一、管道工程概況
岙山鎮(zhèn)海進(jìn)口原油輸送管道是中國(guó)石化集團(tuán)公司為保障上海和南京地區(qū)石化企業(yè)進(jìn)出口原油裝卸與運(yùn)輸而投資建設(shè)的一條主干管道。外釣島 冊(cè)子島海底管道定向穿越是整個(gè)岙山鎮(zhèn)海管道工程的關(guān)鍵部分。管道起點(diǎn)位于外釣島西北側(cè)海塘上,止點(diǎn)位于冊(cè)子島珠絲門。管道穿越工程曲線長(zhǎng)度為2 350 m, 管徑為610 mm, 壁厚為15. 9 mm, 穿越深度為80. 67 m。管道入土角為12 , 入土點(diǎn)標(biāo)高為2. 50 m; 出土角為9 , 出土點(diǎn)標(biāo)高為1. 08 m。

穿越管道路由最大水深達(dá)66 m, 最低點(diǎn)位于水平面以下80 m, 海底坡度最大達(dá)14 。穿越段海底地質(zhì)條件十分復(fù)雜, 外釣島端為含礫瘦粘土, 冊(cè)子島端為巖石地基, 其中巖石部分的硬度為140 MPa。

1、 工程特點(diǎn)
( 1) 水平穿越距離與管徑的乘積( 長(zhǎng)為2 210. 1m, 管徑為610 mm) 已經(jīng)超過(guò)了2002 年創(chuàng)造的錢塘江穿越長(zhǎng)度2 308 m、管徑237 mm 的吉尼斯世界紀(jì)錄。
( 2) 穿越深度達(dá)80. 67 m, 這在世界水平定向鉆穿越史上是極為罕見(jiàn)的。
( 3) 穿越地質(zhì)極為復(fù)雜, 穿越地層位于兩島之間, 地質(zhì)變化極大, 包括中風(fēng)化流紋斑巖、微風(fēng)化碎裂狀石英巖、強(qiáng)風(fēng)化巖等。尤其需要穿越冊(cè)子島側(cè)長(zhǎng)達(dá)370 m 的高硬度巖石段( 巖石的最高硬度達(dá)到140 MPa) , 穿越長(zhǎng)度和巖石硬度都是國(guó)內(nèi)之最, 這對(duì)工藝提出了更高的要求。
( 4) 浙江沿海一帶屬臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū), 可能給穿越施工帶來(lái)難以預(yù)測(cè)的影響。
( 5) 工程施工地點(diǎn)接近軍事管制區(qū), 協(xié)調(diào)難度大。

( 6) 冊(cè)子島人煙稀少, 遠(yuǎn)離大城鎮(zhèn), 外釣島是一座荒島, 社會(huì)依托較差。

2、 技術(shù)難點(diǎn)
外釣島冊(cè)子島穿越工程要求和地質(zhì)條件苛刻, 對(duì)控向、鉆桿、擴(kuò)孔、回拖和泥漿技術(shù)都提出了新的要求。
( 1) 控向難度大鉆孔軌跡的實(shí)時(shí)測(cè)量是進(jìn)行管道穿越施工的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于外釣 冊(cè)子島管道穿越施工條件惡劣, 地質(zhì)地理?xiàng)l件復(fù)雜, 而且穿越距離超長(zhǎng), 穿越深度較大, 致使準(zhǔn)確控向難度很大。

( 2) 鉆桿變形問(wèn)題 外釣島 冊(cè)子島定向鉆穿越曲線長(zhǎng)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。在進(jìn)行長(zhǎng)距離定向鉆施工時(shí), 鉆桿會(huì)發(fā)生一定程度的變形, 當(dāng)推力負(fù)荷增大, 孔壁內(nèi)鉆桿的∀ 邊緣荷載# 也相應(yīng)增加。在較軟的粘土層施工時(shí), 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(wèn)題。此外, 由于鉆進(jìn)輸出的旋轉(zhuǎn)力會(huì)使鉆桿折斷, 因此, 采用傳統(tǒng)的施工方法( 即一臺(tái)鉆機(jī)鉆孔) , 無(wú)法滿足鉆桿強(qiáng)度與穩(wěn)定性的要求。

( 3) 擴(kuò)孔難題多􀀁 冊(cè)子島側(cè)有長(zhǎng)度約370 m 的巖石段, 巖石的最高硬度為140 MPa, 在這種地層擴(kuò)孔極為困難, 目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例。在施工過(guò)程中,巖石層與粘土層擴(kuò)孔難易度相差很大, 容易在巖石和粘土段的結(jié)合面產(chǎn)生一定程度的沉降, 導(dǎo)致整個(gè)孔產(chǎn)生臺(tái)階, 影響管道回拖。由于穿越距離較長(zhǎng), 管道的管徑偏大, 并且穿越路由要通過(guò)淤泥層, 擴(kuò)孔施工中很可能出現(xiàn)∀ 抱桿#、塌孔等危險(xiǎn)∃1%。

( 4) 回拖易造成管道損壞 外釣島 冊(cè)子島海底管道定向鉆穿越曲線長(zhǎng)度達(dá)2 350 m, 如此長(zhǎng)距離的管道回拖, 在國(guó)內(nèi)外穿越史上尚無(wú)先例。主要存在的問(wèn)題是, 回拖時(shí), 管道長(zhǎng)度很長(zhǎng), 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(guò)程易造成管道損壞。同時(shí), 鉆機(jī)基礎(chǔ)可能出現(xiàn)滑移、失穩(wěn)等現(xiàn)象。

( 5) 泥漿工藝要求高􀀁 泥漿是水平定向穿越的血液。外釣島冊(cè)子島海底管道穿越工程由于鉆進(jìn)距離長(zhǎng), 地質(zhì)條件非常復(fù)雜, 穿越地層既有粘土、粉土, 又有高硬巖石、碎石, 甚至還有淤泥、砂層。因此, 要求泥漿具有良好的流變性, 保證有較強(qiáng)的攜帶鉆屑能力; 有較低的摩擦系數(shù), 良好的潤(rùn)滑性能; 有較強(qiáng)的護(hù)壁作用, 能在孔壁形成一定力學(xué)強(qiáng)度的泥皮, 維護(hù)孔壁穩(wěn)定, 防止泥漿漏失。

三、施工要點(diǎn)
1. 控向糾偏系統(tǒng)
在外釣島 冊(cè)子島穿越工程中, 華元機(jī)電工程有限公司專門研制了DX 型水平定向鉆機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)較好地解決了外釣島􀀂 冊(cè)子島超長(zhǎng)距離穿越導(dǎo)向孔鉆進(jìn)中的精確控向問(wèn)題。操作者可以通過(guò)計(jì)算機(jī)直觀地了解探頭的詳細(xì)情況, 并且沒(méi)有深度限制, 系統(tǒng)配有專業(yè)的定向系統(tǒng)軟件。

DX 型水平定向鉆機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)的主要功能有,穿越軌跡計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)( CAD) ; 軌跡測(cè)量自動(dòng)報(bào)警; 實(shí)際鉆孔軌跡實(shí)時(shí)測(cè)量; 抗強(qiáng)磁場(chǎng)干擾軟件; 軌跡糾偏參數(shù)計(jì)算; 完整的歷史數(shù)據(jù)處理和報(bào)表打印圖形化人機(jī)界面; 軌跡測(cè)量自動(dòng)濾波; 軌跡測(cè)量自動(dòng)糾錯(cuò)等。

2、 導(dǎo)向孔雙鉆機(jī)同步對(duì)接施工工藝
采用了國(guó)際先進(jìn)的導(dǎo)向孔雙鉆機(jī)同步對(duì)接施工工藝, 首次成功地實(shí)施了在出土點(diǎn)、入土點(diǎn)兩端雙鉆機(jī)同步協(xié)調(diào)作業(yè), 解決了長(zhǎng)距離穿越導(dǎo)向孔施工中鉆桿失穩(wěn)和強(qiáng)度不足等難題。外釣島􀀂 冊(cè)子島穿越工程導(dǎo)向孔雙鉆機(jī)同步對(duì)接施工工藝設(shè)計(jì)如下。
( 1) 將電磁線圈布置到外釣島淺灘上, 冊(cè)子島側(cè)鉆機(jī)保持低速旋轉(zhuǎn), 利用控向系統(tǒng)將鉆頭向出土點(diǎn)鉆進(jìn)約2 200 m, 等待與出土點(diǎn)的輔鉆機(jī)向入土點(diǎn)鉆進(jìn)的鉆頭進(jìn)行對(duì)接。
( 2) 將專用打撈鉤安裝到外釣島一側(cè)的鉆機(jī)上,在控向系統(tǒng)的引導(dǎo)下將打撈鉤鉆入指定位置。

( 3) 外釣島和冊(cè)子島鉆機(jī)保持旋轉(zhuǎn), 打撈鉤打撈到外釣島側(cè)鉆桿后, 冊(cè)子島側(cè)鉆機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng), 將鉆頭牽引出地面。偏差的測(cè)量主要是依據(jù)兩鉆機(jī)的導(dǎo)向傳感器相對(duì)測(cè)得的, 根據(jù)傳感器測(cè)量的參數(shù), 計(jì)算出偏差的方位和兩鉆桿的相對(duì)距離, 逐漸調(diào)整, 消除偏差, 達(dá)到兩鉆頭對(duì)接打撈。
( 4) 根據(jù)設(shè)計(jì)好的穿越曲線對(duì)外釣島側(cè)導(dǎo)向孔進(jìn)行調(diào)整( 即修孔) , 從而完成整個(gè)導(dǎo)向孔的施工。

3、 擴(kuò)孔施工工藝
( 1) 雙鉆進(jìn)協(xié)調(diào)作業(yè) 在出入土點(diǎn)各設(shè)一臺(tái)鉆機(jī), 一臺(tái)提供扭距, 一臺(tái)提供拉力, 避免了鉆桿過(guò)長(zhǎng)造成的擴(kuò)孔器失控問(wèn)題, 降低了擴(kuò)孔施工的風(fēng)險(xiǎn), 提高了擴(kuò)孔速度。
( 2) 高硬度巖石擴(kuò)孔 在導(dǎo)向孔施工完成后首先進(jìn)行了370 m 硬巖石段的擴(kuò)孔, 應(yīng)用改造的高硬度巖石擴(kuò)孔工藝, 在巖石段采用掌式密置牙輪擴(kuò)孔器進(jìn)行多次預(yù)擴(kuò)孔。
( 3) 鉆桿換向 巖石段擴(kuò)孔完畢后, 退出巖石擴(kuò)孔器, 將巖石擴(kuò)孔時(shí)的鉆桿從出土點(diǎn)拖出, 上后續(xù)鉆桿時(shí)將鉆桿方向更換, 進(jìn)行粘土段擴(kuò)孔。
( 4) 多次擴(kuò)孔􀀁 擴(kuò)孔施工中, 泥漿長(zhǎng)距離返排攜帶泥沙, 流動(dòng)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(duì)減小。采用多次擴(kuò)孔, 切割刀每次切割下來(lái)的土壤化巖屑相對(duì)于循環(huán)著的泥漿而言, 所需要的返排量減少, 這樣就不會(huì)造成孔洞淤塞, 環(huán)形空間的有效尺寸得到了充分保障。具體施工中, 在巖石段和粘土段共進(jìn)行了7 次擴(kuò)孔,有效減小了擴(kuò)孔器阻力, 縮短了擴(kuò)孔周期。
( 5) 洗孔 在每一遍擴(kuò)孔施工結(jié)束后, 都應(yīng)使用絞籠進(jìn)行洗孔, 如果一次洗孔不能取得滿意的效果,要進(jìn)行2~ 3 次洗孔, 以徹底清理出孔內(nèi)的碎石和雜質(zhì)。

4、 回拖施工
( 1) 鉆機(jī)基礎(chǔ)的加強(qiáng)和加固􀀁 對(duì)鉆機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行了驗(yàn)算和設(shè)計(jì), 確保回拖過(guò)程鉆機(jī)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和可靠性。
( 2) 管道試?yán)?/span>􀀁 為試驗(yàn)管道回拖的阻力, 驗(yàn)證各橫、立輥輪支撐的合理性和可靠性, 在管道正式回拖前, 對(duì)管道進(jìn)行預(yù)拖動(dòng)。試拖的長(zhǎng)度為100 m, 試拖時(shí)速度要控制在0. 3~ 0. 5 m/ min 之間。
( 3) 巖石段回拖􀀁 在外釣島采用HY 􀀂 3000 鉆機(jī)實(shí)施回拖, 記錄鉆機(jī)的扭矩、拖力、泥漿排量等參數(shù)。在回拖過(guò)程中保證一定的回拖速度, 一般控制在1~ 2 m/ min 之間。
( 4) “二接一”施工 在回拖過(guò)程中采取了管道“ 二接一”施工工藝, 即回拖時(shí)先拖2 080 m 管段, 拖入洞中約220 m 后, 后部與270 m 管段對(duì)接。

( 5) 粘土段回拖���“二接一”施工結(jié)束后, 立即啟動(dòng)鉆機(jī)繼續(xù)進(jìn)行粘土段回拖, 在進(jìn)行粘土段回拖時(shí)速度要快, 控制在2. 5 m/ min 左右, 防止發(fā)生抱管現(xiàn)象。
圖1 是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的外釣島􀀂 冊(cè)子島穿越工程回拖力曲線圖。

從圖1 中可以看出, 在整個(gè)回拖過(guò)程中, 回拖力最大值達(dá)到267 t , 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(cè)子島附近地勢(shì)高, 彎曲段多, 造成回拖阻力較大, 當(dāng)在粘土段進(jìn)行回拖時(shí), 導(dǎo)向孔相對(duì)比較平滑, 鉆機(jī)回拖速度增大, 使得管道在孔中移動(dòng)暢通, 降低了管壁在孔內(nèi)的粘滯阻力, 因而回拖力開(kāi)始變小。

5、 泥漿工藝
( 1) 泥漿性能調(diào)整外釣島􀀂 冊(cè)子島海底管道定向鉆穿越工程中,鉆導(dǎo)向孔、預(yù)擴(kuò)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(rùn)滑性能。根據(jù)地層條件的
變化, 各施工過(guò)程泥漿性能調(diào)整要求如下。

1. 導(dǎo)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。

2. 導(dǎo)向孔水平孔段􀀁 要及時(shí)提高清屑劑和潤(rùn)滑劑含量, 適當(dāng)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(qiáng)泥漿的潤(rùn)滑性, 減小鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)及推進(jìn)阻力。
3. 擴(kuò)孔段􀀁 為增強(qiáng)泥漿的造壁性能, 防止孔壁塌陷、縮徑, 需增大固壁劑和增粘劑含量。

4.回拖段􀀁 為提高泥漿的潤(rùn)滑性, 降低摩擦阻力, 增強(qiáng)攜屑效果, 需提高清屑劑和潤(rùn)滑劑含量。泥漿的粘度控制應(yīng)根據(jù)穿越段地層情況, 在鉆導(dǎo)向孔階段, 泥漿粘度控制在60~ 65 S 范圍內(nèi); 在預(yù)擴(kuò)孔和回拖階段泥漿粘度提高5~ 10 S, 即達(dá)到65~ 75 S。

( 2) 專用泥漿研制
外釣島􀀂 冊(cè)子島海底管道穿越工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜, 泥漿性能要求高, 在施工中, 必須根據(jù)實(shí)際地層條件配制合乎要求的、優(yōu)質(zhì)高性能的專用泥漿。
采取的主要措施如下。
1.按照事先確定的泥漿配比, 用一級(jí)膨潤(rùn)土加上泥漿添加劑, 配出符合要求的泥漿。使用DRISPC 劑、濾餅劑、液體潤(rùn)滑劑等泥漿添加劑。
2.在粘土段導(dǎo)向孔鉆進(jìn)和擴(kuò)孔時(shí)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。
3.擴(kuò)孔完成后進(jìn)行洗孔時(shí), 添加5% 護(hù)壁劑, 提高泥漿粘度, 在含礫粘土層中起到護(hù)壁、固壁的作用。
4.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�？刂颇酀{密度在1. 1~ 1. 2 g/ cm3 之間, 泥漿粘度不低于60 S。

四、結(jié)􀀁 論
( 1) 針對(duì)外釣島􀀂 冊(cè)子島海底管道穿越地質(zhì)狀況極為復(fù)雜, 施工難度很大的特點(diǎn)進(jìn)行了深入研究,在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)、擴(kuò)孔工藝及泥漿控制等方面實(shí)現(xiàn)了突破, 解決了復(fù)雜地層特別是復(fù)雜海洋地質(zhì)條件下的定向鉆穿越問(wèn)題, 對(duì)今后海上定向鉆穿越具有重大的指導(dǎo)意義。
( 2) 外釣島􀀂 冊(cè)子島海底管道定向鉆穿越工程在導(dǎo)向孔施工過(guò)程中, 首次采用兩臺(tái)鉆機(jī)兩端聯(lián)合作業(yè), 實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離導(dǎo)向孔鉆進(jìn)的對(duì)接施工, 解決了超長(zhǎng)距離導(dǎo)向孔施工鉆桿的失穩(wěn)問(wèn)題。
( 3) 長(zhǎng)距離、高硬度巖石層的穿越及擴(kuò)孔開(kāi)拓了定向鉆穿越施工中巖石的鉆進(jìn)及擴(kuò)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(yàn)。
( 4) 根據(jù)不同的地質(zhì)段情況和不同的擴(kuò)孔尺寸,結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn), 采用與之相適應(yīng)的泥漿參數(shù), 配置外釣島􀀂 冊(cè)子島海底穿越專用泥漿, 較好地實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地層穿越泥漿應(yīng)具有的流變性、高攜砂性、固壁和潤(rùn)滑性能。
( 5) 在回拖過(guò)程中采用∀ 二接一#施工法, 減小了回拖過(guò)程的摩阻力, 解決了長(zhǎng)距離管道回拖中存在的鉆機(jī)推力過(guò)大、管道易損壞等施工難題。