中-俄原油管道 黑龙江穿越工程定向钻最优深度的确定

吴锋波* 尚彦军 倪亮 袁广祥 林达明

（1.中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室；2.中国石油天然气管道工程有限公司；3.华北水利水电学院资源与环境学院）

中-俄原油管道 黑龙江穿越工程定向钻最优深度的确定

吴锋波*1尚彦军1倪亮2袁广祥3林达明1

（1.中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室；2.中国石油天然气管道工程有限公司；3.华北水利水电学院资源与环境学院）

在中-俄原油管道黑龙江定向钻穿越工程中，合适的管道埋设深度关系到工程建设的安全顺利进行。在对前期工程地质勘察资料分析对比的基础上，通过地质背景研究分析构造背景特点，野外地质调查获得出露基岩节理发育结果，钻孔岩芯统计分析得到岩石节理特点和不良地质体发育结果，利用完整岩芯的室内试验获得岩石物理力学性质的结果，利用参数加权平均的综合分析方法，确定黑龙江定向钻的最优深度为38.0m。实际钻进表明，38.0m的管道埋深较好地避免了风化卸荷带、深部断层带等潜在不良地质问题的影响。该工程管道适宜埋深的评价可为类似采用定向钻施工的重大工程提供参考。

中-俄原油管道；黑龙江穿越工程；管道工程；定向钻；最优深度

1 黑龙江穿越工程概况

水平定向钻技术具有快速、准确、环境影响小等优点，自1985年引入该项技术以来，已成功穿越长江、黄河、钱塘江、黄河等国内大中型河流30多条，这些穿越工程在长输油气管道建设中发挥着重要的作用。而复杂地质条件下定向钻的适宜性较差，如何选择合适的穿越深度成为关系工程成败的关键，中-俄原油管道黑龙江穿越工程便是其中的典型代表。

中-俄原油管道黑龙江穿越工程是俄罗斯供油支线管道进入中国的起点。管道输油能力按1 500 ×104t/a设计，设计管径820mm，壁厚15.9mm，材质采用K56级直缝埋弧焊钢管，设计压力6.4MPa。工程穿越范围水平长度1 150m，其中出、入土点间距1 052m。工程采用双管平行敷设，间距为25m。采用导向孔对接施工方法，经过四级预扩孔、洗孔、回拖后完成建设。

俄方穿越点位于莫赫纳特伊岛端点以东20m处，中方穿越点位于黑龙江漠河县兴安镇。该处河道的Ⅰ级冲积阶地标高为248.0～260.0m，宽度为200～400m，地势平坦，灌木丛发育。江边砂砾石质岸坡较陡，距水面高度为6.0～8.0m，江水的冲刷对堤岸有侧蚀作用。该段江岸无护坡，河道顺直，水面宽约为400～500m，河床宽约为700m，河床表面为卵砾石，场地开阔。穿越位置见图1。

黑龙江穿越区岩石破碎，地质条件十分复杂，被业内人士称为“穿越禁区”，被俄方业主称为“世界级难题”。如何根据地质条件选择适宜的定向钻埋深，保证工程的顺利建设成为必须解决的重大问题。根据地质构造背景和工程勘探资料的分析，经多方论证，研究确定了38m的定向钻埋深方案。实际工程建设表明，该方案合理地规避了一些重大地质风险，促进了定向钻施工的顺利开展。

2 穿越方案

2.1 地质背景分析

在中-俄原油管道黑龙江穿越工程中，穿越场区位于漠河县漠河盆地。漠河盆地处于亚布洛诺夫—鄂霍茨克褶皱弧与大兴安岭褶皱带交汇处，为一中生代构造残留盆地（磨拉石盆地）。盆地由西向东依次由洛古河坳陷、额木尔河推覆带、阿木尔坳陷、二十二站隆起和腰站坳陷5个一级构造单元组成。定向钻穿越场区位于额木尔河推覆带东北，临近阿木尔坳陷（见图1）［1-4］。

穿越场区位于大地构造单元交汇带，临近推覆带和坳陷带接触地区，地层位移和剪应力较大，最大剪应力值可达40±20MPa［5］，地质背景较为复杂，难免出现各类地质问题，管道应选择较为稳定的地层进行穿越。

2.2 岩土体特征

工程勘察资料显示，中方场区岩土体整体上可分为3套：一是第四纪冲洪积层，包括河床相和河漫滩相，主要为腐殖层、细砂层、砂砾石层，位于地面以下0～12.0m；二是全风化～中风化层，主要为全风化灰色沙土、强风化短柱状粉砂岩等，位于地面以下12.0～14.8m；三是14.8m以下的微风化～基岩层，主要为中细粒砂岩、粉砂岩、泥岩、碳质泥岩和粉砂质泥岩（见图2）。岩石的物理力学性质见表1。

俄方勘察揭露的基岩主要为砂岩、粉砂岩、泥岩夹砾岩透镜体和泥灰岩透镜体，其中部以中细粒砂岩为主。综合对比中俄地层发现，中方定向钻穿越地层主要为漠河盆地侏罗系额木尔河组，该地层与俄罗斯侏罗系上统乌斯卡林群（J3usk）有较好的对应关系［6］，都具有砂岩和粉砂质泥岩。俄方乌斯卡林群（J3usk）主要为粉砂岩、黏土质页岩和亮灰色砂岩，泥灰岩以透镜体和薄夹层状形式存在。这说明俄方穿越地层有海相层的存在，黑龙江由南岸到北岸有由陆相三角洲、辫状河相变为海相的趋势，该区地层岩性变化较大。

穿越场区地层岩性变化较大，岩石饱和单轴抗压强度差异性较大，粉砂质泥岩只有53.93MPa，而砂岩可达118.83MPa，碳质泥岩则相对更低（见表1）。此外，试验过程中发现钙质填充节理的岩样有沿节理面破坏的现象，抗压强度明显偏低，而硅质胶结试样无此现象。因此，节理的胶结和充填情况成为控制岩体强度的重要因素，胶结较差节理发育地段也可产生影响施工的岩石碎块，造成定向钻的卡机［7-9］。

定向钻施工应避开软、硬岩接触部位，防止钻孔出现跑偏。定向钻穿越层位应综合考虑地层岩性的变化，尽量选择岩性变化较小的地段。

图2 钻孔地质剖面和RQD统计

表1 钻孔岩芯物理力学性质

2.3 岩石质量指标RQD统计分析

岩石质量指标RQD（Rock Quality Designation）是反映岩石完整性的定量化指标。岩石质量较好的层位工程施工过程中掉块现象较少，不易出现卡钻。因此，定向钻施工一般选择RQD数值较大的层位进行。对穿越区勘察钻孔岩芯的RQD值进行统计，典型钻孔的统计结果见图2。

5个典型钻孔标记为ZK1，ZK2，ZK3，ZK4，ZK5。结果表明，江中钻孔ZK3的RQD值较大，岩体较完整深度段为27.0～32.0m、39.0～42.0m和56.0～60.0m；ZK3在46.0～48.0m为节理化碎裂岩，50.2～52.2m为板裂化破碎带，57.65～61.70m为短柱状、薄片状较破碎岩体，岩体完整性较差，30.10～33.65m为长石石英砂岩，其完整性相对较好。江边钻孔ZK1岩石完整性较好，说明江边地层受构造影响较小，岩石整体较为完整。

江岸阶地深部的岩石质量较好，但河道内钻孔的RQD值整体较差，较大RQD值的地段为间断性出现，难以选择一个理想的定向钻埋设层位。

2.4 节理统计分析

工程勘察的5个典型钻孔总进尺为254.55m，而各类节理多达2 000多条，节理填充物主要为高岭土、碳质薄膜、方解石和石英。胶结较好的闭合节理在RQD值较大的深度段仍大量发育。大量节理的存在，使得岩体的完整性降低，受施工扰动后可出现过量掉块，形成卡钻，影响工程的顺利进行。分析节理的数量和性质，可判定施工中掉块的数量和规模，预测卡钻发生的概率和对施工的影响，有利于定向钻适宜层位的选择。

2.4.1 节理走向和倾向

穿越场区地处林区，野外地质露头较少，调查发现两处较大的基岩出露点，一处位于江上游1～2km处，有长约350m的基岩陡崖，另一处为兴安林场与国防公路交叉口北侧的3个采石坑，在ZK1的南东方向约4km，出露基岩长度约400m。

江边基岩主要为深灰色巨厚层细粒变质石英砂岩，局部构成了小的崩塌，其优势节理走向329°，倾向59°，倾角69°。采石坑处主要为中厚层长石杂砂岩夹薄层碳质泥岩，从东往西层厚变薄，砂岩和泥岩两者交替出现的频率变高，其优势节理走向330°，倾向240°，倾角66°。两处节理均较发育，且其走向均近似为沿江方向，倾角较陡，可推断穿越区岩石节理的整体走向近似为沿江方向，定向钻为垂直节理走向施工，对围岩稳定性有利。

2.4.2 节理倾角

对钻孔节理倾角进行统计，由统计结果可知，钻孔节理倾角分布不均，平均值为46°～57°。其中，ZK1、ZK3、ZK4、ZK5倾角变化表现为单峰特点，ZK2为双峰特点。ZK2、ZK3主要为硬质的长石石英砂岩，陡倾角节理较多；ZK5孔深较小，浅部风化卸荷节理裂隙发育，倾角分布相对平均；ZK4中多为泥岩，钻孔底部有约10m的砂岩，总体倾角分布相对平均；ZK1中粉砂岩和泥岩为主，岩石相对较软，节理倾角相对较缓，陡倾角节理主要存在于硬质岩中。

定向钻施工方向近垂直于场区主要节理的走向，节理倾角变化范围较大，浅埋条件下陡倾角的节理也可产生大量影响工程施工的碎块，定向钻埋设层位应尽量避开陡倾角节理发育的地段。

2.5 不良地质体分析

穿越区不良地质体较为发育，主要表现为层间剪切带、黄铁矿富集带、煤线或薄层黑色碳质泥岩和断层破碎带4种，定向钻施工应尽量规避这些不良地质体。

钻孔ZK1孔深14.3～37.0m为灰～灰黑色粉砂质泥岩，有水平层理，夹黑色碳质泥岩、粉砂岩；37.0～47.4m为深灰色条带状泥质粉砂岩，两种岩石的饱和抗压强度差别较大，工程施工时可形成层间剪切带，造成偏压和剪切破坏，形成掉块，造成卡钻。

ZK3孔深22.1～24.0m处发现侵染状黄铁矿，其黄铁矿含量达到80%，形成黄铁矿富集带，其磁性可能影响定向钻导向仪器，使钻进偏离设计线路。

ZK1孔深24.8～25.2m、29.3～29.8m和30.3～31.0m，ZK3孔深33.05～34.15m，ZK5孔深13.70～14.35m处岩石均为煤线或薄层黑色碳质泥岩，为软弱夹层，在施工扰动作用下可形成局部临空，导致定向钻孔缩径。

ZK1孔深52.6～54.2m，ZK2孔深46.5～48.0m、50.2～52.2m，ZK4孔深37.0～40.2m处岩石极为破碎，在ZK1孔深52.6～53.2m处发现灰白色断层泥，综合判断这些深度段为断层破碎带，在该深度段的施工可产生塌方和掉块，造成卡钻。断层泥XRD（X射线衍射分析）试验结果显示，其黏土矿物总含量为71.3%，其中10%为蒙脱石，90%为高岭土，可不考虑其膨胀性对施工的影响［10-11］。

2.6 定向钻最优深度确定

定向钻埋设深度应根据工程特点，综合考虑地质岩性、岩体完整程度、不良地质体分布及围岩稳定性等因素进行确定。

根据相关规范要求和实际工程特点，以10m为间隔，划分不同的定向钻埋深迹线。管道轴线由浅到深共划分5条拟穿越线路，其在江底水平段的埋深取值分别为18m、28m、38m、48m和58m。

对不同埋深管道穿越区域影响定向钻施工的主要因素进行统计，包括钻孔岩性、节理倾角、节理数量、RQD值、岩芯短柱长度和短柱个数。统计范围为管道埋深处上下各0.5m的区域。由于统计参数数值分布的离散性，本工程采用加权平均的方法进行统计，取各参数的加权平均值，即：

式中：R——统计参数的加权平均值；L1,L2,…,Ln——各钻孔统计段的长度；n——统计钻孔的数量。

统计结果见表2，由表2可以看出，定向钻水平段埋深58m可能遇到ZK153m深度上向江中N倾斜的断层；48m的平均RQD值最大，但其节理数量、3～8cm短柱个数较多，对施工影响较大；38m深度的平均RQD值较小，但其节理数量较少，短柱个数最少，柱长一般小于3cm，有利于定向钻的钻进；28m深度迹线穿越ZK3时距离孔深22.1～24.0m处的黄铁矿富集带较近，定向钻导向系统难免受影响；18m深度由于风化卸荷影响岩体破碎，RQD值偏低。

综合以上研究，38m的管道埋深，既可避免上部风化带岩体和各类不良地质体的影响，也可避免施工中出现过量的大碎块，为管道埋设的适宜深度。

3 应用效果

自2009年8月28日至2010年4月28日，中-俄原油管道黑龙江穿越工程顺利完工。由于前期工程勘察和地质条件研究的深入开展，工程建设对可能出现的各类地质问题制定了有针对性的处理措施。工程采用夯套管隔离方法解决了两端约70m的卵砾石层可能带来的卡钻问题；采用19m大开挖方法，深埋套管，消除了破碎岩石的阻隔。

表2 不同深度管道埋深地质条件统计

工程施工过程中，局部塌方、大块岩石掉落时有发生，泥浆携带出大量大块碎石严重损耗了工程机械。钻至300m时，地下黄铁矿的磁场仍对工程产生了一定的干扰。施工人员密切关注岩屑变化，有针对性地改进施工机械，采用人工布控磁场方法等将这些问题解决，为管道的顺利穿越创造了条件。

工程实际钻进表明，38.0m的管道埋深较好地避免了风化卸荷带、深部断层带等潜在不良地质问题的影响，为工程的顺利完工打下了坚实的基础。

4 结论

前期场区工程地质条件的深入研究和管道适宜埋深的正确判断，为中-俄原油管道黑龙江穿越工程建设的顺利开展创造了有利的条件，类似重大定向钻穿越工程中也应积极开展相关研究工作，将地质风险的影响降低到最小。

黑龙江定向钻穿越场区内岩性差异较大，且岩体软硬不均，施工中应密切关注岩性的变化，防止定向钻孔跑偏或者回拖台阶的出现。

场区内分布的岩体完整程度差，节理裂隙极其发育。除硅质胶结较好，其他泥质、钙质胶结的块体间结合程度较差，施工中应防止掉块造成的卡钻。

场区内不良地质体发育较多，38.0m是较为适宜的管道埋深。施工过程中应密切关注岩屑、施工参数等的变化，判定是否存在不良地质体及其性质和规模，尽量细磨、少扰动。

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In the China-Russia crude oil pipeline crossing Heilongjiang River project，appropriate cover depth had a bearing on the smooth progress of the construction. Based on the analysis and comparison of geological survey data，the characteristics of tectonic background were analyzed. The development of the exposed bedrock joints was obtained through the field geological survey. The characteristics of rock joints and the development of ill geologic bodies were obtained by the statistical analysis of the drill core. The physical and mechanical properties of rocks were obtained by laboratory tests of the core. The appropriate cover depth of the pipeline was determined by means of the comprehensive analysis method of the weighted mean of parameters. The actual drilling showed that 38.0m cover depth avoided the effects of weathering burden zone，deep faulted zone and other potential unfavorable geological conditions. The evaluation of the appropriate cover depth could provide reference for major projects adopting the directional drilling technology.

Optimal Cover Depth of the Directional Drilling for the China-Russia Crude Oil Pipeline Crossing Heilongjiang River

Wu Fengbo，et al.

TE973.4

A

1004-2970（2011）05-0007-05

吴锋波等. 中-俄原油管道黑龙江穿越工程定向钻最优深度的确定. 石油规划设计，2011，22（5）：7～11

* 吴锋波，男，2005年毕业于西安科技大学地质工程专业，获学士学位，中国科学院地质与地球物理研究所在读博士生。主要从事软岩硬土、工程地质勘察、风险评估研究。地址：北京市朝阳区北土城西路19号，100029。E-mail：wufengbo820424@163.com

国家自然科学基金面上项目，40972198

2010-09-15

郜婕