《油气输送管道穿越工程设计规范》GB50423-2013版标准规定:5.1.7定向钻不宜在卵石层、松散状砂土或粗砂层、砾石层与破碎岩石层中穿越。当出入土管段穿过一定厚度的卵石、砾石层时,宜选择采取套管隔离、注浆固结、开挖换填措施处理。
修订待发布版标准规定:5.2.6定向钻不宜在卵石层、砾石层、破碎硬质岩石层中穿越。当出、入土管段穿过一定厚度的卵、砾石地层时,宜选择采取套管隔离、注浆固结、开挖换填等措施处理。
新版标准,对定向钻不宜穿越地层做了小调整,删除了松散状砂土或粗砂层。这些年,定向钻穿越松散状砂土或粗砂层的案例较多,在泥浆配置方面做了调整,并对穿越工艺参数优化后,此地层的穿越风险基本可控,所以不再列出松散状砂土或粗砂层作为不宜穿越地层。
对于穿越两侧有卵石层的情况,一般情况下,需要进行处理。
卵石层具有以下特点:颗粒结构松散、胶结型差、粒径大小不均。放到定向钻穿越领域里的说法就是:
1)导向孔控向难,地层软硬不均,钻头遇到硬颗粒就爱跑偏;
2)扩孔容易塌孔;
3)钻屑有大有小,粗颗粒就不容易携带至地面,堆积在一起,容易卡钻、卡管。
虽然标准给出了三种措施,但最常用的还是采用夯套管工法进行套管隔离,见图1。通俗点说,把管子砸到地里。多年以前,夯管锤被引入国内,并在长吉线松花江穿越工程中首次使用了这种方法。

图1 夯管锤图
随着夯进长度的增加,夯套管工法逐渐暴露出2个问题:
1)夯进长度越长,管子柔性越明显,套管越容易出现管头上漂或下沉,偏离轴线,夯击过程中想纠偏很难。
2)夯进力和夯进频率固定,如果套管在地层中受到的摩擦力和端部阻力与夯锤的夯进力达到了平衡,套管就会出现夯进困难,想就位很难。
所以,夯套管工法一般都不会太长,超过120m的不多,超过150m的几乎凤毛麟角。下图2是统计的一部分已经完成的采用夯套管工法隔离卵石层的定向钻穿越工程:
图2 夯套管长度统计
夯套管长度在100m以上的工程,套管管径基本都在1m左右,套管管径在2m左右的工程,夯套管长度超过100m的很少。
夯套管长度100m放到定向钻穿越中是个什么概念呢,就是入土角10度的时候,深17m;入土角6度的时候,深10m。
如果卵石层的厚度再大些,可以加大入土角,也可以挖掉一些卵石层,总之就是让卵石地层的厚度适合夯套管,虽然能够进行一定的优化,但也有限。
对于长度更长的卵石层,套管隔离在夯击力不够或夯击困难的情况下,还有一种工艺就是套管顶推工法。
套管顶推工法把套管安装和定向钻施工工艺进行了结合。下面施工设备布置图3:
图3套管顶推隔离卵石层
从上图可知,整套装备有钻机、夯管锤、顶(推)管机组成,其中:顶(推)管机和夯管锤用于套管安装;钻机驱动套管内的绞龙和钻头,用于出渣和控制套管顶进的方向,见图4;
图4 绞龙出渣示意图
这种工法施工较为繁琐,钻机钻进、套管顶推和绞龙出渣需要循环往复进行,可以较长距离处理卵石层。
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