貴-渝成品油管道烏江水平定向鉆穿越施工技術(shù)

鄭 俊

中石化江蘇油建工程有限公司，江蘇揚州 225001

1 工程概況

由江蘇油建承建施工的貴陽-遵義-重慶成品油管道烏江水平定向鉆穿越工程，位于貴-渝高速公路烏江大橋以東1.5 km，貴-渝鐵路以西0.5 km處。管道輸送介質(zhì)為成品油，輸送壓力為9.5 MPa，管道規(guī)格為D 406.4 mm×9.5mm，鋼管材質(zhì)為X60直縫埋弧焊鋼管，管道外防腐層采用3PE加強級防腐。

貴州省是多山地區(qū)、烏江以天險著稱?？λ固氐刭|(zhì)造就了眾多的地下溶洞、暗河、地縫等特殊的地質(zhì)構(gòu)造，這給烏江水平定向鉆管道穿越帶來許多困難。

2 烏江穿越工程施工難點分析

2.1 控向難度大

碎石和卵石層、巖層軟硬交錯，穿越處巖石硬度高、距離長，地形地貌起伏大、高差大，周圍干擾源多（如電氣化鐵路、鐵礦石礦等），準確控向難度非常大，控向信號數(shù)據(jù)檢測校驗難。若碎石、片石突然滑落，易造成塞孔、卡鉆桿和突然偏鉆等，由此會進一步造成憋壓和泥漿泄漏等問題，影響到井下鉆具的安全和鉆導向孔的成功率。且如果鉆遇溶洞，就要承擔前功盡棄的風險。

2.2 鉆機操控難題多

（1）由于穿越地層軟硬不均，片石、碎石多，穿越距離長，井下鉆桿易在地層中形成S彎，而且隨著穿越距離的增大，鉆進的推力和扭矩也逐漸增大，鉆頭造斜難度更大，這將影響到導向孔曲線的質(zhì)量。

（2）烏江地質(zhì)情況復雜，地層分布不均，可能存在溶洞、較多的碎石和卵石，該地層易造成鉆頭跑偏，泥漿漏失和塌孔，正常鉆孔的難度非常大。

（3）由于鉆進距離長，地層變化大，司鉆很難正確感觸到地層情況以及鉆具鉆進的情況，不利于緊急情況的及時處理。比如：前面的鉆頭已經(jīng)卡鉆，司鉆卻正常鉆進，這將使鉆桿產(chǎn)生很大的反扭矩，造成鉆桿彎曲，嚴重時甚至導致鉆桿斷裂和設備損壞。

（4）由于穿越距離長，高差大，需反復多次洗孔，但井下易破碎片石較多，在鉆頭回拔時，極可能發(fā)生塞孔、塌孔、卡鉆頭及鉆桿接頭脫落等情況，造成井下意外事故的發(fā)生，這就對洗孔速度、泥漿排量、壓力的控制要求非常高。

3 對策措施

3.1 入土點、出土點調(diào)整

原設計確定的入土點、出土點，曲線高差大，經(jīng)與設計部門溝通確定，入土點選在烏江南岸一條支流西岸上荒地處，出土點選在烏江北岸較大支流東岸坡地上，該坡地有500～600m長，可用于管道預制。如此，穿越曲線水平長度為885m，曲線長度891m，穿越最大垂直深度85m。由于烏江岸邊山包的阻隔，出土點、入土點互相看不見。

3.2 穿越機選擇

根據(jù)烏江穿越工程的地質(zhì)條件、穿越長度、穿越管徑以及現(xiàn)場地形地貌，確定選用美國威猛D 300mm×500mm履帶式水平定向鉆穿越機進場施工，穿越機最大拖拉力1 360 kN、最大扭矩67 800 N·m。

3.3 控向技術(shù)

（1）在開鉆前利用探棒和全站儀準確測出穿越軸線的磁偏角，以此為基準控制導向孔鉆向偏差。測磁偏角的具體方法如下：用全站儀準確測出穿越軸線，將探棒放在穿越軸線上，將探棒與遙顯信號線連接，遙控顯示器上將顯示該位置探棒的磁偏角，沿軸線改變探棒的位置，多點測量在線磁偏角，綜合考慮篩選幾個可信的磁偏角后，取平均值即可作為穿越軸線準確的磁偏角。

（2）優(yōu)化導向孔鉆具組合，將探棒裝入尼龍?zhí)准盁o磁探棒室中，無磁探棒室兩端各連接1根無磁鉆鋌，以消除鉆機、鉆桿以及周圍干擾源對探棒產(chǎn)生的磁干擾。

（3）在探棒入土前，利用手提探測器、遙控顯示器對探棒進行3m校驗，取垂直于探棒鉆進方向的3、5、10、15、20m位置進行探測數(shù)據(jù)校驗，采集數(shù)據(jù)進行分析，判斷數(shù)據(jù)誤差大小，摸索規(guī)律，以便及時準確判斷控向數(shù)據(jù)的準確度，達到精確定位的目的。

（4）為防止控向線因鉆導向孔時間長、泥漿壓力高、排量大造成控向線堆積和外皮破損，在鉆桿內(nèi)設置特制的耐磨塑料線卡，使用定制加厚外皮的控向線，以確?？叵蛐盘栒鬏?。

（5）為防止鉆桿彎曲斷裂，特在入土點沿穿越曲線預埋D 323mm×10mm、長40m的焊接鋼導向套管至硬地層（導向孔鉆完后取出鋼套管），以確保鉆導向孔時推力正常傳遞，保持井口返漿，防止鉆桿扭曲變形甚至斷裂。

（6）導向孔鉆進時，在入土點與出土點之間，沿穿越軸線設置中心樁，在可探測區(qū)域利用手提探測器，精確測量地下鉆頭位置，同時分析研究探測數(shù)據(jù)與控向軟件反饋數(shù)據(jù)的偏差，把握數(shù)據(jù)規(guī)律和鉆進趨勢。

（7）在不可探測校驗區(qū)域，如江面、山體以及探棒埋深較深位置等處，在鉆導向孔時增加信號測量頻率，每根鉆桿（長9.6m）測量2次，根據(jù)信號數(shù)據(jù)變化，及時判斷鉆頭走向，有效保證導向孔曲線符合設計曲線要求。最終使導向孔曲線與設計曲線的偏移量、出土點沿穿越軸線的縱向及橫向偏差完全滿足設計和規(guī)范要求。

（8）鉆導向孔時，嚴格控制每根鉆桿控向數(shù)據(jù)的變化量，滿足設計曲率半徑要求，避免出現(xiàn)S彎或“狗腿子”等缺陷。

3.4 泥漿配制技術(shù)

（1）烏江穿越地質(zhì)條件復雜，在長距離巖石中穿越，其中可能存在溶洞、碎石，又由于巖體細縫多，因而泥漿配制技術(shù)是關鍵。各施工過程的泥漿性能調(diào)整要求如下：

其一，導向孔斜孔段：為保證鉆屑攜帶和井眼暢通，控制泥漿的失水，需增大護壁劑、增黏劑和堵漏劑的含量。導向孔水平段：要及時提高攜砂劑和潤滑劑的含量，適當降低泥漿黏度和切力，保證泥漿的流變性能良好，使巖屑能順利返出地面，增強泥漿的潤滑性，以減小鉆機推進阻力和扭矩。

其二，擴孔時為增強泥漿的固壁性能，防止井眼塞孔、塌孔和縮徑，需增大固壁劑、增黏劑和清屑劑含量。

其三，回拖時為提高泥漿的潤滑性，降低摩擦阻力，增強攜屑效果，需提高清屑劑和潤滑劑的含量。根據(jù)穿越段地層情況控制泥漿的黏度，在鉆導向孔階段，泥漿黏度控制在55～60 s；在預擴孔階段，泥漿黏度控制在60～65 s；在回拖階段，泥漿黏度控制在65～70 s。

（2）現(xiàn)場采用4個25m3罐配制泥漿，增加儲漿量，使得膨潤土及其添加劑有足夠的水化時間，確保泥漿的黏度等性能達到要求。

（3）利用泥漿回收處理系統(tǒng)以循環(huán)使用泥漿。一是可更有效地保證泥漿的供應量，二是可減少泥漿的使用量，以節(jié)約成本和減少環(huán)境污染。為此，使用泥漿外運車將出土端返漿拉到入土端，經(jīng)過處理后再次使用，這樣既減少了泥漿使用量，又避免了廢漿污染環(huán)境。

（4）因穿越段可能存在溶洞和較多的巖隙，泥漿漏失和冒漿風險很大，且井下巖屑較多，為此，專門與美國十方公司合作，現(xiàn)場試驗，選用化學泥漿、果凍凝膠增強劑及堵漏劑等，配制了專用泥漿，提高了堵漏和攜帶巖屑效果；同時加大泥漿排量，提高泥漿循環(huán)速度，確保井眼暢通，避免了烏江水源污染和環(huán)境污染。

3.5 鉆機操控技術(shù)

（1）鉆導向孔時鉆具組合為φ216mm鑲齒合金牙輪鉆頭+動力鉆具（1.5°）+2根無磁鉆鋌及探棒室+鉆桿。首先采用φ127mm（S135）鉆桿，鉆進至650m后改用φ140mm（S135）鉆桿，以增強鉆桿的剛度，有利于鉆機的推力和扭矩的有效傳遞。同時在入土側(cè)斜孔段打入導向套管，使后續(xù)鉆桿的推力易于向前傳遞，特別是在出土側(cè)鉆頭開始上抬時可以利用入土側(cè)套管作導向支撐點，克服鉆進的阻力，有利于解決出土側(cè)水平段向斜孔段過渡“抬頭”難和入土側(cè)塌孔及鉆屑排出等問題。

（2）預擴孔時鉆具組合為φ127 mm（S135）鉆桿+φ140mm（S135）鉆桿（20m） +巖石擴孔器+φ140 mm（S135） 鉆桿（20 m） +φ127 mm（S135）鉆桿。擴孔時井下擴孔器保持平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)和緩慢進退，以免造成片石或碎石受振滑落，從而導致塞孔、卡鉆或所擴孔徑變形，因此需經(jīng)常注意井下鉆具受力變化，及時反復洗孔排屑，確保井下鉆具安全和井孔暢通。

（3） 管道回拖時鉆具組合為φ127 mm（S135）鉆桿+φ140mm（S135）鉆桿（20m）+φ550mm巖石擴孔器+150 t分動器及卸扣+φ406.4mm成品油管道。司鉆員每次回拖前需提前開泥漿泵，待泵壓正常后方可回拖，回拖時要控制回拖速度和擴孔器慢轉(zhuǎn)，以免造成石塊滑落、巖屑堆積或刮傷管道防腐層。

（4）長距離復雜地層導向孔鉆進時，司鉆員要全面準確地理解和執(zhí)行控向員指令，同時要保證設備和鉆具的承載能力在允許的范圍內(nèi)。預擴孔和回拖階段要密切關注鉆機扭力和拖力的變化，依據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，及時調(diào)整鉆機旋轉(zhuǎn)速度和回拖速度，使鉆機扭矩和拖力保持在一個相對穩(wěn)定和安全的數(shù)值。

3.6 施工過程控制

3.6.1 進退洗孔技術(shù)

為防止鉆導向孔時發(fā)生卡鉆，我們實施“進一退一、進三退三、進五退五、進200m退200m”的工藝。

具體做法：鉆巖石層導向孔時，每鉆進1根鉆桿（9.6m），退鉆回1根鉆桿長度（9.6m）；鉆進3根鉆桿，退鉆回3根鉆桿長度；鉆進5根鉆桿，退鉆回5根鉆桿長度；鉆進到200m時，退鉆回200m。用這種方法不斷回拔洗孔，保持井孔暢通。

3.6.2 復式多級擴孔工藝

根據(jù)穿越地層情況和切屑量，采用50mm跨級復式多級擴孔工藝。當擴孔直徑為400～650mm時，擴孔時要控制切削進尺和泥漿排量，同時采用“進一退一”洗孔工藝，擴孔至200m長時需退出擴孔器檢查，確保井孔圓滑暢通和井口返漿排屑正常。

3.6.3 鉆具優(yōu)選配套及正確使用

鉆孔時，優(yōu)化鉆具組合，精選鉆頭，擴孔器及鉆桿配套；擴孔器牙掌背加焊合金刀頭。嚴格控制井下鉆具工作時間，根據(jù)鉆進進尺情況，及時退出鉆頭，進行維修或更換鉆具，防止擴孔器牙輪或其他鉆具掉落井下，確保井下鉆具安全和井孔暢通。

3.6.4“二接一”回拖工藝

因出土端場地狹小，設備、管材進場困難，穿越管道分兩段預制，經(jīng)組對、焊接、檢測、試壓和防腐合格，采用“二接一”回拖工藝完成施工任務。

3.6.5 泥漿回收處理保護環(huán)境

施工過程中出土點泥漿集中拉運至入土端，實現(xiàn)泥漿循環(huán)使用。

施工結(jié)束后，廢棄泥漿拉至指定場地進行加藥固化處理，保護環(huán)境，不留后患。

4 結(jié)束語

貴陽-遵義-重慶成品油管道烏江穿越工程成功應用了水平定向鉆技術(shù)穿越石灰?guī)r、頁巖及碎石地層。歷時4個月16天，順利完成了施工任務。經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理和質(zhì)量監(jiān)督站檢查，工程質(zhì)量合格。施工過程中沒有發(fā)生安全質(zhì)量事故。