定向钻夯套管技术应用与研究

马驰

摘  要：定向钻穿越随着管道建设步伐快速，技术日趋成熟，但是复杂卵石层长距离穿越夯套管技术仍然是国内工程建设的难点，夯套管及配套技术仍是工程设计和建设人员需要研究的课题。这些技术在锦郑成品油管道工程六股河穿越实践中得到的成功应用。文章从定向钻施工工艺角度对上述关键技术进行论述研究，为今后管道长距离穿越卵石层设计和施工提供了宝贵的经验。

关键词：定向钻  卵石层 长距离 夯套管

一、引言

定向钻穿越作为十分成熟的非开挖技术广泛应用于管道建设中，但长距离穿越卵石层一直被视为定向钻穿越的禁区。六股河穿越出、入土端卵石层厚度近20m，两侧均采用夯套管隔离方式[2]，钻杆直接在钢套管中心定位器中钻进，确保工程顺利实施。

二、工程地质

锦州—郑州成品油管道工程六股河定向钻穿越曲线夯套管部分主要在卵石层通过，卵石层地质条件如下：

②卵石：黄褐色，中密～密实，稍湿～饱和，母岩成分部分以花岗岩砂岩为主，磨圆度较好，呈圆棱状及亚圆状，一般粒径为30mm～40mm，最大为70mm，主要为粗砂充填。揭露厚度17.30m～23.80m，层底深度18.20m～26.30m，层底标高-16.99m～-10.30m。

三、夯套管工艺计算

3.1  夯进长度计算

对于采用夯套管隔离地层设计，套管允许夯进长度估算如下[3]。

式中：L—允許夯进最大长度（m）， F—夯管锤提供最大进力（kN），

N—套管迎面阻力（kN），D—套管外径（m），

F—每延米套管外壁与土壤平均摩阻（kpa）

R—套管切屑环外径（m），t—套管切屑环厚度（m），R—切屑环阻力（kpa）

设备的技术参数：直径-600mm-670mm;长度-3645mm;重量-4800kg;耗气量-50m³;冲击次数-180次/分;适用管径-380mm-4000mm;夯击力-2000吨/次;当最大压力达到8bar时瞬间可以产生2500吨/次的夯击力;经估算，夯管最大长度为144m，可以通过六股河卵石层。

3.2 钢套管壁厚和外径选择

式中：t—套管计算壁厚（mm）， F—夯管锤提供最大进力（kN），

K—钢管稳定系数，取0.36;D—钢套管外径（mm），δ—钢管规定屈服强度（MPa）

经计算，钢套管计算壁厚为18.6m，为了确保夯进过程顺利实施，选取壁厚为33mm;钢套管内径宜大于最后一级扩孔加300mm[2]，因此钢套管外径为D1219mm。

四 夯进套管方案

六股河出、入土端卵石层近20m深，选取钢套管规格为（D1219×33），理论上长度至少130m。设计上采取在地表沿钻进曲线方向开挖长约35m，深约5m作业坑，并采用入土角为12°，出土角为10°的对穿方案减少套管夯进长度[1];这样从作业坑底部至卵石层底部单侧夯套管长度仅77m，有效的降低施工成本，节省了施工周期。

4.1 夯套管工艺流程

夯套管作业工艺流程：设备进场-施工地基、安装导轨-吊装管体、夯管锤-紧固安装-试夯、测验-正常分进循环，正常分进循环阶段分别进行推土和竣工验收，竣工验收同时进行资料整理和现场整理。夯套管前先用钢板桩支护一个长15m、宽3m的一个工作坑，支护面为三个;开挖出一个斜坡（坡度与入土角或出土角一致），并在斜坡上安装一个套管导轨;安装好气动夯管锤，各设备装置进行试机正常后开始作业，将套管夯至目标深度。

4.2、安装导轨

将夯管工作底面夯实，上铺20mm渣石垫底层， 保持正确的倾角，下面均匀铺垫一层管排或钢板，在上面铺设预先割好的45号工字钢按照800mm的间距以（工）型平行放置在工作坑的地基上，铺设45号工字钢两根单根的长度为2m ，制定两条导轨的中心线，放置导轨后再精确校正。将45号工字钢两侧分别夯入1m长的地锚两根， 地锚入土不能低于700mm，测量无误后再与45号工字钢焊接牢固。由于钢管轨迹设计为水平，因此，槽钢作为导向轨道，必须平直无弯曲。用水准仪多点测量控制槽钢的水平，再根据需要的水平角度调节导轨的倾角。

4.3、铺管

按工作平台长度，将套管第一根前端安装好切削环。将第一根钢管和夯管锤安放在轨道上，用张紧器将夯管锤通过锥套与钢管连为整体。安装完成后，检查钢管的所需的倾角、垂直位置。送风后夯管锤即开始工作。第一根管操作上应缓慢开启注油器、控制空气量，采用“轻锤慢进”，防止钢管和夯管锤一起往复串动。钢管夯进土层30cm-50cm后，停锤校核钢管位置，无误后，再继续轻锤夯进2m～3m，再次校核钢管位置，继续采用“轻锤慢进”参数将第一根管夯入土层。

4.4、焊接

焊接前应检查两钢管的倾角、垂直位置及两管的同轴情况。钢管焊接好后，夯管锤送风工作，此时完全打开注油器阀进入正常参数夯管。直至第二根管进入土层，校核导轨位置，吊装第三根管，再校核钢管对接情况，焊接、夯管，如此循环，直至钢管进入到岩石层。

4.5、夯管方向的控制

导轨的稳固性是方向正确性是最关键的。对于硬基底，可只填碎石并捣实，对软地层基底可浇注混凝土垫层，保证在夯管过程中，锤的震动力不至于引起导轨下沉。

套管取土采用卷扬机分段进行人工取土。

4.6 中心定位器安装

由于钢套管（D1219mm）的存在，为了保证钻杆推力，需在钢套管内安装中心定位器，使钻杆获得支撑并居中。具体做法是在套管中安装一个与套管内径相匹配的中心定位器，中心用12”的钢管，钢管四周每隔10m焊上6块定位支撑钢板，保证钢管位于套管的中心，主要用于钻杆的支撑，中心定位器安装。

本工程采用钻头、泥浆马达在中心定位器前端，边钻进边安装定位器，当钻进1～2根钻杆后，检查各部位运行情况，各种参数正常即可正常钻进。

五、结论

锦郑管道六股河定向钻穿越2015年3月开始实施，10月份结束，历时近7个月。工程穿越采用两侧夯套管隔离技术，尤其是开挖两侧作业面，增加出、入土角度以减少夯套管长度，采用中心定位器有效确保钻进曲线精度，关键技术得到实践的成功检验，节省工程投资约460万元，提前35天完工，最主要的是对同类穿越工程具有十分现实的指导意义。

中油辽河工程有限公司  辽宁盘锦