长距离定向钻穿越高硬度山体施工技术分析

2024-04-03王传惠同国普陈广明姚泽鸿陈旭明

煤气与热力 2024年2期

王传惠, 同国普, 陈广明, 姚泽鸿, 陈旭明

(深圳市燃气集团股份有限公司,广东深圳518040)

1 工程概况

深圳市燃气集团股份有限公司拟建的妈湾电厂支线高压燃气管道工程有1.5 km需穿越小南山。该工程主管道为直缝双面埋弧焊接钢管,规格为D813×19.1,材质L450M,采用3层PE加强级防腐,同路由敷设1根外直径为110 mm的钢套管,用于敷设通信光缆硅芯管。该段管道计划采用定向钻穿越。

在拟穿越位置右侧50 m为赤湾二路隧道,已完成地质勘察,隧道工程的地质勘察资料显示小南山山体岩石抗压强度100～120 MPa,经现场查看定向钻工程出入土钻点高差小于10 m。本工程岩石抗压强度高,穿越距离长,本文通过分析该工程存在的主要风险和问题,研究施工技术可行性及应对措施。

2 存在的主要风险和问题

2.1 山体岩石抗压强度高,穿越距离长

本工程不同取样深度的山体岩石抗压强度见表1。岩石抗压强度高,穿越距离长,施工过程中容易出现如下问题。

① 岩石抗压强度高对钻具的性能要求高,钻具损耗较大,施工过程中可能出现牙轮脱落。

② 由于定向钻距离长,施工中岩屑易堆积在孔洞中,造成卡钻。

③ 定向钻距离长、岩层抗压强度不均可能导致出现累积导向误差,导向轨迹偏离形成S形曲线。

2.2 场地受限,布管困难

小南山北侧前海路至月亮湾大道距离约250 m,目前为在建工地,可用于定向钻预制管道的场地长度仅约200 m。小南山南侧为妈湾电厂汽车修理厂,面积较狭小,仅适合定向钻设备摆放。定向钻管段只能在小南山北侧预制施工。每组焊一段管道(主要包含组对、焊接、探伤及洗片、防腐)至少需要8 h,在此期间孔洞内的管道处于静止状态,容易出现管道无法拖动,导致定向钻回拖失败。

2.3 存在地质断裂带,岩石结构性差

邻近隧道的地勘报告显示:小南山断裂走向北西,位于290°～340°,倾向北东,倾角35°～80°。延伸长4.5 km,宽2～10 m,位于早白垩世花岗岩及前震旦系混合岩中,两端延入大海。构造岩为碎裂岩、硅化岩、糜棱岩等。力学性质压性-张性-压扭(顺扭)。小南山属非全新活动性断裂。就本区而言,属于地质构造比较稳定的地块。赤湾二路西延段(月亮湾大道至赤湾五路段)区域地质构造见图1,图中方向为上北下南,蓝色线条为穿越管道位置。

图1 赤湾二路西延段区域地质构造

3 施工技术可行性分析及应对措施

3.1 国内类似定向钻案例

大口径岩石定向钻施工在国内有很多成功案例,类似定向钻案例[1-2]见表2。经过咨询业内多家定向钻施工单位,并分析研究,认为该工程采用定向钻方案具备可行性。

表2 类似定向钻案例

3.2 施工机具选择

① 钻机选择

根据GB 50423—2013《油气输送管道穿越工程设计规范》第5.2.3条,穿越管段回拖时,计算拉力计算式为:

(1)

式中FL——计算拉力,kN

L——穿越管段长度,m

μ——动摩擦因数,取0.3

D——钢管外直径,m

γm——泥浆容重,kN/m3,可取10.5～12.0 kN/m3

δ——钢管壁厚,m

γs——钢管容重,kN/m3,取78.5 kN/m3

Wf——回拖管道单位长度配重,kN/m

K——黏滞系数,kN/m2,取0.18 kN/m2

根据GB 50423—2013,最大回拖力按计算拉力的1.5～3.0倍考虑。本工程最大回拖力按计算拉力的3倍考虑。

② 钻杆选择

采用高强度钻杆,材质为S135钢级,可选用钻杆规格为D194 mm×12.7 mm×9.6 m或D168 mm×12.7 mm×9.6 m。

③ 扩孔器选择

岩石地层可选择滚刀式牙轮扩孔器。如果施工过程中发生牙轮脱落,可采用特制打捞筒处理,孔洞内的岩石碎屑可以通过泥浆携带出来。对沉积岩屑采用清空器进行多次打捞清空,确保孔洞畅通。

④ 导向精度控制

可选择能够对钻孔轨迹实时测量,并且具有较强抗磁场干扰能力的控向系统,满足本工程穿越长度和深度的控向精度要求。

施工过程中可设置磁靶线圈建立人工磁场,全程设置3～4个人工磁场,并且每钻进50～100 m进行1次磁场校正,确保导向精度。钻进过程中随时测定钻进方向,根据监控数据分析钻头位置,随时监控穿越曲线。控向过程逐步实现,不能急剧调向,以防卡钻。

按相关要求,造斜段每4.8～9.6 m测量1次,水平直线段每9.6 m测量1次,比较测量参数与设计参数。在实际施工过程中每根钻杆最大调整角度为0.45°,连续4根钻杆的调整角度应不大于1.8°。

⑤ 管道回拖

为有效避免管道外防腐层被石块破坏,管道外壁可加设光固化保护层或环氧玻璃钢保护层。

3.3 施工方案确定

管道现场施工时,首先将长约12 m钢管进行组焊,预制成为1条约200 m的长管段,共预制8条管段。预制完成后,进行管道回拖。管道回拖时,先取2条管段,进行焊接、探伤、防腐,连接完成后开始回拖。剩下的6条管段依次进行,连接完成1条回拖1条,直至8条管段全部连接并回拖完成。

本项目穿越段整体地质连续性好,成孔稳定性好,增加了分段回拖成功的可能性。施工过程中做好焊接、探伤、防腐等的衔接配合可提高成功概率。

3.4 确定可实施性

根据地勘报告,小南山断裂的活动时期为第四纪中更新世晚期,进入全新世以来未见活动迹象。据区域地质资料及本次勘察结果,本线路走廊及外围发育的主要断裂构造是北西向的小南山断裂,属非活动断层。勘察期间钻孔发现了断裂或构造破碎带,规模不大,总体上断裂构造对场地稳定性影响轻微。总体评价本场区的区域地壳稳定性等级属基本稳定区。

从地质构造分析,断裂面应为较稳定密实的岩体,具有较好的成孔性,并且该区域断裂带未发现地下溶洞等不利地质情况。

对于地震断裂带可能存在的涌水、卡钻、塌孔等,施工中可根据具体情况进行处理。如:调整泥浆配比,增加添加剂以确保泥浆携带岩屑能力;在施工过程中可加大泥浆排量,始终保持泥浆排量在1.8 m3/min以上;提高泥浆黏度,控制泥浆马氏漏斗黏度不低于100 s;限制扩孔扭矩,以免扭矩过大、切削的钻屑颗粒太大,泥浆不易携带;尽量提高钻机扩孔转速,加快扩孔切削速度,控制扩孔拉力,保证钻机快速均匀施工。