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【摘要】该段的地理环境复杂，采用定向钻穿越，由于在施工过程中出现不同程度卡钻，为后续扩孔及主管回拖造成非常大的风险，针对此情况进行认真分析，采取合理施工工艺及措施，成功穿越。
【关键词】定向钻；地层结构；分析；施工措施
1、工程概况
石空-兰州原油管道工程兰州市安宁区大沙沟段（SGF010～SGF012）受两侧村庄、城镇规划及山区限制，路由选择余地较小。根据石空-兰州原油管道工程施工项目部对该段管道进行了PCM位置测量成果，河谷左侧埋设有两根在役的西部管道，该在役管道埋设在河谷左侧3～4m的位置，间距约1.2m左右，剩余的河床宽度为2～4m。由于该段路由距离西部管道较近，不利于管道开挖敷设，为确保现役西部管道正常运营以及施工安全。中国石油天然气股份有限公司管道建设项目经理部对兰州市安宁区大沙沟段（SGF010～SGF012）拟采用定向穿越，提出采用定向钻穿越从SGF010沿沙场穿越4个沙场至SGF012，未穿越民房和厂房，定向钻穿越长度708.5m。入土端：SGF010，出土端：SGF012。
2、自然地理概况
2.1气象
穿越工程区位于兰州带状盆地西部边缘，深处内陆，远离海洋，常年受大陆气侯影响，属于中温带干旱大陆性气侯类型。主要气象特点是常年空气干燥，蒸发量大，年降水量少、集中、年变率大，日照强，湿度小。据兰州中心气象台1951年～1980年观测资料，多年平均气温9.1℃，极端最高气温39.1℃（1953年8月7日），极端最低气温-23.1℃（1964年1月27日）。多年平均年降水量327.7mm，主要集中在7、8、9三个月，约占全年降水量的60%以上，且多以暴雨的形式降落。年最大降水量可达547mm（1978年）。年最小降水量只有198.2mm。多年平均地表水面蒸发量1650mm。多年平均年蒸发量1437.7mm。多年平均年日照2446.4h。多年平均相对湿度59%。多年平均风速1.0m/s，主导风向SE和SEE；极大风速27.6m/s，偏W风向（1970年）。最大积雪厚度10cm（1968年4月24日）。
2.2大沙沟水文条件
大沙沟又称朱家井沟，源于皋兰县中心乡牛皮岘，南流入安宁区，至安宁堡东南入黄河。沟长25km，流域面积87.2km2，年径流量141.9m3，为季节性河流，只有在汛期暴雨时，才有洪水通过。
2.3区域地质
兰州出露的地层属祁连地层区，分属拉脊山地层分区和中祁连地层分区。其中，中祁连地层分区包括湟源—兰州地层小区与民和盆地地层小区。在面积不大的范围内，虽涉及了多个地层分区和地层小区，但地层发育不全和老地层出露零散，由老到新有：前寒武系、中—上奥陶统、上三叠统、侏罗系、下白垩系、第三系、第四系。其中，第四系黄土、下白垩系和第三系红色地层分布最为广泛。
穿越段及其附近出露或揭露地层主要有第四系和第三系地层。自老而新概述如下：
①第三系（R）
主要出露于黄河以北的李麻沟、沙井驿、盐场堡、青白石北侧的沟谷与黄河南岸的皋兰山、五泉山、八里窑、黄峪、西果园等地的沟谷内。与下伏皋兰群、河口群、加里东中期黑云母花岗岩均为不整合接触。根据岩性和所产化石，将第三系划分为古-始新统西柳沟组、渐新统野狐城组、中新统咸水河组和上新统临夏组。
场地及其附近的第三系地层主要为上新统临夏组（N2X），岩性为棕红、桔黄或浅黄色泥岩及疏松砂岩互层。其中，泥岩较致密、坚硬，砂岩结构疏松，具水平层理，泥质胶结。
该层底部为灰绿色砂质泥岩和砂岩，厚度共约300多米。
②第四系（Q）
由构造控制的黄河兰州段河谷盆地，第四系发育较齐全。高差较大的黄河两岸多级阶地及南北两山地区的沟谷切割较深，第四系露头较好。根据第四系的分布、埋藏条件，岩性和沉积特征，分为黄土丘陵区第四系和河谷地区第四系。
在兰州市区，第四系全新统较为发育，主要分布在黄河Ⅱ、Ⅰ级阶地与河漫滩等地，其中Ⅱ级阶地最发育，主要分布在城关区和西固区的东西两个盆地内，是兰州市区的主要建筑区，拟建场区位于黄河Ⅱ级阶地上。
2.4地形地貌
穿越段地貌单元属黄河Ⅱ级阶地。穿越段所处大沙沟下游，河床较浅且窄，河段较弯曲，河岸及河床受人为采砂影响严重，不规则。沟岸受人为采砂影响呈陡立狀态，河床受水流冲刷较严重。入、出土点均为采砂场，场地受人为采砂影响，地形起伏较大。
2.5地理位置及交通
穿越场区位于甘肃省兰州市安宁区安宁堡乡，大沙沟刘沙公路桥和石油桥附近。中线两侧分布有厂房及洗砂场。周边环境较复杂，人为因素影响较大。
该段交通不方便，通行道路主要为安宁堡乡内街道及运输砂石料的砂土道路，大型设备运输车辆通行较困难，施工运作不便。
3、穿越场地工程地质及水文地质条件
3.1地层结构
穿越段场地内的地层岩性主要为人工填土、第四系冲洪积卵石、砂、粘性土土，下伏基岩地层为第三系上新统临夏组砂质泥岩、砂砾岩。岩土性状自上而下描述如下：
①层人工填土，杂色。以细砂和粘性土为主，含大量生活垃圾、砾石和卵石，局部为人为堆积卵石。层厚2.40m～12.50m。
②层细砂，黄褐色。稍密～中密。夹圆砾透镜体，下部偶见砾石。层厚1.30m～5.80m。
③层粉质粘土，黄褐色或黑褐色，软塑为主，局部可塑。层厚3.50m～8.00m。
④层卵石，杂色。一般粒径40-150mm，可见漂石，充填大量中粗砂。层厚5.80m～9.00m。
⑤层粉砂质泥岩，褐黄色为主，局部红褐色。泥状结构。矿物成分主要为粘土矿物。泥质胶结，但胶结效果不好、锤击易碎，成岩作用差，强度较低。高倾角裂隙较发育，裂面光滑。未揭穿，最大层厚18.00m。
详见图3.1“穿越断面示意图”
4、定向钻施工
4.1施工中存在问题
大沙沟定向钻穿越工程明确了定向钻穿越地层主要为卵石层和粉质泥岩层，并指出只有在出土端位置有较薄的砂砾岩存在，厚度都在1.8m以内，深度为距地面18m～22m范围内。
本工程设计要求对出、入端卵石层的处理采取夯套管的方法隔离卵石层，夯管最深为距地面23m，因此穿越曲线在套管外经过的层面应该全为粉质泥岩层，但在两次反复的导向孔钻过程中，发现在钻进到230m，距底面为30m左右，以及钻进到400m，距底面为30m左右的位置仍然出现砂砾层，层厚为3m左右，粒径为30mm～40mm。并且距离较长。
因上述情况，给大沙沟穿越工程造成非常大的风险，两次导向孔钻进，在遇砂砾层位置时都发生了不同程度的卡钻，钻头、钻铤均被磨损非常严重，因地下有大量的砾石存在，所以对扩孔及主管回拖影响极大，容易造成卡钻及卡管的危险。钻头、钻铤磨损情况见下图。
4.2分析及施工工艺选择
根据对现场情况的了解，结合勘察报告及区域地质资料，确定两小段为砂砾岩透镜体（泥质胶结，胶结较弱，成岩性质差，卵石最大粒径一般为30mm～40mm，而非砂砾石层，并且在施工过程循环泥浆带出的少量砾石和小卵石也证实了该观点。钻头的严重磨损系砂砾岩破碎后的小卵石及砾石无法粉碎并由循环液带出，导致卵砾石堆积，在回拖时严重磨损钻头后方所致。
由于砂砾岩透镜体分布存在不确定性，建议施工时注意采取更为合适的施工工艺。如遇到泥质胶结的砂砾岩时，适当提高钻速，降低给进推力，适当提高泥浆稠度和泵量，便于粉碎卵砾石和携带碎屑。另外建议细化施工工艺，及时清孔，必要时采取捞砂措施，避免砂砾岩破碎后的卵砾石堆积一起引起卡钻或卡管现象。
最终经过合理的施工方法，穿越成功，满足设计要求。
【关键词】定向钻；地层结构；分析；施工措施
1、工程概况
石空-兰州原油管道工程兰州市安宁区大沙沟段（SGF010～SGF012）受两侧村庄、城镇规划及山区限制，路由选择余地较小。根据石空-兰州原油管道工程施工项目部对该段管道进行了PCM位置测量成果，河谷左侧埋设有两根在役的西部管道，该在役管道埋设在河谷左侧3～4m的位置，间距约1.2m左右，剩余的河床宽度为2～4m。由于该段路由距离西部管道较近，不利于管道开挖敷设，为确保现役西部管道正常运营以及施工安全。中国石油天然气股份有限公司管道建设项目经理部对兰州市安宁区大沙沟段（SGF010～SGF012）拟采用定向穿越，提出采用定向钻穿越从SGF010沿沙场穿越4个沙场至SGF012，未穿越民房和厂房，定向钻穿越长度708.5m。入土端：SGF010，出土端：SGF012。
2、自然地理概况
2.1气象
穿越工程区位于兰州带状盆地西部边缘，深处内陆，远离海洋，常年受大陆气侯影响，属于中温带干旱大陆性气侯类型。主要气象特点是常年空气干燥，蒸发量大，年降水量少、集中、年变率大，日照强，湿度小。据兰州中心气象台1951年～1980年观测资料，多年平均气温9.1℃，极端最高气温39.1℃（1953年8月7日），极端最低气温-23.1℃（1964年1月27日）。多年平均年降水量327.7mm，主要集中在7、8、9三个月，约占全年降水量的60%以上，且多以暴雨的形式降落。年最大降水量可达547mm（1978年）。年最小降水量只有198.2mm。多年平均地表水面蒸发量1650mm。多年平均年蒸发量1437.7mm。多年平均年日照2446.4h。多年平均相对湿度59%。多年平均风速1.0m/s，主导风向SE和SEE；极大风速27.6m/s，偏W风向（1970年）。最大积雪厚度10cm（1968年4月24日）。
2.2大沙沟水文条件
大沙沟又称朱家井沟，源于皋兰县中心乡牛皮岘，南流入安宁区，至安宁堡东南入黄河。沟长25km，流域面积87.2km2，年径流量141.9m3，为季节性河流，只有在汛期暴雨时，才有洪水通过。
2.3区域地质
兰州出露的地层属祁连地层区，分属拉脊山地层分区和中祁连地层分区。其中，中祁连地层分区包括湟源—兰州地层小区与民和盆地地层小区。在面积不大的范围内，虽涉及了多个地层分区和地层小区，但地层发育不全和老地层出露零散，由老到新有：前寒武系、中—上奥陶统、上三叠统、侏罗系、下白垩系、第三系、第四系。其中，第四系黄土、下白垩系和第三系红色地层分布最为广泛。
穿越段及其附近出露或揭露地层主要有第四系和第三系地层。自老而新概述如下：
①第三系（R）
主要出露于黄河以北的李麻沟、沙井驿、盐场堡、青白石北侧的沟谷与黄河南岸的皋兰山、五泉山、八里窑、黄峪、西果园等地的沟谷内。与下伏皋兰群、河口群、加里东中期黑云母花岗岩均为不整合接触。根据岩性和所产化石，将第三系划分为古-始新统西柳沟组、渐新统野狐城组、中新统咸水河组和上新统临夏组。
场地及其附近的第三系地层主要为上新统临夏组（N2X），岩性为棕红、桔黄或浅黄色泥岩及疏松砂岩互层。其中，泥岩较致密、坚硬，砂岩结构疏松，具水平层理，泥质胶结。
该层底部为灰绿色砂质泥岩和砂岩，厚度共约300多米。
②第四系（Q）
由构造控制的黄河兰州段河谷盆地，第四系发育较齐全。高差较大的黄河两岸多级阶地及南北两山地区的沟谷切割较深，第四系露头较好。根据第四系的分布、埋藏条件，岩性和沉积特征，分为黄土丘陵区第四系和河谷地区第四系。
在兰州市区，第四系全新统较为发育，主要分布在黄河Ⅱ、Ⅰ级阶地与河漫滩等地，其中Ⅱ级阶地最发育，主要分布在城关区和西固区的东西两个盆地内，是兰州市区的主要建筑区，拟建场区位于黄河Ⅱ级阶地上。
2.4地形地貌
穿越段地貌单元属黄河Ⅱ级阶地。穿越段所处大沙沟下游，河床较浅且窄，河段较弯曲，河岸及河床受人为采砂影响严重，不规则。沟岸受人为采砂影响呈陡立狀态，河床受水流冲刷较严重。入、出土点均为采砂场，场地受人为采砂影响，地形起伏较大。
2.5地理位置及交通
穿越场区位于甘肃省兰州市安宁区安宁堡乡，大沙沟刘沙公路桥和石油桥附近。中线两侧分布有厂房及洗砂场。周边环境较复杂，人为因素影响较大。
该段交通不方便，通行道路主要为安宁堡乡内街道及运输砂石料的砂土道路，大型设备运输车辆通行较困难，施工运作不便。
3、穿越场地工程地质及水文地质条件
3.1地层结构
穿越段场地内的地层岩性主要为人工填土、第四系冲洪积卵石、砂、粘性土土，下伏基岩地层为第三系上新统临夏组砂质泥岩、砂砾岩。岩土性状自上而下描述如下：
①层人工填土，杂色。以细砂和粘性土为主，含大量生活垃圾、砾石和卵石，局部为人为堆积卵石。层厚2.40m～12.50m。
②层细砂，黄褐色。稍密～中密。夹圆砾透镜体，下部偶见砾石。层厚1.30m～5.80m。
③层粉质粘土，黄褐色或黑褐色，软塑为主，局部可塑。层厚3.50m～8.00m。
④层卵石，杂色。一般粒径40-150mm，可见漂石，充填大量中粗砂。层厚5.80m～9.00m。
⑤层粉砂质泥岩，褐黄色为主，局部红褐色。泥状结构。矿物成分主要为粘土矿物。泥质胶结，但胶结效果不好、锤击易碎，成岩作用差，强度较低。高倾角裂隙较发育，裂面光滑。未揭穿，最大层厚18.00m。
详见图3.1“穿越断面示意图”
4、定向钻施工
4.1施工中存在问题
大沙沟定向钻穿越工程明确了定向钻穿越地层主要为卵石层和粉质泥岩层，并指出只有在出土端位置有较薄的砂砾岩存在，厚度都在1.8m以内，深度为距地面18m～22m范围内。
本工程设计要求对出、入端卵石层的处理采取夯套管的方法隔离卵石层，夯管最深为距地面23m，因此穿越曲线在套管外经过的层面应该全为粉质泥岩层，但在两次反复的导向孔钻过程中，发现在钻进到230m，距底面为30m左右，以及钻进到400m，距底面为30m左右的位置仍然出现砂砾层，层厚为3m左右，粒径为30mm～40mm。并且距离较长。
因上述情况，给大沙沟穿越工程造成非常大的风险，两次导向孔钻进，在遇砂砾层位置时都发生了不同程度的卡钻，钻头、钻铤均被磨损非常严重，因地下有大量的砾石存在，所以对扩孔及主管回拖影响极大，容易造成卡钻及卡管的危险。钻头、钻铤磨损情况见下图。
4.2分析及施工工艺选择
根据对现场情况的了解，结合勘察报告及区域地质资料，确定两小段为砂砾岩透镜体（泥质胶结，胶结较弱，成岩性质差，卵石最大粒径一般为30mm～40mm，而非砂砾石层，并且在施工过程循环泥浆带出的少量砾石和小卵石也证实了该观点。钻头的严重磨损系砂砾岩破碎后的小卵石及砾石无法粉碎并由循环液带出，导致卵砾石堆积，在回拖时严重磨损钻头后方所致。
由于砂砾岩透镜体分布存在不确定性，建议施工时注意采取更为合适的施工工艺。如遇到泥质胶结的砂砾岩时，适当提高钻速，降低给进推力，适当提高泥浆稠度和泵量，便于粉碎卵砾石和携带碎屑。另外建议细化施工工艺，及时清孔，必要时采取捞砂措施，避免砂砾岩破碎后的卵砾石堆积一起引起卡钻或卡管现象。
最终经过合理的施工方法，穿越成功，满足设计要求。