定向鉆穿越教材

第九小組組長：謝元強組員：吳長松羅大勝楊帆賀英挺龐蕾劉嬌周軍某河段鵝卵石段定向鉆穿越2024/3/27分工情況穿越設(shè)計：包括地質(zhì)前期勘探、測繪、選址、施工工藝、施工時間、設(shè)備選用（楊帆賀英挺）定向鉆管道穿越：系統(tǒng)組成（不同地層鉆機選用以及相關(guān)技術(shù)要求），各控制系統(tǒng)設(shè)計（包括動力、電力、通信）（吳長松羅大勝）施工難點解決預案：包括施工設(shè)備的優(yōu)化、卡鉆事故、塌方、底層偏移、泥漿泄露、信號傳輸故障等事故預案（龐蕾劉嬌）施工難點：套管施工中的上移問題，定向鉆在鉆孔時呈現(xiàn)S形定向鉆的精確對接,塌方，卡鉆等事故。2024/3/27定向鉆敷管穿越

概述：某公司將在河南建設(shè)洛陽至駐馬店建設(shè)成品油管道，其管道全長為425km。該成品油，管道在洛陽東南穿越黃河，需要穿越超過30m厚的卵石，越處管道規(guī)格為D355.6mm×9.5mm。在經(jīng)過定向鉆、跨越、盾構(gòu)、頂管等多方案比選之后，選擇了安全性、工期、維護量、經(jīng)濟性較好的定向鉆穿越。2024/3/27二、工程分析：穿越卵石層一直是定向鉆應(yīng)用的難題，根據(jù)廣泛的調(diào)研，國內(nèi)定向鉆穿越卵石層最厚為10m左右，且采用了入土端下套管，出土端大開挖的穿越方式。國內(nèi)也有對定向鉆穿越不超過10m

厚的卵石采用灌漿固結(jié)的方法，實施效果不太好，仍舊有較大規(guī)模的塌孔（可能由于灌漿施工單位施工原因或者砂卵石中膠結(jié)程度的不均勻，造成高壓水泥漿不能到達預期的注漿區(qū)域）。工程分析2024/3/27工程分析本次穿越在出、入土點的卵石層厚度均超過30m，埋深超過40m。卵石層的通過方式是穿越成功的關(guān)鍵，對于30m厚卵石層.一、本穿越采用大角度出、入土并加設(shè)套管的方案；二、水平段避開了卵石層，在較深的地層中穿越；三、由于兩側(cè)卵石層都很厚，需要采用定向鉆河底對接的技術(shù)。2024/3/27穿越設(shè)計三、穿越設(shè)計1、 地質(zhì)情況：勘探顯示，在勘察場地內(nèi)地基土（巖）共分6層。①～③層為第四系全新統(tǒng)沖洪積形成的砂性土和碎石土，④層為第四系上更新統(tǒng)沖洪積形成的碎石土，⑤～⑥層為上第三系洛陽組沉積形成的粉砂巖、粉細砂巖?，F(xiàn)自上而下分述如下：①粉土（Q4al＋pl）。淺黃色。局部夾粉細砂薄層，孔隙不甚發(fā)育，稍濕～飽和，松散。該層層厚1.40～8.50m，層底標高106.14～112.55m。②中細砂（Q4al＋pl）。褐黃色、灰黃色。礦物成分以石英、長石、云母為主，含有少量礫石。局部夾粉質(zhì)黏土薄層，2024/3/27穿越設(shè)計飽和，松散～稍密。該層層厚0.50～8.80m，層底標高99.45～109.78m。③卵石（Q4al＋pl）。雜色。物質(zhì)成分以石英巖、石英砂巖為主，次為安山巖、玄武巖等，磨圓較好，多呈亞圓形。一般粒徑30～70mm，大者90～140mm，含零星漂石，卵石含量55%～60%，個別70%～80%。充填物為砂、小礫石及少量黏性土。飽和，中密。局部夾有礫石薄層。鉆進中多有塌孔、漏漿現(xiàn)象。該層層厚16.70～32.80m，層底標高73.30～86.20m，在勘察區(qū)域內(nèi)普遍分布。④卵石（Q3al＋pl）。雜色。物質(zhì)成分以石英巖、石英砂巖為主，安山巖、玄武巖次之，磨圓較好，多呈亞圓形。一般粒徑20～60mm，大者70～80mm，28第35卷第4期含零星漂石，2024/3/27穿越設(shè)計卵石一般含量55%～65%。充填物為砂、小礫石及少量黏性土。飽和，中密～密實。局部夾有礫石薄層。鉆進較困難。該層鉆孔揭穿部分層厚5.80～19.2m，層底標高63.15～74.79m，該層普遍分布。⑤粉砂巖（N）。淺黃色、褐黃色。礦物成分以石英、長石為主，含有灰綠色條帶及黑色錳質(zhì)成分。鈣泥質(zhì)微膠結(jié)，膠結(jié)較差，巖芯呈短柱狀及散砂狀，強度低，易風化碎裂。2024/3/27穿越設(shè)計局部夾泥巖薄層。該層層厚0.90～7.70m，層底標高56.71～70.05m，該層（含亞層）普遍分布。⑥粉細砂巖（N）。淺黃色、棕黃色。礦物成分以石英、長石為主，含有灰綠色條帶及黑色錳質(zhì)成分。鈣泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)一般，強度較低，局部膠結(jié)較好，強度較高，巖芯多呈短柱狀及散砂狀，局部夾有泥巖薄層。該層未揭穿，揭露厚度為2.5～16.8m，層頂標高為54.70～68.05m。2024/3/27定向鉆系統(tǒng)組成鉆機系統(tǒng)控向與造斜系統(tǒng)鉆具泥漿系統(tǒng)回拖系統(tǒng)動力系統(tǒng)輔助系統(tǒng)2024/3/27鉆機系統(tǒng)底座鉆機架活動卡盤控制室2024/3/27底座其上有行程齒條軌道、人行道、扶手欄桿等。底座后底部有支撐腿，其上端與底座鉸鏈聯(lián)結(jié)，下端與鋼墊塊相連，墊塊座落在地面上或固定在專用拖車上。后支撐腿高度可調(diào)，從而可以改變?nèi)胪两嵌?024/3/27控制室有各種控制儀表、顯示儀表和計算機系統(tǒng)，用以控制鉆機架和轉(zhuǎn)盤的速度與方向，遠程控制泥漿泵，遠程操作管鉗（卡盤）。可對鉆機推拉力、轉(zhuǎn)盤扭矩和泥漿泵的壓力排量進行調(diào)節(jié)。2024/3/27控向與造斜系統(tǒng)有線控向和無線控向無線控向只適用于短距離、淺層穿越，配合中小鉆機使用，其特點是控向方便，準確，但受穿越深度和地形的限制，一般使用較少。有線控向適用于長距離、深層穿越，配合大型鉆機使用。2024/3/27有線控向有線控向系統(tǒng)主要包括三部分：探頭、控向軟件和聯(lián)接轉(zhuǎn)換設(shè)備。探頭用于測量磁方位角和井斜角。探頭結(jié)構(gòu)主要由一個三軸磁強計、一個三軸重力加速計、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和計算電路部分組成。三軸磁強計用于測量磁場矢量，三軸重力加速計用于測量重力場矢量?？叵蜍浖糜谟嬎闾筋^所在位置的里程、高程和左右偏差值?？叵蜍浖罁?jù)磁場矢量算出磁方位角，依據(jù)磁場矢量和重力場矢量算出井斜角。聯(lián)接轉(zhuǎn)換設(shè)備是將探頭在井下測量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，提供給計算機中的控向軟件。2024/3/27動力與輔助系統(tǒng)柴油機、液壓泵和發(fā)電機主要作用是為鉆機、泥漿泵提供高壓油，以驅(qū)動各部分的液壓馬達，同時為計算機、照明和空調(diào)設(shè)備提供電源。主要輔助設(shè)備有：起重機、單斗挖掘機、推土機和管道施工設(shè)備等。2024/3/27施工占地與施工準備1）施工占地①定向鉆施工占地包括鉆機場地、管線場地、蓄水池及泥漿池占地、管線焊接占地。②鉆機安裝場地的大小根據(jù)鉆機型號而定。泥漿池和蓄水池占地根據(jù)管徑的大小、場地及地質(zhì)情況而定，盡量節(jié)約用地。③在出土點一端，應(yīng)根據(jù)管道中心軸線、占地寬度和長度（為穿越設(shè)計曲線管道長度加50m），本著節(jié)約用地的原則，放出管道場地、泥漿池占地及管道焊接占地邊界線，并標出拖管車出入場地路線和地點。④管道預制應(yīng)在穿越中心線上，如地形不允許，從出土點起200m后方可彎曲，彎曲半徑應(yīng)不小于1500D（D為管子結(jié)構(gòu)外徑尺寸）。2024/3/27示意圖2024/3/27示意圖2024/3/27施工準備修筑施工便道平整場地儀器設(shè)備的檢查維護施工輔助用料的準備鉆機錨固系統(tǒng)2024/3/27修筑施工便道根據(jù)穿越地點的地理環(huán)境，在施工場地（入土點與出土點）與公路主干線之間修筑施工便道，施工便道的承載能力應(yīng)不低于最重車輛或設(shè)備的重量，并在適當位置找一開闊地平整壓實，以方便車輛調(diào)頭進入鉆機場地。2024/3/27平整場地在入土點，以穿越中心線為中線，平整場地，安放鉆機、泥漿系統(tǒng)、鉆桿和泥漿池等；在出土點平整作業(yè)場地，安放鉆桿、鉆具、挖掘機和泥漿池，設(shè)置合適大小的管線預制作業(yè)帶。在合適位置開挖泥漿池、廢漿池等收集廢棄泥漿。根據(jù)穿越地段的地質(zhì)情況及管徑長度，配備一定數(shù)量的泥漿罐，準備好泥漿用料，并妥善保管好各類泥漿用料和油品，防止污染施工工地及水源。2024/3/27測量放線按照設(shè)計確定出的管道穿越中心線、入土點、出土點，在入土點側(cè)測出鉆機安放位置、地錨箱、泥漿池、占地邊界等；在出土點側(cè)測出焊接管道中心線及泥漿池位置、占地邊界等；現(xiàn)場測量完成后，技術(shù)人員要及時編寫施工計劃、方案及措施，并向施工人員進行技術(shù)交底。2024/3/27安裝鉆機1）鉆機一般應(yīng)安裝在入土點和出土點的連線上。鉆機導軌與水平面的夾角與設(shè)計的入土角相等。2）鉆機應(yīng)安裝牢固、平穩(wěn)，經(jīng)檢驗合格后進行試運轉(zhuǎn)。3）應(yīng)對控向系統(tǒng)進行準確調(diào)校，調(diào)校的基準參數(shù)應(yīng)存入計算機內(nèi)。2024/3/27操作要點1）液壓起重機將鉆桿吊上鉆臺，固定在能在鉆臺上移動的活動卡盤上，鉆桿的前端連接鉆頭，后端與泥漿管路連通。開動泥漿泵后，泥漿推動鉆頭向前鉆進，活動卡盤和鉆頭同步向前移動。2）當活動卡盤移動到鉆臺前部的固定卡具時，卸開鉆桿接頭向后移動活動卡盤，能放上一根鉆桿（9.5m）時，吊上另一根鉆桿，進行接加鉆桿，接頭安裝卸開均靠前端卡具固定鉆桿，活動卡盤的正反轉(zhuǎn)動來完成，然后繼續(xù)鉆進2024/3/27操作要點3）鉆頭的入土角為7°～13°，出土角為4°～9°。特殊情況下，沿管線出、入土點的地面管道中心線，增設(shè)支撐管線曲率變化的滾動發(fā)送架，管線的最大入土角可以達到25°；管線穿越的水平長度不變，增大鉆頭的出、入土角和減小管線穿越的曲率半徑（國外的管線穿越曲率半徑最小達到80DN管徑），可以有效地增加管線的穿越深度；增加管線的穿越深度，有利于防止跑漿造成地面塌陷，并增加了管線穿越優(yōu)良地層的機會。入土角和出土角確定后，在曲線上確定若干點X、Y、Z三維坐標，此坐標返回控制盤上，控制各點坐標沿設(shè)計曲線向前推進。2024/3/27操作要點4）導向孔實際穿越曲線與設(shè)計穿越曲線的偏移量不應(yīng)大于2m。出土點沿設(shè)計軸線的縱向偏差應(yīng)不大于穿越長度的1%，且不大于12m；橫向偏差應(yīng)不大于穿越長度的0.5%，且不大于6m；5）鉆桿和鉆頭在施工前應(yīng)進行清掃，嚴禁有雜物，防止鉆桿內(nèi)有雜物堵住鉆頭水嘴造成事故。2024/3/27擴孔工藝1）擴孔器及擴孔次數(shù)的選擇合理組合擴孔器系列，采用板式擴孔器和桶式擴孔器搭配使用，可確?？椎莱尚钨|(zhì)量。預擴孔時，如發(fā)現(xiàn)某次擴孔的扭矩過大或擺動幅度過大，可適當增加擴孔次數(shù)，用相同尺寸的擴孔器重新擴孔1～2次。2024/3/27易塌方的地層流沙、淤泥以及疏松的粘質(zhì)粉土和粉質(zhì)粘土等地層，“孔道”與周圍地層沒有嚴格的界限，由“孔道”的中心線向四周分布為泥漿與鉆屑混合的流塑狀態(tài)物，在垂直于軸線方向上分布范圍的大小取決于泥漿壓力與地層壓力差以及地層的含水情況等，泥漿的懸浮能力保證了“孔道”的穩(wěn)定這種情形下，并不排除在采用桶式擴孔器時，局部地段會出現(xiàn)由于泥漿濾餅而形成孔道，但這時的濾餅環(huán)空盡管充滿泥漿，卻依然很脆弱，容易垮塌，最終還是以邊界模糊的“孔道”占主導地位。這種“穩(wěn)定”的受泥漿保護的“孔道”也是定向鉆孔道的一種；在這樣的地層中，要想滿足管道順利回拖的條件，十分關(guān)鍵的一點就是在擴孔時要提高泥漿排量、增加擴孔次數(shù)、加大擴孔直徑從而在盡量大的范圍內(nèi)構(gòu)建“孔道”。2024/3/27防洪措施2、 防洪要求按照洛陽—駐馬店成品油管道穿黃工程防洪影響評價報告提供的數(shù)據(jù)，穿越斷面處屬于黃河游蕩性河道河勢及河床斷面沖淤變化的復雜區(qū)域，1985年以來穿越斷面處歷年主流擺動達550m，預計今后一定時期內(nèi)各種洪水條件下黃河主槽擺動范圍可達1500m，主槽擺動范圍內(nèi)最大沖刷深度均為18m。主河槽管道必須位于沖刷線以下。2024/3/27管段與鉆具連接1）檢查切割刀和擴孔器內(nèi)各通道及各泥漿噴嘴是否暢通，確認合格后方可連接；2）連接順序宜為鉆桿、麻花鉆桿、切割刀、擴孔器、旋轉(zhuǎn)接頭、“U”型環(huán)、管道；3）切割刀直徑宜比擴孔器直徑大150mm，擴孔器直徑宜比穿越管道直徑大150mm，目的是減小拖拉力，保護防腐層；全部連接完后應(yīng)泵送泥漿沖洗，檢查各泥漿噴嘴是否正常，合格后方可進行回拖施工。管道回拖施工應(yīng)連續(xù)進行，除發(fā)生不可抗拒的原因外，嚴禁在施工中無故停拖。2024/3/27保證定向鉆的精確對接必須保證定向鉆的精確對接在入土段和出土段均需要采取安裝套管的方法穿過卵石層，由于定向鉆穿越使用的導向系統(tǒng)是靠地磁來確