水平定向钻穿越湘江复杂卵石地层关键技术

目前国内输气管道在穿越大型河流时多采用水平定向钻的方式进行穿越，该技术已趋成熟，穿越长度、穿越复杂地层不断刷新记录。但受地形、地貌以及河流特殊地质等条件的影响，水平定向钻也存在一些技术难题，特别是长距离穿越卵石、圆砾地层就是一大难题。本文以某工程采用水平定向钻穿越湘江为例，对解决上述难题的关键技术套管隔离卵石层、定向钻双向对钻中间对接、配置专用泥浆穿越圆砾层等方面进行分析和探讨。

工程概况

某输气管道在湖南省境内穿越湘江，湘江河面宽约1090m。输气管道公称直径为400mm，设计压力为4.0MPa，定向钻穿越水平长度为1408m，管道穿越深度位于河床以下30~40m。

工程地质条件

拟穿越湘江河段勘察深度范围内工程地质剖面见下图，图中标高单位为m。该地质对水平定向钻穿越适宜性较差。

由下图可知，穿越西岸和东岸均有不同深度的卵石层，西岸卵石层埋深约27m，垂直厚度约为8m；东岸卵石层埋深约10m，垂直厚度约为5m。卵石层粒径2~20mm的砾石体积分数为20%左右，粒径2~5cm的卵石体积分数为40%~50%，少数粒径达7~8cm；卵石母岩成分主要为石英质砂岩、硅质岩和砂岩等，胶结性差，级配较差。圆砾层粒径2~20mm的砾石体积分数为30%~50%，粒径2~5cm的卵石体积分数为10%~20%，极个别***大粒径达7~8cm，中粗砂体积分数约30%，胶结性差，级配差。

穿越风险

为满足穿越管段曲率半径要求，并避免后期可能出现的采砂、抛锚或其他因素的影响，穿越水平段埋设在第6层圆砾层较为合理，管顶***小埋深约30.2m。

穿越上述不良地质场地会给定向钻穿越带来较大风险，故在项目前期经过多方面的技术论证和方案比选。本次实施的穿越风险主要体现在以下几个方面：

①卵石层厚度大、埋深大，夯管长度大。为解决水平定向钻穿越卵石层无法成孔的问题，采用夯套管隔离卵石层的方式，西岸入土端套管长度达154m，东岸出土端套管长度为68m。

②水域穿越长度大，导向孔方向控制难度大。从西岸入土点到东岸出土点，穿越水平长度达1408m，且穿越地层复杂，主要为卵石层、中砂层、圆砾层。穿越两岸均需设置钢套管隔离卵石层，钢套管对定向钻地磁场影响非常大；且湘江为二级通航河流，穿越设计曲线附近船舶航行及抛锚频繁，均会对定向钻磁场产生干扰，导致定向钻导向孔方向控制难度大。

③圆砾层砾石含量高，导向孔成型难度大；穿越长度大，穿越风险高。本工程圆砾层砾石、卵石总体积分数达40%~70%，胶结性差，级配差，导向孔成型难度大，且穿越管道有820m需穿越圆砾层，穿越风险高。输气管道穿越湘江剖面见下图，图中套管外直径均为1016mm。

定向钻穿越关键技术分析

套管隔离卵石层

目前国内定向钻穿越卵石层常用的技术处理措施主要为开挖换填法、注浆固化法和套管隔离法等。

开挖换填法是将两岸所要穿越的卵石层挖除后，密实回填一种定向钻更适合的土质（如黏土），再进行钻孔和回拖，该方法主要适用于卵石层埋深较浅、地下水位较低、地质良好的地段。

注浆固化法是采用水泥砂浆注浆，使卵石层固化成一个整体，然后再进行定向钻施工穿越，该方法***大风险在于固化土体仍然软硬不均，钻头钻进困难，且注浆对环境影响较大。

套管隔离法主要是采用夯管锤将套管沿一定角度（一般为定向钻钻杆钻进角度）夯进到一定长度（穿越过卵石层），起到将卵石层隔离的作用。夯管锤在压缩空气驱动下产生的较大冲击力直接作用在套管后端，传递到套管前端的钢质切削管头切入土体，并克服土层与套管的摩擦力，使套管不断进入地层。被切削的土芯进入套管内，然后采用人工、搅笼、水力冲击等方法进行土芯清除，从而完成套管隔离卵石层的目的。然后主管道在套管内进行定向钻钻进，从而完成整个定向钻穿越过程。

本工程鉴于卵石层埋深较深、地下水位较高、距离湘江较近，采用套管隔离卵石层的方法比较稳妥。本次夯进距离太长，夯进过程中采用触变泥浆、石蜡等减阻技术，确保工程顺利实施。

定向钻双向对钻中间对接技术

传统水平定向钻单向穿越施工中，由于受到穿越地层的阻力，钻机的推进力和扭矩增大，尤其是在长距离、复杂地质、穿越两端安装钢套管等情况下，定向钻穿越导向孔方向控制会变得非常困难，尤其是钢套管对定向钻地磁场影响非常大，经常造成导向孔与设计穿越曲线偏移，以及钻头难以抬头的情况，造成施工风险甚至安全事故。因此在本工程的水平定向钻穿越中，传统单向穿越的局限性已无法保证穿越的成功率，需要采用更先 进的双向对钻中间对接技术解决工程难题。

双向对钻中间对接技术是在水平定向钻单向穿越技术的基础上进行了技术改进，在穿越出、入土点各设置一台钻机，两台钻机同时按设计穿越曲线进行导向孔施工，采用更加精准的人工磁场导向控向，增大穿越的成功率。本次定向钻穿越入土点钻机HK-450作为主施工钻机，出土点钻机HK-300作为辅助施工钻机，采用ParatrackⅡ控向系统和磁信号电缆，对接点设置在与入土点水平距离约800m处，对接点前、后50m范围内为对接区域。

辅助钻机抵达对接区域时，启动钻头短节内安装的目标磁铁，引导主钻机的钻头钻进。两台钻机相互协调工作，直至主钻机的探头与辅助钻机的目标磁铁碰头，即完成导向孔的对接。对接成功后，辅助钻机逐步回退钻杆，同时，主钻机一边采集辅助钻机目标磁铁的磁信号，一边利用采集的磁信号控制钻进方向，使之逐步向辅助钻机已形成的导向孔平缓趋进，直至沿辅助钻机已完成的导向孔出土，完成整个导向孔的穿越。

定向钻穿越圆砾层的技术措施

根据目前国内水平定向钻穿越的技术水平，适合采用定向钻穿越的地层有：粉土、粉质黏土、粉细砂层、中砂层、较完整且天然单轴抗压强度小于80MPa的岩石层、粒径2mm以上颗粒体积分数小于30%的砾砂层。穿越有一定难度和风险，但采取措施可以穿越的地层有：松散状砂土、粗砂层、粒径2mm以上颗粒体积分数为30%~50%但胶结较好的砾砂层。不应长距离穿越的地层有：卵石层、砾石层、粒径2mm以上颗粒体积分数为30%~50%但胶结差的砾砂层。

本工程圆砾层中砾石、卵石总体积分数为40%~70%，胶结差，已超出目前国内传统定向钻穿越水平，穿越风险更高。长距离穿越圆砾层会给定向钻穿越带来的风险：穿越圆砾层时，导向孔成型难度大，钻头很难按照预定轨迹行进，偏离设计曲线；扩孔时，较大粒径的砾石坍塌，扩孔器易被卡住；钻具无法将孔内活动的碎石有效磨碎利用循环泥浆排出孔外，孔内有效空间缩小，回拖时孔内管道与钻屑会相互挤压，导致回拖力加大，造成管道变形、防腐层破坏，甚至回拖不动造成穿越失败。本文针对1*3*1+19-10/29+7-3圆砾层这种复杂地质配置专用***泥浆，确保成孔性能，防止塌孔、钻屑堆积、卡钻等事故的发生。同时为防止定向钻回拖中损伤管道防腐层，在管道外壁裹覆CND光敏固化玻璃钢保护套，解决防腐层保护问题。

CND光敏固化玻璃钢保护套

圆砾层中砾石含量较高，粒径较大，极个别***大粒径达7~8cm。为防止定向钻回拖中损伤管道防腐层，采用管道防腐层外壁裹覆CND光敏固化玻璃钢保护套。CND光敏固化玻璃钢是环氧-聚氨酯光敏树脂胶与玻璃丝布在高温下浸润24h以上形成，材料结构组成为2层玻璃丝布+2层布毡复合编织增强纤维+5层环氧-聚氨酯光敏树脂胶。作为穿越管道的***外层保护，其具有高强度、高硬度、耐划伤、抗阴极剥离的优异性能。

CND光敏固化玻璃钢保护套裹覆施工简单，其内侧显示黑色膜，外侧显示透明膜，黑色膜面朝向管道，透明膜面朝外包裹在管道上，在阳光或紫外线灯照射下，20~30min即可使CND光敏固化玻璃钢完全固化。

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