1 工程概況

該穿越工程是川氣東送管道工程建設的難點，也是整個川氣東送管道建設的難點之一，該工程穿越地層復雜，主要以含粘性土碎石、全風化粉砂巖等組成。其中碎石粘土層近500 m，是保障川氣東送管道主線按期貫通的瓶頸工程。

項目穿越水平長度579.20 m，實長581.60 m，入土角9°，出土角6°，穿越曲率半徑為1524 m，穿越段管線的***大埋深為26.8 m（入土點至***大埋深管底）。主管線設計采用Φ1016×26.2 mm×70的直縫埋弧焊鋼管，管線設計輸送壓力為10 MPa。

根據(jù)對地質條件的要求分析，軟地層很薄，河床以下只有2 m多的土層，但這次川氣東送的管徑為Φ1016 mm，如果在土層中穿越又達不到管線的埋深設計，不利于安全，因此管道應深置于含碎石粉質粘土、強風化粉砂巖層中，這樣穿越成功后，管道與河水互為兩個獨立的系統(tǒng)，安全性好。但在這種含碎石粉質粘土、強風化粉砂巖層中穿越的特點是兩側為軟地層中間段為碎石層和硬地層，地質條件復雜水平定向鉆穿越難度極大。

2 碎石粘土層穿越特點

水平定向鉆穿越主要有導向孔、預擴孔、回拖三個階段，與普通軟地層定向鉆穿越相比，碎石粘土層穿越具有以下特點。

2.1 鉆具要求高

大口徑管道穿越有碎石層、巖石層等組成的復雜地質層導向孔需要巖石鉆頭、大排量泥漿馬達；預擴孔施工需要專用巖石擴孔器。同時為降低穿越風險，導向孔、單次預擴孔的鉆具壽命應達到中途不更換的目的。

2.2 施工工藝復雜

（1）控向工藝復雜：一方面由于采用泥漿馬達進行導向孔施工，為避免磁場干擾，控向信號源離鉆頭的距離要比普通軟地層施工時長12～12.5 m，加長了控向作業(yè)盲區(qū)，增加了控向復雜程度。另一方面，河道船運非常頻繁，河面運輸船只為鐵殼船，對導向磁干擾很大，對控向作業(yè)干擾很大，降低了定向工具的精確度。還由于穿越地層有近60 m的碎石層，且卵石及碎石的比例占到了此段地層的60%～70%左右，導向鉆具在此地層中易跑偏，導向作業(yè)極為困難，水平定向鉆穿越施工不適合在卵石、碎石層中穿越，再者，由于在巖石層擴孔器的修控能力很差，為保證成品管的順利回拖，對保持巖石層導向孔圓滑的控向工藝提出了更高的要求。

（2）鉆進工藝復雜：尤其是軟土層與碎石層、碎石層與巖石層、軟巖層與硬巖層結合部位的鉆進工藝要求高，司鉆手續(xù)密切關注地層變化可能對鉆具造成的影響，任何小的失誤隨時會對整個工程造成災難性的后果。同時，在碎石層、巖石層導向孔、預擴孔施工期間，卡鉆的危險隨時都有可能存在。

（2）泥漿工藝復雜：與普通軟地層穿越相比，碎石層、巖石層穿越的泥漿需用量會成倍增長（增長量與巖石硬度、泥漿馬達的功率有關），其原因是需要大排量的泥漿驅動泥漿馬達工作，從而帶動鉆頭切削碎石、巖石，巖石硬度越大，鉆頭需要切削碎石、巖石的扭矩就越高，需要的泥漿排量就越大。

2.3 施工周期長

根據(jù)碎石的含量、碎石顆粒的大小、巖石的硬度不同，在這種復雜地層中穿越的施工周期是普通軟地層穿越的2～5倍。

2.4 施工成本相對較高

由碎石層、巖石層等構成的復雜地質中穿越鉆具配置高，施工周期長，泥漿等消耗的材料用量大，相應的施工成本較高。

3 施工措施及實施效果

針對穿越巖石管徑大、穿越巖石、碎石距離長等施工的難點，公司組織技術攻關組，依據(jù)現(xiàn)有圖紙資料，分析穿越技術難點，制定科學的施工方案，施工中采取了以下措施。

3.1 鉆機選擇

根據(jù)工程地質條件、穿越長度和穿越管徑，選用美國制造的DD—1100大型水平定向鉆機進行穿越施工，鉆機***大推拉力為500 t，***大扭矩力為136 kN·m。

3.2 主要穿越工藝

針對地質條件、穿越管徑和穿越穿越長度，采取了以下穿越工藝：圖1主管線穿越工藝。

3.2.1 施工順序

先施工光纜套管，積累穿越地層經(jīng)驗，然后進行主管線的施工。

3.3 施工***技術措施

3.3.1 控向技術

（1）在開鉆前利用信號棒和全站儀找出東苕溪穿越中心線準確的大地磁方位角，以次為基準控制導向孔的左右偏差，以彌補因河面大范圍水域無法布置Trutrack地面信標系統(tǒng)而可能產(chǎn)生的控向偏差。

（2）鉆導向孔使用1.75°泥漿馬達，減小造斜角度，有利于導向孔曲線的圓滑過度，預防擴孔和回拖期間卡鉆事故的發(fā)生。

（3）鉆導向孔階段鉆具連接時采用兩根無磁鉆鋌（19 m長），以消除泥漿馬達及后續(xù)一長串鉆桿對信號棒產(chǎn)生的干擾。

（4）在入土側和出土側陸域，盡可能長地布置Trutrack地面信標系統(tǒng)，以精確測量地下鉆頭的位置。

（5）碎石、巖石段穿越時，增加信號測量頻率，每鉆進2～3 m測量一次，以保證導向孔曲線符合設計曲線的要求。

3.3.2 泥漿技術

（1）根據(jù)穿越地層條件的變化，泥漿工藝采用地鉆專用膨潤土，輔以泥漿添加劑，較好的解決攜帶巖屑，控制漏失，形成好的孔壁，另外采取泥漿回收及廢棄泥漿環(huán)保固化技術。主要采用復合泥漿配比技術，將使用定向鉆膨潤土按8%～10%重量比加入淡水配出基漿，使用的主要泥漿添加劑有：固壁劑、増粘劑、清屑劑和潤滑劑等，保證泥漿性能符合穿越地層的要求。施工過程泥漿性能調整要求如下：①普通軟土層穿越段：控制泥漿的失水，防止塌孔，需增大固壁劑含量。②含碎石地層：增加降濾失劑、膠凝強調和懸浮性提升劑用量，達到固孔和浮流碎石、清潔孔道的目的。③巖石穿越段：為保證鉆屑攜帶和孔眼清潔，要及時提高清屑劑和潤滑劑劑量，保證泥漿的流變性能良好，使鉆屑順利返出地面，同時增強泥漿的潤滑性，減小鉆具與地層的摩擦力。

（2）為進一步保證東苕溪碎石、巖石層穿越大流量泥漿的供應，現(xiàn)場配備泥漿回收處理系統(tǒng)，使泥漿循環(huán)使用，以減輕現(xiàn)場配置大量泥漿的壓力，同時可減少環(huán)境污染。

3.3.3 司鉆及鉆進工藝技術

（1）針對穿越存在軟、硬底層結合的特點，從軟地層到碎石層、從碎石層到巖石層過渡穿越采用的施工方法為：首先放慢鉆進速度，減小鉆進推力（或拉力），調低鉆機的旋轉速度，待鉆頭（或擴孔器）進入硬地層1～1.5 m后，在加大鉆進推力（或拉力），調整鉆機的旋轉速度，防止速度過快造成鉆進曲線偏離預定的目標。

（2）選用大扭矩鉆機，***大扭矩可達136 kN·m；選用低扭矩的對開式巖石擴孔器，以克服大口徑、長距離巖石預擴孔扭矩大的難題。

（3）由于碎石不易被鉆頭切削及被泥漿攜帶至地表，就造成了鉆機的扭矩和推力過大，致使鉆桿彎曲。于是在鉆桿兩邊加樁固定，防止鉆桿彎曲，以增加力量，并增加了泥漿的排量及配比性。在對于方位角及傾角的難操控上，在保證與設計曲線相近似的前提下，采用了快速鉆進，少頂推，每根鉆桿的傾角都提前上抬，當頂推不動時，就旋進，使得鉆頭向下自然施降在設計曲線范圍內(nèi)。

（4）卡鉆的預防措施：嚴格鉆進工藝，精心組織施工，保證導向孔曲線的圓滑過渡，預防擴孔和回拖期間卡鉆事故的發(fā)生；預擴孔階段使用比上一級孔徑小11/2″～2″中心扶正器；主管線***后一次擴孔完成后，用比回拖管徑大、比成孔直徑小的桶式擴孔器再清孔兩次，***后用同直徑桶式擴孔器進行回拖。

3.4 特殊鉆具配套

（1）穿越需要巖石鉆頭、泥漿馬達、巖石擴孔器等特殊鉆具，根據(jù)工程的穿越長度、管徑、地質條件及現(xiàn)有鉆具狀況，專門定制一批定向鉆穿越的特殊鉆具。包括9 7/8”TCL巖石鉆頭、9 3/4”彎角1.75°扭矩600～4000英尺磅泥漿馬達、18″～54″巖石層擴孔器（對開式鉆頭體）、16″～52″巖層耐磨中心扶正器和300 t回拖旋轉接頭。

（2）鉆桿：5″S-135級鉆桿規(guī)格為Φ127×9.19，壁厚較小，使用該等級鉆桿在存在碎石層、巖石層等復雜地質條件的導向孔施工強度不夠，主要表現(xiàn)為推力的傳遞受***，現(xiàn)場準備一批6 5/8”S-135級***壁厚高強度鉆桿用于鉆導向孔。

3.5 實施效果

穿越鉆進至含碎石層（154 m）左右時遇到了“頂不動”且鉆頭方向不易掌握的鉆進困難，此時鉆頭處于含碎石粘土層中，分析原因是在這次穿越中，由于地層的特殊性，這就不同以往我們在土層及巖層中穿越的方法。由于卵石不易被鉆頭切削及被泥漿攜帶至地表，就造成了鉆機的扭矩和推力過大，致使鉆桿彎曲。于是我們就在鉆桿兩邊加樁固定，防止鉆桿彎曲，以增加力量，并增加了泥漿的排量及配比性。

在對于方位角及傾角的難操控上，在保證與設計曲線相近似的前提下，采用了快速鉆進，少頂推，每根鉆桿的傾角都提前上抬，當頂推不動時，就旋進，使得鉆頭向下自然施降在設計曲線范圍內(nèi)，有效解決了難題。