長距離復雜地層水平定向鉆穿越管道施工技術(shù)
一碗淌、管道工程概況
岙山鎮(zhèn)海進口原油輸送管道是中國石化集團公司為保障中國石化企業(yè)進出口原油裝卸與運輸而投資建設(shè)的一條主干管道盏求。外釣島 冊子島海底管道定向穿越是整個岙山鎮(zhèn)海管道工程的關(guān)鍵部分。管道起點位于外釣島西北側(cè)海塘上,止點位于冊子島珠絲門亿眠。管道穿越工程曲線長度為2 350 m, 管徑為610 mm, 壁厚為15. 9 mm, 穿越深度為80. 67 m碎罚。管道入土角為12 , 入土點標高為2. 50 m; 出土角為9 , 出土點標高為1. 08 m。
穿越管道路由最大水深達66 m, 最低點位于水平面以下80 m, 海底坡度最大達14 纳像。穿越段海底地質(zhì)條件十分復雜, 外釣島端為含礫瘦粘土, 冊子島端為巖石地基, 其中巖石部分的硬度為140 MPa荆烈。
1、 工程特點
( 1) 水平穿越距離與管徑的乘積( 長為2 210. 1m, 管徑為610 mm) 已經(jīng)超過了2002 年創(chuàng)造的錢塘江穿越長度2 308 m竟趾、管徑237 mm 的吉尼斯世界紀錄憔购。
( 2) 穿越深度達80. 67 m, 這在世界水平定向鉆穿越史上是極為罕見的。
( 3) 穿越地質(zhì)極為復雜, 穿越地層位于兩島之間, 地質(zhì)變化極大, 包括中風化流紋斑巖潭兽、微風化碎裂狀石英巖倦始、強風化巖等。尤其需要穿越冊子島側(cè)長達370 m 的高硬度巖石段( 巖石的最高硬度達到140 MPa) , 穿越長度和巖石硬度都是國內(nèi)之最, 這對工藝提出了更高的要求山卦。
( 4) 浙江沿海一帶屬臺風多發(fā)區(qū), 可能給穿越施工帶來難以預測的影響鞋邑。
( 5) 工程施工地點接近軍事管制區(qū), 協(xié)調(diào)難度大诵次。
( 6) 冊子島人煙稀少, 遠離大城鎮(zhèn), 外釣島是一座荒島, 社會依托較差。
2枚碗、 技術(shù)難點
外釣島冊子島穿越工程要求和地質(zhì)條件苛刻, 對控向逾一、鉆桿、擴孔肮雨、回拖和泥漿技術(shù)都提出了新的要求遵堵。
( 1) 控向難度大鉆孔軌跡的實時測量是進行管道穿越施工的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于外釣 冊子島管道穿越施工條件惡劣, 地質(zhì)地理條件復雜, 而且穿越距離超長, 穿越深度較大, 致使準確控向難度很大怨规。
( 2) 鉆桿變形問題 外釣島 冊子島定向鉆穿越曲線長度為2 350 m, 有1 900 m 處在粘土層中,特別是最后的500 m 為塑性粘土蓄髓。在進行長距離定向鉆施工時, 鉆桿會發(fā)生一定程度的變形, 當推力負荷增大, 孔壁內(nèi)鉆桿的? 邊緣荷載# 也相應增加。在較軟的粘土層施工時, 鉆桿將不受限制的繼續(xù)變形, 出現(xiàn)失穩(wěn), 鉆頭失去控制等問題篮昧。此外, 由于鉆進輸出的旋轉(zhuǎn)力會使鉆桿折斷, 因此, 采用傳統(tǒng)的施工方法( 即一臺鉆機鉆孔) , 無法滿足鉆桿強度與穩(wěn)定性的要求暇昂。
? ?抱桿#、塌孔等危險?1%掰烟。
(4)回拖易造成管道損壞 外釣島 冊子島海底管道定向鉆穿越曲線長度達2350m,如此長距離的管道回拖,在國內(nèi)外穿越史上尚無先例爽蝴。主要存在的問題是,回拖時,管道長度很長,自身的重量較大,管道與孔壁之間的摩阻增大,所需的推力很大?2%,回拖過程易造成管道損壞。同時,鉆機基礎(chǔ)可能出現(xiàn)滑移纫骑、失穩(wěn)等現(xiàn)象蝎亚。
(5)泥漿工藝要求高 泥漿是水平定向穿越的血液。外釣島 冊子島海底管道穿越工程由于鉆進距離長,地質(zhì)條件非常復雜,穿越地層既有粘土先馆、粉土,又有高硬巖石发框、碎石,甚至還有淤泥、砂層磨隘。因此,要求泥漿具有良好的流變性,保證有較強的攜帶鉆屑能力;有較低的摩擦系數(shù),良好的潤滑性能;有較強的護壁作用,能在孔壁形成一定力學強度的泥皮,維護孔壁穩(wěn)定,防止泥漿漏失缤底。
三、施工要點
1番捂、 控向糾偏系統(tǒng)
在外釣島 冊子島穿越工程中,華元機電工程有限公司專門研制了DX型水平定向鉆機導向系統(tǒng)个唧。該系統(tǒng)較好地解決了外釣島 冊子島超長距離穿越導向孔鉆進中的精確控向問題。操作者可以通過計算機直觀地了解探頭的詳細情況,并且沒有深度限制,系統(tǒng)配有專業(yè)的定向系統(tǒng)軟件设预。
DX型水平定向鉆機導向系統(tǒng)的主要功能有,穿越軌跡計算機輔助設(shè)計(CAD);軌跡測量自動報警;實際鉆孔軌跡實時測量;抗強磁場干擾軟件;軌跡糾偏參數(shù)計算;完整的歷史數(shù)據(jù)處理和報表打印圖形化人機界面;軌跡測量自動濾波;軌跡測量自動糾錯等徙歼。
2、 導向孔雙鉆機同步對接施工工藝
采用了國際先進的導向孔雙鉆機同步對接施工工藝,首次成功地實施了在出土點鳖枕、入土點兩端雙鉆機同步協(xié)調(diào)作業(yè),解決了長距離穿越導向孔施工中鉆桿失穩(wěn)和強度不足等難題魄梯。外釣島 冊子島穿越工程導向孔雙鉆機同步對接施工工藝設(shè)計如下。
(1)將電磁線圈布置到外釣島淺灘上,冊子島側(cè)鉆機保持低速旋轉(zhuǎn),利用控向系統(tǒng)將鉆頭向出土點鉆進約2200m,等待與出土點的輔鉆機向入土點鉆進的鉆頭進行對接宾符。
(2)將專用打撈鉤安裝到外釣島一側(cè)的鉆機上,在控向系統(tǒng)的引導下將打撈鉤鉆入指定位置酿秸。
(3)外釣島和冊子島鉆機保持旋轉(zhuǎn),打撈鉤打撈到外釣島側(cè)鉆桿后,冊子島側(cè)鉆機停止轉(zhuǎn)動,將鉆頭牽引出地面。偏差的測量主要是依據(jù)兩鉆機的導向傳感器相對測得的,根據(jù)傳感器測量的參數(shù),計算出偏差的方位和兩鉆桿的相對距離,逐漸調(diào)整,消除偏差,達到兩鉆頭對接打撈魏烫。
(4)根據(jù)設(shè)計好的穿越曲線對外釣島側(cè)導向孔進行調(diào)整(即修孔),從而完成整個導向孔的施工辣苏。
3肝箱、 擴孔施工工藝
(1)雙鉆進協(xié)調(diào)作業(yè) 在出入土點各設(shè)一臺鉆機,一臺提供扭距,一臺提供拉力,避免了鉆桿過長造成的擴孔器失控問題,降低了擴孔施工的風險,提高了擴孔速度。
(2)高硬度巖石擴孔 在導向孔施工完成后首先進行了370m硬巖石段的擴孔,應用改造的高硬度巖石擴孔工藝,在巖石段采用掌式密置牙輪擴孔器進行多次預擴孔稀蟋。
(3)鉆桿換向 巖石段擴孔完畢后,退出巖石擴孔器,將巖石擴孔時的鉆桿從出土點拖出,上后續(xù)鉆
!
桿時將鉆桿方向更換,進行粘土段擴孔煌张。
(4)多次擴孔 擴孔施工中,泥漿長距離返排攜帶泥沙,流動阻力較大,清孔或洗孔的效果不理想,造成地下環(huán)形孔的有效尺寸相對減小。采用多次擴孔,切割刀每次切割下來的土壤化巖屑相對于循環(huán)著的泥漿而言,所需要的返排量減少,這樣就不會造成孔洞淤塞,環(huán)形空間的有效尺寸得到了充分保障退客。具體施工中,在巖石段和粘土段共進行了7次擴孔,有效減小了擴孔器阻力,縮短了擴孔周期骏融。
(5)洗孔 在每一遍擴孔施工結(jié)束后,都應使用絞籠進行洗孔,如果一次洗孔不能取得滿意的效果,要進行2~3次洗孔,以徹底清理出孔內(nèi)的碎石和雜質(zhì)。
4萌狂、 回拖施工
(1)鉆機基礎(chǔ)的加強和加固 對鉆機基礎(chǔ)進行了驗算和設(shè)計,確钡挡＃回拖過程鉆機基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和可靠性。
(2)管道試拉 為試驗管道回拖的阻力,驗證各橫粥脚、立輥輪支撐的合理性和可靠性,在管道正式回拖前,對管道進行預拖動窃肠。試拖的長度為100m ,試拖時速度要控制在0.3~0.5m/min 之間。
(3)巖石段回拖 在外釣島采用H Y 3000鉆機實施回拖,記錄鉆機的扭矩刷允、拖力、泥漿排量等參數(shù)碧囊。在回拖過程中保證一定的回拖速度,一般控制在1~2m/min 之間树灶。
(4)?二接一#施工 在回拖過程中采取了管道?二接一#施工工藝,即回拖時先拖2080m 管段,拖入洞中約220m 后,后部與270m 管段對接。(5)粘土段回拖 ?二接一#施工結(jié)束后,立即啟動鉆機繼續(xù)進行粘土段回拖,在進行粘土段回拖時速度要快,控制在2.5m /min 左右,防止發(fā)生抱管現(xiàn)象糯而。
圖1是現(xiàn)場測得的外釣島 冊子島穿越工程回
拖力曲線圖天通。
圖1 外釣島 冊子島定向鉆穿越工程回拖力曲線圖
從圖1中可以看出,在整個回拖過程中,回拖力
最大值達到267t,但隨著回拖速度的逐漸增大,回拖力又逐步下降。這是由于冊子島附近地勢高,彎曲段多,造成回拖阻力較大,當在粘土段進行回拖時,導向孔相對比較平滑,鉆機回拖速度增大,使得管道在孔中移動暢通,降低了管壁在孔內(nèi)的粘滯阻力,因而回拖力開始變小熄驼。
5像寒、 泥漿工藝
(1)泥漿性能調(diào)整
外釣島 冊子島海底管道定向鉆穿越工程中,鉆導向孔、預擴孔和回拖階段均需保證良好的成孔以及有效的攜砂性能和潤滑性能瓜贾。根據(jù)地層條件的變化,各施工過程泥漿性能調(diào)整要求如下诺祸。
&導向孔斜孔段 為保證鉆屑攜帶和孔眼清潔,控制泥漿的失水,防止塌孔,需增大固壁劑和增粘劑含量。
?導向孔水平孔段 要及時提高清屑劑和潤滑劑含量,適當降低粘度和切力,保證泥漿的流變性能良好,使鉆屑順利返出地面,增強泥漿的潤滑性,減小鉆機旋轉(zhuǎn)及推進阻力祭芦。
(擴孔段 為增強泥漿的造壁性能,防止孔壁塌陷筷笨、縮徑,需增大固壁劑和增粘劑含量。
)回拖段 為提高泥漿的潤滑性,降低摩擦阻力,增強攜屑效果,需提高清屑劑和潤滑劑含量龟劲。
泥漿的粘度控制應根據(jù)穿越段地層情況,在鉆導向孔階段,泥漿粘度控制在60~65S 范圍內(nèi);在預擴孔和回拖階段泥漿粘度提高5~10S,即達到65~75S 胃夏。
(2)專用泥漿研制
外釣島 冊子島海底管道穿越工程地質(zhì)條件極為復雜,泥漿性能要求高,在施工中,必須根據(jù)實際地層條件配制合乎要求的、優(yōu)質(zhì)高性能的專用泥漿昌跌。采取的主要措施如下仰禀。
&按照事先確定的泥漿配比,用一級膨潤土加上泥漿添加劑,配出符合要求的泥漿。使用DRISPC 劑蚕愤、濾餅劑答恶、液體潤滑劑等泥漿添加劑饺蚊。?在粘土段導向孔鉆進和擴孔時添加1%濾餅劑,在孔壁形成質(zhì)地優(yōu)良的泥餅,可防止冒漿。
(擴孔完成后進行洗孔時,添加5%護壁劑,提高泥漿粘度,在含礫粘土層中起到護壁亥宿、固壁的作用卸勺。
)在巖石層施工中,泥漿中添加5%的懸浮攜砂劑,提高泥漿的巖屑攜帶能力√潭螅控制泥漿密度在
!
1.1~1.2g/cm 3
之間,泥漿粘度不低于60S 曙求。
四、結(jié) 論
(1)針對外釣島 冊子島海底管道穿越地質(zhì)狀況極為復雜,施工難度很大的特點進行了深入研究,在導向孔鉆進映企、擴孔工藝及泥漿控制等方面實現(xiàn)了
突破,解決了復雜地層特別是復雜海洋地質(zhì)條件下的定向鉆穿越問題,對今后海上定向鉆穿越具有重大的指導意義悟狱。
(2)外釣島 冊子島海底管道定向鉆穿越工程在導向孔施工過程中,首次采用兩臺鉆機兩端聯(lián)合作業(yè),實現(xiàn)了長距離導向孔鉆進的對接施工,解決了超長距離導向孔施工鉆桿的失穩(wěn)問題。
(3)長距離堰氓、高硬度巖石層的穿越及擴孔開拓了定向鉆穿越施工中巖石的鉆進及擴孔工藝,為水平定向鉆穿越巖石等惡劣地質(zhì)積累了寶貴的施工
經(jīng)驗挤渐。
(4)根據(jù)不同的地質(zhì)段情況和不同的擴孔尺寸,結(jié)合施工經(jīng)驗,采用與之相適應的泥漿參數(shù),配置外釣島 冊子島海底穿越專用泥漿,較好地實現(xiàn)了復雜地層穿越泥漿應具有的流變性、高攜砂性双絮、固壁和潤滑性能浴麻。
(5)在回拖過程中采用?二接一#施工法,減小了回拖過程的摩阻力,解決了長距離管道回拖中存在的鉆機推力過大、管道易損壞等施工難題囤攀。
