独立的系统,安全性好。但在这种含碎石粉质粘土、强风化粉砂岩层中穿越的特点是两侧为软地层中间段为碎石层和硬地层,地质条件复杂水平定向钻穿越难度极大。

2 碎石粘土层穿越特点
水平定向钻穿越主要有导向孔、预扩孔、回拖三个阶段,与普通软地层定向钻穿越相比,碎石粘土层穿越具有以下特点。
2.1 钻具要求高
大口径管道穿越有碎石层、岩石层等组成的复杂地质层导向孔需要岩石钻头、大排量泥浆马达;预扩孔施工需要专用岩石扩孔器。同时为降低穿越风险,导向孔、单次预扩孔的钻具寿命应达到中途不更换的目的。
专业岩石钻具:牙轮钻头,牙轮扩孔器,牙轮掌片,泥浆马达,探棒腔,无磁钻
2.2 施工工艺复杂
(1)控向工艺复杂:一方面由于采用泥浆马达进行导向孔施工,为避免磁场干扰,控向信号源离钻头的距离要比普通软地层施工时长12~12.5 m,换句话说,每次测量钻头防卫的数据比实际钻头位置的滞后量增加12~12.5 m,加长了控向作业盲区,增加了控向复杂程度。另一方面,河道船运非常频繁,河面运输船只为铁壳船,对导向磁干扰很大,对控向作业干扰很大,降低了定向工具的精准度。还由于穿越地层有近60 m的碎石层,且卵石及碎石的比例占到了此段地层的60%~70%左右,导向钻具在此地层中易跑偏,导向作业极为困难,水平定向钻穿越施工不适合在卵石、碎石层中穿越,再者,由于在岩石层扩孔器的修控能力很差,为保证成品管的顺利回拖,对保持岩石层导向孔圆滑的控向工艺提出了更高的要求。
(2)钻进工艺复杂:尤其是软土层与碎石层、碎石层与岩石层、软岩层与硬岩层结合部位的钻进工艺要求高,司钻手续密切关注地层变化可能对钻具造成的影响,任何小的失误随时会对整个工程造成灾难性的后果。同时,在碎石层、岩石层导向孔、预扩孔施工期间,卡钻的危险随时都有可能存在。
(2)泥浆工艺复杂:与普通软地层穿越相比,碎石层、岩石层穿越的泥浆需用量会成倍增长(增长量与岩石硬度、泥浆马达的功率有关),其原因是需要大排量的泥浆驱动泥浆马达工作,从而带动钻头切削碎石、岩石,岩石硬度越大,钻头需要切削碎石、岩石的扭矩就越高,需要的泥浆排量就越大。
2.3 施工周期长
根据碎石的含量、碎石颗粒的大小、岩石的硬度不同,在这种复杂地层中穿越的施工周期是普通软地层穿越的2~5倍。
2.4 施工成本相对较高
由碎石层、岩石层等构成的复杂地质中穿越钻具配置高,施工周期长,泥浆等消耗的材料用量大,相应的施工成本较高。
3 施工措施及实施效果
针对定向穿越岩石管径大、穿越岩石、碎石距离长等施工的难点,公司组织技术攻关组,依据现有图纸资料,分析穿越技术难点,制定科学的施工方案,施工中采取了以下措施。
3.1 钻机选择
根据穿越工程地质条件、穿越长度和穿越管径,选用美国制造的DD—1100大型水平定向钻机进行穿越施工,钻机最大推拉力为500 t,最大扭矩力为136 kN·m。
3.2 主要穿越工艺
针对穿越的地质条件、穿越管径和穿越穿越长度,采取了以下穿越工艺:图1主管线穿越工艺。
3.2.1 施工顺序
先施工光缆套管,积累穿越地层经验,然后进行主管线的施工。
3.3 施工专业技术措施
3.3.1 控向技术
(1)在开钻前利用信号棒和全站仪找出穿越中心线准确的大地磁方位角,以次为基准控制导向孔的左右偏差,以弥补因河面大范围水域无法布置地面信标系统而可能产生的控向偏差。
(2)钻导向孔使用1.75°泥浆马达,减小造斜角度,有利于导向孔曲线的圆滑过度,预防扩孔和回拖期间卡钻事故的发生。
(3)钻导向孔阶段钻具连接时采用两根无磁钻铤(19 m长),以消除泥浆马达及后续一长串钻杆对信号棒产生的干扰。
(4)在入土侧和出土侧陆域,尽可能长地布置地面信标系统,以精准测量地下钻头的位置。
(5)碎石、岩石段穿越时,增加信号测量频率,每钻进2~3 m测量一次,以保证导向孔曲线符合设计曲线的要求。
3.3.2 泥浆技术
(1)根据穿越地层条件的变化,泥浆工艺采用地钻专用膨润土,辅以泥浆添加剂,较好的解决携带岩屑,控制漏失,形成好的孔壁,另外采取泥浆回收及废弃泥浆环保固化技术。主要采用复合泥浆配比技术,将使用定向钻膨润土按8%~10%重量比加入淡水配出基浆,使用的主要泥浆添加剂有:固壁剂、増粘剂、清屑剂和润滑剂等,保证泥浆性能符合穿越地层的要求。施工过程泥浆性能调整要求如下:①普通软土层穿越段:控制泥浆的失水,防止塌孔,需增大固壁剂含量。②含碎石地层:增加降滤失剂、胶凝强调和悬浮性提升剂用量,达到固孔和浮流碎石、清洁孔道的目的。③岩石穿越段:为保证钻屑携带和孔眼清洁,要及时提高清屑剂和润滑剂剂量,保证泥浆的流变性能良好,使钻屑顺利返出地面,同时增强泥浆的润滑性,减小钻具与地层的摩擦力。
(2)为进一步保证碎石、岩石层穿越大流量泥浆的供应,现场配备泥浆回收处理系统,使泥浆循环使用,以减轻现场配置大量泥浆的压力,同时可减少环境污染。

3.3.3 司钻及钻进工艺技术
(1)针对穿越存在软、硬底层结合的特点,从软地层到碎石层、从碎石层到岩石层过渡穿越采用的施工方法为:首先放慢钻进速度,减小钻进推力(或拉力),调低钻机的旋转速度,待钻头(或扩孔器)进入硬地层1~1.5 m后,在加大钻进推力(或拉力),调整钻机的旋转速度,防止速度过快造成钻进曲线偏离预定的目标。
(2)选用大扭矩钻机,最大扭矩可达136 kN·m;选用低扭矩的对开式岩石扩孔器,以克服大口径、长距离岩石预扩孔扭矩大的难题。
(3)由于碎石不易被钻头切削及被泥浆携带至地表,就造成了钻机的扭矩和推力过大,致使钻杆弯曲。于是在钻杆两边加桩固定,防止钻杆弯曲,以增加力量,并增加了泥浆的排量及配比性。在对于方位角及倾角的难操控上,在保证与设计曲线相近似的前提下,采用了快速钻进,少顶推,每根钻杆的倾角都提前上抬,当顶推不动时,就旋进,使得钻头向下自然施降在设计曲线范围内。
(4)卡钻的预防措施:严格钻进工艺,精心组织施工,保证导向孔曲线的圆滑过渡,预防扩孔和回拖期间卡钻事故的发生;预扩孔阶段使用比上一级孔径小11/2″~2″中心扶正器;主管线最后一次扩孔完成后,用比回拖管径大、比成孔直径小的桶式扩孔器再清孔两次,最后用同直径桶式扩孔器进行回拖。
3.4 特殊钻具配套
(1)穿越需要岩石钻头、泥浆马达、岩石扩孔器等特殊钻具,根据穿越的穿越长度、管径、地质条件及现有钻具状况,专门定制一批定向钻穿越的特殊钻具。包括9 7/8”TCL岩石钻头、9 3/4”弯角1.75°扭矩600~4000英尺磅泥浆马达、18″~54″岩石层扩孔器(对开式钻头体)、16″~52″岩层耐磨中心扶正器和300 t回拖旋转接头。
(2)钻杆:5″S-135级钻杆规格为Φ127×9.19,壁厚较小,使用该等级钻杆在存在碎石层、岩石层等复杂地质条件的导向孔施工强度不够,主要表现为推力的传递受限制,现场准备一批6 5/8”S-135级优质壁厚高强度钻杆用于钻导向孔。
3.5 实施效果
穿越于5月14日开钻,钻进至含碎石层(154 m)左右时遇到了“顶不动”且钻头方向不易掌握的钻进困难,此时钻头处于含碎石粘土层中,分析原因是在这次穿越中,由于地层的特殊性,这就不同以往我们在土层及岩层中穿越的方法。由于卵石不易被钻头切削及被泥浆携带至地表,就造成了钻机的扭矩和推力过大,致使钻杆弯曲。于是我们就在钻杆两边加桩固定,防止钻杆弯曲,以增加力量,并增加了泥浆的排量及配比性。在对于方位角及倾角的难操控上,在保证与设计曲线相近似的前提下,采用了快速钻进,少顶推,每根钻杆的倾角都提前上抬,当顶推不动时,就旋进,使得钻头向下自然施降在设计曲线范围内,有效解决了难题。5月28日2:55钻头出土,偏差符合设计要求。5月16日~5月26日期间虽然也遇到了扩孔器的磨损厉害、碎石和卵石难以被带出的问题,但我们通过改进扩孔器和正确的泥浆技术,最终顺利完成了扩孔作业,5月27日成功的完成了定向钻穿越主管的回拖,实施效果良好。