中石化中原油建工程有限公司 河南濮阳 457001
摘要：石双管线嘉陵江穿越工程是某采气厂确保管道安全运行和嘉陵江水道航运安全隐患治理项目的重点工程。原管道为沉管方式敷设，设计压力4MPa，规格为φ159×6.0mm。由于洪水冲刷破坏，管道分别于201*年连续两年两次被洪水冲断，在此地区采用水平定向钻技术穿越嘉陵江，尚为首次。由于阆中段嘉陵江地质结构异常复杂，两岸落差较大，施工场地狭窄，且地层以卵石层和砂岩层为主，设计出土侧卵石含量大于80％，属于定向钻施工“禁区”。文章介绍了嘉陵江定向钻穿越工程的地质条件，主要施工难点，通过采取多项成熟施工方法，为在复杂地质结构下小管径、高落差富含卵砾石水平定向钻穿越积累了经验。
关键词：嘉陵江“U”型河谷、卵砾石层、高差、分动器
1.工程概况
1.1地理位置及交通概况
嘉陵江穿越起点（A04，西北岸）位于四川省阆中市双龙镇金龟村2组，G212国道旁边；终点（A05，东南岸）位于四川省阆中市石龙镇石新村8村2组，双龙至石龙的主干公路旁边；两岸之间有中型轮渡相连接，交通运输条件较好。有施工便道可直接到达。
1.2场地地形地貌
穿越段嘉陵江河谷呈不对称的“U”型，河床质为卵、砾石夹砂。嘉陵江穿越段东南岸距上游石新轮渡码头约300m，距下游临时渡口约85m，为阶地丘陵地貌，地势较高，局部为基岩陡坡，基岩广泛出露地表；穿越段西北岸距上游石新轮渡码头约240m，距下游临时渡口约32m，为冲积平坝地貌，地势较低，地形平坦开阔，为第四系冲洪积砂卵砾石层，上、下游两侧均为挖砂采卵石场。
根据地勘报告，本段嘉陵江原河道位于穿越段西侧，ZK1处位于老河道中间位置，后向东侧人工改道至现河道。据附近村民介绍，穿越段曾有过短暂的挖砂采卵石。
1.3定向钻穿越设计、参数
根据地质勘探报告分析，穿越断面地层岩性主要为卵石、砂岩，穿越管径为φ159×7，穿越入土点位于嘉陵江东南岸农田中，入土角11°30’，穿越出土点位于嘉陵江西北岸鱼塘中，出土角8°；定向钻穿越管道出、入土点之间水平长度566.5m，实长571.11m。
定向钻穿越弯管段曲率半径238.5m（1500D）。
设计嘉陵江穿越剖面及平面图
1.4工程地质
1.4.1地层岩性
根据勘察报告：穿越段和阀室区经钻探揭示，穿越段上覆主要是Ⅰ、Ⅱ级阶地冲洪积（Q4al+pl）粉质粘土、粉质粘土夹卵石，卵石，下伏为侏罗系上统蓬莱镇组上段（J3p）泥质砂岩、泥岩。本次勘探深度内岩土层自上而下为：
1）河床及西侧漫滩冲洪积层（Q4al+pl）（设计出土点）
①-5密实卵石土：杂色，密实，成分主要为灰岩、石英砂岩，次为变质岩，卵砾石粒径一般2～15cm，最大35cm，呈次园状，磨园度中等，分选性差，充填物为中～细砂，含砂约30％。其中卵石粒径2～5cm约占20％，5～10cm约占30％，10～20cm约占25％，大于20cm约占20--25％。钻孔揭露厚度6.2～19.10m，厚度自东向西增大，主要分布于河道中西部和西侧平坝地段。钻孔揭露厚度3.00～14.40m，厚度自东向西增大，主要分布于河道中西部和西侧平坝地段。
2）东岸阶地堆积Q4al+pl（设计入土点）
①-4稍密～中密卵土：杂色，稍密～中密，成分主要为灰岩、石英砂岩，次为变质岩，卵石粒径一般2～15cm，最大35cm，呈次园状，磨园度中等，分选性差，充填物为中～细砂，含砂约30％。其中卵粒径2～5cm约占30％，5～10cm约占30％，10～20cm约占20％，大于20cm约占20％。钻孔揭露厚度3.5m，主要分布ZK13所在的阶地部位。
出土点附近开挖出的卵石
3）侏罗系上统蓬莱镇组上段（J3p）
②-1强风化层：暗紫红色泥质砂岩，细粒结构，中～厚层状构造，主要矿物成分为长石、石英，少量云母，裂隙发育，裂隙面具铁锰质浸染，岩芯呈碎块，岩石强度较低。钻孔揭露厚度1.2～1.7m，仅分布于东岸。
②-2中风化层：.褐灰色～暗紫红色泥质砂岩，细粒结构，中～厚层状构造，主要矿物成分为长石、石英，少量云母，裂隙较发育，局部夹薄层紫红色泥岩，岩芯呈柱状，岩体完整性较好，岩石强度较高。钻孔揭露厚度7.8～30.1m，勘察场地均有分布。
1.4.2区域水文地质条件
嘉陵江穿越段浅部赋存第四系松散岩类孔隙和基岩裂隙水。
松散岩类孔隙潜水分布于两岸平坝和阶地部位，含水层为冲洪积砂卵石层，地下水赋存于砂卵石粒间孔隙中，地层渗透性强、富水性好，地下水与河水连通性好，水量丰沛，勘察期间稳定水位埋深0.30～6.10m。
基岩裂隙水分布于嘉陵江东岸的浅丘台地和丘前缓坡地区，含水层主要侏罗系上统蓬莱镇组上段（J3 p2）风化砂岩，地下水以风化裂隙赋存、运移，丘前地区多具轻微承压性，地层总体富水性差、水量较小，水文地质条件较简单。
2.工程特点
2.1 出土点位置的地层中，含有大量的卵石，导向钻头在导向时不易控制方向，易造成偏差。尤其是砂岩层和卵石地层的穿越施工，对钻进工艺和泥浆技术提出了极高的要求和挑战。
2.2 入、出土点两侧高差较大，相差近11米，预置管线需S型曲折布置且与出土点出也存在近14米的高差。预制管线由于场地受限形成峰谷及曲折布置，综合存在的高落差和其它特点，势必给管线回拖造成极大的不便和危险，易发生回拖失败现象。
高落差的施工场地：入、出土点位置
2.3 地下水赋存于砂卵石粒间孔隙中，地层渗透性强、富水性好，地下水与河水连通性好，水量丰沛，对于配置好的泥浆将产生流失及粘结性差，降低泥浆携带钻屑的能力，对泥浆配比和其它添加剂提出较高要求。
3.具体施工方案
针对本工程的施工难点，制定专项的解决方案。
3.1 针对出土点含有大量卵石层的施工方案
3.1.1 敷设卵石隔离套管
经过现场的实际勘察及设计图纸提供的地勘报告得知，出土点处含有大量的卵石，厚度约22米，长度约为44米。按照正常导向钻进，在导向钻头即将到达出土点时，由于大量卵石的存在，易发生导向轨迹的偏离。针对现场的实际情况，我们向业主、设计及监理单位提出一个解决此问题的方案，将导向方向调转，即入、出土点位置对换，由出土点开始进行导向钻进，将钻机置放与出土点处，采用敷设Φ325套管隔离回填土，砂砾石、卵石，以确保导向钻孔、扩孔顺利，保障回拖铺管安全可靠；下套管采用钻机顶管下套管法。由于入土点位置没有卵石层，将不会影响导向出土位置的精度。此方案获得了业主、设计及监理单位的同意，在后面的实际施工中效果良好。
为了隔离卵石、砾石层，避免卵石层施工不成孔、易塌孔、控向困难，在出土点（现为导向入土点）安装φ325×8的钢套管，套管长度下至不稳定卵石层层底，约为60米。施工时将Φ325套管放入夯管工作坑内，用空气夯管锤将Φ325套管按设计角度8夯入孔内。在工作坑一端用气割焊修整需要再夯入的套管切口，与另一根已夯入敷设的套管焊接连接，并将焊缝均分焊3个加强板，焊接完成后继续进行夯管敷设工作，如此复始该工作，使夯入的Φ325×8套管直至强风化泥质粉砂岩稳定层内，最终夯入约65米左右。Φ325套管中心线与穿越中心线重合。用8牙轮钻头全面破碎钻进，泥浆配比65s-75s，清除Φ325套管内砂砾石砂卵石土。
敷设Φ325套管隔离卵石进行导向钻进
3.1.2 导向孔施工
（1）将钻机桅杆调至8度。
（2）钻具连接，8牙轮钻头→泥浆马达→无磁钻铤→探棒腔→无磁钻铤→变径接头→φ102钻杆→钻机动力头。
（3）导向连接，地磁探棒→6mm2导线→显示屏24V电源→电脑→220V电源。开机，输入钻进参数，标定距离。
（4）搅拌泥浆，20m3水，500kg澎润土粉，2kg添加剂配方搅拌泥浆，泥浆粘度控制在60s-75s之间。
（5）开泥浆泵，泥浆流量Q1000L/min。泥浆马达转动后，测试转速，并感觉震动大，即可开钻。
（6）开钻，按设计曲线钻进。每钻进一根钻杆要取点，电脑自动计算，并显示计算结果。在岸上，可用手提机跟踪测量，校定钻杆方向和钻杆深度。
（7）用泥浆马达钻进时，钻进一根钻杆，回拖铣孔一根钻杆，尽量将钻孔铣大和清除孔内钻屑。全面钻进时不用铣空。
（8）导向孔完成后，卸下钻头，泥浆马达，无磁钻铤，探棒腔。扫平入土点施工现场，开挖回拖用泥浆沉淀池。
3.1.3 扩孔及清洗孔施工
本次施工，由于入、出土点位置对调，导向施工完毕后要将钻机及附属设备一并再用船运至对岸进行主管回拖。因此导向施工时，考虑到该状况，结合地质情况，及对岸出土点位置高度又比现钻机位置高11米的有利条件，采取导向1-3米后再回抽钻杆1-3米或1-5米，钻屑可以在高差作用下顺导向孔回流至入钻孔泥浆池中，这样可以一次性完成导向、扩孔、清洗孔工作，避免二次操作施工。主回拖管为φ159，导向扩孔成孔已满足回拖孔径1.3~1.5的要求。
（1）控制回抽钻杆拖力，回拖速度，从而控制导向扩孔扭矩。扩孔扭矩不超过15000N·m，即回转油路压力不超过15Mpa。
（2）泥浆用量600L/min，泥浆压力0.2—0.6Mpa，泥浆粘度70s。
（3）接钻杆时，要清洗钻杆丝扣，钻杆丝扣无泥沙。涂抹丝扣油后连接钻杆。用挖掘机吊装接杆，用链钳或B型钳紧固。
（4）控制回抽清洗孔速度。尽量多排出钻屑，使钻孔清洗干净。泥浆工程师时刻关注排出泥浆中的钻屑变化，及时调整泥浆配比。
司钻是该整个施工工序过程的主要责任者，要切实做好导向及回抽钻杆洗扩孔时正转和反钻的操作，避免发生钻杆间脱扣现象。
3.2 回拖铺管方案
回拖力计算：
P=0.6W=0.6πDSL7.89=0.6×3.14×0.159×0.007×600×7.89=9.93吨力=99.3KN。
选用DDW600钻机回拖力600KN远大于99.3KN，DDW600钻机能满足施工要求。根据该工程特点和场地及需要渡河的需要，我们选择使用60吨的水平定向钻机进行施工，方便导向施工完成后，将钻机渡河运输至对岸进行回拖施工的便利。
3.2.1 针对高落差的回拖施工方案
由于入、出土点两侧高差较大，相差近11米，预置管线与出土点出也存在近14米的高差，且管线由于预制场地有限在150米和400米处均有一个120度的S曲折弯，综合这两处的高落差和S曲折弯，在回拖时，回拖管线将因为峰谷和曲折使得回拖轨迹将有夹角产生.为确保回拖成功，现场配置挖机一台给予回拖助力和调整管线落差；同时调整泥浆配比，增加粘度.因为出、入土点两端高差的存在，在扩孔完成的孔洞中，泥浆因重力的原因，会使处于回拖中的钻机处成孔孔洞中存在一段空洞，泥浆将不会完全充满孔洞，在低处流失，这在一定程度上给回拖造成隐患，调整泥浆粘度可使泥浆流速减缓，延长其在孔内停滞时间，确保孔洞内有泥浆存在，降低回拖阻力，确保回拖成功。
3.2.1.1第一次回拖
回拖伊始，考虑到回拖管径较小（Φ159mm），60吨钻机的回拖力足够，且利用管线本身弹性敷设所产生的夹角及峰谷不会影响到回拖作业，采用了普通的分动器连接钻杆与管线；结果在实际回拖过程中，这个夹角和峰谷所产生的重力对回拖产生了很大的影响。当回拖管线进入孔洞内约53米处卵石隔离套管和岩石层时，钻机拉力开始增大，随后再增加拉力时，拉力骤降，并且回拖管线停止前进。将回拖管线反向拉出后发现，分动器链接部被拉断（如下图），第一次回拖失败。
被拉断的分动器
3.2.1.2第二次回拖
经过现场对实物反复研究讨论，分动器断裂的原因是因为该分动器的连接方式对于该地质结构和成孔不事宜，且分动器主轴过细且长，当到达套管与岩石层交汇处时，因该处有台阶和夹角，使分动器无法承受较大的拉力，形成卡钻后造成拉断；同时对于峰谷和S型曲折布管对回拖的影响也没有考虑周全。原因分析出后，改用套筒式分动器连接方式替代原来的轴式分动器，并将分动器与钻杆连接的U型环去掉，直接连接在回拖管头上，丝扣连接到钻杆上，这样不但提高了分动器的抗拉强度，也减少了连接环节；另外在峰谷和S型曲折布管处分别又再配置了两台挖沟机助力配合。在回拖时，当分动器连接处渐渐接近第一次孔洞卡钻处时，指挥钻机、挖沟机协同配合，瞬间加大钻机的拉力，使其快速通过台阶和夹角处，从而避免在台阶和夹角处再次卡钻；同时增派人员并在钻机点处注入高粘度的泥浆，从而保持成孔孔洞中泥浆液位，以减少空洞长度，减少摩擦力，本次回拖作业最终顺利完成。
管线回拖成功
3.3 泥浆配制方案
水平定向钻成功与否，与被业界称为水平定向钻 “血液” 的泥浆配比有着不可分割的关系，而泥浆材料主要由膨润土、钠基、CMC、纯碱、悬浮促进剂或混合添加剂等综合根据需要组成。本工程地层结构主要为卵石层和砂岩层，随地层的变化随时调整泥浆配置参数，具体泥浆配比如下：
1、卵石层 70s-90s（隔离套管内）
2、砂岩层 55s-65s
泥浆工程师可根据需要适当添加钠基、CMC、纯碱、悬浮促进剂或混合添加剂等。在施工中按上述所给数值，泥浆工程师和钻机操作手在导向和回拖过程中，根据顶力、钻速、泥浆钻屑显示、泥浆流速等，及时调整泥浆配比，避免了导向及回拖过程中发生卡钻、抱管等现象的发生，并积累了高落差、卵石地层与砾石地层泥浆配比经验。
4.结束语
纵观本次阆中嘉陵江定向钻穿越，其特点是虽然管径较小，但施工难度却不低，存在着穿越曲线高落差、穿越地层复杂、回拖主管管线布置成S型曲折且有峰谷等施工难点，但在充分分析，认真组织和运用成熟的水平定向钻施工技术得以该工程顺利完工。
嘉陵江定向钻穿越工程的成功，为公司在小口径管道高落差穿越施工积累了一定的经验，并为今后在相似施工环境、相似地质的施工中提供了有力的技术保障。
作者简介：李刚（1965年10月-），男，汉族，安徽宿州，中级工程师，研究方向：水平定向钻、顶管工程施工。
论文作者:李刚
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/5
标签：泥浆论文; 卵石论文; 嘉陵江论文; 钻杆论文; 钻机论文; 导向论文; 套管论文; 《建筑学研究前沿》2018年第24期论文;