中石化石油工程设计有限公司 山东东营 257000
摘要：汶河定向钻穿越工程穿越轴线岩石硬度高，地质条件极为复杂，施工难度前所未有。通过对穿越工程特点及施工难点的分析，考虑到实际施工中的技术要求和工程要求，采取了先进的技术措施，实现了汶河高岩石硬度、复杂地层穿越，为国内外同类的水平定向钻穿越施工积累了宝贵的经验。
关键词：水平定向钻、高岩石硬度、复杂地层、管道、穿越
日照港-京博输油管道工程包括1条原油管道和1条成品油管道，两条管道同沟敷设。管线起自日照市岚山区的日照港输油站，终点为博兴县的京博输油站，线路原油管道长度428km，成品油管道长度为433.8km。其中汶河穿越是日照港-京博输油管道工程的关键部分。汶河穿越位于临朐县蒋峪镇左家庄新村，穿越管道水平长度640.3m，曲线长度为644.21m，其中原油管道管径711mm，壁厚15.9mm；成品油管道管径406.4mm，壁厚15.9mm;光缆套管管径114mm，壁厚6.0mm；穿越深度31.4m。管道入土角度10°，入土点标高169.8m；出土角度7°，出土点标高170.8m。穿越入土端和出土端地质条件十分复杂，中段穿越微风化花岗岩，平均岩石硬度113Mpa，最高岩石硬度137Mpa。
1、汶河穿越工程技术难点分析
1.1入土端地质为卵石层，采用夯套管隔离不良地质。地勘资料描述夯套管入岩处岩石为中风化花岗岩，岩石硬度 52MPa。致使夯套管无法入岩石层封闭泥浆，且套管夯入处切面不均，仅套管底部接触岩石面，套管上部往前还存在3m卵石层，消除卵石卡钻及冒浆风险。
1.2穿越中风化、微风化花岗岩，其中有长达480m的高硬度岩石段（岩石最高硬度达到137Mpa）,穿越岩石硬度实属罕见，对工艺提出了更高的要求。
1.3在施工协调上，工程施工地点协调难度大，超出了以往工程。致使施工工期紧迫。
2、施工要点
针对汶河水平定向钻穿越工程上述施工难点，主要采取了一下措施。
2.1高压旋喷桩固化卵石层
汶河定向钻2019年11月15日夯钢套管完成，通过观察，套管底部已接触到岩石，但由于岩石硬度高造成钢套管未完全夯入岩石层，套管上部往前还有近3米的碎石层，若处理不好，将出现跑浆及卡钻现象。
2.1.1灌浆机理
高压旋喷桩是指通过钻孔在卵石层灌入水泥浆液，通过高压喷射将水泥浆注入卵石层中的一种地基加固方法。其特点是在注浆管附近形成向外扩张的 “浆泡”，浆泡在卵石层中引起复杂的径向和切向应力，紧靠浆泡的卵石层遭受严重破坏形成塑性变形区，卵石层的密度可能因扰动而减小；水泥浆灌满整个孔洞，因而卵石层由于水泥浆喷射，密度有明显的增加，通过一段时间的凝固，形成一个整体。
.png)
示意图2
2.1.2高压旋喷桩位布置及引孔
对于多排孔，孔距可根据灌浆扩散半径来决定（浆液扩散半径 r是重要参数，可按理论公式估算；也可按地层的渗透系数查表确定），先假定孔距为L ，r≤L≤2r，使孔与孔问的扩散半径相互搭接。由于特殊地层的地层复杂性，特殊情况在灌浆前需要打桩机进行先期引孔，是否需引孔，根据地层判断。
以汶河为例，定向钻套管前3米，上部5米存在卵石，套管头相对地面埋深12米，由于卵石层厚度大，灌浆机无法自身钻孔直接灌浆，根据灌浆设备喷射半径及参考本工程卵石层渗透系数确定灌浆半径为1米，孔距选择同样1米。最终确定套管前10米，后2米，进行引桩15.5米之后进行灌浆（示意图2）。
2.1.3旋喷注浆压力确定
旋喷压力是指不会使地表面产生变形和邻近建筑物受到影响的前提下可能采用的最大压力。一般都以不使地层结构破坏或仅发生局部的少量破坏，作为确定地基容许灌浆压力的基本原则。灌浆压力值与地层卵石的密度、强度和初始应力、钻孔深度、位置及灌浆次序等因素有关，而这些因素又难以准确预知，因而宜通过现场灌浆试验来确定。汶河穿越通过现场试验，最终确定灌浆注入压力0.7Mpa。
2.1.4旋喷注浆速度
以汶河为例，每个注浆孔深15.5米，孔径114mm，结合注浆量参数（Q=1000KVn），按照每分钟0.3米的灌浆速度进行灌注。
2.1.5效果检验
(1)达到凝固时间后，布置2-3个钻孔取芯，检查灌浆效果，是否成整体。
(2)进入套管头位置观察灌浆位置是否与套管之间密封完好。
2.2扩孔施工工艺
为解决汶河定向钻穿越施工中存在诸多难题，主要采取了如下措施：
2.2.1双钻机加一台辅助钻机协同作业。在入土点投入两台钻机，进行原油管道和成品油管道同时施工，在出土点设一台钻机辅助原油管道解卡，降低了扩孔施工的风险，并压缩了施工周期。
2.2.2高硬度岩石扩孔。由于导向完成之后18寸岩石扩孔器牙轮尺寸普遍偏小，抗磨损能力差，为减小岩石扩孔牙轮脱落风险，采取第一级16寸、第二级20寸岩石扩孔器扩孔，第三级采用24寸、第四级采用30寸、第五级采用36寸、第六级采用40寸岩石扩孔器扩孔。
2.2.3洗孔。在每一遍扩孔施工结束以后，都进行一次洗孔作业，清理出孔内的碎石和杂志。
汶河穿越高压旋喷桩地质改良完成后60天完成了成品油管道回拖、110天完成了原油管道回拖。
3、结论
汶河定向钻穿越地层状况极为复杂，施工难度前所未有。针对具体的施工难题，进行了深入研究，在复杂地层导向钻进、扩孔工艺及泥浆控制等方面实现突破，达到了行业前列。
高硬度岩石层的穿越及扩孔开拓了定向钻穿越施工中岩石的钻进及扩孔工艺，为水平定向钻穿越岩石等复杂地质积累了宝贵的是施工经验。
参考文献：
[1]史越倩，张成喜，姜楠楠. 水平定向钻穿越工程技术要点.煤气与热力，2007,09：1000-4416.
[2]江文，蒋宏业，姚安林.水平定向钻穿越施工的失效可能性研究。中国安全生产科学技术
[3]冒乃兵. 石油天然气管道水平定向钻穿越工程质量控制研究。石化技术，2020,02,28