1 工程概況

該穿越工程是川氣東送管道工程建設(shè)的難點(diǎn)，也是整個(gè)川氣東送管道建設(shè)的難點(diǎn)之一，該工程穿越地層復(fù)雜，主要以含粘性土碎石、全風(fēng)化粉砂巖等組成。其中碎石粘土層近500 m，是保障川氣東送管道主線按期貫通的瓶頸工程。

項(xiàng)目穿越水平長(zhǎng)度579.20 m，實(shí)長(zhǎng)581.60 m，入土角9°，出土角6°，穿越曲率半徑為1524 m，穿越段管線的***大埋深為26.8 m（入土點(diǎn)至***大埋深管底）。主管線設(shè)計(jì)采用Φ1016×26.2 mm×70的直縫埋弧焊鋼管，管線設(shè)計(jì)輸送壓力為10 MPa。

根據(jù)對(duì)地質(zhì)條件的要求分析，軟地層很薄，河床以下只有2 m多的土層，但這次川氣東送的管徑為Φ1016 mm，如果在土層中穿越又達(dá)不到管線的埋深設(shè)計(jì)，不利于安全，因此管道應(yīng)深置于含碎石粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層中，這樣穿越成功后，管道與河水互為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，安全性好。但在這種含碎石粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層中穿越的特點(diǎn)是兩側(cè)為軟地層中間段為碎石層和硬地層，地質(zhì)條件復(fù)雜水平定向鉆穿越難度極大。

2 碎石粘土層穿越特點(diǎn)

水平定向鉆穿越主要有導(dǎo)向孔、預(yù)擴(kuò)孔、回拖三個(gè)階段，與普通軟地層定向鉆穿越相比，碎石粘土層穿越具有以下特點(diǎn)。

2.1 鉆具要求高

大口徑管道穿越有碎石層、巖石層等組成的復(fù)雜地質(zhì)層導(dǎo)向孔需要巖石鉆頭、大排量泥漿馬達(dá)；預(yù)擴(kuò)孔施工需要專(zhuān)用巖石擴(kuò)孔器。同時(shí)為降低穿越風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)向孔、單次預(yù)擴(kuò)孔的鉆具壽命應(yīng)達(dá)到中途不更換的目的。

2.2 施工工藝復(fù)雜

（1）控向工藝復(fù)雜：一方面由于采用泥漿馬達(dá)進(jìn)行導(dǎo)向孔施工，為避免磁場(chǎng)干擾，控向信號(hào)源離鉆頭的距離要比普通軟地層施工時(shí)長(zhǎng)12～12.5 m，加長(zhǎng)了控向作業(yè)盲區(qū)，增加了控向復(fù)雜程度。另一方面，河道船運(yùn)非常頻繁，河面運(yùn)輸船只為鐵殼船，對(duì)導(dǎo)向磁干擾很大，對(duì)控向作業(yè)干擾很大，降低了定向工具的精確度。還由于穿越地層有近60 m的碎石層，且卵石及碎石的比例占到了此段地層的60%～70%左右，導(dǎo)向鉆具在此地層中易跑偏，導(dǎo)向作業(yè)極為困難，水平定向鉆穿越施工不適合在卵石、碎石層中穿越，再者，由于在巖石層擴(kuò)孔器的修控能力很差，為保證成品管的順利回拖，對(duì)保持巖石層導(dǎo)向孔圓滑的控向工藝提出了更高的要求。

（2）鉆進(jìn)工藝復(fù)雜：尤其是軟土層與碎石層、碎石層與巖石層、軟巖層與硬巖層結(jié)合部位的鉆進(jìn)工藝要求高，司鉆手續(xù)密切關(guān)注地層變化可能對(duì)鉆具造成的影響，任何小的失誤隨時(shí)會(huì)對(duì)整個(gè)工程造成災(zāi)難性的后果。同時(shí)，在碎石層、巖石層導(dǎo)向孔、預(yù)擴(kuò)孔施工期間，卡鉆的危險(xiǎn)隨時(shí)都有可能存在。

（2）泥漿工藝復(fù)雜：與普通軟地層穿越相比，碎石層、巖石層穿越的泥漿需用量會(huì)成倍增長(zhǎng)（增長(zhǎng)量與巖石硬度、泥漿馬達(dá)的功率有關(guān)），其原因是需要大排量的泥漿驅(qū)動(dòng)泥漿馬達(dá)工作，從而帶動(dòng)鉆頭切削碎石、巖石，巖石硬度越大，鉆頭需要切削碎石、巖石的扭矩就越高，需要的泥漿排量就越大。

2.3 施工周期長(zhǎng)

根據(jù)碎石的含量、碎石顆粒的大小、巖石的硬度不同，在這種復(fù)雜地層中穿越的施工周期是普通軟地層穿越的2～5倍。

2.4 施工成本相對(duì)較高

由碎石層、巖石層等構(gòu)成的復(fù)雜地質(zhì)中穿越鉆具配置高，施工周期長(zhǎng)，泥漿等消耗的材料用量大，相應(yīng)的施工成本較高。

3 施工措施及實(shí)施效果

針對(duì)穿越巖石管徑大、穿越巖石、碎石距離長(zhǎng)等施工的難點(diǎn)，公司組織技術(shù)攻關(guān)組，依據(jù)現(xiàn)有圖紙資料，分析穿越技術(shù)難點(diǎn)，制定科學(xué)的施工方案，施工中采取了以下措施。

3.1 鉆機(jī)選擇

根據(jù)工程地質(zhì)條件、穿越長(zhǎng)度和穿越管徑，選用美國(guó)制造的DD—1100大型水平定向鉆機(jī)進(jìn)行穿越施工，鉆機(jī)***大推拉力為500 t，***大扭矩力為136 kN·m。

3.2 主要穿越工藝

針對(duì)地質(zhì)條件、穿越管徑和穿越穿越長(zhǎng)度，采取了以下穿越工藝：圖1主管線穿越工藝。

3.2.1 施工順序

先施工光纜套管，積累穿越地層經(jīng)驗(yàn)，然后進(jìn)行主管線的施工。

3.3 施工***技術(shù)措施

3.3.1 控向技術(shù)

（1）在開(kāi)鉆前利用信號(hào)棒和全站儀找出東苕溪穿越中心線準(zhǔn)確的大地磁方位角，以次為基準(zhǔn)控制導(dǎo)向孔的左右偏差，以彌補(bǔ)因河面大范圍水域無(wú)法布置Trutrack地面信標(biāo)系統(tǒng)而可能產(chǎn)生的控向偏差。

（2）鉆導(dǎo)向孔使用1.75°泥漿馬達(dá)，減小造斜角度，有利于導(dǎo)向孔曲線的圓滑過(guò)度，預(yù)防擴(kuò)孔和回拖期間卡鉆事故的發(fā)生。

（3）鉆導(dǎo)向孔階段鉆具連接時(shí)采用兩根無(wú)磁鉆鋌（19 m長(zhǎng)），以消除泥漿馬達(dá)及后續(xù)一長(zhǎng)串鉆桿對(duì)信號(hào)棒產(chǎn)生的干擾。

（4）在入土側(cè)和出土側(cè)陸域，盡可能長(zhǎng)地布置Trutrack地面信標(biāo)系統(tǒng)，以精確測(cè)量地下鉆頭的位置。

（5）碎石、巖石段穿越時(shí)，增加信號(hào)測(cè)量頻率，每鉆進(jìn)2～3 m測(cè)量一次，以保證導(dǎo)向孔曲線符合設(shè)計(jì)曲線的要求。

3.3.2 泥漿技術(shù)

（1）根據(jù)穿越地層條件的變化，泥漿工藝采用地鉆專(zhuān)用膨潤(rùn)土，輔以泥漿添加劑，較好的解決攜帶巖屑，控制漏失，形成好的孔壁，另外采取泥漿回收及廢棄泥漿環(huán)保固化技術(shù)。主要采用復(fù)合泥漿配比技術(shù)，將使用定向鉆膨潤(rùn)土按8%～10%重量比加入淡水配出基漿，使用的主要泥漿添加劑有：固壁劑、増粘劑、清屑劑和潤(rùn)滑劑等，保證泥漿性能符合穿越地層的要求。施工過(guò)程泥漿性能調(diào)整要求如下：①普通軟土層穿越段：控制泥漿的失水，防止塌孔，需增大固壁劑含量。②含碎石地層：增加降濾失劑、膠凝強(qiáng)調(diào)和懸浮性提升劑用量，達(dá)到固孔和浮流碎石、清潔孔道的目的。③巖石穿越段：為保證鉆屑攜帶和孔眼清潔，要及時(shí)提高清屑劑和潤(rùn)滑劑劑量，保證泥漿的流變性能良好，使鉆屑順利返出地面，同時(shí)增強(qiáng)泥漿的潤(rùn)滑性，減小鉆具與地層的摩擦力。

（2）為進(jìn)一步保證東苕溪碎石、巖石層穿越大流量泥漿的供應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)配備泥漿回收處理系統(tǒng)，使泥漿循環(huán)使用，以減輕現(xiàn)場(chǎng)配置大量泥漿的壓力，同時(shí)可減少環(huán)境污染。

3.3.3 司鉆及鉆進(jìn)工藝技術(shù)

（1）針對(duì)穿越存在軟、硬底層結(jié)合的特點(diǎn)，從軟地層到碎石層、從碎石層到巖石層過(guò)渡穿越采用的施工方法為：首先放慢鉆進(jìn)速度，減小鉆進(jìn)推力（或拉力），調(diào)低鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，待鉆頭（或擴(kuò)孔器）進(jìn)入硬地層1～1.5 m后，在加大鉆進(jìn)推力（或拉力），調(diào)整鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，防止速度過(guò)快造成鉆進(jìn)曲線偏離預(yù)定的目標(biāo)。

（2）選用大扭矩鉆機(jī)，***大扭矩可達(dá)136 kN·m；選用低扭矩的對(duì)開(kāi)式巖石擴(kuò)孔器，以克服大口徑、長(zhǎng)距離巖石預(yù)擴(kuò)孔扭矩大的難題。

（3）由于碎石不易被鉆頭切削及被泥漿攜帶至地表，就造成了鉆機(jī)的扭矩和推力過(guò)大，致使鉆桿彎曲。于是在鉆桿兩邊加樁固定，防止鉆桿彎曲，以增加力量，并增加了泥漿的排量及配比性。在對(duì)于方位角及傾角的難操控上，在保證與設(shè)計(jì)曲線相近似的前提下，采用了快速鉆進(jìn)，少頂推，每根鉆桿的傾角都提前上抬，當(dāng)頂推不動(dòng)時(shí)，就旋進(jìn)，使得鉆頭向下自然施降在設(shè)計(jì)曲線范圍內(nèi)。

（4）卡鉆的預(yù)防措施：嚴(yán)格鉆進(jìn)工藝，精心組織施工，保證導(dǎo)向孔曲線的圓滑過(guò)渡，預(yù)防擴(kuò)孔和回拖期間卡鉆事故的發(fā)生；預(yù)擴(kuò)孔階段使用比上一級(jí)孔徑小11/2″～2″中心扶正器；主管線***后一次擴(kuò)孔完成后，用比回拖管徑大、比成孔直徑小的桶式擴(kuò)孔器再清孔兩次，***后用同直徑桶式擴(kuò)孔器進(jìn)行回拖。

3.4 特殊鉆具配套

（1）穿越需要巖石鉆頭、泥漿馬達(dá)、巖石擴(kuò)孔器等特殊鉆具，根據(jù)工程的穿越長(zhǎng)度、管徑、地質(zhì)條件及現(xiàn)有鉆具狀況，專(zhuān)門(mén)定制一批定向鉆穿越的特殊鉆具。包括9 7/8”TCL巖石鉆頭、9 3/4”彎角1.75°扭矩600～4000英尺磅泥漿馬達(dá)、18″～54″巖石層擴(kuò)孔器（對(duì)開(kāi)式鉆頭體）、16″～52″巖層耐磨中心扶正器和300 t回拖旋轉(zhuǎn)接頭。

（2）鉆桿：5″S-135級(jí)鉆桿規(guī)格為Φ127×9.19，壁厚較小，使用該等級(jí)鉆桿在存在碎石層、巖石層等復(fù)雜地質(zhì)條件的導(dǎo)向孔施工強(qiáng)度不夠，主要表現(xiàn)為推力的傳遞受***，現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備一批6 5/8”S-135級(jí)***壁厚高強(qiáng)度鉆桿用于鉆導(dǎo)向孔。

3.5 實(shí)施效果

穿越鉆進(jìn)至含碎石層（154 m）左右時(shí)遇到了“頂不動(dòng)”且鉆頭方向不易掌握的鉆進(jìn)困難，此時(shí)鉆頭處于含碎石粘土層中，分析原因是在這次穿越中，由于地層的特殊性，這就不同以往我們?cè)谕翆蛹皫r層中穿越的方法。由于卵石不易被鉆頭切削及被泥漿攜帶至地表，就造成了鉆機(jī)的扭矩和推力過(guò)大，致使鉆桿彎曲。于是我們就在鉆桿兩邊加樁固定，防止鉆桿彎曲，以增加力量，并增加了泥漿的排量及配比性。

在對(duì)于方位角及傾角的難操控上，在保證與設(shè)計(jì)曲線相近似的前提下，采用了快速鉆進(jìn)，少頂推，每根鉆桿的傾角都提前上抬，當(dāng)頂推不動(dòng)時(shí)，就旋進(jìn)，使得鉆頭向下自然施降在設(shè)計(jì)曲線范圍內(nèi)，有效解決了難題。