中粗砂地层大型定向穿越工程施工工艺 - 副本 - 副本.pdf

3132013 年 3 月第 32 卷 第 3 期网络出版时间：2013-3-12 19:36:17网络出版地址：在松散型砂层进行水平定向钻进（HDD）管道穿越施工，面临的主要难题是钻孔稳定性差和排屑困 难1，在钻进和回拖时容易发生钻孔垮塌并造成工程失败。为此，设计和施工部门均尽可能避开或减少在该类地层中进行管道穿越，对出、入土点两端表层无法避开的松散地层也多采用隔离或土体改良等方式进行处理，极少采取大口径管道直接从松散型砂层穿越 铺设2-3。1 工程概况西气东输二线南昌上海支干线1 016 管道在江西省南昌县广福镇江家村（西岸）及黄马乡林头村（东岸）穿越林头村抚河，该工程穿越场区上部为覆盖层，下部为基岩，主要地层由上而下依次为粉质粘土、中砂、砾砂及粉砂岩。原设计是在出、入土点两端夯入1 52426 的钢套管以隔离上部松散覆盖层，管道从中粗砂地层大型定向穿越工程施工工艺孔耀祖1,2马保松1金鑫3来永生31.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉 430074；2.中国地质大学（武汉）岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，湖北武汉 430074；3.中国石油天然气管道局穿越公司，河北廊坊 065000文章编号：1000-8241（2013）03-0313-04摘要：抚河1 016 管道穿越工程地层主要为中粗砂层及砾砂层，地下水丰富，地层无胶结质、整体性差，孔壁稳定性差，大口径定向钻进施工具有相当大的风险。基于此，充分分析了施工层位地质状况，结合以往施工经验确定了该工程采用四级扩孔程序，泥浆选用优质复合型非开挖专用膨润土，并添加高分子纤维素进行增效处理。实践表明，通过分析地层资料、合理设计施工程序、优化选取泥浆参数以及实时控制施工过程，可有效提高水平定向钻进在同类地层施工中的一次成功率。（表 5，图 1，参 4）关键词：西气东输二线；中粗砂地层；定向穿越；管道施工中图分类号：TE973.91 文献标识码：A doi：10.6047/j.issn.1000-8241.2013.03.019Construction technology of large-scale directional crossingin medium-coarse sand formationsKong Yaozu1,2,Ma Baosong1,Jin Xin3,Lai Yongsheng31.Faculty of Engineering,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan,Hubei,430074;2.Engineering Research Center of Rock-Soil Drilling&Excavation and Protection of Ministry of Education,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan,Hubei,430074;3.HDD Crossing Company,China Petroleum Pipeline Bureau,CNPC,Langfang,Hebei,065000Abstract:The formations crossed in Fuhe 1016 pipeline project mainly included medium-coarse formations and gravel sand formations,which had abundant groundwater and no cementation,poor integrity and bore wall stability,so large-diameter directional drilling construction in such formations was a high risk procedure.Based on this investigation,this project adopted four-stage broaching procedure through fully analyzing construction horizons,geological conditions and combined with previous construction experience,the drilling mud adopted high quality composite bentonite special for non-excavation operation with polymer cellulose added for treatment improvement.The practice showed that careful analysis of formation data,rational design of construction procedure,mud parameter optimization and selection,as well as real-time control to the construction process can effectively improve the one-time success rate of horizontal directional drilling in similar formation construction.(5 Tables,1 Figure,4 References)Key words:2nd West-to-East Gas Pipeline Project,medium-coarse sand formation,directional crossing,pipeline construction施工技术3142013 年 3 月第 32 卷 第 3 期下部基岩穿过，但因隔离钢套管长度太长无法夯到预定层位而被迫放弃，最终设计管道在砂层穿越。定向钻穿越包含 2 条管道，分别为输气管道1 01626.2和硅管套管1146.4，硅管套管位于输气管道所处河道上游 10 m 处，穿越长度为 800 m，穿越工程等级为 大型。抚河穿越工程硅管套管已于前期完成，主管第一次穿越因地质条件等原因未能顺利完成。因此实施第二次穿越，由于预定工期临近且河道不允许开挖，客观上不容许再次失败。补充勘查资料显示，此次穿越地层主要为中粗砂层及砾砂层，地下水丰富，地层无胶结质、整体性差，孔壁稳定性差，大口径定向钻进施工的风险相当高。2 施工方案设计2.1 地质特征抚河穿越工程场区内地质主要为第四系冲洪积粘性土、砂土、砾砂，下覆白垩系泥质粉砂岩，由上而下可分为两大类 4 个工程地质层，场区内覆盖层厚度2023.9 m，岩石顶板标高2.270.12 m。河床段覆盖层为中砂、砾砂层，厚度约 19 m；中砂层底部含卵石、角砾、圆砾，根据注水试验结果及经验数据，该层渗透系数较大，为 815 m/d，砾砂渗透系数为 3060 m/d，属强透水层。根据设计，穿越地层（表 1）为冲刷线下 2 m 的中砂地层，地层胶结弱、渗透性强，钻进、扩孔过程极易发生泥浆漏失、钻孔坍塌等事故。表 1岩土层基本特征描述表 2钻机主要技术参数表 3钻孔程序设计年代岩土名称特征描述Q4apl粉质粘土棕黄、黄褐色，稍湿湿，可塑。表层多为薄层耕土，富含植物根系，砂质粉土，砂感强，干强度及韧性低，手捏易呈散土状，局部砂粒富集。主要分布在河谷岸坡平原地带，河道中缺失该层。该层土厚度 1.112.0 m，平均 6.49 m，具中压缩性、工程地质性能极差中砂浅灰色、黄褐色，稍湿饱和，稍密。矿物组成主要为石英颗粒及少量云母等，局部粗砂富集，偶含卵、砾石，场区均有分布。该层土顶板埋深 012 m，平均 4.17 m；顶板标高 10.0621.51 m，平均 16.91 m；厚度3.0016.10 m，平均 9.22 m，工程地质性能一般砾砂杂色，稍湿饱和。碎石矿物组成主要以花岗岩为主，石英砂岩次之，局部粗砂富集，偶含卵、砾石，最大粒径达 60 mm，场区均有分布。该层土顶板埋深 12.0016.10 m，平均 13.39 m；顶板标高 3.8110.10 m，平均 7.69 m；厚度 5.8511.00 m，平均 8.73 m，工程地质性能较好K2n3强风化粉砂岩、中风化粉砂岩场区分布稳定，为基底岩层。紫红色，矿物成分以长石、石英为主，粘土矿物及云母次之。厚层状构造，泥质粉粒结构，泥、钙质胶结，局部孔段粘粒富集，岩石相变为薄层状砂质泥岩，层理面倾角在 4 8 之间2.2 钻孔程序设计穿越施工采用 HK-450 水平定向钻机和 168 mm大直径钻杆（表 2）。结合地层特点，工程施工要点为：地层松散，扩孔速度应稳中求快，以防止因扩孔周期过长而使已扩孔段发生坍塌；地层松散，容易发生扩孔超径，可加大扩孔级配，减少扩孔次数；扩孔过程中，应尽量防止因扩孔器过度下沉而破坏钻孔曲线；在砂层中洗孔不利于孔壁的稳定，有可能造成孔壁坍塌。因此，采用四级扩孔程序，且原则上不安排洗孔程序（表 3）。为防止扩孔器过度下沉，在第三、四两级扩孔过程中采用带浮桶的翼状扩孔器，浮桶可对孔壁产生挤压作用，有利于钻孔的稳定（图 1）。输出扭矩/（Nm）输出转速/rpm钻机回拖力/kN最大给进力/kN入射角/（）泥浆泵最大排量/（m3min1）泥浆泵最大泵压/MPa钻杆直径/mm钻杆长度/mm150 0000404 0001 5006203501689 600实施步骤钻具组合导向孔钻进241.3 mm 铣齿钻头+165 mm 1.5 弯螺杆172 mm 无磁钻铤168 mm 钻杆第一级扩孔762 mm 翼板式扩孔器168 mm 钻杆第二级扩孔1 066 mm 翼板式扩孔器168 mm 钻杆第三级扩孔1 270 mm 翼板式扩孔器（带浮桶）168 mm 钻杆第四级扩孔1 422 mm 翼板式扩孔器（带浮桶）168 mm 钻杆管道回拖1 270 mm 翼板式扩孔器（带浮桶）168 mm 钻杆施工技术315维护的最大考验，施工中使用了 3 批膨润土，其中 2 批产自辽宁，1 批产自山东，3 批膨润土的性能差异较大。现场准备的泥浆处理剂有烧碱、纯碱及数量有限的纤维素，且不具备临时采购泥浆处理剂的条件。为此，通过现场多次试验，结合泥浆回收和司钻控制的钻进规程，确定合理的泥浆配方（表 5）。图 1翼状扩孔器实物图2.3 泥浆体系设计泥浆是穿越成败的关键因素，在工程中需要解决以下问题：穿越长度 800 m，除出、入土点有约 7 m厚的粉质粘土，其余孔段均为中粗砂及部分砾石，钻屑携带困难；砂层松散，渗透性强且地下水位高，极易发生泥浆漏失及地下水侵入钻孔；穿越全孔段大部分为中粗砂层，扩孔容易，但极易发生钻孔坍塌。基于以上技术性难点，在泥浆设计4上需要注意：注重泥浆的屈服值，提高泥浆悬浮钻屑的性能；合理控制泥浆动塑比，使泥浆维持较好的携带性和流动性，同时，回拖过程中应通过加入润滑剂以改善泥浆的润滑性能；采用高粘度低滤失泥浆体系，减少泥浆的渗漏及失水，以便能更好地稳定孔壁，防止地下水侵入；合理控制泥浆排量，既可保障及时排除钻屑，又可避免过度冲刷孔壁。现场选用优质复合型非开挖专用膨润土，添加高分子纤维素进行增效处理，通过现场试验及施工过程实时调整，确定泥浆主要性能指标（表 4）。表 4泥浆主要指标设计表 5泥浆配方施工阶段R6001）R31）YP/PV2）马氏漏斗粘度/s泥浆滤失量/mLpH排量/（m3min1）导向孔钻进90151.01.518012100.8第一级扩孔9011015201.01.520024012101.5第二级扩孔9011015201.01.520024012101.8第三级扩孔10012020301.01.524012102.0第四级扩孔10012020301.01.524012102.0管道回拖9011015201.01.520024012101.83 现场问题处理3.1 泥浆回收利用泥浆回收利用可节约成本，同时缓解现场配制新浆的压力。但是，回收的泥浆通常难以直接使用，须测试其性能参数后进行相应调整。由于穿越地层为砂层、砾砂层，地下水丰富，新配泥浆从钻孔返出回收后，其马氏漏斗粘度下降至 5070 s，达不到使用要求，而用高粘度泥浆亦很难将其调整至所需指标。因此，现场通过向回收浆中补充膨润土及高分子聚合物进行性能调整。3.2 泥浆材料更换现场泥浆原料性能的波动是对现场泥浆配制及1）R600、R3分别为六速旋转粘度计在 600 rpm、3 rpm 时的读数值；2）YP/PV 为动塑比，Pa/（mPas）。泥浆类型泥浆配方新配浆4050 kg 高效膨润土（辽宁产）0.41.25 kg HV-CMC1 m3清水50 kg 膨润土（山东产）3.75 kg HV-CMC1.25 kg NaOH1 m3清水回收浆1 m3回收浆约15 kg 高效膨润土（辽宁产）1 m3回收浆约 25 kg 膨润土（山东产）0.41.25 kg HV-CMC施工技术孔耀祖等：中粗砂地层大型定向穿越工程施工工艺Kong Yaozu，et al：Construction technology of large-scale directional crossing in medium-coarse sand formations3162013 年 3 月第 32 卷 第 3 期参考文献：1 Wang X，Sterling R L.Finite element analysis of the instability of borehole wall during horizontal directional drillingC.24th International NO-DIG 2006 Conference and Exhibition，Queensland,Australia，2006.4 结束语基于充分的前期准备，制定了合理的西气东输二线南昌上海支干线1 016 管道抚河穿越工程施工方案，通过对施工过程进行严格控制，管道最终一次性完成回拖，回拖耗时约 10 h，前 400 m 回拖力小于 200 t，后 400 m 回拖力为 200300 t，平均回拖速度为34 m/min，整个回拖过程扭矩一直保持在 22 000 Nm左右，说明在整个回拖过程中，钻孔未发生大的坍塌或堵塞，整体施工方案可行。该工程的顺利实施，创造了国内1 016 管道在同类地质条件下定向钻穿越长度的新记录，可为同类工程的实施提供借鉴。2 李朝仪，唐学钫，叶文建.水平定向钻进技术在砂卵砾石层中的成功应用J.天然气工业，2009，29（12）：87-89.3 陈周，冉永红，尤伟星，等.大口径管道定向钻穿越复杂地层的设计与施工J.油气储运，2012，31（1）：33-35.4 Finco Inc.“Drilling Fluid”in horizontal directional drilling information guideEB/OL.2006-06-122011-11-20.（收稿日期：2012-03-22；编辑：谷英翠）作者简介：孔耀祖，在读博士生，1983 年生，2008 年硕士毕业于中国地质大学（武汉）钻井工程专业，现主要从事非开挖技术及水平定向钻进泥浆技术研究。电话：[phone]；Email：kongyaozuKong Yaozu,reading doctoral,born in 1983,graduated from China University of Geosciences(Wuhan)with MS.D,drilling engineering,in 2008,engaged in the research of non-excavation technology and horizontal directional drilling mud technology.Tel:[phone],Email:kongyaozu施工技术 行业动态 目前，从国土资源部广州海洋地质调查局获悉，为加快实现对战略替代能源可燃冰的开发利用步伐，我国启动了对其勘探开发技术的新一轮系统性研究。该专项已被科技部批准纳入国家 8 6 3计划重点项目实施，执行年度为 2 0 1 3-2 0 1 6年。可燃冰是天然气水合物的俗称，是近 2 0年来在海洋和冻土带发现的新型洁净能源，可以作为传统能源的替代品。据估算，世界上可燃冰所含有机碳的总资源量相当于全球已知煤、石油和天然气总量的 2倍。该项目首席科学家、广州海洋地质调查局副总工程师王宏斌介绍说，在中国地质调查局的组织部署下，中国从 1 9 9 9年起开始对海洋可燃冰开展实质性的调查和研究。作为中国海洋可燃冰项目的调查执行机构，广州海洋地质调查局在详实调查基础上，已于 2 0 0 7年 5月成功获取了可燃冰实物样品。近几年来，我国科学家围绕可燃冰开发技术及环境控制等方面的技术难题，已展开对可燃冰成矿地质条件和富集特征等的相关研究。王宏斌表示，科技部批准启动的国家 8 6 3计划项目“可燃冰勘探技术开发”研究专项，将在以往基础上，加快进行可燃冰勘探与开发技术等的研究工作，为我国可燃冰勘查开发事业提供技术支撑。（摘自 新华网）我国启动对可燃冰勘探开发新一轮研究