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管道定向鉆穿越施工的可行性分析 1 前言 目前水平定向鉆穿越已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)的施工過(guò)程中，如石油、自來(lái)水、電力電訊等，成為比較成熟的非開挖穿越技術(shù)。近年來(lái)，世界范圍內(nèi)定向鉆穿越技術(shù)得到了新的發(fā)展，特別是在石油天然氣管道建設(shè)中，大直徑的如Ф1220管道、長(zhǎng)距離的如2km長(zhǎng)管道都已經(jīng)成功穿越。在我國(guó)，采用定向鉆技術(shù)完成了長(zhǎng)江、黃河等大型河流及海域的管道穿越工程，創(chuàng)造了一系列穿越世界紀(jì)錄。 2 定向鉆施工特點(diǎn)和可行性分析水平定向鉆進(jìn)管道鋪設(shè)技術(shù)是在不清除地面障礙物的情況下，管道從障礙物的底部地下穿越，與其它管線鋪設(shè)方法相比它對(duì)環(huán)境影響小，障礙物下管線覆蓋深度大，對(duì)管線保護(hù)的效果好。由于不需要清除地上障礙物，并且施工現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)工程量較小，可以減少工程建設(shè)投資。但是管線采用定向鉆穿越施工受許多條件的制約，在穿越過(guò)程中存在不可預(yù)測(cè)的因素，一旦穿越失敗將帶來(lái)不可挽回的損失。 管道水平定向鉆穿越包含鉆導(dǎo)向孔、擴(kuò)孔和管線預(yù)制、回拖等步驟，鉆導(dǎo)向孔是沿著穿越曲線鉆出一個(gè)小直徑的孔，然后采用不同規(guī)格的擴(kuò)孔器對(duì)導(dǎo)向孔進(jìn)行一遍或多遍擴(kuò)孔，以達(dá)到需要的孔徑，最后將預(yù)制完的成品管線回拖入孔內(nèi)，在全部施工過(guò)程中泥漿起非常關(guān)鍵的作用。 對(duì)于給定的管道穿越工程，能否采用定向鉆施工主要應(yīng)考察兩個(gè)方面：即技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面。在技術(shù)方面，首先要通過(guò)工程物探和鉆探等手段對(duì)管道擬選路由區(qū)的地質(zhì)狀況進(jìn)行詳細(xì)勘察，其目的是了解地形地貌特征，基巖埋設(shè)深度和沉積層（特別是礫石層）結(jié)構(gòu)與厚度特征，各土層的物理力學(xué)特征，路由區(qū)地基土的穩(wěn)定性情況，以及區(qū)內(nèi)存在的災(zāi)害地質(zhì)特征等。為定向鉆穿越可行性分析提供基本數(shù)據(jù)：地層結(jié)構(gòu)中各種土質(zhì)的分類；砂礫質(zhì)物等各成分的分布曲線；巖芯中巖石的品質(zhì)、抗壓強(qiáng)度、硬度。在經(jīng)濟(jì)方面，比較定向鉆穿越與其它方法穿越的費(fèi)用，在達(dá)到同一穿越效果情況下，如果定向鉆穿越的費(fèi)用低則在經(jīng)濟(jì)上就是可行的。下面主要討論如何進(jìn)行定向鉆穿越技術(shù)方面的分析。 3 技術(shù)可行性分析定向鉆穿越要在技術(shù)方面可行，關(guān)鍵是在穿越區(qū)域地下形成一個(gè)穩(wěn)定的孔道保證管線能夠順利回拖，或地下土層已經(jīng)成為流質(zhì)使管線能夠順著這些流質(zhì)在外力作用下得以回拖。但整個(gè)穿越段都是理想流質(zhì)的情況比較少見(jiàn)，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(gè)成形孔道，并向孔道中注入性能合適的泥漿。如果在回拖過(guò)程中該孔道能夠保持暢通，回拖時(shí)作用在管線、鉆桿上的最大應(yīng)力和鉆機(jī)設(shè)備上的載荷都在允許范圍內(nèi)，采用定向鉆穿越就是可行的。因?yàn)榇┰焦こ套兓鄻?，并不存在明確的標(biāo)準(zhǔn)能說(shuō)明定向鉆穿越是否可行，而且還決定于施工單位的技術(shù)裝備和經(jīng)驗(yàn)。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，分析穿越的技術(shù)可行性可通過(guò)與以往工程中的基本參數(shù)進(jìn)行比較，即地層狀況、穿越長(zhǎng)度、直徑，這三個(gè)因素作用在一起將很大程度上決定定向鉆穿越的可行性。 首要考慮的因素是地層狀況，其中兩種地層最不利于穿越，即高礫石含量的礫質(zhì)地層、強(qiáng)度和硬度特別高的巖石。地層中含有礫質(zhì)成分太多時(shí)成孔難度大，因穩(wěn)定性差不易被鉆削成孔或成孔后局部塌方，并滯留于孔中不易被泥漿帶走，成為鉆頭、擴(kuò)孔器鉆進(jìn)和管線回拖時(shí)的障礙物。高強(qiáng)度和硬度的巖石同樣是穿越的障礙，鉆孔、擴(kuò)孔速度特別慢，對(duì)鉆桿、鉆具要求高，鉆進(jìn)方向控制困難；相反，特別容易破碎的巖石象礫質(zhì)一樣給成孔帶來(lái)不穩(wěn)定的因素。地層狀況與穿越可行性關(guān)系見(jiàn)表1。 管線穿越的路由地質(zhì)情況可能相當(dāng)復(fù)雜，不同區(qū)段含有不同的成分，盡管對(duì)穿越曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)，有時(shí)也將通過(guò)不利于穿越的地層，能否穿越?jīng)Q定于該地層穿越長(zhǎng)度、連續(xù)性及在整條穿越曲線中位置，如改變幾類地層排列順序?qū)⑹勾┰角闆r完全發(fā)生改變。另外，對(duì)地層狀況認(rèn)識(shí)是建立在分析鉆探巖芯性質(zhì)的基礎(chǔ)之上，由于鉆探調(diào)查是非連續(xù)地進(jìn)行，而管線穿越沿設(shè)計(jì)曲線連續(xù)進(jìn)行，在實(shí)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(zhǎng)度和管徑主要受鉆機(jī)和鉆具的能力限制，因?yàn)樵阢@導(dǎo)向孔過(guò)程中，鉆桿存在彈性使穿越長(zhǎng)度不能無(wú)限延長(zhǎng)，而且隨著穿越長(zhǎng)度的增加，對(duì)鉆頭的鉆進(jìn)方向的控制能力逐步減弱，導(dǎo)向孔很難按設(shè)計(jì)的穿越曲線完成。要實(shí)現(xiàn)成品管線的回拖，孔徑需擴(kuò)至管徑的1.2～1.5倍，這樣對(duì)于大口徑管線穿越，對(duì)堅(jiān)硬地層進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)時(shí)扭矩非常大，鉆桿強(qiáng)度有時(shí)不能滿足要求；在表2管道定向鉆穿越長(zhǎng)度和直徑最大的工程礫質(zhì)、砂質(zhì)地層情況下，徑越大的孔道越難維持穩(wěn)定狀態(tài)而易出現(xiàn)塌方，這些因素限制了大直徑管線的穿越。表2列出了目前已經(jīng)完成的穿越長(zhǎng)度和直徑的最大紀(jì)錄，分析定向鉆穿越可行性時(shí)可與之比較。 對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下的長(zhǎng)距離大口徑管道穿越工程，必須將地層狀況、穿越長(zhǎng)度、管道直徑這三個(gè)因素綜合考慮，在目前的技術(shù)和裝備條件下分析能否采用定向鉆穿越施工，可參考表3復(fù)雜地層狀況下穿越管徑、長(zhǎng)度可利于管道的永久保護(hù)。但是能否進(jìn)行定向鉆穿越受行性表。許多因素的限制，需對(duì)特定管道工程的穿越可行性進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)地層狀況、穿越長(zhǎng)度、管道直徑三個(gè)主要因素進(jìn)行分析，從技術(shù)角度給出了可以進(jìn)行油氣管道穿越工程采用定向鉆鉆進(jìn)技術(shù)確為非穿越的基本范圍條件，可為分析定向鉆穿越可行性常好的方案，可以節(jié)省工程投資，縮短施工周期，有時(shí)提供一定指導(dǎo)。