浅谈山区喀斯特地貌超长距离定向钻穿越施工管理难点与建议

胥锟

摘  要：随着国家和地方规划选址要求不断规范、穿越工程施工技术不断进步、管道本质安全建设水平不断提升，长输管道施工中穿越工程比例呈现快速上升趋势，复杂地质条件下的超长距离穿越施工愈发频繁。本文结合2021年新建项目施工管理经验，介绍在山区喀斯特地貌环境下开展超长距离定向钻穿越工程面临的管理难点，并提出参考建议。

关键词：成品油管道 山区 喀斯特地貌 超长距离 定向钻穿越

从1985年首次引进西方定向钻穿越技术顺利实施长输管道黄河穿越工程开始，近40年国内定向钻穿越施工迎来高速发展，越来越成为长输管道工程中解决选址矛盾、用地矛盾、降低安全环保风险的重要选项。目前我国自主研发的水平定向钻机已经达到国际领先水平，最长穿越长度5200米，最大钻孔埋深约120米，技术储备完整;由国家管网集团华南公司直接参与管理的长输管道定向钻穿越规模，从2011年长江穿越1027米，到2012年重庆南山穿越2200米，再到2019年湛江到北海穿越工程4071米，管理经验也不断积累，具备在复杂地址条件下运用超长距离定向钻穿越施工的内外部条件。本文以贵州白云某长输成品油管道穿越工程为例，重点介绍在山区段喀斯特地貌地质条件下超长距离穿越施工的管理难点及对策建议。

1 喀斯特地貌下定向钻穿越施工风险分析

贵州地区属典型喀斯特地貌，地下熔岩、裂隙、溶洞丰富，地质条件非常复杂，叠加白云山区因不同时期民间自采、盗采地下矿产所遗留的大量作业坑道，给定向钻穿越施工造成极大风险。定向钻穿越主要包括选线与勘察、施工准备、导向孔钻进与扩孔、管道回拖等关键环节，每个环节都面临重大风险挑战。

1.1 地质勘察阶段，在超长距离定向钻穿越工程中，不能有效运用地图资料、现场踏勘收集信息进行选址论证，避开既有溶洞、裂隙、采空区，没有科学选取地质勘查技术，造成地质条件重大误判、整体工期严重影响、勘察费用比例严重超支。

1.2 施工准备阶段，没有充分调研施工周边电力、给排水、道路、应急扩征用地预留等依托条件，造成施工准备严重超时，施工过程非必要中断，施工应急处置受到严重制约。

1.3 导向孔钻进与扩孔阶段，因钻头钻进岩石裂隙部位沿裂隙前进出现偏钻，或是遇大型溶洞与作业坑道出现掉钻，或是遇局部卵石层出现浮漂导致钻头偏移;因溶洞、裂隙或是裂隙发育地质溶蚀造成大量漏浆、不返浆;因喀斯特地貌丰富地下水系造成漏浆扩散引发生态环境灾害。此外卡钻、钻头磨损频繁、塌孔等风险较一般地质条件更加严重。

1.4 管道回拖阶段，因前述原因导致洗孔效果不好、损伤管道防腐层，或是管道在溶洞、坑道位置大段悬空造成应力集中、扭矩过大等致使回拖失败。

2 地质勘察

2.1 明确勘察目标

该工程穿越路径上方植被发育，为森林地带，根据收集的区域地形地质资料结合现场调查情况，判断该区域地层表层为砂岩，砂岩下部为含煤系地层，再往下为灰岩，灰岩溶蚀非常发育，往往有溶洞存在。勘察工作的主要目标锁定为定向钻穿越寻找稳定合适的地层。

2.2 确定勘察方案

本项目地处山区，钻探施工用水困难，需使用水车外运，现场交通不便，需要长距离搬迁钻探设备，并且工期紧急。制约本项目的工期和成本的主要因素是合理确定钻探工作量，在保证成果有效性的基础上力争采用最少的钻孔数量和最少的钻探深度来降低钻探工作量。考虑穿越路径上方地势相对平缓，适合展开物探工作，而且资料丰富，地面露头多，利于工程地质测绘，综合判断决定加强工程地质测绘和工程物探比重，有针对性确定钻探工作量。

2.3 工程地质测绘与物探

通过测绘研究发现，本地主要不良地质问题是岩溶问题，排除采空区塌陷对管道穿越的影响可能，初步确定定向钻的穿越地层，初步明确定向钻的穿越深度和最佳的出土入土点。采用高密度电阻率法布置1条纵向测线，垂直穿越中线布置7条横向测线，综合分析得出穿越段地层较为单一，上部为第四系冲洪积沉积的覆盖层，以黏性土为主，下部以灰岩为主，低阻异常位置推测为岩溶发育，需重点关注，为后期钻探的针对性提高进一步的依据。

2.4 工程钻探与钻孔摄像

结合测绘与物探结果，决定执行岩土工程勘察规范从紧要求，在可能存在不良地质情况的区段布置钻孔6个，并采用钻孔摄像提高录井准确度，直观观察岩溶缝隙发育情况、破碎带情况，对溶洞的分布及规模进行实景分析，有效判断岩体节理发育情况，保证所依据的外业资料更加准确可靠。

3 施工准备

3.1 预判道路与施工场地需求条件

根据《油气输送管道穿越工程施工规范》GB50424-2015的相关规定，回拖力计算按下式进行：

贵州白云管道穿越工程设计长度2600m，管道规格φ323.9×12mm，计算得出回拖力约500kN。根据既往施工经验，一般设计时取回拖力的值为计算回拖力的1.5—3倍，通常取3倍安全系数，但该项目考虑要顶进相当长度穿越套管，并预留充分的钻机储能应对复杂情况，最终选型回拖力为6000kN的钻机。该型钻机为现场组装，依据单个组件最大自重、车载轴距复核入场道路要求。经现场勘察，道路承重等级、转弯半径均不满足运输需求，遂提前在关键位置采取路面衬垫、加固以及临时修筑进场便道。

该施工场地位于已征地范围内，但征地面积有限，且场站作业与穿越作业同时施工。一方面必须要求设计单位在规划总平布置时，同步提出施工布置方案，避免交叉作业;另一方面各参建单位全部现场交底，明确施工干扰范围、水电布置走向。

3.2 摸查周边水源及最大给水量

山区段穿越施工无市政供水依托，喀斯特地貌条件下施工过程部分返浆和不返浆存在极大可能性，必须按照不返浆的极端情况进行日均用水量测算，并修建配套供水设施、蓄水池。该项目实际建设蓄水池容量200m?，建立了临时市政管线搭接、即有汇水井水收集、车载供水应急的综合保障体系。

3.3 规划应急用地扩征预留

喀斯特地貌穿越的另一个显著特征是透水，结合周边存在的地下开采历史迹象，要识别可能出现的大流量浑浊透水甚至毒害物质透出等极端情况，在入土侧、出土侧、穿越路径上方地形低点位置规划用于应急处置的扩征预留地，主要用于建设透水（透浆）回收、蓄积、过滤、沉淀池。

4 导向孔钻进

4.1 采取两端钻进、中间对接方式

因穿越距离长2657.3m，根据导向钻进过程中钻杆受力分析的结果，单端钻进很难完成导向孔，决定采用两端同时钻进导向孔、中间对接的方式完成施工。项目管理单位要重点关注在导向孔钻进过程中的控向曲线变化，每根钻杆改变的角度必须符合施工规范，同时在满足规范的情况下尽量减小每根钻杆所改变的角度，同时每三组钻杆所改变的角度也控制在规范的值域下。

4.2 导向孔钻具选型

为降低穿越施工中在喀斯特地貌石灰岩中的卡钻、抱钻风险，本项目计划采用8-5/8"无接箍钻杆、具有孔底压力监测功能的导向探测器、13-3/4"防卡牙轮钻头钻导向孔，使用加大钻头可以加大钻孔与钻具间的空隙，便于卡钻时套洗解卡，钻具连接方式如下：钻机→8-5/8"钻杆→9"无磁钻铤（压力监测）→9"泥浆马达→13-3/4"防卡牙轮钻头。

4.3 导向套管安装

因套钻套管能保证钻机的推力可有效的施加给钻头，增加钻进效率，同时对回填层进行有效护壁，及保证返浆畅通，出入土侧分别顶入了导向套管。套管长度依据实际需要设置，出土侧导向孔钻进回填土过程中出现严重的卵石层浮漂导致钻头偏移现象，通过夯入80m导向孔，配合绞龙掏挖回填卵石，顺利穿越不良地层。

4.4 成孔质量控制

为保证导向孔成孔质量，制定质量控制措施，实施前认真对仪器、设备进行校准，确保每根钻杆调整角度在合理范围内。具体措施包括准确测量穿越的实际方位角，为减小方位角的误差，根据现场实际情况组织多点测量;通过GPS校准测量入土点到出土点的实际距离和两端高程差;准确测量所用钻具的长度，在实际控向操作过程中严格按照设计曲线控制钻头钻进方向;利用强磁场定位软件对钻头进行定位，有效消除地磁干扰和人工操作造成的偏差。

5 扩孔与测修孔

5.1 一级扩孔

本工程穿越管径为φ323.9mm，结合石灰岩地层情况，决定采用一级扩孔达到500mm孔径。扩孔设备选用8-5/8″S-135钻杆，采用动力扩孔器、牙轮扩孔器。因穿越地层复杂，期间穿越溶洞、裂隙发育区，岩石软硬不均且个别单轴抗压强度达到110Mpa左右，硬度极高，采用常规扩孔器及扩孔工艺很难完成扩孔施工，针对该情况决定采用两台钻机同步协调扩孔施工工艺进行扩孔施工，取得了良好效果。

5.2 测孔与修孔

针对本工程中风化石灰岩地质溶洞、裂隙分布多，为了保证管道顺利回拖及防腐层完好，完成扩孔后进行了测孔、修孔，判断测孔参数是否满足设计文件及相关规范对回拖管线的曲率要求。

6 管道回拖

6.1 回拖方式

由于管道预制受场地限制，2.6km管道采取“九接一”的回拖方式，即管道提前组焊预制为9组，在回拖时现场开展前后两段连头施工，待连头口组焊、无损检测、补口完成后再继续管道回拖，依次循环。

6.2 关键工序控制

按照设计要求分别进行组焊、无损检测、补口、试压、通球，通球合格后将九段管道放到回拖区域之间，扩孔完成后，先回拖第一段管道，第一段管道留在地面的长度约150m，然后钻机停止回拖，进行第一段与第二段管道的连头工作，连头口焊接必须选派经验丰富的技术骨干，确保焊接一次合格。焊接完成后，先进行超声波检测，检测合格后进行焊道的X射线探伤，无损检测合格后焊口进行补口，其中玻璃钢防腐采用光固化，以缩短施工时间。从组对到防腐补口严格控制在4小时之内，为保证回拖管线的焊接质量，在4小时内管线不再进行回拖，静止不动。补口完成合格后，满4小时后再继续管道回拖。

7 结语

本工程施工过程中，克服了山区环境下特有的场地、交通、供水受限等外部条件，提出了合理的地质勘察技术经济比选方案，成功应对了喀斯特地貌地质下出现的因溶洞和裂隙导致不返浆、透水、冒浆等复杂施工场景，保证回拖一次成功。该穿越的完成，为定向钻在复杂地质条件下的应用积累了宝贵的管理和实践经验，对油气管道行业高质量发展具有积极意义。

参考文献：

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[2]陈胥星，杜立，吴扬名. 喀斯特地貌下定向钻穿越施工风险分析及控制措施[J]. 化工管理. 2017（10）：198-199

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（作者单位：国家管网集团华南公司贵州输油部）