关于定向钻穿越卵石层方法的探讨.doc

关于定向钻穿越卵石层方法的探讨
摘 要：随着定向钻穿越施工的普及和对定向钻穿越施工综合社会效益要求的不断提高，在施工过程中遇到含卵石的地质情况越来越多，针对含有卵石的定向钻穿越施工，掌握科学合理的施工方法就显得尤为重要。本文在总结大量的施工经验的基础上，结合实际，开展了新的工艺研究和应用，尝试新的注浆、固孔及卵石处理措施，避免塌孔、冒浆现象的发生，同时在管线回拖过程中能够有效保证施工质量及安全，并在实际的施工中取得了良好的经济效益。
With the development and raised social benefits of directional drilling crossing construction, and more and more pebbly bed situation in the construction, it is particularly important to master the scientific and reasonable construction method. In this paper, on the basis of summarizing a large number of construction experiences, combined with the actual constructions, carried out the research and application of new processes, tried a new hole grouting, soliding and pebble processing measures, avoided the happening of hole collapse and plasma. At the same time it can effectively ensure the quality and safety in the process of the pipeline drag, and has obtained the good economic benefits in the actual constructions.
关键词：定向钻；卵石层；曲线段；水平段；固孔；袖阀
1.前言
定向钻是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施(管道、电缆等)的一种施工工艺，它广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等管线铺设施工中，它适用于沙土、粘土、 卵石等地况，在我国大部分非硬岩地区都可施工。工作环境温度为-15℃~+45℃。定向钻穿越技术是将石油工业的定向钻技术和传统的管线施工方法结合在一起的一项施工新技术，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等优点。该种设备一般适用于管径φ300~φ1200mm的钢管、PE管，适应于软土到硬岩多种土壤条件，应用前景广阔。
2.常用施工方法分析
常用的定向钻施工工艺顺序为：现场勘察工艺，钻进轨迹设计工艺，钻进导向工艺，扩孔回拖工艺。
2.1现场勘察工艺
2.1.1首先对施工工程已有相关资料进行查阅，认真研究图纸，确定卵石层位置与规模，适当条件下可进行现场地质勘察。此外，还要检查工地的进场路径、穿越地质条件、地表地形、有无障碍物、地下管线分布、交通状况、跟踪定位系统的干扰源(如铁轨、埋地电缆等)、供水条件等情况。
2.1.2详细查看施工图纸中有关参数，如：开孔倾角、最小深度、最小造斜距离等。
2.1.3与其它公用管线公司联系，让其对地下现有管线进行定位并做上标记。
2.1.4检测回拖材料的重量和刚性，了解该材料弯曲半径，是否与设计路径有出入，再检查一下是否有合适的回拖器具。
2.2钻进轨迹设计
导向是定向钻穿越成功与否的关键，在施工过程中务必严格控制，确保导向曲线平滑，符合曲率半径要求。导向孔的轨迹一般由三段组成：第一段造斜段AB、第二段水平段BC、和第三段造斜段CD，如图2.1所示。
图2.1 定向钻导向曲线
导向前先下地锚、调整钻进倾角，钻进时启动泥浆泵输送泥浆，以供钻进护壁、钻头散热需要。钻进导向是通过地表接收器接收无线探头体内的探测头发出的信号，测出钻头位置。需要调整方向时，动力头停止旋转，调整倾斜钻头板朝向所需方向，只给进而不旋转，此时地面接收器接收信号，监视给进方向，待方向正确后，继续钻进，整个钻进过程可多次调整方向，直至导向结束。
3. 卵石层位于曲线段的定向钻穿越施工方法研究
卵石层位于定向钻出入土点附近的穿越施工，为节约成本，降低风险，保证施工进度，可采取将卵石开挖取出的方法处理卵石，清除施工障碍。
3.1 施工前准备，按照图纸要求测量放线，合理布置出入土场地，定向钻钻机、泥浆坑、泥浆泵摆放位置等。
3.2 施工前仔细研究图纸，分析穿越段地层变化，确定卵石段的准确位置，必要时，可以进行地勘标本采集，以获取最全面详细的地勘资料，并根据图纸要求的穿越深度及出入土角，确定开挖区域、卵石堆放区域。
3.3 根据现场需要，结合图纸分析，进行出入土点的卵石层开挖，同时确定合理放坡比，将沿管线方向开挖出的卵石堆放在安全位置。在开挖时，可将开挖出卵石的位置作为泥浆坑，通常情况下，按照穿越曲线开挖，以减少卵石开挖量，如图3.1所示。

钻 机
钻杆
耕作土
卵石层
卵石层
中 风 化 岩

图3.1卵石层开挖示意图
3.4 卵石层开挖完成后，可依照常用定向钻穿越工艺施工，施工过程中，根据泥浆池内的反浆情况，适时调整泥浆配比及泥浆泵压力。在扩孔及洗孔完成后，即可回拖。
3.5 经济效益分析
以通常的Φ711管道定向钻施工为例，入土端倾斜角8º，水平段管线深度10米，需开挖的卵石段长度为70米。进行费用对比如下（价格参考2012年山东省平均价格），
（1）采用传统的注浆固壁方案：
8000元/m*70m=560000元
（2）采用卵石开挖方案：
卵石开挖量70m*（10m+2m）/2*8m=3360m3（综合考虑放坡处理）
所需开挖及回填挖机台班3360m3/(0.4*60*8)+ 3360m3/(0.6*60*8)=29.2台班
堆放卵石所需临时征地3360 m3/4m=840m2（按平均堆高4m计算）
所需临时征地费用2000元/亩*840 m2/667 m2=2518.7元
部分卵石外运处理10元/ m3*70m*18m*2m25200元
外购耕作土恢复地貌30元/ m3*70m*18m*2m=75600元
费用合计：3500元/台班*29.2台班+2518.7+25200+75600=205518.7元
方案（1）-方案（2），节省费用63.3%。
4.卵石层位于水平段的穿越施工方法研究
对于卵石层位于定向钻穿越水平段或者底层较深，卵石含量较大（通常90%以上），不宜开挖的地段，常用的施工方法为夯套管。
夯套管工艺是在定向钻穿越施工前进行测量放线，延穿越中心线按设计入、出土角度分别从两端夯套管，在套管端安装事先加工好的卡具，利用夯管锤的瞬间、高频冲击力进行夯管。将套管按设计方向、角度夯过卵石层段，夯管完成后开始进行导向孔、扩孔、回拖施工，施工过程与非卵石层穿越相同。
与目前常用的夯套管工艺相比，袖阀注浆（即双套筒双柱塞注浆）施工工艺是一种比较先进的注浆工艺，其适应性强，工期短，造价低，对砂层、卵石层、粉土、淤泥层等均能达到较好的注浆加固效果。能进行定深、定量、分序、分段、间歇、重复注浆，集中了劈裂注浆法、压（挤）密注浆法与渗入注浆法的优点。
图4.1 袖阀管结构示意图
当钻进至卵石层层位置，钻杆继续向前，穿过卵石层后拔出钻杆，按原孔下Φ114*4.5mm钢套管（套管内下袖阀管），钢管下至卵石层位置。让后将钢管抽回，将袖阀管留到导向孔内。开始利用袖阀管注浆，待水泥浆固化后再完成剩余部分导向孔。

袖阀管注浆法使用的注浆工具为“袖阀管”，袖阀管为内径50～60mm、一次性使用的塑料管，由两部分组成，注浆段为带射浆孔的花管，注浆段以上为实管。袖阀管的结构如图4.1所示。袖阀管注浆法的基本施工工序可分为打导向孔、下Φ114*4.5mm钢套管、下袖阀管、撤回钢套管，注浆等步骤。关键环节为注浆，要多次间歇注浆，压力控制在0.2Mp，水泥浆渗透效果最佳。一般渗透距离可达到2-4米。利用此方法将穿越管道通过的中粗砂夹卵石土层段进行加固，使之能够形成一个以导向孔为中心，直径4-8米的柱形整体，这样就可以解决了这段扩不成孔的困难。
4.1 注浆工艺流程
钻导向孔
拔出钻杆
下套管
下袖阀管
下套壳料
注浆
水泥浆固化
拔出钻杆
下套管
下袖阀管
下套壳料

注浆

水泥浆固化

4.2 注浆技术要求
待注浆专用钻头钻进至卵石层后，开始注浆，袖阀注浆中注浆质量是影响施工的关键因素，需确保注浆质量，否则达不到预定效果。
①浆液配合比为膨胀水泥：普通水泥：水＝1 :2 : 3。
②注浆压力0.1～0.2Mpa，在注浆泵压力表上观测。
③注浆量：注浆量一般为注浆总体积的1/3。注浆时根据搅拌桶的容积和浆液流量确定注浆量，在搅拌桶中配好浆液、测定体积后再将浆液输入注浆池中，注浆池直接与注浆泵相连。注浆时再通过压力表和浆液流量来控制注浆量。另外，通过计量现场水泥用量，也是掌握注浆量的有效措施。
④注浆时观测地面变化。保证地面不产生裂缝和隆起。
⑤终注标准：在注浆压力下，注入量＜30L/min，稳压15 min。继续注浆压力超过0.2Mpa迅速上升，说明周围渗透饱满，注浆结束。在注浆过程中，作好注浆记录，包括注浆压力、注浆量、水泥用量等。
4.3 经济效益分析
以常用的Φ711管道施工例，假定卵石段长度100米，穿越曲线造斜段100米，采取以下不同方案施工时，所需费用如下（价格参考2012年山东省平均价格）：
（1）采用传统的注浆固壁方案：
8000元/m*100m+4000元/m*100m =1200000元
（2）夯套管工艺（套管采用Φ1219钢管）：
材料：Φ1219*22mm*200m
设备：350型夯管锤（含17～20m3空压机1台，配套机具和管路1套）
按每台班顶进10m计算，工期为20台班
所需费用：
钢套管8000元/T *129T=103.2万元
设备租赁费2000元/台班*20台班=4万元
合计：107.2万元
（3）袖阀注浆工艺：
材料：膨胀水泥 60T，325普通水泥 120T，Φ114*4.5mm钢套管 300m，袖阀管 300m，套壳料 0.5T。
设备：无
按正常钻杆导向进度及水泥凝固时间计算，工期为10天。
所需费用：
膨胀水泥800元/T*60T=4.8万元，普通水泥500元/T*120T=6万元，Φ114*4.5mm钢套管6000元/T*47T=28.2万元,袖阀管20元/m*300m=0.6万元, 套壳料0.2万元。
合计费用：39.8万元
假定两种方案下，机组配相同数量和素质的施工人员，
方案（1）-方案（2），节省费用10.67%。
方案（1）-方案（3），节省费用66.83%。
方案（2）-方案（3），节省费用62.9%。
在实际施工过程中，卵石层往往呈不规则的分布，长度也只是导向曲线中很小的一部分，因此通常情况下考虑到工艺复杂程度及连续性，袖阀注浆工艺只针对卵石层长度较大，构造较复杂的情况。但是通过经济效益比对分析，可以明确在有卵石层的定向钻穿越中，袖阀注浆工艺具有较好的经济性及可操作性。
5.结论与展望
本文在既有的定向钻施工基础上，结合实际，针对穿越层中所含卵石位置的不同，以卵石层分别位于导向曲线的曲线段和水平段为例，以保证施工质量及安全为中心，分别研究制定了新的施工方法，并进行经济效益分析，节省了工期，节约了成本。随着定向钻穿越施工的增多，含卵石层的施工将更加普遍，如何采用新的科学工艺使施工更加方便快捷，将是以后研究的重点。
参考文献：
[1]《油气输送管道穿越工程设计规范》GB50423—2007
[2] 闫相祯，丁鹏《长距离复杂地层水平定向钻穿越管道施工技术》油气储运 2007（4）
[3] Cheng,E,Polak, MA, 2007,Theoretical model for calculating pulling loads for pipes in horizontal directional drilling. Tunnelling and Underground Space Technology Journal 22 (5-6), 633-643
[4] 刘钰《定向钻夯套管技术在沿海城市天然气综合利用项目上的应用 》中国石油和化工标准与质量2012(9)
[5] 蔡亮学，何利民，吕宇玲，薛振兴《水平定向钻管道穿越孔底泥浆的力学特性 》油气储运2011(1)
[6] 高河东《仪征-长岭原油管道工程长江穿越方式比选》油气储运- 2009, 28(4)
[7] 朱波，吕建锋，张永高《管道水平定向钻穿越技术的特征分析》油气储运- 2005, 24(3)