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短距离复杂岩石地层定向钻施工案例

发布日期:2019-04-09 浏览量:152

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工程概况

自然条件

  城西大道Ⅱ穿越位置位于福建省泉州市黄塘镇陈埭头村。穿越段西侧为道路绿化带及城西大道,场地较狭窄;东侧为民房,场地条件一般,交通较便利。设计采用定向钻方式进行穿越,一根Φ457mm主管,一根Φ114mm光缆套管。定向钻实际穿越长度175m,其中岩石段穿越为115m。

地质情况

穿越场地区域地层依据土体形成的地质时代、成因、地层岩性、物理力学性质的不同划分6个工程地质层:①层填土、②层中粗砂、②1层淤泥质粉质粘土、③层粉质粘土、④层砂土状强风化花岗岩、⑤层碎块状强风化花岗岩、⑥层中~微风化花岗岩。

根据现场揭露的地层情况,土层为填土、中粗砂、淤泥质粉质粘土、和强风化~微风化花岗岩,建议管道以④层砂土状强风化花岗岩为管道主要设置层,以定向钻方式进行管道穿越。

工程特点及技术难点

1、原设计入土点位于绿化带下方空地,因地方关系及地形地貌原因,出入土点均改到城西大道东侧的绿化带上。绿化带宽度为8米,下方已埋设一组6根的光缆套管,一根Φ1000V-PVC污水管,在出、入土点与穿越轴线均有交叉,且有污水沉淀池位于穿越中心线,穿越时增加了施工风险。

2、此次穿越的惠安县惠女水渠在城西大道下方穿过,与穿越中心线垂直。修建惠女水渠时,在穿越中心线右侧山坡处为爆破施工,中心线左侧为回填施工,地下情况非常复杂。

3、穿越位置位于城西大道拐弯处,出入土点后方均为城西大道路面,受长度限制,穿越曲线没有水平段。必须保证每根钻杆达到设计角度,否则无法出土。

4、穿越段有115米长的岩石层,主要是中~微风化花岗岩,必须使用动力钻具,造成控向信号滞后约10米,增加了控向难度。

5、出土侧回拖管道沿城西大道绿化带预制,与穿越中心线有较大夹角,回拖施工难度较大。

6、中心线右侧五米位置有一间民房,因岩石硬度较大,且部分地层为回填层,在扩孔过程中,可能会有较大震动,对民房产生不利影响。

主要技术措施

3.1导向孔施工

1、导向孔施工措施

(1)为避开一组6根的光缆套管,在入土点前方2-8米处,将地面挖开,暴露出光缆套管并采取保护措施。

(2)在入土点前方,将穿越路径与Φ1000V-PVC污水管和污水沉淀井交叉位置挖开,测量出其下底相对于入土点的准确高差,根据设计曲线,计算穿越路径与污水管和污水沉淀井的相位置。经计算,穿越路径与地下障碍物有冲突。经设计同意,将入土点位置后移,增加入土点与地下障碍物的距离,以保证避开地下障碍物。

(3)出土侧探明污水管道准确位置及深度后,通过计算,受场地限制按原设计路径将无法避开污水管道,后经设计同意,将出土点位置向右侧平移3米,可避开出土侧污水管。

(4)根据地下障碍物情况设计合理的穿越曲线,确保穿越路径可避开地下障碍物。

(5)使用Sharewell公司的MGS控向系统进行导向孔施工。

(6)全程布置人工磁场,保证控向精度。在地面上标出穿越中心线和地下障碍物位置,并将人工磁场测量的准确钻头位置与地下障碍物位置进行比较,确保钻头位置处于安全范围。

(7)导向孔施工时,使用9-1/2″三牙轮钻头+172动力钻具+7″无磁钻铤的钻具组合进行岩石钻进。

(8)钻进过程中,每根钻杆做好记录,包括钻进速度、调整角度时推进的长度、所用时间、角度变化情况等,以便于判断地层的变化情况,并总结出在不同地层中的控向规律。

(9)因动力钻具造成信号滞后约10米,需根据上一根钻杆的钻进情况,结合这一根钻杆的角度变化,判断在同样地层中调整一定角度所需推进的钻杆长度,确定下一根钻杆的钻进方式。

(10)钻进过程中每根钻杆都用人工磁场进行测量,根据偏差对基准方位角进行调整,确保导向孔偏差在允许范围之内。发现偏差及时纠正,避免偏差过大,无法纠偏。

(11)出入土点均设泥浆回收净化系统,对回流的泥浆进行回收利用。

2、遇到的问题及解决办法

钻进到70米处,钻头位于惠女水渠下方,钻头角度忽然不受控制,单根钻杆角度增大达4.4°(按管道曲率半径应不超过0.8°),根据钻进情况及地质情况分析,此处可能存在软硬地层的结合面,并与钻进方向有较小夹角,钻头钻进到该处时沿硬地层表面前进,造成斜度度不受控制。

经反复推拉修孔,未能取得效果。将钻头抽回到土层,改变方向及深度后重新开孔钻进,在80米处出现角度无法增大的现象,继续钻进将无法在预定位置出土。因入土点已无穿越位置,只能将钻机移到出土点进行导向孔施工。

再次钻进时,将穿越中心线及穿越深度进行适当调整,尽量避开地层软硬结合位置,最终顺利出土,但在距入土点约70米处依然存在角度变化较大现象。

3.2扩孔施工

1、扩孔施工措施

(1)根据钻进及地质情况,确定合适的扩孔器型号及扩孔级别。

(2)Φ457管道进行了Φ450mm、Φ600mm、Φ750mm 3个等级的岩石扩孔器进行扩孔,扩孔过程中要密切注意回拖力和扭矩的变化,同时严格记录钻具使用时间,防止发生牙轮脱落等事故。

(3)软地层适当加快行进速度,避免扩孔器下沉,出现梨形孔。

(4)扩孔到碎块状强风化花岗岩地层,对拉力及扭矩进行控制,防止出现卡钻事故,同时可减小因扭矩变化较大产生的震动对民房造成的影响。

(5)每根钻杆扩孔完成后,反复推拉进行洗孔,确保成孔良好。

(6)扩孔完成后进行修孔施工,确保成孔良好、曲线平滑方可回拖。修孔钻具组合为:Φ500岩石扩孔器(后置)+Φ450岩石扩孔器+Φ430(扶正器)+Φ450岩石扩孔器+Φ600岩石扩孔器(前置)。

(7)不同地层使用不同的泥浆配比及参数,岩石层需保证携带钻屑的能力和足够排量,软地层需控制泥浆排量,防止冒浆。

(8)扩孔过程中通过泥浆回收净化系统对泥浆进行回收利用,加强对泥浆性能的检测,及时调整,确保符合施工要求。

2、遇到的问题及解决办法

(1)Φ750mm岩石扩孔器扩孔到距入土点70米处,基本无进尺,根据导向孔施工记录,此处单根钻杆角度变化为3.8°,分析认为此处角度变化大,造成扩孔器前方扶正器被岩层阻挡,扩孔器牙轮无法接触岩层进行切削。

在扩孔器前方加一个Φ600mm岩石扩孔器代替扶正器,先由Φ600mm岩石扩孔器进行修孔,再由后方的Φ750mm岩石扩孔器切削岩层,顺利完成Φ750mm扩孔施工。

(2)修孔施工到距入土点70米处无进尺,分析认为依然是由于角度变化大,孔的曲线不符合曲率半径。

将修孔钻具组合最前方的Φ600岩石扩孔器与后侧的Φ450岩石扩孔器调换,利用钻具组合的刚性,逐级将孔修整到满足要求的曲率半径,最终完成修孔施工。

(3)修孔过程中,根据扭矩变化情况,认为孔内有尺寸100mm-200mm的碎石,在回拖过程中可能会对回拖管道造成影响。

使用外径为650mm的打捞筒对孔内碎石进行打捞,将孔内较大尺寸的碎石打捞干净后再进行回拖工作。

3.3回拖措施

1、因回拖管道与穿越中心线有较大夹角,回拖前将管道摆放到城西大道中间的绿化带,并将靠近入土点的50余米管道进行调整,使其与穿越中心线成一条直线。管道摆放时应符合管道的曲率半径。

2、使用发送架对管道防腐层进行保护。

3、对管道弹性敷设位置放置固定墩,防止回拖过程中管道出现侧向滑动。

4、回拖过程中起重设备配合,随时对管道进行调整。

5、回拖应连续进行,防止因停止时间过长造成回拖失败。

四、结语

短距离岩石定向钻施工中,穿越曲线的控制、导向孔的修正、孔内岩屑的清理是回拖成功的关键因素。通过这次施工,我们在岩石穿越的技术措施、主要问题的处理办法等方面积累了宝贵的经验,为以后的岩石穿越施工打下了坚实基础。