一、工程概況
河口1#山體定向鉆穿越位于甘肅省蘭州市西固區(qū)河口鄉(xiāng)河口村西南面約500m處附近。該項目穿越管徑ф914*23.6，并行間隔10m管徑ф114*6光纜管。施工的出、入土角度7°，穿越山體長度約1492m，最大埋深160m左右，穿越地層主要為強、中風(fēng)化泥巖，泥巖的單軸飽和抗壓強度為30MPa，是目前國內(nèi)油氣管道領(lǐng)域最大口徑最長距離的山體定向鉆穿越工程。
公司嚴格按照“高標準、高質(zhì)量、高效益、高速度”的總方針，對工程進行管理，建立健全質(zhì)量保證管理體系、HSE管理體系、工程施工管理體系等管理網(wǎng)絡(luò)，嚴格按設(shè)計圖紙、技術(shù)標準和施工驗收規(guī)范編制各種管理文件，實施關(guān)鍵線路控制，確保按質(zhì)、安全、優(yōu)質(zhì)提前完成施工任務(wù)。
二、項目實施
導(dǎo)向鉆具組合：10-5/8三牙輪鉆頭+185泥漿馬達+185無磁鉆鋌+6-5/8鉆桿
控向：P2+陀螺儀
導(dǎo)向時使用GD12000-T鉆機，回擴孔采用XZ8600鉆機。
主要采用6級擴孔，終孔徑1350mm。單根鉆桿擴孔時長多在40-85min之間，最大時長154min。
因回拖場地受限，回拖采用九接一的方式，歷時10天9晚，用時約245小時，一次性完成回拖。
三、項目實施環(huán)節(jié)介紹
1、鉆機選擇
根據(jù)《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》（GB50423-2013）5.2.3條計算回拖力：
經(jīng)計算：
古浪-河口天然氣聯(lián)絡(luò)管道山體定向鉆穿越最大回拖力為1073.1kN，本工程最大回拖力取計算回拖力值的3倍，管道需最大回拖力為3219.2kN，選用XZ8600鉆機，最大回拖力800t。
鉆機參數(shù)如下表：
XZ8600鉆機
2、鉆導(dǎo)向孔時的鉆桿選擇
根據(jù)多年的施工實踐總結(jié)，5″鉆桿在通常情況下鉆導(dǎo)向孔的距離都能超過1300米，按照5 ″鉆桿能穿越1300米的施工能力進行反推，可以推算出結(jié)合使用5 ″、5-1/2 ″、6-5/8 ″、7-5/8 ″鉆桿后的水平定向鉆穿越距離。
由于鉆桿的施工能力與鉆桿的壓桿失穩(wěn)密切相關(guān)，鉆桿的壓桿失穩(wěn)又與鉆桿的軸慣性矩關(guān)系緊密，導(dǎo)致壓桿失穩(wěn)的臨界力計算公式如下式：
上式中：PLj－為鉆桿所能承受的臨界壓力；
E－鉆桿的彈性模量；
I－為鉆桿的軸慣性矩；
L－為壓桿的長度（即從鉆機動力輸出端至鉗口的距離）；
μ－為長度系數(shù)，在本文計算中根據(jù)桿端支撐情況取值為0.5。
鉆桿的軸慣性矩計算公式如下：
上式中：D－為鉆桿截面外徑；
d－為鉆桿截面內(nèi)徑。
5 ″、5-1/2 ″、6-5/8 ″、7-5/8 ″鉆桿的截面參數(shù)如下表所示：
因此由上表的比值可知，在鉆機施工能力（最大推力）的許可下，如果采用5″鉆桿可進行的施工長度為1300米，在忽略鉆桿外徑變化對摩擦阻力的影響，則采用5-1/2″鉆桿則可達到1726.4米，采用6-5/8″鉆桿則可以達到3190.2米，因此本項目采用6-5/8″鉆桿。
3、地層巖性
根據(jù)鉆探揭露、原位測試、室內(nèi)試驗成果及當?shù)亟?jīng)驗綜合分析，擬建場區(qū)內(nèi)地層巖性主要為第四系地層、下白堊統(tǒng)河口群三組下段地層，勘探深度內(nèi)自上而下共分5層。各地層特征分述如下：
第①層黃土（Q3eol）：黃褐色，稍濕，稍密，主要包含粉土顆粒、砂土顆粒及少量植物根系，土質(zhì)均勻性一般。層厚 1.20～18.20m，土石等級為Ⅱ級，該層在場區(qū)內(nèi)普遍分布。
第②層卵石（Q3al）：雜色，中密～密實，骨架物顆粒含量為 65%～78%，一般粒徑 30～60mm，可見最大粒徑 110mm，亞圓狀，母巖為灰?guī)r、砂巖，顆粒表面中等風(fēng)化， 主要充填物為砂土、礫石，固結(jié)程度一般。層厚 6.60m，土石等級為Ⅲ級，該層在場區(qū)內(nèi)僅揭露于 HKZK2 鉆孔。
第③層全風(fēng)化泥巖（K1hk31）：紅褐色，巖石結(jié)構(gòu)基本被破壞，巖體破碎，節(jié)理裂隙的發(fā)育，巖芯呈黏土狀、砂礫石狀，巖質(zhì)較軟，遇水后強度降低，易軟化崩解。層厚 1.80～ 5.00m，土石等級為Ⅳ級，該層在場區(qū)內(nèi)普遍分布。
第④層強風(fēng)化泥巖（K1hk31）：紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要礦物成分為黏土礦物、石英、長石等，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀、短柱狀，局部夾砂質(zhì)泥巖薄層，一般塊徑（柱長）30～60mm，可見最大塊徑（柱長）130mm，巖質(zhì)較軟， 泡水易崩解，巖石 RQD 值為 0～20%。層厚 5.10～48.50～m，土石等級為Ⅴ級，該層場區(qū)內(nèi)普遍分布。
第⑤層中等風(fēng)化泥巖（K1hk31）：紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要礦物成分為黏土礦物、石英、長石等，巖體較破碎～較完整，節(jié)理裂隙發(fā)育一般，局部區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育，與鉆孔軸夾角多呈 13°～19°、21°～40°、55°～65°夾角，節(jié)理面微張，巖芯呈柱狀，一般柱長 50～70mm，可見最大柱長 800mm，巖質(zhì)堅硬性一般，泡水易軟化， 巖石 RQD 值為 40%～90%。最大揭露厚度 90.00m，未揭穿。土石等級為Ⅵ級，該層在場區(qū)內(nèi)普遍分布。
該層有 1 夾層：
第⑤-1 層中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖（K1hk31）：青灰色～灰白色，細粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要礦物成分為黏土礦物、石英、長石等，巖體較破碎～較完整，節(jié)理裂隙發(fā)育一般，局部區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育，與鉆孔軸夾角多呈 13°～19°、21°～40°、55°～65°夾角， 節(jié)理面微張，巖芯呈塊狀、柱狀，一般柱長（塊徑）30～70mm，可見最大柱長 300mm， 巖質(zhì)較堅硬，巖石 RQD 值為 30%～50%。層厚 22.00～66.00m，土石等級為Ⅵ級，該層在場區(qū)內(nèi)僅揭露于 HKZK1、HKXK3 鉆孔。
4、泥漿配制
穿越經(jīng)過地層主要是泥巖，且穿越節(jié)理密集帶，穿越距離長，擴孔尺寸大，易導(dǎo)致鉆屑攜帶不干凈，鉆桿粘卡，扭矩增大，推力或拉力增加，因此對泥漿的要求比較高，為克服這種不利因素，我們將采取以下措施：
1）按照實驗室確定好的泥漿配比，將膨潤土、泥漿添加劑進行充分攪拌。
2）為了確保泥漿的性能，增加泥漿儲存罐和泥漿快速水化裝置，使膨潤土有足夠的水化時間。
3）鉆機場地設(shè)置一個泥漿收集池，收集施工中孔洞內(nèi)返出的泥漿，經(jīng)過處理后泵入儲漿罐，循環(huán)利用。
4）施工過程中，做好泥漿配置記錄的填寫工作，每一道施工工序完成后，將泥漿配置記錄提交項目部存檔。
5、管線回拖
管道回拖是水平定向鉆穿越施工中的最后環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)。為保證管線入洞角度與實際穿越曲線的出土角吻合，并達到規(guī)范要求的曲率半徑，本定向鉆穿越回拖方案為：沿穿越軸線出土角度向入土點方向開挖發(fā)送坑，出土點后側(cè)開挖發(fā)送溝，形成自然“貓背”。“貓背”兩側(cè)圍堰，在圍堰內(nèi)注水和水質(zhì)潤滑劑，用以潤滑回拖管線，減小回拖阻力。因出鉆點受場地條件限制，不具備一次組焊回拖條件，采用“九接一”回拖方案，歷時10天一次回拖成功，刷新國內(nèi)大口徑、長距離山體定向鉆新紀錄。
四、結(jié)束語
古浪-河口天然氣聯(lián)絡(luò)管道工程主要解決因澀寧蘭管道氣外輸量減少和蘭銀線冬季反輸能力不足導(dǎo)致蘭州市及周邊地區(qū)天然氣保供能力缺口問題；同時，在河口末站將西氣東輸系統(tǒng)、澀寧蘭系統(tǒng)及蘭銀線實現(xiàn)聯(lián)通，運行更加靈活，可打造“N-1”堅強天然氣管網(wǎng)，統(tǒng)籌解決甘肅、青海兩省供氣平衡問題，提高區(qū)域管網(wǎng)的供氣可靠性。水平定向鉆山體穿越技術(shù)因其施工距離長、施工效率高的優(yōu)勢備受廣泛使用，專業(yè)技術(shù)和施工管理人員需對每一道施工工序精準把握，特別是在地形復(fù)雜地區(qū)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，定向鉆技術(shù)將會越來越多地應(yīng)用到不同領(lǐng)域的工程實踐中。
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