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工程思考丨潜孔锤安装套管在水平定向钻的应用

定向钻穿越两端含有不利地层,如卵石层、砾石层、破碎岩石层等,通常采用套管隔离法,多为夯套管隔离,经常遇到套管下端不能完全进入岩层,采用潜孔锤安装套管易实现套管下端进入坚硬岩层,在香港某定向钻穿越工程中成功实施,具有一定的借鉴作用和推广价值。

项目简介

香港长洲供水改善工程,采用水平定向钻方法敷设一条海底供水管线,由大屿山岛横跨北长洲海峡至长洲岛。

图源网络

穿越实长:1430m

穿越管材:508mm×11.9mmS355钢管

主要地层:花岗岩

最大抗压强度:263MPa

入土点:长洲岛

出土点:大屿山岛

为了避免在入土侧的回填地层(混凝土块、块石及粘土)、海相沉积层、破碎花岗岩层等, 进行导向孔钻进、扩孔、回拖时发生泥浆泄漏、孔壁坍塌,需要安装长度约 72m 的工艺套管至完整的基岩层,套管规格为 Φ914mm×18mm S355钢管。

套管段地质情况

斜向地质勘察钻探取芯

采用 22°倾角、100m 斜长水平(斜向)地质勘察钻探取芯,揭示地质情况如下:

0 – 23.2m

地表回填混凝土和石块

23 – 26m

破碎但基本完整

26 – 31m

破碎非常严重,

基本无法取出岩芯

31 – 34m

取芯基本完整,

存在破碎

34.85 – 52.93m

岩石完整度明显变好,

基本没有破碎和风化岩存在

52.93m – 98.97m

岩石完整度良好

典型岩芯照片

*施工难点:

地质复杂

从上到下,依次为回填层(混凝土块、块石及粘土)、海相沉积层、破碎花岗岩层

水位高

套管安装场地地面高程 +5m,海平面高程 +0.5-+4.5m(受潮汐、风浪等影响)

距离海岸线近

入土点距离海岸线约 15m

角度大

套管入土角为 22°

潜孔锤安装套管工艺简介

潜孔锤安装套管工艺,是以压缩空气作为动力,跟管钻具在潜孔锤和钻机扭矩作用下进行冲击回转扩孔钻进并实现同步跟进套管,采用螺旋钻杆排渣,终孔后跟管钻具从套管中退出,套管用于支护的一种钻进新技术。

潜孔锤组装就位

在钢管桩安装、穿越公路铁路套管安装等方面有应用。主要用于难于成孔的地层的套管支护,如卵石层、砾石层、破碎岩层等。具有钻进速度快、效率高的特点。

施工经过

将现场DD880T(最大推拉力400吨,最大扭矩140KNM)水平定向钻机进行改造,为避免套管安装产生的震动损害钻机齿轮箱,加装避震器,有效吸纳套管内潜孔锤带来的震动。采用MK24024″ 潜孔锤4台空压机(每台排量 25m³/分钟,20公斤额定压力)。套管外径为Φ914mm,单根管长度为 12m,入土角为22°,安装总长度约72m。

成功退出潜孔锤钻头

套管安装自2014年7月21日开始,7月31日完成。前三根套管(36m)经过地层应为回填层(抛石、混凝土块等)、海相沉积和全风化花岗岩,实际平均安装速度为12m/小时。从第四根开始进入全风化岩石、中风化和微风化岩石,实际平均安装速度为4m/小时。

可伸缩潜孔锤钻头示意图

可伸缩潜孔锤钻头使用情况

结语

潜孔锤安装套管,适用各种地层,尤其在块石回填层、卵石层、破碎岩层等应用效果更好。

主要优点:可以使套管完全进入岩石层;安装速度快;安全性高。

主要缺点:套管内焊接的套管靴和环型钻头会使套管有效通径减小;由于潜孔锤钻头是根据套管规格来设计加工,因此基本上每种钻头之适用一种套管规格,且对应一种规格螺旋钻杆;套管直径不宜太大,一般情况下不宜超过 1200mm外径。

作者建议:

1. 建议可采用横孔螺旋钻机代替水平定向钻机,配合潜孔锤安装套管,在水平定向钻机资源紧缺的情况下,可节约水平定向钻机使用时间。

2. 建议采用可伸缩潜孔锤钻头,进一步提高套管有效内径。

3. 建议参照外径 1000mm 套管配套潜孔锤、潜孔锤钻头、螺旋钻杆等,提高套管安装设备利用率,利用套管向下兼容理念,降低套管安装综合单价。

在一定的特定条件下,潜孔锤安装套管具有显著的优越性,通过在香港长洲供水改善工程的成功实施,希望能给同行以启发,探索潜孔锤安装套管在更多领域的应用。

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文章名称:《工程思考丨潜孔锤安装套管在水平定向钻的应用》
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