山東白馬、吉利河1310m巖石層定向鉆穿越施工

張金寶，李強(qiáng)超

（江蘇石油勘探局油田建設(shè)處，江蘇江都225261）

山東白馬、吉利河1310m巖石層定向鉆穿越施工

張金寶，李強(qiáng)超

（江蘇石油勘探局油田建設(shè)處，江蘇江都225261）

長(zhǎng)距離巖石層穿越是當(dāng)今水平定向鉆穿越施工的難點(diǎn)。文章結(jié)合山東白馬、吉利河1 310 m巖石層定向鉆穿越工程，在分析了穿越工程技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，論述了采用預(yù)埋套管、保護(hù)控向線擋圈、落井牙輪打撈新裝置、導(dǎo)向浮筒裝置、人工磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)、雙鉆機(jī)同步復(fù)式擴(kuò)孔等工藝，成功地實(shí)現(xiàn)了巖石層穿越的施工過(guò)程。

巖石層；水平定向鉆穿越；施工工藝

0 引言

2007年7月，江蘇油建受中石化天然氣分公司工程建設(shè)管理處的委托，承接了膠州—日照天然氣管道白馬、吉利河定向鉆穿越工程。該工程設(shè)計(jì)穿越水平長(zhǎng)度為1 399 m，其中巖石層水平長(zhǎng)度為1 310 m（見(jiàn)圖1）。穿越管道為D 508 mm×8.7 mm、材質(zhì)L390的直縫埋弧焊鋼管。本工程穿越的巖石層長(zhǎng)度長(zhǎng)、巖石硬度高，江蘇油建管道技術(shù)工程公司沒(méi)有穿越如此長(zhǎng)距離巖石層的施工經(jīng)驗(yàn)。我們通過(guò)向兄弟單位學(xué)習(xí)，應(yīng)用新技術(shù)、新工藝和自行研制開(kāi)發(fā)的實(shí)用有效的新工藝裝置，克服重重困難，經(jīng)過(guò)6個(gè)月零13天的艱苦施工，于2009年2月5日順利地完成了該項(xiàng)工程。

圖1 白馬、吉利河穿越曲線示意

1 工程難點(diǎn)分析

穿越連續(xù)巖石層水平長(zhǎng)度達(dá)1 310 m，這是江蘇油建水平定向鉆穿越施工史上的笫一次。

穿越地段的巖石結(jié)構(gòu)由連續(xù)的二長(zhǎng)花崗巖和玄武安山巖組成，二長(zhǎng)花崗巖單軸極限抗壓強(qiáng)度平均值為115.2 MPa，玄武安山巖單軸極限抗壓強(qiáng)度平均值為68.5 MPa，巖石硬度很高。穿越如此長(zhǎng)的巖石層，給施工帶來(lái)的困難有：

（1） 導(dǎo)向孔施工時(shí)，由于導(dǎo)向長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，導(dǎo)向累積誤差較大。

（2） 導(dǎo)向施工達(dá)到一定長(zhǎng)度后，鉆桿自身扭轉(zhuǎn)成“麻花”狀，其最大扭轉(zhuǎn)角度達(dá)720°，有的甚至達(dá)到1 080°以上，這就導(dǎo)致鉆頭方向難以控制。

（3） 長(zhǎng)距離巖石導(dǎo)向鉆孔施工，需多次更換鉆頭和動(dòng)力鉆具，一旦全部鉆具離開(kāi)土層，由于受鉆頭和動(dòng)力鉆具自身重力的影響，鉆頭要再次進(jìn)入先前巖石層的井孔難度很大。

（4） 長(zhǎng)距離巖石導(dǎo)向施工，我們使用有線地磁控向系統(tǒng)，控向線長(zhǎng)時(shí)間受泥漿沖刷以及鉆桿內(nèi)壁的摩擦，導(dǎo)致控向線絕緣層損壞從而發(fā)生短路，使控向失效。

（5） 由于擴(kuò)孔器牙輪背與巖石長(zhǎng)時(shí)間摩擦而導(dǎo)致牙輪掉落井下，對(duì)于巖石層擴(kuò)孔施工，如不及時(shí)將掉落井下的牙輪打撈出井，后續(xù)的擴(kuò)孔施工將無(wú)法進(jìn)行。

（6） 長(zhǎng)距離巖石擴(kuò)孔易發(fā)生斷桿事故，造成井內(nèi)無(wú)桿，重新進(jìn)桿時(shí)，鉆桿易被井壁巖石卡阻，使后續(xù)施工無(wú)法進(jìn)行。

（7） 長(zhǎng)距離巖石擴(kuò)孔施工，要保持?jǐn)U孔器切削性能，需要不斷更換擴(kuò)孔器，因此擴(kuò)孔施工的工期很長(zhǎng)。需要尋求縮短擴(kuò)孔施工工期的新工藝。

2 定向穿越施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)及應(yīng)對(duì)措施

2.1 預(yù)埋套管工藝

為了保證第一次導(dǎo)向時(shí)鉆頭能夠到達(dá)指定位置，以及此后更換的鉆頭和動(dòng)力鉆具能夠順利進(jìn)入巖石層井孔內(nèi)，在導(dǎo)向施工前，從入土點(diǎn)按入土角度用鉆機(jī)旋進(jìn)D 219 mm鋼管，鋼管與鋼管之間采用焊接連接，鋼管底端直抵巖石層，導(dǎo)向孔鉆進(jìn)完成后，用鉆機(jī)將套管抽出。

2.2 保護(hù)控向線擋圈工藝

控向線長(zhǎng)時(shí)間受泥漿沖刷和與鉆桿內(nèi)壁摩擦，容易損壞其絕緣層，發(fā)生短路而使控向失效。為防止這種情況的發(fā)生，每間隔100 m加設(shè)一只鋼質(zhì)擋圈，擋圈外徑與鉆桿內(nèi)徑相同，控向線穿過(guò)擋圈中心小孔，并用熱縮套加以固定，擋圈安裝在鉆桿母扣臺(tái)階處，泥漿從擋圈半徑中心點(diǎn)均勻分布的直徑為30 mm的6個(gè)圓孔中流過(guò)。由于采用擋圈工藝，在整個(gè)導(dǎo)向孔施工過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)生短路現(xiàn)象，控向信號(hào)傳輸正常。

2.3 落井牙輪打撈新裝置

常用的打撈桶是利用磁性原理進(jìn)行工作的，桶的一端開(kāi)口，另一端封閉。它只能單向打撈，而且?guī)r屑容易塞滿桶體，打撈效果大受影響。我們研制的打撈桶依然采用磁性原理，外形采用兩端開(kāi)口結(jié)構(gòu)，漁網(wǎng)式雙向打撈，合理設(shè)置水嘴，泥漿通過(guò)水嘴噴射至桶體內(nèi)，擾動(dòng)巖屑，致使巖屑不能在桶體內(nèi)堆積，提高了打撈成功率（見(jiàn)圖2）。

本工程在D 750 mm擴(kuò)孔施工過(guò)程中，6個(gè)牙輪掉落井下。我們使用自行研制的打撈桶實(shí)施雙向打撈，第一次打撈出井3只牙輪，同時(shí)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁體上吸附了大量的鐵屑，這些鐵屑是由于施工過(guò)程中鉆桿、擴(kuò)孔器和打撈桶等鐵質(zhì)材料與巖石摩擦而產(chǎn)生的，并懸浮在泥漿中，當(dāng)打撈桶經(jīng)過(guò)時(shí)被強(qiáng)磁吸附。清除強(qiáng)磁體上的鐵屑后，進(jìn)行第二次打撈，打撈桶出井后，發(fā)現(xiàn)另3只牙輪全部在桶內(nèi)，而且強(qiáng)磁體上吸附的鐵屑很少。

圖2 打撈桶示意

2.4 導(dǎo)向浮筒裝置（見(jiàn)圖3）

長(zhǎng)距離巖石擴(kuò)孔，鉆具受力復(fù)雜，有時(shí)會(huì)發(fā)生斷桿事故，一旦發(fā)生斷桿事故，就會(huì)形成井內(nèi)無(wú)桿狀態(tài)，后續(xù)施工無(wú)法進(jìn)行，勢(shì)必要重新進(jìn)桿，進(jìn)桿過(guò)程中極易發(fā)生桿端被井壁巖石卡阻而不能貫通全井。根據(jù)浮力原理，我們研制開(kāi)發(fā)了導(dǎo)向浮筒裝置。在本工程擴(kuò)孔施工中發(fā)生了一起斷桿事故，采用導(dǎo)向浮筒裝置，使鉆桿順利貫穿全井。

圖3 導(dǎo)向浮筒示意

2.5 人工磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)工藝

由于導(dǎo)向長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，導(dǎo)向累積誤差較大，系統(tǒng)顯示鉆頭的測(cè)量參數(shù)與鉆頭實(shí)際參數(shù)不一致。通過(guò)布設(shè)人工磁場(chǎng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆頭實(shí)際參數(shù)，用以指導(dǎo)調(diào)整導(dǎo)向施工。在本工程施工中，我們共布設(shè)5個(gè)人工磁場(chǎng)，采用美國(guó)Tensor公司生產(chǎn)的MGS有線控向系統(tǒng)，顯示鉆頭實(shí)際參數(shù)，使導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)施工順利進(jìn)行。

2.6 雙鉆機(jī)同步復(fù)式擴(kuò)孔工藝

為了保證井下安全和有效利用巖石擴(kuò)孔器，保持施工的連續(xù)性，降低成本，提高工效，我們制訂并實(shí)施了雙鉆機(jī)多級(jí)別同步復(fù)合式擴(kuò)孔工藝，提高了施工效率。

傳統(tǒng)預(yù)擴(kuò)孔的程序是：擴(kuò)孔器從出土端入孔，從入土端出孔（反向擴(kuò)孔方式），一級(jí)擴(kuò)孔完成后，再上笫二級(jí)擴(kuò)孔器進(jìn)行擴(kuò)孔，如此反復(fù)直至完成。但在巖石層擴(kuò)孔施工中，擴(kuò)孔器經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，切削巖石的性能逐漸降低甚至喪失，因此需退出井孔進(jìn)行維修，維修完成后，將此級(jí)別的擴(kuò)孔器再次下井，進(jìn)行擴(kuò)孔。這樣既耽誤時(shí)間，造成施工的不連續(xù)，增加鉆具維修壓力和井下施工風(fēng)險(xiǎn)，又不能對(duì)擴(kuò)孔器進(jìn)行有效利用。這一矛盾在長(zhǎng)距離、高強(qiáng)度巖石層擴(kuò)孔施工時(shí)尤為突出。

為了解決以上難題，我們采取了以下措施：第一，根據(jù)巖石強(qiáng)度計(jì)算出巖石擴(kuò)孔器在保證鉆具安全的狀態(tài)下能夠有效切削巖層的長(zhǎng)度；第二，采取正向、反向相結(jié)合的擴(kuò)孔方式；第三，采取不同級(jí)別擴(kuò)孔器相結(jié)合的嵌套式擴(kuò)孔方式。這種交替進(jìn)行擴(kuò)孔的施工方法我們稱之為復(fù)式擴(kuò)孔施工工藝（見(jiàn)圖4、圖5）。

圖4 復(fù)合式預(yù)擴(kuò)孔施工工藝流程

圖5 復(fù)合式預(yù)擴(kuò)孔施工工藝進(jìn)度

在進(jìn)行大級(jí)別擴(kuò)孔施工時(shí)，兩臺(tái)鉆機(jī)分別在入土點(diǎn)和出土點(diǎn)聯(lián)機(jī)同步擴(kuò)孔，提高了擴(kuò)孔速度。應(yīng)用雙鉆機(jī)同步復(fù)式擴(kuò)孔工藝，提高擴(kuò)孔工效50%。

2.7 回拖施工控制要點(diǎn)

針對(duì)白馬、吉利河穿越工程的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和施工條件，由于出土點(diǎn)管道預(yù)制場(chǎng)地的限制，管道回拖采用二接一方式，并注意了以下幾點(diǎn)：

（1） 當(dāng)成品管道回拖到巖層、土層交界處，放慢回拖速度和旋轉(zhuǎn)速度。

（2） 進(jìn)行二接一管道焊接、探傷、防腐施工時(shí)，要定期向孔中注入泥漿，并適當(dāng)?shù)鼗顒?dòng)鉆具，必要時(shí)小距離地回拖移動(dòng)管道，防止停止時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，引起井下坍塌和泥漿水化，從而增加回拖阻力。

（3） 開(kāi)挖管道發(fā)送溝以保護(hù)管道防腐層，同時(shí)減小管道與地面的摩擦力，降低回拖阻力。

（4） 調(diào)整泥漿的密度、膠凝強(qiáng)度和潤(rùn)滑性，使成品管道在孔中盡量接近于懸浮狀態(tài)，這樣既減少了回拖阻力，又保護(hù)了管道防腐層。

本工程一次回拖完成，共用24 h?；赝贤瓿珊蠼?jīng)試壓、測(cè)徑檢驗(yàn)合格。

[1] 蔣征島.穿越河流的一種新方法——水平定向鉆技術(shù)[A].全國(guó)主要江河油氣管道穿跨越工程資料匯編[C].北京：石油工業(yè)出版社，1992.119-124.

[2] 賈衛(wèi)波，呂明記.水平定向鉆技術(shù)在尼羅河穿越工程中的應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2000，（1）：18-19.

[3] 劉金禎，金健，陳雪華．地面信標(biāo)控向系統(tǒng)在海河穿越中的應(yīng)用[J]．石油工程建設(shè)，2003，（6）：58-60.

[4] 石忠．關(guān)于水平定向鉆的研究報(bào)告[A]．管道人才論文集[C].北京：石油工業(yè)出版社，2003.164-169.

Abstract:Nowadays，long-distance crossing in rocky stratum is still a difficult construction key point in horizontal directional drilling.In the project of 1 310 m long pipeline crossing Baima River and Jili River in Shandong Province with directional drilling in rocky stratum,based on analyzing technical difficulties,a series of techniques were adopted,including pre-embedded casing,retaining ring for protecting direction control wire,new device for fishing gear wheel,guide buoys,artificial magnetic field monitor,synchronized multiple reaming with dual drillers.The pipeline crossing in rocky stratum was fulfilled successfully.

Key words:rocky stratum;crossing with horizontal directional drilling;construction process

（47）1 310 m Long Pipeline Crossing Baima River and Jili River with Directional Drilling in Rocky Stratum

ZHANG Jin-bao（Construction Division of Jiangsu Petroleum Bureau,Jiangdu 225261,China），LI Qiangchao

TE973.4

B

1001－2206（2011）01－0047－03

張金寶（1979-），男，江蘇揚(yáng)州人，工程師，2002年畢業(yè)于常州工業(yè)大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣管道施工管理工作。

2010-01-19；

2010-08-30