河南焦作穿沁倒虹吸工程反水孔扶正器的設計

王書寧，申勝斌

（焦作市黃河華龍工程有限公司，河南 焦作 454100）

0 引言

水平定向鉆穿越施工是采用定向鉆機和控向儀器，通過導向鉆進、擴孔、拉管等工藝，穿越地下障礙物和地面建造物等，實施管線敷設的非開挖施工方法。該方法在非開挖技術領域里占據著主導地位［1］。

扶正器是在水平定向鉆穿越施工中經常用到的微擴孔裝置。扶正器種類繁多，有扶正器鉆具組合、抽油桿扶正器、套管扶正器等［2］。不同結構和材質的扶正器適用于不同的水平穿越或不同類型偏磨的油井。

在河南焦作穿沁倒虹吸工程施工中，由于扶正器刀道堵塞，造成孔道內壓力過高，出現返漿不順或冒漿等不利現象。施工單位針對該問題進行反復試驗研究，制造了反水孔扶正器。

1 工程概況

河南省焦作市沁北引黃灌區(qū)沁北干渠工程為管道穿越沁河倒虹吸工程，設計采用非開挖技術，即利用水平定向鉆穿越沁河。沁河為一寬淺游蕩型河道，穿越管道采用雙線布置，兩管間距為15 m，穿越管身總長為1 827 m，其中，定向鉆敷設1750m。壓力管管身采用L485直縫埋弧焊鋼管，外徑為1016 mm，管壁厚為20．6 mm。倒虹吸管建基面最大埋深為河床下約 33．5 m。

工程區(qū)位于黃河中下游沖積平原，地層均為第四系沖積物。在定向鉆穿越沁河鉆進過程中，第一次鉆進至22根鉆桿處、鉆進長度為180 m時，出現返漿不順，壓力表顯示增大了0．5 MPa。先回抽鉆桿3根，出現少量返漿后，繼續(xù)鉆進。鉆進至38根鉆桿處（第36根鉆桿為鉆桿水平段與曲線段的交接桿）、鉆進長度約350 m時，未見返漿，壓力表顯示值比正常增大了1．0 MPa。為防止鉆孔內壓力過高而出現冒漿現象，決定將鉆桿全部抽出進行檢查。經檢查發(fā)現，刀型孔道存在膠泥堵塞。對鉆頭和扶正器進行清理后，再次鉆進。第二次鉆進長度至684 m時，出現返漿不順、壓力值增大、鉆進困難現象。為防止鉆孔內壓力過高而出現冒漿現象，決定抽回鉆桿。抽回至360 m時，壓力值恢復正常。于是，繼續(xù)鉆進。鉆至684 m處時，又出現返漿不順、泥漿壓力急劇升高、鉆進吃力的現象。因此，決定將鉆桿全部抽回，對導向鉆頭和鉆桿進行全面檢查。經檢查發(fā)現，扶正器的刀型孔道全部被膠泥堵死。在施工過程中，為了保證河道內不出現冒漿，需多次將鉆桿全部抽出，重新鉆進。這將嚴重影響施工進度，并造成較大的經濟損失。因此，施工單位通過分析返漿不順的原因，并根據定向鉆進原理，研制了反水孔扶正器。

2 反水孔扶正器的研制

2．1 反水孔扶正器的工作原理

泥漿泵通過鉆機、鉆桿將泥漿加壓至鉆頭噴孔和扶正器上的反水孔，噴射出的泥漿造漿后，順著鉆進孔道向后返漿至地面。扶正器上的反水孔噴射出的泥漿對鉆頭噴射出的泥漿進行助力推進，并沖刷扶正器刀齒切削的黏土，使其與鉆頭噴射出的泥漿匯合一處，向地面返漿。反水孔扶正器的微擴孔增大了孔道的環(huán)形空間，對鉆頭處噴射的泥漿形成了空間助力返漿。通過以上兩次助力返漿，配合泥漿壓力、推力、扭矩等的控制，扶正器隨著鉆頭和鉆桿旋轉，扶正器上的反水孔也跟著旋轉。旋轉時，鉆桿內的泥漿由扶正器反水孔噴出，將堵塞在刀道（刀形孔道的簡稱）內的黏土沖掉。泥漿壓力大小可根據地層、地質及成孔情況，并結合控制室數據的變化進行調整。同時，調整鉆進速度和泥漿配比，在根本上控制鉆頭處的壓力，有效地預防了刀道堵塞、冒漿及孔道塌方［3～4］。

2．2 設計方案

2．2．1 擬訂方案

根據反水孔扶正器的工作原理，擬定3種設計方案：

（1）安設3個反水孔。3個反水孔安裝在刀道的正中間，與鉆桿呈45°角。根據鉆頭的孔徑和經驗，設置反水孔孔徑的大小為5 mm。其設計簡圖如圖1所示。

（2）安設6個反水孔。在扶正器3個刀道的中、前方各安設2個反水孔，反水孔的角度順著刀道，孔口平行于扶正器。反水孔孔徑的大小為5 mm。其設計簡圖如圖2所示。

（3）安設9個反水孔。在扶正器3個刀道的前、中后各安設3個反水孔，反水孔的角度順著刀型孔道，孔口平行于扶正器。其設計簡圖如圖3所示。

2．2．2 方案對比

對擬定的3種方案進行鉆進試驗，得到如下結果。

第一種方案（安設3個反水孔）鉆進至95根鉆桿、鉆進長度為894 m時，出現返漿。抽回鉆桿40根（380 m），再次鉆進至850 m處時，又出現返漿不順，壓力值也在不斷增高。將鉆桿全部抽出，經檢查發(fā)現，扶正器在安設反水孔處沒有膠泥堵塞。但是，在反水孔的前端和后端仍有膠泥堵塞的情況。

第二種方案（安設6個反水孔），鉆進壓力正常，返漿順利，各項指標都正常。在第一條管線導向孔鉆進施工中，未出現因扶正器刀道堵塞所引起的返漿不順、壓力值增大等問題，導向孔順利精確鉆出。

第三種方案鉆進過程中，泥漿壓力表值一直在1．5 MPa左右，鉆進至300 m處，開始返漿，鉆進不順。檢查泥漿泵、泥漿管路、泥漿壓力表等，未發(fā)現故障。

通過對比，確定第二種方案（安設6個反水孔）為反水孔扶正器的設計方案。

2．3 結構設計

反水孔由彎頭和噴水孔兩部分組成，這兩部分采用合金鋼一次加工成型。彎頭外孔直徑為20 mm，壁厚為4 mm，兩邊分別長20 mm、27 mm。彎頭短邊直接焊接在扶正器上，長邊為彎頭接箍，接箍部分外徑為14 mm，內徑為8 mm，長為7 mm。噴水孔孔長為 5 mm，孔徑為 5 mm，外徑為 10 mm，壁厚為 2．5 mm。噴水孔焊接在彎頭接箍上，具體如圖4所示。

圖1 設3個反水孔的扶正器設計方案Fig.1 Plan of installing three reverse water holes

圖2 設6個反水孔的扶正器設計方案Fig.2 Plan of installing six reverse water holes

安裝時，先在扶正器上鉆直徑為8 mm的孔。然后，將彎頭套在孔徑上方定位（彎頭方向順著刀道方向），手工氬弧焊焊牢。最后，將噴水孔焊接在彎頭接箍上。

圖3 設9個反水孔的扶正器設計方案Fig.3 Plan of installing nine reverse water holes

圖4 反水孔扶正器結構示意圖Fig.4 Reverse waterhole centralizer structure

3 結語

反水孔扶正器的應用解決了施工中刀道堵塞的重大難題，防止了冒漿和返漿不順等現象，有效提高了定向鉆的鉆進速度，保證了施工的連續(xù)性和均衡性，確保了質量、技術和職業(yè)健康安全目標、指標的實現。本次研制的反水孔扶正器適應各種非開挖穿越工程的鉆進技術。特別是，在黏性土質穿越河道工程中，起到了關鍵作用。

［1］樓岱瑩．大口徑管道定向鉆穿越擴孔施工的技術探討［J］．非開挖技術，2009（4）:13-16

［2］尹方雷，白冬青，龔建凱．液壓式套管扶正器在側鉆水平井中的應用［J］．石油鉆采工藝，2013，35（2）:24-25．

［3］肖經緯，馮德杰．扶正器鉆具組合在定向井施工中的應用［J］．內蒙古石油化工，2011（8）:35-37．

［4］王西貴．套管扶正器優(yōu)化設計研究［D］．西安:西安石油大學，2012．