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管道定向鑽穿越施工的可行性分析

   摘要:簡述了定向鑽穿越的施工特點及可行性分析方法,對於給定的管道穿越工程,特別是針對複雜地質條件下的長距離大口徑管道穿越,給出了可以采用定向鑽穿越的基本範圍條件,可為工程施工方案的選擇提供借鑒 .

    1 前言 目前水平定向鑽穿越已經應用於多個行業的施工過程中,如石油、自來水、電力電訊等,成為比較成熟的非開挖穿越技術。近年來,世界範圍內定向鑽穿越技術得到了新的發展,特別是在石油天然氣管道建設中,大直徑的如Ф1220管道、長距離的如2km長管道都已經成功穿越。在我國,采用定向鑽技術完成了長江、黃河等大型河流及海域的管道穿越工程,創造了一係列穿越世界紀錄。

    2 定向鑽施工特點和可行性分析水平定向鑽進管道鋪設技術是在不清除地麵障礙物的情況下,管道從障礙物的底部地下穿越,與其它管線鋪設方法相比它對環境影響小,障礙物下管線覆蓋深度大,對管線保護的效果好。由於不需要清除地上障礙物,並且施工現場恢複工程量較小,可以減少工程建設投資。但是管線采用定向鑽穿越施工受許多條件的製約,在穿越過程中存在不可預測的因素,一旦穿越失敗將帶來不可挽回的損失。

管道水平定向鑽穿越包含鑽導向孔、擴孔和管線預製、回拖等步驟,鑽導向孔是沿著穿越曲線鑽出一個小直徑的孔,然後采用不同規格的擴孔器對導向孔進行一遍或多遍擴孔,以達到需要的孔徑,最後將預製完的成品管線回拖入孔內,在全部施工過程中泥漿起非常關鍵的作用。

對於給定的管道穿越工程,能否采用定向鑽施工主要應考察兩個方麵:即技術和經濟方麵。在技術方麵,首先要通過工程物探和鑽探等手段對管道擬選路由區的地質狀況進行詳細勘察,其目的是了解地形地貌特征,基岩埋設深度和沉積層(特別是礫石層)結構與厚度特征,各土層的物理力學特征,路由區地基土的穩定性情況,以及區內存在的災害地質特征等。為定向鑽穿越可行性分析提供基本數據:地層結構中各種土質的分類;砂礫質物等各成分的分布曲線;岩芯中岩石的品質、抗壓強度、硬度。在經濟方麵,比較定向鑽穿越與其它方法穿越的費用,在達到同一穿越效果情況下,如果定向鑽穿越的費用低則在經濟上就是可行的。下麵主要討論如何進行定向鑽穿越技術方麵的分析。

    3 技術可行性分析定向鑽穿越要在技術方麵可行,關鍵是在穿越區域地下形成一個穩定的孔道保證管線能夠順利回拖,或地下土層已經成為流質使管線能夠順著這些流質在外力作用下得以回拖。但整個穿越段都是理想流質的情況比較少見,而且局部可能存在異物引起管線防腐層破壞,因此都要求管線回拖前有一個成形孔道,並向孔道中注入性能合適的泥漿。如果在回拖過程中該孔道能夠保持暢通,回拖時作用在管線、鑽杆上的最大應力和鑽機設備上的載荷都在允許範圍內,采用定向鑽穿越就是可行的。因為穿越工程變化多樣,並不存在明確的標準能說明定向鑽穿越是否可行,而且還決定於施工單位的技術裝備和經驗。為了簡便起見,分析穿越的技術可行性可通過與以往工程中的基本參數進行比較,即地層狀況、穿越長度、直徑,這三個因素作用在一起將很大程度上決定定向鑽穿越的可行性。

   首要考慮的因素是地層狀況,其中兩種地層最不利於穿越,即高礫石含量的礫質地層、強度和硬度特別高的岩石。地層中含有礫質成分太多時成孔難度大,因穩定性差不易被鑽削成孔或成孔後局部塌方,並滯留於孔中不易被泥漿帶走,成為鑽頭、擴孔器鑽進和管線回拖時的障礙物。高強度和硬度的岩石同樣是穿越的障礙,鑽孔、擴孔速度特別慢,對鑽杆、鑽具要求高,鑽進方向控製困難;相反,特別容易破碎的岩石象礫質一樣給成孔帶來不穩定的因素。地層狀況與穿越可行性關係見表1。

管道穿越的路由地質情況可能相當複雜,不同區段含有不同的成分,盡管對穿越曲線優化設計,有時也將通過不利於穿越的地層,能否穿越決定於該地層穿越長度、連續性及在整條穿越曲線中位置,如改變幾類地層排列順序將使穿越情況完全發生改變。另外,對地層狀況認識是建立在分析鑽探岩芯性質的基礎之上,由於鑽探調查是非連續地進行,而管線穿越沿設計曲線連續進行,在實際穿越中可能遇到意想不到的地層,施工前需充分考慮各種因素。

穿越長度和管徑主要受鑽機和鑽具的能力限製,因為在鑽導向孔過程中,鑽杆存在彈性使穿越長度不能無限延長,而且隨著穿越長度的增加,對鑽頭的鑽進方向的控製能力逐步減弱,導向孔很難按設計的穿越曲線完成。要實現成品管線的回拖,孔徑需擴至管徑的1.2~1.5倍,這樣對於大口徑管線穿越,對堅硬地層進行擴孔作業時扭矩非常大,鑽杆強度有時不能滿足要求;在表2管道定向鑽穿越長度和直徑最大的工程礫質、砂質地層情況下,徑越大的孔道越難維持穩定狀態而易出現塌方,這些因素限製了大直徑管線的穿越。表2列出了目前已經完成的穿越長度和直徑的最大紀錄,分析定向鑽穿越可行性時可與之比較。

對於複雜地質條件下的長距離大口徑管道穿越工程,必須將地層狀況、穿越長度、管道直徑這三個因素綜合考慮,在目前的技術和裝備條件下分析能否采用定向鑽穿越施工,可參考表3複雜地層狀況下穿越管徑、長度可利於管道的永久保護。但是能否進行定向鑽穿越受行性表。許多因素的限製,需對特定管道工程的穿越可行性進行分析,通過對地層狀況、穿越長度、管道直徑三個主要因素進行分析,從技術角度給出了可以進行油氣管道穿越工程采用定向鑽鑽進技術確為非穿越的基本範圍條件,可為分析定向鑽穿越可行性常好的方案,可以節省工程投資,縮短施工周期,有時提供一定指導。


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