管道定向鉆穿越施工的可行性分析

簡(jiǎn)述了定向鉆穿越的施工特點(diǎn)及可行性分析方法，對于給定的管道穿越工程，特別是針對復雜地質(zhì)條件下的長(cháng)距離大口徑管道穿越，給出了可以采用定向鉆穿越的基本范圍條件，可為工程施工方案的選擇提供借鑒 .

1 前言 目前水平定向鉆穿越已經(jīng)應用于多個(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(kāi)挖穿越技術(shù)。近年來(lái)，世界范圍內定向鉆穿越技術(shù)得到了新的發(fā)展，特別是在石油天然氣管道建設中，大直徑的如Ф1220管道、長(cháng)距離的如2km長(cháng)管道都已經(jīng)成功穿越。在我國，采用定向鉆技術(shù)完成了長(cháng)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(xiàn)鋪設方法相比它對環(huán)境影響小，障礙物下管線(xiàn)覆蓋深度大，對管線(xiàn)保護的效果好。由于不需要清除地上障礙物，并且施工現場(chǎng)恢復工程量較小，可以減少工程建設投資。但是管線(xiàn)采用定向鉆穿越施工受許多條件的制約，在穿越過(guò)程中存在不可預測的因素，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向孔、擴孔和管線(xiàn)預制、回拖等步驟，鉆導向孔是沿著(zhù)穿越曲線(xiàn)鉆出一個(gè)小直徑的孔，然后采用不同規格的擴孔器對導向孔進(jìn)行一遍或多遍擴孔，以達到需要的孔徑，最后將預制完的成品管線(xiàn)回拖入孔內，在全部施工過(guò)程中泥漿起非常關(guān)鍵的作用。
對于給定的管道穿越工程，能否采用定向鉆施工主要應考察兩個(gè)方面：即技術(shù)和經(jīng)濟方面。在技術(shù)方面，首先要通過(guò)工程物探和鉆探等手段對管道擬選路由區的地質(zhì)狀況進(jìn)行詳細勘察，其目的是了解地形地貌特征，基巖埋設深度和沉積層（特別是礫石層）結構與厚度特征，各土層的物理力學(xué)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(zhì)特征等。為定向鉆穿越可行性分析提供基本數據：地層結構中各種土質(zhì)的分類(lèi)；砂礫質(zhì)物等各成分的分布曲線(xiàn)；巖芯中巖石的品質(zhì)、抗壓強度、硬度。在經(jīng)濟方面，比較定向鉆穿越與其它方法穿越的費用，在達到同一穿越效果情況下，如果定向鉆穿越的費用低則在經(jīng)濟上就是可行的。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)鍵是在穿越區域地下形成一個(gè)穩定的孔道保證管線(xiàn)能夠順利回拖，或地下土層已經(jīng)成為流質(zhì)使管線(xiàn)能夠順著(zhù)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(xiàn)防腐層破壞，因此都要求管線(xiàn)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(xiàn)、鉆桿上的最大應力和鉆機設備上的載荷都在允許范圍內，采用定向鉆穿越就是可行的。因為穿越工程變化多樣，并不存在明確的標準能說(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。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進(jìn)行比較，即地層狀況、穿越長(cháng)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、擴孔器鉆進(jìn)和管線(xiàn)回拖時(shí)的障礙物。高強度和硬度的巖石同樣是穿越的障礙，鉆孔、擴孔速度特別慢，對鉆桿、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)不穩定的因素。地層狀況與穿越可行性關(guān)系見(jiàn)表1。
管線(xiàn)穿越的路由地質(zhì)情況可能相當復雜，不同區段含有不同的成分，盡管對穿越曲線(xiàn)優(yōu)化設計，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(cháng)度、連續性及在整條穿越曲線(xiàn)中位置，如改變幾類(lèi)地層排列順序將使穿越情況完全發(fā)生改變。另外，對地層狀況認識是建立在分析鉆探巖芯性質(zhì)的基礎之上，由于鉆探調查是非連續地進(jìn)行，而管線(xiàn)穿越沿設計曲線(xiàn)連續進(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(cháng)度和管徑主要受鉆機和鉆具的能力限制，因為在鉆導向孔過(guò)程中，鉆桿存在彈性使穿越長(cháng)度不能無(wú)限延長(cháng)，而且隨著(zhù)穿越長(cháng)度的增加，對鉆頭的鉆進(jìn)方向的控制能力逐步減弱，導向孔很難按設計的穿越曲線(xiàn)完成。要實(shí)現成品管線(xiàn)的回拖，孔徑需擴至管徑的1.2～1.5倍，這樣對于大口徑管線(xiàn)穿越，對堅硬地層進(jìn)行擴孔作業(yè)時(shí)扭矩非常大，鉆桿強度有時(shí)不能滿(mǎn)足要求；在表2管道定向鉆穿越長(cháng)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定狀態(tài)而易出現塌方，這些因素限制了大直徑管線(xiàn)的穿越。表2列出了目前已經(jīng)完成的穿越長(cháng)度和直徑的最大紀錄，分析定向鉆穿越可行性時(shí)可與之比較。
對于復雜地質(zhì)條件下的長(cháng)距離大口徑管道穿越工程，必須將地層狀況、穿越長(cháng)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復雜地層狀況下穿越管徑、長(cháng)度可利于管道的永久保護。但是能否進(jìn)行定向鉆穿越受行性表。許多因素的限制，需對特定管道工程的穿越可行性進(jìn)行分析，通過(guò)對地層狀況、穿越長(cháng)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，可以節省工程投資，縮短施工周期，有時(shí)提供一定指導。

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