定向鉆技術(shù)施工大管徑管道穿越泥巖地層的技術(shù)措施

江榮龍

關(guān)鍵詞：水平定向鉆、泥巖、大管徑、技術(shù)措施、穿越工程

摘要：原油管網(wǎng)俄油引進(jìn)配套慶鐵線擴(kuò)能改造工程第四標(biāo)段內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)區(qū)特殊區(qū)段定向鉆穿越工程，穿越管線為南北走向，采用大型定向鉆兩管同拖φ813mm＋φ114mm方式穿越。

隨著現(xiàn)代文明意識和環(huán)保意識的逐漸加強(qiáng)，開挖路面進(jìn)行各類地下管線施工導(dǎo)致的社會問題，交通問題和環(huán)境污染問題已越來越受人民的關(guān)注，城市限制開挖施工的法規(guī)已陸續(xù)出臺。采用水平定向鉆穿越技術(shù)進(jìn)行管線穿越施工，是城市市政建設(shè)和電氣化管網(wǎng)改造，通訊光纜敷設(shè)，油氣管道和穿越大中小型江河、湖泊、經(jīng)濟(jì)作物區(qū)以及不可拆遷建筑物的最佳選擇，是不破壞地貌狀態(tài)和保護(hù)環(huán)境的最理想的施工方法。隨著定向鉆技術(shù)的不斷發(fā)展，在施工過程中遇到的地層也將越來越復(fù)雜，本文結(jié)合工程實例就定向鉆技術(shù)施工大管徑管道穿越泥巖地層中的一些技術(shù)要點和技術(shù)措施進(jìn)行描述。

一、工程概況及水文地質(zhì)條件

中國中東部原油管網(wǎng)俄油引進(jìn)配套慶鐵線擴(kuò)能改造工程，起點為大慶分輸站，終點為鐵嶺分輸站。本工程為原油管網(wǎng)俄油引進(jìn)配套慶鐵線擴(kuò)能改造工程第四標(biāo)段內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)區(qū)特殊區(qū)段定向鉆穿越工程，穿越管線為南北走向，采用大型定向鉆兩管同拖φ813mm＋φ114mm方式穿越。

根據(jù)地質(zhì)報告顯示穿越地貌單元為沖積平原，場地地勢較平坦，穿越地層主要為：①雜填土：主要由粘性土、碎石、磚塊等組成；②耕土：主要由粘性土組成，包含大量植物根系；③－1粉質(zhì)粘土：黃褐色，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等，可塑；③－2粉質(zhì)粘土：黃褐色，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等，硬塑，局部可塑；④泥巖：黃褐色～紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈短柱狀，錘擊可碎，強(qiáng)風(fēng)化。本工程穿越經(jīng)過地層主要是在泥巖中穿越，泥巖的抗壓強(qiáng)度按地質(zhì)報告揭露其抗壓強(qiáng)度為0.6～1.7MPa。

二、施工主要技術(shù)要點分析

1、導(dǎo)向孔施工過程中，穿越段泥巖層對導(dǎo)向鉆頭的反作用力大，導(dǎo)向孔造斜和糾斜難，容易造成導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計軌跡發(fā)生較大偏差，如何采取措施保證施工后導(dǎo)向孔參數(shù)達(dá)到施工要求。

2、導(dǎo)向孔施工結(jié)束后，在擴(kuò)孔過程中如何保證擴(kuò)孔后管道曲線不偏離導(dǎo)向孔施工的曲線問題。

3、泥巖層內(nèi)擴(kuò)孔施工較困難，如何保證擴(kuò)孔的順利施工及擴(kuò)孔后采取什么措施將泥巖碎塊攜帶出孔外。

4、施工過程中，如何保證施工順利進(jìn)行，避免出現(xiàn)抱鉆、卡鉆事故的發(fā)生。

三、施工中采取的技術(shù)措施

1、優(yōu)化設(shè)計

由于原設(shè)計采用的是φ813mm輸油主管與φ114mm光纜管分別穿越施工，而由于施工現(xiàn)場條件的限制，沒有進(jìn)行兩次穿越的施工場地，只能將φ813mm輸油主管與φ114mm光纜管進(jìn)行兩管同拖的施工工藝，所以針對該情況，取得設(shè)計院及業(yè)主的同意后，在保證管線埋深的前提下，結(jié)合現(xiàn)有施工設(shè)備的實際情況，將原設(shè)計曲線進(jìn)行部分優(yōu)化。

⑴原設(shè)計入土角為9°，由于美國奧格DD-440鉆機(jī)最小入土角度為10°，所以將原設(shè)計入土角9°更改為10°，以便于我們施工設(shè)備的順利施工。

⑵原設(shè)計出土角為7°，考慮到由于管線比較大，而且是兩管同拖，如果出土角度偏大的話，在管線回拖的過程中管線的入洞將會非常的困難，而且管線在擺放過程中的難度也非常困難，所以將原設(shè)計出土角7°更改為4.5°。這樣對我們施工更為有利。

⑶原設(shè)計曲率半徑為1220（0.813×1500），由于設(shè)計時是考慮主管與光纜管是分開施工的，所以曲率半徑的取值為1220。但是由于施工現(xiàn)場兩邊都有一根正在使用的原輸油管線，已經(jīng)沒有條件將主管與光纜管分開施工，所以將原設(shè)計的曲率半徑1220調(diào)整為1390，即（0.813+0.114）×1500。

優(yōu)化后施工穿越曲線剖面設(shè)計示意圖

2、保證導(dǎo)向孔施工曲線滿足施工要求的措施

⑴保證鉆機(jī)就位方位與設(shè)計管線中心線重合的措施。

鉆機(jī)就位前，用測量儀器(如經(jīng)緯儀)放出管線穿越中心線，根據(jù)穿越入土角、鉆機(jī)自身尺寸(車長、車寬、輪距等)等參數(shù)計算出鉆機(jī)就位的精確位置，并用白灰或用線繩予以標(biāo)記，并以此標(biāo)記作為鉆機(jī)就位的依據(jù)。在鉆機(jī)就位過程中，除了利用白灰或線繩標(biāo)記作為就位的標(biāo)準(zhǔn)外，就位過程中還要用測量儀器測量鉆機(jī)就位偏差，經(jīng)計算鉆機(jī)就位方位相對于管線中心線的角度偏差如超過0.1°時，需根據(jù)偏左偏右情況重新調(diào)整鉆機(jī)，經(jīng)多次就位-測量-調(diào)整-再測量，直到偏差控制在0.1°范圍內(nèi)。鉆機(jī)就位后，計算出精確的偏差數(shù)值，在開始鉆導(dǎo)向孔時及時設(shè)置好軟件的計算參數(shù)，調(diào)整偏差，保證導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計穿越曲線重合。

⑵外部磁場對方位角的影響及控制措施

根據(jù)現(xiàn)場確定的外部磁場的位置，在鉆孔時，探測器到達(dá)外部磁場前，鉆孔方向不能出現(xiàn)過大的左右偏移量，保持實際方位角與控向方位角的偏差在允許的范圍內(nèi)，在進(jìn)入外部磁場時，實際方位角發(fā)生變化，此時的方位角與控向方位角不同，鉆進(jìn)時暫不考慮干擾后的方位角而直接按直線鉆進(jìn)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)測量時，根據(jù)控向工具面的位置輸入與控向方位角接近的方位角。鉆頭穿越過磁場干擾區(qū)后，計算機(jī)控向數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，此時導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計穿越曲線偏差應(yīng)當(dāng)在許可范圍內(nèi)，萬一兩者偏差較大，首先計算出實際偏差量，然后將經(jīng)過磁場干擾區(qū)的鉆桿抽出后重新鉆進(jìn)進(jìn)行偏差調(diào)整。在已知偏差量的情況下進(jìn)行調(diào)整是很容易的，通過調(diào)整消除磁場影響，使導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計穿越曲線重合。

⑶采用人工磁場

鉆機(jī)控向系統(tǒng)是依靠地磁場進(jìn)行方位控制，通過鉆頭后面的探棒將導(dǎo)向孔參數(shù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。地磁場容易受到地下管線、地下電纜、地面高壓線等金屬構(gòu)件的干擾，從而造成控向參數(shù)不準(zhǔn)確。人工磁場是在穿越中心線兩側(cè)布設(shè)的閉合線圈，布設(shè)簡單方便，在施工中既經(jīng)經(jīng)濟(jì)又有效，其優(yōu)點是它不受外部磁場的干擾，可以準(zhǔn)確無誤的將鉆孔數(shù)據(jù)反映出來，當(dāng)探頭到達(dá)此閉合的線圈區(qū)域內(nèi),接通直流電源產(chǎn)生磁場,通過人工磁場可以測得穿越軸線的左右偏移和穿越標(biāo)高。通過人工磁場與地磁場左右偏差的比較,可以確定目前鉆頭方位角,從而確定下一根鉆桿的行進(jìn)方位。由于人工磁場在地磁場受干擾的情況下可以提供準(zhǔn)確的管線穿越方位角，在地磁場不受干擾的情況下可以校正控向方位角的正確性，從而能夠很好的控制導(dǎo)向孔與設(shè)計穿越曲線偏移，并能保證穿越曲線的平滑性。

⑷控制人為因素造成導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計穿越曲線偏差的措施

開工前，加強(qiáng)對控向人員與司鉆操作人員的技術(shù)交底，提高工作人員的素質(zhì)，加強(qiáng)控向人員與司鉆人員相互間的配合，司鉆人員以控向人員的指令為準(zhǔn)，按照指令進(jìn)行操作，防止人為操作導(dǎo)致鉆孔出現(xiàn)偏移設(shè)計曲線。控向人員應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計曲線計算每次傾角的調(diào)整度數(shù)，認(rèn)真掌握并注意穿越過程中的軌跡變化，通過軌跡變化確定控向方向的變化。從而控制導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計穿越曲線的偏移。

3、擴(kuò)孔器的配置

對于φ813mm主輸油管與φ114mm光纜管套管的穿越施工。根據(jù)穿越擴(kuò)孔的要求：擴(kuò)孔直徑達(dá)到管徑的1.3-1.5倍，每級擴(kuò)孔相差6＂-15＂；按照我們以前的施工情況，正常的預(yù)擴(kuò)孔是按每級擴(kuò)孔級差為6＂，如果按以前的施工方法，需要采用桶式擴(kuò)孔器擴(kuò)6次孔（18″、24″、30″、36″、42″、48″），最后再用42″擴(kuò)孔器清孔一次。而根據(jù)地質(zhì)報告描述，此次定向鉆穿越的主要地層是泥巖、為保證最佳的成孔質(zhì)量及工期要求，擬定采用φ18″、φ24″、φ30″、φ36＂、φ42″、φ48″板式和桶式相結(jié)合的三級擴(kuò)孔、兩次清孔使用，以減小擴(kuò)孔扭矩和提高成孔質(zhì)量，同時保證擴(kuò)孔過程中孔徑曲線不偏離導(dǎo)向孔曲線，先后逐級擴(kuò)孔，最后擴(kuò)孔直徑達(dá)1.3倍。

三級擴(kuò)孔級配：

第一級擴(kuò)孔：采用φ24″板式擴(kuò)孔器；

第二級擴(kuò)孔：采用φ36″板式擴(kuò)孔器+φ18″桶式擴(kuò)孔器；

第三級擴(kuò)孔：采用φ48″板式擴(kuò)孔器+φ30″桶式擴(kuò)孔器；

兩次清孔級配：

第一次采用φ42″桶式擴(kuò)孔器；

第二次采用φ48″桶式擴(kuò)孔器；

板式擴(kuò)孔器及桶式擴(kuò)孔器形狀見下圖所示。

采用上述的擴(kuò)孔器配置，尺寸小的桶式擴(kuò)孔器主要起的作用是保證擴(kuò)孔后的管道曲線沿導(dǎo)向孔曲線前進(jìn)擴(kuò)孔，同時將上一級擴(kuò)孔過程中切削下來的泥塊進(jìn)行粉碎，保證與泥漿充分溶解；而尺寸大的板式擴(kuò)孔器的主要作用是將孔徑擴(kuò)大，也就是擴(kuò)孔。通過試驗證明，此種擴(kuò)孔器的配置，對于泥巖地層中施工能很好的減小擴(kuò)孔扭矩，同時保證成孔質(zhì)量。

4、泥漿配置

應(yīng)根據(jù)地質(zhì)及時調(diào)整泥漿配比，泥漿性能取決于其成分配方，它可以潤滑鉆頭減少磨損，可以軟化地層易于鉆進(jìn)，同時攜帶鉆屑返回工作坑，可以在回擴(kuò)過程中穩(wěn)定孔壁，可以在回擴(kuò)和拖管時潤滑管道，其性能的好壞，直接影響最終管線穿越的成功。穿越泥巖應(yīng)調(diào)整泥漿添加劑，改變泥漿的流變性，提高剪切力，增加泥漿的攜帶性能，使泥漿克服“泥抱鉆”的施工現(xiàn)象，從而使鉆進(jìn)產(chǎn)生的阻力減小，并使鉆出的孔徑暢通無阻，順利完成推力、扭力的傳遞，有力的保障了下道工序的進(jìn)行。

在本工程穿越工程施工前，泥漿師要根據(jù)本工程的地層的特點、結(jié)構(gòu)及土壤分類進(jìn)行泥漿的配方研究，提出了對于本工程的地質(zhì)情況，應(yīng)盡量減少鉆進(jìn)液對地層滲水，也就是降低泥漿的失水量以及增強(qiáng)井壁的巖土的抗水敏性，抑制分散是最為關(guān)鍵的問題。從泥漿失水量影響因素的分析和對巖土的水化性分析可以歸納出針對泥巖地層配制泥漿時的幾個要點：

⑴選優(yōu)質(zhì)土。由于水化效果好，粘土顆粒吸附了較厚的水化膜，泥漿體系中的額自由水量大大減少，所以優(yōu)質(zhì)土泥漿的失水量遠(yuǎn)低于劣質(zhì)土的。

⑵采用“粗分散”方法。使粘土顆粒適度絮凝，而非高度分散，從而使井壁巖土的分散性減弱，保持一定的穩(wěn)定性。

⑶添加降水劑。Na-CMC、PAM等降水劑通過增加水化膜厚度、增大滲透阻力、起井壁網(wǎng)架隔膜作等，可使失水量明顯減少。

⑷提高基液粘度。泥漿中的“自由水”實際上是濾向地層的基漿，其粘度愈高，向地層中滲濾的速率就愈低。

⑸調(diào)整泥漿比重，平衡地層壓力。井眼中液體壓力與地層中的流體的壓力差是泥漿失水的動力，盡可能減少壓力差，維持平衡鉆進(jìn)是降失水的有效措施。

泥漿的配置在整個施工過程中并不是一成不變的，要根據(jù)具體的施工情況進(jìn)行調(diào)整。具體調(diào)整的主要是根據(jù)孔道中返出的泥漿的性能進(jìn)行調(diào)整。

四、結(jié)束語

在本工程的施工過程中，通過采用以上的技術(shù)措施后，在工期和成本方面均取得了很好的效果。

1、科學(xué)的施工組織管理，能夠提高工作效率，縮短施工工期，有效地控制施工進(jìn)度，實現(xiàn)施工工期短的優(yōu)勢。

2、科學(xué)的施工技術(shù)方案是確保施工成功關(guān)鍵，可以減少施工材料的消耗，降低施工成本，取得較好經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)成本低的優(yōu)勢。