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工程案例詳情

Industry dynamics details

開創紀錄:1300米海底巖石層穿越
2017-02-20

技術總監:尹克 [電話183 3627 1872]            泥漿總工:代曉勇

    2011年5月28日,中國深圳鉆通工程機械股份有限公司和韓國PROMOLE非開挖公司,在韓國合作完成1300米海底巖石非開挖穿越鋪管。此次工程創造了亞洲/世界上單次單向硬質巖石非開挖穿越鋪管最長紀錄。

一.工程概況:

施工方為韓國PROMOLE公司,中國鉆通工程機械公司全程提供技術支持。工程位于韓國光州市新安郡,所鋪設管道是為了連接兩座島嶼,給島上居民供應自來水。穿越全長共計1300米,其中1216米位于海面下。所鋪設管道為外徑110mm和外徑90mm的HDPE管兩條。全程除入土端40米是黃土層外,其余1260米全部為硬度在100MPa—130MPa之間的花崗巖,其中石英含量約在10%-30%之間。如此之長的硬巖石層非開挖穿越鋪管在世界上/亞洲(世界還是亞洲)尚屬首次。

二.工程特點:

工程主要特點為,全程1260米全部為高強度無風化硬質花崗巖,且1216米穿越段位于海下。由此將給此次施工帶來以下問題:

1.鉆孔距離長,返漿困難,進而排渣困難;

2.巖石硬度高,進尺慢,鉆具損耗嚴重;

3.導向定位困難。

三.施工設備:

主體鉆機為深圳鉆通工程機械股份有限公司生產的ZT-350/300型非開挖水平定向鉆機;泥漿泵選用的是山東青能公司生產N3NB350型泥漿泵;所用導向儀器為美國DCI公司生產的SST地磁導向系統。

四.施工設計方案:

1.鉆具選擇:

目前,在巖層中進行非開挖施工,導向孔的施工是個難題。但,經過非開挖工作者的不懈努力和實踐,已經找到了行之有效的解決方法。那就是在巖層中使用泥漿馬達和三牙輪鉆頭進行導向施工。眾所周知,現在非開挖導向施工的基本原理是利用帶有一定斜度的斜掌板(也稱鴨嘴版),在地層中用切削、擠壓及水射流的方式進行變向。但是,鑒于巖石層高強度、高密度、不易切削等特點,使得上述方法無法在巖層中使用。而三牙輪鉆頭的破巖機理是剪切和沖擊,這種破碎巖石的方式具有較高的效率;帶有一定角度的泥漿馬達可以使鉆孔變向。兩種鉆具的完美結合解決了巖石層中的非開挖導向施工難題。鑒于以上情況,此次施工選擇了北京石油機械廠生產的泥漿馬達和江漢石油鉆頭股份有限公司生產的三牙輪鉆頭。

2.導向方案和鉆孔軌跡設計:

鑒于此次工程穿越水平距離1300米,有1216米位于海面下,海面時有大風大浪、潮漲潮落無法跟蹤定位,且無法實施布置地面磁場。故而選擇了無需跟蹤且無需布置地面磁場的SST地磁導向系統。

此次鉆孔軌跡設計的要點是,在穿越路徑上,距離入土點920米處有一深度達30米的海蝕溝。此海蝕溝的存在是此次導向施工的難點。

3.擴孔及修孔方案

因出土端施工場地限制及回收泥漿的需要,此次工程將嘗試使用一種新的擴孔方式,正向擴孔。

4.泥漿配置、性能要求及處理方案:

此次工程泥漿配置的特點及處理方案如下,

(1)由于鉆機所在為一小島上,沒有足夠淡水,只能抽取地下水。而從此島上抽取的地下水具有一定的鹽度,其中含有大量的電解質,給泥漿配置及維護帶來了困難。這要求配置泥漿所用 膨潤土必須具有良好的造漿性能,且必須選擇抗鹽添加劑;鑒于此,膨潤土采用SUDCHEME公司的THR系列膨潤土,添加劑為具有較強抗鹽效果的聚陰離子纖維素;

(2)由于鉆孔距離較長,返漿阻力大且巖層中含有一定量的石英,鉆渣顆粒較大,難以攜帶排出。要求泥漿必須兼顧流動性和懸浮攜帶鉆渣的能力,通俗的說法為既要粘度高又要流動性好。為達到這個目的,此次工程選用了正電膠這種流型調節劑。此外還有兩種常用的PH值調節劑,純堿(Na2CO3)、燒堿(NaOH).

(3)泥漿的具體配方為:每立方米水中按順序加入①0.5KG純堿+0.5KG燒堿;②40KG THR膨潤土;③0.2KG-0.5KG 聚陰離子纖維素;④0.5KG-1KG正電膠。

(4)以上配方在此次具有一定鹽度水中所混配形成的泥漿性能如下表所示:

比重PH值馬氏漏斗粘度S表觀粘度塑性粘度動切力

Pa10S初切力Pa10mi終切力Pa動塑比

1.0451145191274.5100.58


五.施工過程:

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1.下套管

入土點距巖石層面有4米厚的流沙層及3米厚的黃土層,地層將會給施工帶來兩個問題。一是流沙為透水層,泥漿會在這一層漏失,且海水漲潮時海水將侵入鉆孔中,破壞泥漿性能;二是鉆桿在流沙層中無受力點,在頂進時鉆桿會彎曲嚴重; 

鑒于以上情況,決定在入土端鋪設外徑400mm,壁厚5mm,長40m的鋼套管,以解決上述問題。下套管時,首先用寬度為350mm的普通導向斜掌板和普通Eclipse儀器,按照預定導向軌跡打到巖石層;然后用鉆機將套管6m每段依次下入,直到下到預定巖石層。此套管成功的解決了上述問題。

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2.測量、導向施工

SST地磁導向系統的工作原理是,探棒具有實時測量探棒本身所在直線和地球南北極磁場夾角的功能。使用時只需用探棒測量出穿越入土、出土點連線與地球南北極磁場之間的夾角,就可以為導向施工時導向孔的走向指明方向。所以,導向施工前的一項重要工作就是測量磁偏角。

導向孔施工采用的是北京石油機械廠生產的泥漿馬達和江漢油田鉆頭公司生產的三牙輪鉆頭。

導向孔鉆至水平距離1050米時,SST導向系統顯示,此時導向孔向左偏離鉆孔預定中心線6米,左偏角度為1.5°。鉆至水平距離1220米時已經到達岸邊,此時用地面跟蹤儀測量發現實際偏差為左偏9米。

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3.泥漿維護處理及鉆渣檢測:

此次工程由于巖層完整,泥漿基本無損耗。回收利用后,所需新漿很少。需要注意的是隨著鉆孔的加長,鉆渣能否及時排出。為此需隨時監測鉆渣排出情況。

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4.事故及處理

事故一,沉渣卡鉆。在導向孔進行到300米時,發生了沉渣卡鉆的事故。在這段導向孔施工期間,泥漿沒有照常維護,加之下雨雨水加入使得泥漿和清水幾乎沒有區別。這造成兩方面的影響。一是鉆進速度快,從鉆具使用統計表中可以看出;二是鉆渣無法及時排出,導致沉渣卡鉆;處理方法是,將泥漿性能調整至設計要求,一邊打泥漿一邊慢轉回拉。成功解卡后,依然用滿足設計要求的泥漿清孔,將沉渣完全排出后,方繼續進行導向施工。

事故二,三牙輪鉆頭掉入鉆孔中。導向過程中共計掉入3個牙輪鉆頭,其中兩個用31/2REG母扣打撈出來。最后一個位于1220米處,無法打撈出。因位于岸上,最終開挖打撈而出。

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5.正向擴孔

擴孔采用正向擴孔的方式。導向孔鉆至1240m時,回撤鉆桿。這樣導向孔沒有打穿,泥漿仍然從入口處回流而出,利于正向擴孔時泥漿回收利用。擴孔鉆具采用的是5LZ165×7.0泥漿馬達+9 1/2″三牙輪鉆頭,此鉆具組合所形成的孔徑約為253mm滿足終孔孔徑要求。

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6.導向出土、正向擴孔完成

使用5LZ165×7.0泥漿馬達+9 1/2″三牙輪鉆頭擴孔至1240米時,回撤。去除泥漿馬達后,只使用9 1/2″三牙輪鉆頭擴鉆至出土點出土,至此導向孔及擴孔完成。當海水退潮時,出土點在海邊陸地上;當海水漲潮時,出土點位于海面下約0.5m處。為防止海水從出土點進入鉆孔中,侵蝕泥漿,破壞泥漿性能,在出土點沿鉆孔軌跡挖開8米長溝槽,放入外徑400mm,壁厚5mm的鋼套管。然后將套管口密封。如此清孔時,一方面泥漿依然從入土點回流而出,便于泥漿回收處理及維護;另一方面有效防止海水侵蝕泥漿。

7.清孔拉管

清孔采用的是,9 1/2″三牙輪鉆頭+外徑220mm長度430mm的修孔器。清孔比較順利,返出泥漿中鉆渣含量一直極低(小于萬分之一)。由此可判斷,在導向及擴孔過程中,孔內鉆渣已經基本排出,可以進行拉管。

經過計算,此兩條HDPE管最高可承受400KN的拉力。如此長的距離,為避免管材受損(變形、斷裂)應盡可能減少管材所受阻力。

2011年5月27日9時整,所有準備工作完成,開始拉管。拉管過程中,扭矩逐漸減少;拉力維持在鉆機液壓壓力5.5MPa以下;回拉速度維持在2m/min左右。至2011年5月28日5時,歷時29個小時拉管工作順利完成。

六.結束語

1.創造了單次單向硬質無風化花崗巖水平非開挖穿越鋪管世界最長紀錄/亞洲最長紀錄(世界還是亞洲);

2.各施工設備經歷兩個寒暑及低溫雨雪惡劣施工環境考驗,成功完成任務,驗證了設備品質;

3.形成了一整套長距離硬質巖石層非開挖穿越的有效成果,包括鉆具選擇、鉆具使用壽命、泥漿性能要求、泥漿維護、鉆渣監測等。為類似工程提供了成功的案例;

4.兩類事故的成功處理,為類似事故的處理提供了一種方法;

5.使用了正向擴孔這一新的施工工藝,并使之完善。為以后類似工程提高施工效率、降低施工成本找到了解決方案;

      


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