定向鉆在不良地質條件下的應用

1清河水文地質情況

穿越改線段位于慶鐵新線479#+220 m處和慶鐵老線64#+150 m處，地貌單元屬于清河河床，地面相對高程為1.25 m，地勢中間低兩側高，地勢起伏較大。地層結構上部為第四系清河沖積成因的砂、卵石層，沉積韻律變化較大，下部為中生代白堊紀泉頭組砂巖，基底起伏不大。

1.1水文情況

清河上源有南北兩支，南支為主流，發源于清源縣應額門鎮老虎頂山，流至開原縣與發源于西豐縣的碾盤河在耿王莊匯合，在老城鎮接納寇河，在大高力屯注入遼河。全長170.6 km，流域面積4813.95 km

2清河流域是遼河干流暴雨洪水多發地區，暴雨集中，強度大，遼河干流以前發生的洪水來源80 %來自清河。 清河50年一遇最大洪水沖刷深度2.7 m，平均水深4.96 m，最大流速3.3 m/s。清河穿越改線段范圍內地下水屬孔隙滯水，主要賦存于卵石層之孔隙中，動態要素受大氣降水控制，豐水期水位上升，枯水期水位下降，鉆探施工期間測得地下水位埋深為3.5~4.3 m。

1.2地質情況

根據遼寧省地質礦產局鐵嶺工程勘察院《慶鐵新老線清河改線工程 巖土工程勘察報告》，在鉆探所達深度范圍內，自地表而下依次為耕土、粉砂、礫砂、圓礫、卵石、泥巖。

(1)耕土:灰黃色，以粘性土為主，含植物根系，土質松散，ZK2孔缺失，層厚0.3~0.4 m。

(2)粉砂:黃色，稍濕，松散，砂成份為石英、長石，顆粒較均，層厚1.6 m。

(3)中砂:黃褐色，濕-飽和，松散-稍密，局部為中密，礫石成份為花崗巖，分選差，磨圓好，砂以中粗砂為主，成分為石英、長石，層厚度為1.8~4.2 m。

(4)圓礫:黃褐色，濕-飽和，中密-密實，礫石成分為花崗巖，分選差，磨圓好，層厚2.0 m。

(5)卵石:黃褐色，含水飽和，中密-密實，卵石成分為花崗巖，分選差，磨圓好，局部夾中粗砂薄層，層厚5.7~8.6 m。

(6)粉砂質泥巖全風化:紅褐色，原巖結構不清，礦物已風化成土狀，層厚3.8~5.0 m。

(7)粉砂質泥巖強風化:紅褐色，原巖結構不清，巖石風化呈碎塊狀，易風化礦物已風化成土狀，巖石手捏即碎，層厚5.7~6.7m。

(8)粉砂質泥巖中風化:紅褐色，微細粒結構，塊狀構造，礦物成份為石英、長石，巖石呈塊狀，鉆孔控制最大厚度為8.5 m。 場地標準凍結深度為1.30 m。

2穿越改線方法分析及解決方案

2.1穿越方案的比較及確定

從上述水文地質情況可以看出清河自然條件比較復雜，洪水量大，地層間雜情況多，結合具體地質情況對常用的管道通過河流的方法分析和比較如下:

(1)水上跨越法:東北地區水系的特點是季節性強，河流夏秋季節洪水期間，漲幅大，河水寬度增加大;冬春少雨季節河道中水量小，水深小，寬度小。跨越施工不適用于東北部河流穿越，宜引起洪水期間的管橋橋墩阻水、積柴，加大洪水對管道的沖擊，使管道被沖斷的危險增加。

(2)地下盾構法:盾構法對地質條件要求小，可以在卵石中鉆孔成型，常用于重點河流穿越工程及復雜地段的施工。兩側需要進行豎井施工，永久占地面積大，豎井不易施工，造價高(每米為30000~40000元)，施工時間長(一般約1a左右)。

(3)地下開挖法:開挖法施工方法簡單，不受地形、地質條件等方面的限制，適用于地質條件差、開挖深度小、施工長度短的小規模施工。對于清河，由于有人為挖沙的影響，管線埋深要求嚴格，河道內部分平均挖深需要達到8m，局部地段深達12 m，開挖深度大，將不可避免的帶來管溝邊坡大，上開口巨大的問題，影響區域范圍大。施工時還會引起一系列問題，例如圍堰導流、溝底降水、邊坡固定、征地大、施工時間長等。對于清河穿越，選擇開挖穿越，工程費用較大，施工時間長;由于清河上下游有挖沙現象，施工后回填土附著力差，隨著河床的下降，管道埋深不斷減少，一旦數年后洪水暴發，仍有出現管道被沖出的可能，

對于管道的安全運行不利，存在安全隱患。

(4)地下定向鉆法:定向鉆法是已成熟的先進的水域穿越施工方法，具有施工起止點在河流兩岸陸地進行，不破壞河堤、不擾動河床、施工周期短、管道運營安全等優點，在地質條件適宜的情況下優先選用。定向鉆穿越埋深大，根本上解決了清河河道下降趨勢大的問題。但由于傳統施工方法的限制，定向鉆法通常不應用于含有卵礫石層、流沙層等地層的地段。 由上述分析可以看出，跨越法、盾構法、開挖法都不適合清河穿越改線工程的具體情況，而定向鉆法在清河的實施存在著地質條件等不利因素。

2.2定向鉆法穿越施工難點分析及解決方法

(1)定向鉆法施工難點分析

傳統定向鉆施工步驟如下:

入土側布置鉆機、泥漿池;出土側布置回拖管道，泥漿池;在入土側進行鉆孔，鉆頭在出土點出土;進行預擴孔，大口徑管道根據需要進行3~5次擴孔過程;應用定位器及大口徑擴孔器進行洗孔;管道回拖。 從上述過程不難看出定向鉆的局限性:卵礫石層、流沙層等地層較松散、易塌陷、無法形成穩定的孔道，使得定向鉆施工法無法在這種地層中形成回拖管道用孔道，回拖時管道不能通過。清河河道周圍地層中5~13 m深度法圍內含有的連續不斷卵礫石層，不采取措施將無法進行定向鉆施工。 通過分析，清河定向鉆施工的難點在于不良地層不易成孔。

(2)解決方法

對于以上難點，可采用隔離法隔離不良地層然后進行定向鉆施工。通過研究調查，總結出以下方法隔離不良地質層:

①開挖法:在出入土段采用開挖方式，直接挖到卵礫石層以

下，進行定向鉆穿越施工。通過與施工隊伍調研及設計核算，為避開不利地層在清河穿越段改線工程中應用定向鉆法施工，采用傳統開挖法隔離不良地層，出入土端兩側開挖基坑平均深度需達12 m以上，開挖作業面平均寬度接近80 m，最大寬度超過100 m，臨時征地接近22000 m

2土方量達58050 m

3且需要降水處理，防止地下水涌出，此種施工方式增加了大量工程量，不可取。

②頂管法:常用于各種穿越工程，使用方法較為成熟。該方

法施工需要設置承力擋墻，用千斤頂將套管頂入。該方法由于靠擋墻承力頂進，所以角度不宜過大，清河定向鉆入土端管線與水平方向夾角9°，出土端管線與水平方向夾角8°，角度較大，頂管施工有困難;且頂管法施工有穿越長度較小，在巖石層中頂進困難等局限性，都決定了頂管法不適合用來處理清河定向鉆出入土端的難題。

③夯管法:夯管法是一種新的施工技術，該方法在國外有著較廣泛的應用，國內仍無成熟的施工經驗。夯管法具有夯入長度大，夯管角度不限，施工時間短等優勢，適合清河出入土端問題的解決。但是，清河定向鉆長度較大，在經過1000 m的地下穿越后，需要精確穿入已經的夯入套管，施工難度較大。 上述分析指出，夯管法適用于本工程，定位問題可通過下述

步驟解決:

①在入土端夯入套管，隔離卵石層，進行定向鉆。

②鉆頭在出土端出土后與鋼絲繩焊接，將鋼絲繩回拖，套管以鋼絲繩為圓心進行定位夯入，套管根據鋼絲繩調整角度夯入指定長度，隔離卵石層。

③鋼管依靠鋼絲繩進行回拖， 準確穿過入土端套管，完成穿越。

3設計、實施情況及影響

3.1設計情況

根據上述指定的穿越方法，制定定向鉆穿越參數如下: 老線線路實長1045.83 m，其中定向鉆穿越長度約為1002.96 m;新線線路實長1200.25 m，其中定向鉆穿越長度約為1006.41 m。定向鉆入土點在清河南岸，需施工機械場地70 m×70 m，需泥漿池2個，各30 m×30 m。新線穿越入土角9°2’，出土角7°58’，穿越長度1006.41 m。老線穿越入土角9°2’，出土角7°58’，穿越長度1002.96 m。

3.2設計實施

經過分析調查，確定清河實施定向鉆穿越采取措施如下:入土段采用直徑 Ф1400×22.2、L360鋼管夯入，以隔離圓礫層、卵石層，新線夯入套管95.5 m，老線夯入套管94.3 m。北岸出土端采用直徑 Ф1400×22.2、L360鋼管夯入，新線夯入套管110 m，老線夯入套管110 m。在套管中進行穿越和回拖。 圖3~4為施工現場。

2011年8月，東北地區普降大雨。清河上游降暴雨，造成清河水位、流量猛增，清河新線露出段受洪水沖擊，造成管道斷裂、原油泄漏。 經過施工單位與我設計單位的共同努力，2005年年底清河定向鉆穿越施工一次性成功，為清河穿越段搶險劃上了句號。

2.2攪拌時間和新老催化劑對油品運動粘度影響

測定不同攪拌時間，新老催化劑生產油品在40℃時的運動粘度見圖2，在100℃時的運動粘度見圖3。 由圖2和圖3可知，隨著攪拌時間的增加，油品運動粘度先增加，后減少，最佳攪拌時間為30~50 h;使用新型HXL-1型催化劑可以明顯提高油品的運動粘度。

2.3反應溫度對產品的影響

改變催化反應溫度，測定油品的凝點，實驗結果見圖4。 由圖4可知，反應溫度升高，產品凝點降低;若要達到相同的凝點，使用新型HXL-1型催化劑可以明顯降低反應溫度，表明HXL-1型催化劑在中小型煉油廠將會有很好的應用前景。2.4原料流速對產品的影響以2.0滴/s(360 mL/h)，3.0滴/s(540 mL/h)，4.0滴/s(720 mL/h)的流速進料，采用HXL-1型催化劑，試驗結果見表3。

由表3可見，流速增加，各油品凝固點升高，收率增加，流速在360 mL/h時凝點最低但是收率不理想，流速在540 mL/h時凝點合適收率也理想，當流速達到720 mL/h時效果很差，凝點幾乎不變說明基本無反應，因為流速過快，停留時間過短，從而使原料沒能及時反應就離開反應器，因此脫蠟效果不明顯。

3結論

采用新型HXL-1非臨氫催化劑，原料預處理后將有效降低油品的凝點;可以明顯提高油品的運動粘度;可以明顯降低反應溫度;采用適宜的原料流速，可以達到更好的效果。總之，新型HXL-1非臨氫催化劑，可以有效降低反應溫度，提高油品粘度指數，得到合格潤滑油基礎油，節約成本，故新型HXL-1型催化劑在中小型煉油廠將會有很好的應用前景。

對未來定向鉆施工的建設性作用