定向钻在不良地质条件下的应用

1 清河水文地质情况

穿越改线段位于庆铁新线479#+220 m处和庆铁老线64#+150 m 处，地貌单元属于清河河床，地面相对高程为 1.25 m，地势中间低两侧高，地势起伏较大。地层结构上部为第四系清河冲积成因的砂、卵石层，沉积韵律变化较大，下部为中生代白垩纪泉头组砂岩，基底起伏不大。

1.1 水文情况

清河上源有南北两支，南支为主流，发源于清源县应额门镇老虎顶山，流至开原县与发源于西丰县的碾盘河在耿王庄汇合，在老城镇接纳寇河，在大高力屯注入辽河。全长 170.6 km，流域面积 4813.95 km

2清河流域是辽河干流暴雨洪水多发地区，暴雨集中，强度大，辽河干流以前发生的洪水来源 80 %来自清河。 清河 50 年一遇最大洪水冲刷深度 2.7 m，平均水深 4.96 m，最大流速 3.3 m/s。清河穿越改线段范围内陆下水属孔隙滞水，主要赋存于卵石层之孔隙中，动态要素受大气降水控制，丰水期水位上升，枯水期水位下降，钻探施工期间测得地下水位埋深为3.5~4.3 m。

1.2 地质情况

根据辽宁省地质矿产局铁岭工程勘察院《庆铁新老线清河改线工程 岩土工程勘察报告》，在钻探所达深度范围内，自地表而下依次为耕土、粉砂、砾砂、圆砾、卵石、泥岩。

(1)耕土：灰黄色，以粘性土为主，含植物根系，土质松散，ZK2 孔缺失，层厚 0.3~0.4 m。

(2)粉砂：黄色，稍湿，松散，砂成份为石英、长石，颗粒较均，层厚 1.6 m。

(3)中砂：黄褐色，湿-饱和，松散-稍密，局部为中密，砾石成份为花岗岩，分选差，磨圆好，砂以中粗砂为主，成分为石英、长石，层厚度为 1.8~4.2 m。

(4)圆砾：黄褐色，湿-饱和，中密-密实，砾石成分为花岗岩，分选差，磨圆好，层厚 2.0 m。

(5)卵石：黄褐色，含水饱和，中密-密实，卵石成分为花岗岩，分选差，磨圆好，局部夹中粗砂薄层，层厚 5.7~8.6 m。

(6)粉砂质泥岩全风化：红褐色，原岩结构不清，矿物已风化成土状，层厚 3.8~5.0 m。

(7)粉砂质泥岩强风化：红褐色，原岩结构不清，岩石风化呈碎块状，易风化矿物已风化成土状，岩石手捏即碎，层厚 5.7~6.7m。

(8)粉砂质泥岩中风化：红褐色，微细粒结构，块状构造，矿物成份为石英、长石，岩石呈块状，钻孔控制最大厚度为 8.5 m。 场地标准冻结深度为 1.30 m。

2 穿越改线方法分析及解决方案

2.1 穿越方案的比较及确定

从上述水文地质情况可以看出清河自然条件比较复杂，洪水量大，地层间杂情况多，结合具体地质情况对常用的管道通过河流的方法分析和比较如下：

(1)水上跨越法：东北地区水系的特点是季节性强，河流夏秋季节洪水期间，涨幅大，河水宽度增加大；冬春少雨季节河道中水量小，水深小，宽度小。跨越施工不适用于东北部河流穿越，宜引起洪水期间的管桥桥墩阻水、积柴，加大洪水对管道的冲击，使管道被冲断的危险增加。

(2)地下盾构法：盾构法对地质条件要求小，可以在卵石中钻孔成型，常用于重点河流穿越工程及复杂地段的施工。两侧需要进行竖井施工，永久占地面积大，竖井不易施工，造价高(每米为30000~40000 元)，施工时间长(一般约 1 a 左右)。

(3)地下开挖法：开挖法施工方法简单，不受地形、地质条件等方面的限制，适用于地质条件差、开挖深度小、施工长度短的小规模施工。对于清河，由于有人为挖沙的影响，管线埋深要求严格，河道内部分平均挖深需要达到 8 m，局部地段深达 12 m，开挖深度大，将不可避免的带来管沟边坡大，上开口巨大的问题，影响区域范围大。施工时还会引起一系列问题，例如围堰导流、沟底降水、边坡固定、征地大、施工时间长等。对于清河穿越，选择开挖穿越，工程费用较大，施工时间长；由于清河上下游有挖沙现象，施工后回填土附着力差，随着河床的下降，管道埋深不断减少，一旦数年后洪水暴发，仍有出现管道被冲出的可能，

对于管道的安全运行不利，存在安全隐患。

(4)地下定向钻法：定向钻法是已成熟的先进的水域穿越施工方法，具有施工起止点在河流两岸陆地进行，不破坏河堤、不扰动河床、施工周期短、管道运营安全等优点，在地质条件适宜的情况下优先选用。定向钻穿越埋深大，根本上解决了清河河道下降趋势大的问题。但由于传统施工方法的限制，定向钻法通常不应用于含有卵砾石层、流沙层等地层的地段。 由上述分析可以看出，跨越法、盾构法、开挖法都不适合清河穿越改线工程的具体情况，而定向钻法在清河的实施存在着地质条件等不利因素。

2.2 定向钻法穿越施工难点分析及解决方法

(1)定向钻法施工难点分析

传统定向钻施工步骤如下：

入土侧布置钻机、泥浆池；出土侧布置回拖管道，泥浆池；在入土侧进行钻孔，钻头在出土点出土；进行预扩孔，大口径管道根据需要进行 3~5 次扩孔过程；应用定位器及大口径扩孔器进行洗孔；管道回拖。 从上述过程不难看出定向钻的局限性：卵砾石层、流沙层等地层较松散、易塌陷、无法形成稳定的孔道，使得定向钻施工法无法在这种地层中形成回拖管道用孔道，回拖时管道不能通过。清河河道周围地层中 5~13 m 深度法围内含有的连续不断卵砾石层，不采取措施将无法进行定向钻施工。 通过分析，清河定向钻施工的难点在于不良地层不易成孔。

(2)解决方法

对于以上难点，可采用隔离法隔离不良地层然后进行定向钻施工。通过研究调查，总结出以下方法隔离不良地质层：

①开挖法：在出入土段采用开挖方式，直接挖到卵砾石层以

下，进行定向钻穿越施工。通过与施工队伍调研及设计核算，为避开不利地层在清河穿越段改线工程中应用定向钻法施工，采用传统开挖法隔离不良地层，出入土端两侧开挖基坑平均深度需达12 m 以上，开挖作业面平均宽度接近 80 m，最大宽度超过 100 m，临时征地接近 22000 m

2土方量达 58050 m

3且需要降水处理，防止地下水涌出，此种施工方式增加了大量工程量，不可取。

②顶管法：常用于各种穿越工程，使用方法较为成熟。该方

法施工需要设置承力挡墙，用千斤顶将套管顶入。该方法由于靠挡墙承力顶进，所以角度不宜过大，清河定向钻入土端管线与水平方向夹角 9°，出土端管线与水平方向夹角 8°，角度较大，顶管施工有困难；且顶管法施工有穿越长度较小，在岩石层中顶进困难等局限性，都决定了顶管法不适合用来处理清河定向钻出入土端的难题。

③夯管法：夯管法是一种新的施工技术，该方法在国外有着较广泛的应用，国内仍无成熟的施工经验。夯管法具有夯入长度大，夯管角度不限，施工时间短等优势，适合清河出入土端问题的解决。但是，清河定向钻长度较大，在经过 1000 m 的地下穿越后，需要精确穿入已经的夯入套管，施工难度较大。 上述分析指出，夯管法适用于本工程，定位问题可通过下述

步骤解决：

①在入土端夯入套管，隔离卵石层，进行定向钻。

②钻头在出土端出土后与钢丝绳焊接，将钢丝绳回拖，套管以钢丝绳为圆心进行定位夯入，套管根据钢丝绳调整角度夯入指定长度，隔离卵石层。

③钢管依靠钢丝绳进行回拖， 准确穿过入土端套管，完成穿越。

3 设计、实施情况及影响

3.1 设计情况

根据上述指定的穿越方法，制定定向钻穿越参数如下： 老线线路实长 1045.83 m，其中定向钻穿越长度约为 1002.96 m；新线线路实长 1200.25 m，其中定向钻穿越长度约为 1006.41 m。定向钻入土点在清河南岸，需施工机械场地 70 m×70 m，需泥浆池 2 个，各 30 m×30 m。新线穿越入土角 9°2’，出土角 7°58’，穿越长度 1006.41 m。老线穿越入土角 9°2’，出土角 7°58’，穿越长度 1002.96 m。

3.2 设计实施

经过分析调查，确定清河实施定向钻穿越采取措施如下：入土段采用直径 Ф1400×22.2、L360 钢管夯入，以隔离圆砾层、卵石层，新线夯入套管 95.5 m，老线夯入套管 94.3 m。北岸出土端采用直径 Ф1400×22.2、L360 钢管夯入，新线夯入套管 110 m，老线夯入套管 110 m。在套管中进行穿越和回拖。 图 3~4 为施工现场。

2011 年 8 月，东北地区普降大雨。清河上游降暴雨，造成清河水位、流量猛增，清河新线露出段受洪水冲击，造成管道断裂、原油泄漏。 经过施工单位与我设计单位的共同努力，2005 年年底清河定向钻穿越施工一次性成功，为清河穿越段抢险划上了句号。

2.2 搅拌时间和新老催化剂对油品运动粘度影响

测定不同搅拌时间，新老催化剂生产油品在 40 ℃时的运动粘度见图 2，在 100 ℃时的运动粘度见图 3。 由图 2 和图 3 可知，随着搅拌时间的增加，油品运动粘度先增加，后减少，最佳搅拌时间为 30~50 h；使用新型 HXL-1 型催化剂可以明显提高油品的运动粘度。

2.3 反应温度对产品的影响

改变催化反应温度，测定油品的凝点，实验结果见图 4。 由图 4 可知，反应温度升高，产品凝点降低；若要达到相同的凝点，使用新型 HXL-1 型催化剂可以明显降低反应温度，表明HXL-1 型催化剂在中小型炼油厂将会有很好的应用前景。2.4 原料流速对产品的影响以 2.0 滴/s(360 mL/h)，3.0 滴/s(540 mL/h)，4.0 滴/s(720 mL/h)的流速进料，采用 HXL-1 型催化剂，试验结果见表 3。

由表 3 可见，流速增加，各油品凝固点升高，收率增加，流速在 360 mL/h 时凝点最低但是收率不理想，流速在 540 mL/h 时凝点合适收率也理想，当流速达到 720 mL/h 时效果很差，凝点几乎不变说明基本无反应，因为流速过快，停留时间过短，从而使原料没能及时反应就离开反应器，因此脱蜡效果不明显。

3 结论

采用新型 HXL-1 非临氢催化剂，原料预处理后将有效降低油品的凝点；可以明显提高油品的运动粘度；可以明显降低反应温度；采用适宜的原料流速，可以达到更好的效果。总之，新型 HXL-1非临氢催化剂，可以有效降低反应温度，提高油品粘度指数，得到合格润滑油基础油，节约成本，故新型 HXL-1 型催化剂在中小型炼油厂将会有很好的应用前景。

对未来定向钻施工的建设性作用