水平定向钻穿越湘江复杂卵石地层关键技术

张 庆， 邹 军， 赵玉落， 余亦斌

(1.武汉市燃气热力规划设计院有限公司，湖北武汉430019;2.中石油昆仑燃气有限公司宁夏分公司，宁夏银川750021)

1 概述

目前国内输气管道在穿越大型河流时多采用水平定向钻的方式进行穿越，该技术已趋成熟，穿越长度、穿越复杂地层不断刷新记录。但受地形、地貌以及河流特殊地质等条件的影响，水平定向钻也存在一些技术难题，特别是长距离穿越卵石、圆砾地层就是一大难题。本文以某工程采用水平定向钻穿越湘江为例，对解决上述难题的关键技术套管隔离卵石层、定向钻双向对钻中间对接、配置专用泥浆穿越圆砾层等方面进行分析和探讨。

2 工程概况

某输气管道在湖南省境内穿越湘江，湘江河面宽约1 090 m。输气管道公称直径为400 mm，设计压力为4.0 MPa，定向钻穿越水平长度为1 408 m，管道穿越深度位于河床以下30～40 m。

2.1 工程地质条件

拟穿越湘江河段勘察深度范围内工程地质剖面见图1，图1中标高单位为m。该地质对水平定向钻穿越适宜性较差。

由图1可知,穿越西岸和东岸均有不同深度的卵石层，西岸卵石层埋深约27 m，垂直厚度约为8 m；东岸卵石层埋深约10 m，垂直厚度约为5 m。卵石层粒径2～20 mm的砾石体积分数为20%左右，粒径2～5 cm的卵石体积分数为40%～50%，少数粒径达7～8 cm；卵石母岩成分主要为石英质砂岩、硅质岩和砂岩等，胶结性差，级配较差。圆砾层粒径2～20 mm的砾石体积分数为30%～50%，粒径2～5 cm的卵石体积分数为10%～20%，极个别最大粒径达7～8 cm，中粗砂体积分数约30%，胶结性差，级配差。

图1 工程地质剖面

2.2 穿越风险

为满足穿越管段曲率半径要求，并避免后期可能出现的采砂、抛锚或其他因素的影响，穿越水平段埋设在第6层圆砾层较为合理，管顶最小埋深约30.2 m。

穿越上述不良地质场地会给定向钻穿越带来较大风险，故在项目前期经过多方面的技术论证和方案比选。本次实施的穿越风险主要体现在以下几个方面。

① 卵石层厚度大、埋深大，夯管长度大。为解决水平定向钻穿越卵石层无法成孔的问题，采用夯套管隔离卵石层的方式，西岸入土端套管长度达154 m，东岸出土端套管长度为68 m。

② 水域穿越长度大，导向孔方向控制难度大。从西岸入土点到东岸出土点，穿越水平长度达1 408 m，且穿越地层复杂，主要为卵石层、中砂层、圆砾层。

穿越两岸均需设置钢套管隔离卵石层，钢套管对定向钻地磁场影响非常大；且湘江为二级通航河流，穿越设计曲线附近船舶航行及抛锚频繁，均会对定向钻磁场产生干扰，导致定向钻导向孔方向控制难度大。

③ 圆砾层砾石含量高，导向孔成型难度大；穿越长度大，穿越风险高。本工程圆砾层砾石、卵石总体积分数达40%～70%，胶结性差，级配差，导向孔成型难度大，且穿越管道有820 m需穿越圆砾层，穿越风险高。

输气管道穿越湘江剖面见图2，图中套管外直径均为1 016 mm。

图2 输气管道穿越湘江剖面

3 定向钻穿越关键技术分析

3.1 套管隔离卵石层

目前国内定向钻穿越卵石层常用的技术处理措施[1]主要为开挖换填法、注浆固化法和套管隔离法等。

开挖换填法是将两岸所要穿越的卵石层挖除后，密实回填一种定向钻更适合的土质(如黏土)，再进行钻孔和回拖，该方法主要适用于卵石层埋深较浅、地下水位较低、地质良好的地段。

注浆固化法是采用水泥砂浆注浆，使卵石层固化成一个整体，然后再进行定向钻施工穿越，该方法最大风险在于固化土体仍然软硬不均，钻头钻进困难，且注浆对环境影响较大。

套管隔离法主要是采用夯管锤将套管沿一定角度(一般为定向钻钻杆钻进角度)夯进到一定长度(穿越过卵石层)，起到将卵石层隔离的作用。夯管锤在压缩空气驱动下产生的较大冲击力直接作用在套管后端，传递到套管前端的钢质切削管头切入土体，并克服土层与套管的摩擦力，使套管不断进入地层。被切削的土芯进入套管内，然后采用人工、搅笼、水力冲击等方法进行土芯清除，从而完成套管隔离卵石层的目的。然后主管道在套管内进行定向钻钻进，从而完成整个定向钻穿越过程。

本工程鉴于卵石层埋深较深、地下水位较高、距离湘江较近，采用套管隔离卵石层的方法比较稳妥。本次夯进距离太长，夯进过程中采用触变泥浆、石蜡等减阻技术，确保工程顺利实施。

根据套管内直径宜大于最后一级扩孔直径300 mm的原则，套管选用外直径为1 016 mm、壁厚26.2 mm、材质为L485M(X70)的直缝双面埋弧焊钢管。定向钻入土端卵石层埋深最深、厚度最大，所需套管最长。入土端选择13°入土角，套管长154 m。

根据夯管锤最大夯进力计算公式[2]，计算得到本工程夯管锤最大夯进力为12 833 kN，考虑设备1.5～2倍的安全系数，夯管锤最大夯进力按2×104kN考虑。本工程所选TT600型夯管锤主要技术参数见表1,其中压缩空气最大压力达到0.8 MPa时,可瞬间产生2.5×104kN/次的夯击力。

表1 TT600型夯管锤主要技术参数

本工程西岸定向钻入土端夯管于2019年11月20日开工，12月16日结束，历时27 d。套管长154 m，平均夯进速度为18～24 m/h，套管内土芯采用人工清除方式，耗时较长。隔离套管夯管顺利，达到设计预期效果。

3.2 定向钻双向对钻中间对接技术

传统水平定向钻单向穿越施工中，由于受到穿越地层的阻力，钻机的推进力和扭矩增大，尤其是在长距离、复杂地质、穿越两端安装钢套管等情况下，定向钻穿越导向孔方向控制会变得非常困难，尤其是钢套管对定向钻地磁场影响非常大，经常造成导向孔与设计穿越曲线偏移，以及钻头难以抬头的情况，造成施工风险甚至安全事故。因此在本工程的水平定向钻穿越中，传统单向穿越的局限性已无法保证穿越的成功率，需要采用更先进的双向对钻中间对接技术解决工程难题。

双向对钻中间对接技术[3]是在水平定向钻单向穿越技术的基础上进行了技术改进，在穿越出、入土点各设置一台钻机，两台钻机同时按设计穿越曲线进行导向孔施工，采用更加精准的人工磁场导向控向，增大穿越的成功率。本次定向钻穿越入土点钻机HK-450作为主施工钻机，出土点钻机HK-300作为辅助施工钻机，采用Paratrack II控向系统和磁信号电缆，对接点设置在与入土点水平距离约800 m处，对接点前、后50 m范围内为对接区域。辅助钻机抵达对接区域时，启动钻头短节内安装的目标磁铁，引导主钻机的钻头钻进。两台钻机相互协调工作，直至主钻机的探头与辅助钻机的目标磁铁碰头，即完成导向孔的对接。对接成功后，辅助钻机逐步回退钻杆，同时，主钻机一边采集辅助钻机目标磁铁的磁信号，一边利用采集的磁信号控制钻进方向，使之逐步向辅助钻机已形成的导向孔平缓趋进，直至沿辅助钻机已完成的导向孔出土，完成整个导向孔的穿越。

3.3 定向钻穿越圆砾层的技术措施

根据目前国内水平定向钻穿越的技术水平，适合采用定向钻穿越的地层有：粉土、粉质黏土、粉细砂层、中砂层、较完整且天然单轴抗压强度小于80 MPa的岩石层、粒径2 mm以上颗粒体积分数小于30%的砾砂层。穿越有一定难度和风险，但采取措施可以穿越的地层有：松散状砂土、粗砂层、粒径2 mm以上颗粒体积分数为30%～50%但胶结较好的砾砂层。不应长距离穿越的地层有：卵石层、砾石层、粒径2 mm以上颗粒体积分数为30%～50%但胶结差的砾砂层。

本工程圆砾层中砾石、卵石总体积分数为40%～70%，胶结差，已超出目前国内传统定向钻穿越水平，穿越风险更高。长距离穿越圆砾层会给定向钻穿越带来的风险：穿越圆砾层时，导向孔成型难度大，钻头很难按照预定轨迹行进，偏离设计曲线；扩孔时，较大粒径的砾石坍塌，扩孔器易被卡住；钻具无法将孔内活动的碎石有效磨碎利用循环泥浆排出孔外，孔内有效空间缩小，回拖时孔内管道与钻屑会相互挤压，导致回拖力加大，造成管道变形、防腐层破坏，甚至回拖不动造成穿越失败。本文针对圆砾层这种复杂地质配置专用优质泥浆，确保成孔性能，防止塌孔、钻屑堆积、卡钻等事故的发生。同时为防止定向钻回拖中损伤管道防腐层，在管道外壁裹覆CND光敏固化玻璃钢保护套，解决防腐层保护问题。

3.3.1 泥浆

① 泥浆性能

a.良好的剪切稀释性。在钻头泥浆喷射孔处剪切速率高，泥浆变稀，能够充分发挥钻头的钻进能力，有利于提高破岩效率；在环形空间内剪切速率低，泥浆变稠，能够充分悬浮钻进或扩孔过程中产生的大颗粒钻屑，有利于提高携带效率。

b.良好的触变性。在泥浆泵停止循环时，泥浆切力增大，有利于钻屑悬浮，避免在钻孔底部形成岩屑床，影响钻孔施工质量及安全。

c.在成孔不稳定段采用高固相高性能泥浆，增强泥浆结构力，以提供极大的孔壁支撑能力。

d.良好的滤失性和护壁性能。由于地层易水化和成孔的不稳定性，减少泥浆的滤失量和提高泥浆的护壁性能有助于解决泥包现象和孔壁坍塌现象。

② 泥浆组成和性能指标

泥浆主要组成材料为膨润土、纯碱、烧碱、提粘降滤失剂和水，膨润土、纯碱、烧碱、提粘降滤失剂的质量分数分别为4%、0.05%、0.1%、1.25%。各材料功效：膨润土：提高动切力、静切力，控制失水；纯碱、烧碱：调节pH值，去除钙镁离子；提粘降滤失剂：提高静置悬浮能力，提高泥浆孔壁支撑力，降低泥浆滤失量，解除钻具泥包现象。

泥浆滤失量<10 ml, pH值≥11,含砂量(体积分数)<3%。

③ 泥浆性能监测

为了随时监测泥浆性能，成立现场泥浆实验室，配备了泥浆旋转黏度计、含砂量测量仪、漏斗黏度计等测量器具，用于测量泥浆的性能参数。施工作业现场储浆罐中泥浆监测周期为2 h，返浆口和经固控回收系统(通过振动筛、旋流除砂器、离心机等固控装置，充分去除泥浆中的无用固相，保证泥浆可以循环再利用)处理后的返浆监测周期为4 h。根据泥浆性能监测结果，当泥浆性能下降较快时应加密监测频率，通过漏斗添加适量泥浆主要组成材料调节泥浆性能，直至泥浆达到正常性能要求。

3.3.2 CND光敏固化玻璃钢保护套

圆砾层中砾石含量较高，粒径较大，极个别最大粒径达7～8 cm。为防止定向钻回拖中损伤管道防腐层，采用管道防腐层外壁裹覆CND光敏固化玻璃钢保护套。CND光敏固化玻璃钢是环氧-聚氨酯光敏树脂胶与玻璃丝布在高温下浸润24 h以上形成，材料结构组成为2层玻璃丝布+2层布毡复合编织增强纤维+5层环氧-聚氨酯光敏树脂胶。作为穿越管道的最外层保护，其具有高强度、高硬度、耐划伤、抗阴极剥离的优异性能。CND光敏固化玻璃钢主要技术性能指标见表2。

表2 CND光敏固化玻璃钢主要技术性能指标

CND光敏固化玻璃钢保护套裹覆施工简单，其内侧显示黑色膜，外侧显示透明膜，黑色膜面朝向管道，透明膜面朝外包裹在管道上，在阳光或紫外线灯照射下，20～30 min即可使CND光敏固化玻璃钢完全固化。