1 工程概况

1.1 工程简介

由天津世纪东大管道穿越工程有限公司施工的中石油西气东输二期武汉倒水河穿越工程于2009年12月20日开工,2010年5月17日完工,历时5个月。工程使用的主要施工设备包括威猛D750×900水平导向钻机、南京雪威尔导向系统、美国标准石油钻杆(6 5/8″)和兰州 3HS-250,3HS-150泥浆系统等。

钻机入口位置位于武汉市新洲区李集镇倒水河南岸,距离南岸河坝270m处,出口位置位于倒水河北岸,距离北岸河坝180m,入土角度为10°,出土角度为6°。经验算,定向钻穿越回拖力不小于2803kN。钻杆总长 890m,铺设直径 1219mm的天然气管道(无缝钢管),用作天然气输送。

图1 穿越工程平面图

1.2 土质情况

根据钻探勘察,原位测试及室内试验综合分析,现将地质各岩土层特征从上到下分析如下:①～⑦为地层序号。

①杂填土:主要成分是砖块,碎石和炉渣,厚度为0.30～1.40m。

②耕土:主要成分是粉质粘土,厚度为0.50～1.10m。

③粉质粘土:主要成分是粘粒,韧性中等,干强度中等,均有分布,层厚2.40～16.30m。

④中粗砂:主要成分为石英,长石等,含少量云母片,含量约为50～60%,局部夹卵石,砾石及粉质粘土夹层,厚度为5.3～16.90m。

⑤卵石:主要成分为石英岩,粒径一般 2～7cm,大者10cm,含量约为60%左右,菱角状,次菱角状 ,石英砂和少量粘土填充,厚度1.00～5.70m。

⑥强风化砂岩:岩石结构为岩石风化强烈,岩石质软,手易折断,捏碎,合金易钻进,干钻难以钻进,该层全场地均有分布,厚度4.2～17.10m。

⑦中风化砂岩:岩石结构为砂质,岩质软,合金易钻进,岩石遇水而软化,垮塌,失水易开裂,该层全场均有分布,由于钻孔限制,未完全揭露,最大揭露厚度为24.30m.

1.3 地下水

根据勘察和收集的有关水文资料表明,穿越场地地下水类型主要为孔隙潜水和基岩裂隙潜水。孔隙潜水主要埋藏于中粗砂,卵石层中,卵石和中粗砂透水性良好,含水丰富,为强透水层:基岩裂隙潜水主要埋藏于强风化砂岩,中风化砂岩,补给来源以地表水体为主,与河水联系密切,呈相互排泄和补给关系,勘察时两岸地下水稳定水位标高为20.03～28.40m,地下水位年变幅在1.00～2.00m之间。

1.4 钻进轨迹

入土角度为10°,要穿越河坝及倒水河床,所以在距河坝南岸270m入土,穿过耕土,粉质粘土层,进入中粗砂层,及卵石层后钻进,进入强风化砂岩层,主要在中风化砂岩层穿过河坝及河床可以满足定向钻穿越的深度要求,在距钻机500m处上调角度穿过各地质层,按甲方施工要求,在预先的出土点,钻杆出土。

2 施工过程

前期进行场地规划,钻机进场及泥浆池挖掘等工作,入土侧摆放钻机设备,钻杆等,需临时征地6700m2,出土侧摆放钻杆和管道组装焊接场地,需临时征地19300m2,设备于2009年12月27号进入施工现场,并安排装卸设备到位,开始工地现场实地勘察和管线实际探测,根据中石油公司所标定的走向标,及所提供的地质报告,水文资料,进行导向正确位置标定。

2.1 导向过程

图2 穿越工程钻机轨迹

威猛公司也派出了工程专家及技术人员,跟随现场导向,钻头在10～15根钻杆期间钻进时,钻机的顶进力开始升高到约60吨,钻头进入中砂层,钻机继续钻进,在钻进到30根钻杆时,钻机顶进力升至100吨,钻头进入强风化砂岩和中风化砂岩层,导向进展很顺利,在钻进60根钻杆左右,钻杆穿出岩层,经过卵石层,粉质粘土层和耕土后总共钻进杆93根钻杆,钻头在预定的出土点出土,总共用时3天。

图3 导向孔钻进

图4 导向钻进完成

2.2 回扩

考虑到地质结构复杂,决定分6次回扩及洗孔。第一次回扩使用400mm的回扩头,扭矩维持在35000N·m左右,回拖力小于70吨,经过一个星期后,回扩完成。由于地层复杂多变,路径长、孔径大,期间为了更好的成孔和提高工程效率,工作人员根据回扩效果不断的对回扩头进行了改进,并且每次改进都达到了良好效果。除了威猛专家及工程人员不怕困难,勇于开拓创新的精神,设备可以让不同的回扩头发挥出其特点完成良好成孔这种高性能,起到了关键作用。鉴于文章篇幅,以下就不详述每次回扩状况了。

图5 回扩用的回扩头

图6 回扩过程

图7 回扩完成

2.3 回拖

2010年5月10号开始回拖1219mm的天然气无缝管道,拖管过程中最大扭矩不超过35000N·m,最大回拖力不超过70吨,此次回拖除了工作人员的努力、耐心和充份的准备工作,很大程度上得益于威猛钻机的大扭矩高性能,使成孔质量非常好,只花了14小时,回拖便顺利完成。

3 结论

在威猛公司派遣的工程专家及技术专家的现场专业指导下,工程施工中所遇到的问题和困难都得到了及时的处置,这对对此次项目的成功完成起到了很大的作用。而因客户所使用的钻杆是二手或三手钻杆,在工程施工期间产生了不少困难,也限制了钻机最大性能的发挥,无可避免的延缓了工程的竣工时间,但凭借着威猛D750×900超大型水平导向钻的卓越性能,在不同的地层中保证了良好的成孔,为工程的顺利竣工奠定了坚实的基础。这又一次表明了威猛水平导向钻机的高水平和高质量,在行业中无以取代的实力。

(以上案例资料源自天津世纪东大管道穿越工程有限公司的实际施工情况,由百莱玛设备有限公司工程师臧志成撰写)