定向鉆穿越常見的施工問題處理及工程事故預(yù)防

高秋玲，何金平，張振國

(1.天津大港油田集團(tuán)工程建設(shè)有限責(zé)任公司 天津300272；2.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津300452)

0 引言

水平定向鉆技術(shù)是一種非開挖鋪設(shè)、修復(fù)或更換各種地下管道和電纜的施工技術(shù)，與傳統(tǒng)開挖施工穿越技術(shù)相比，水平定向鉆技術(shù)在提高施工效率、縮短工期、降低綜合成本和環(huán)境保護(hù)方面具有明顯優(yōu)勢。

目前水平定向鉆技術(shù)已在國內(nèi)市政工程中得到廣泛應(yīng)用，尤其是在油氣長輸管道建設(shè)中扮演著越來越重要的角色，但是水平定向鉆穿越在帶來施工便利的同時(shí)也存在很多發(fā)生工程事故的可能性，造成工程施工困難、工期及成本不可控甚至工程失敗，這些事故體現(xiàn)在工程項(xiàng)目的各個施工工序中。因此，如何解決水平定向鉆施工過程中出現(xiàn)的各種技術(shù)難題、避免工程事故顯得尤為重要。本文結(jié)合實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，通過對項(xiàng)目特點(diǎn)及施工難點(diǎn)分析，在導(dǎo)向軌跡設(shè)計(jì)、導(dǎo)向孔鉆進(jìn)、回拖工藝及泥漿控制工藝等方面采取技術(shù)措施，有效解決了控向準(zhǔn)確性不高、導(dǎo)向控制難度大、回拖卡管甚至失敗、泥漿易跑冒等施工難題，同時(shí)對工程施工中的技術(shù)要點(diǎn)、過程控制中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，對以后的定向鉆施工提供技術(shù)依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 科學(xué)合理的軌跡設(shè)計(jì)和控向方案

穿越軌跡的設(shè)計(jì)受到穿越長度、深度、管徑和鉆桿長度的影響，一般情況下，曲率半徑為1500 D，入土角選擇8°～10°，出土角在6°以下。由于軌跡設(shè)計(jì)不合理以及打?qū)蚩讻]能按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行控制，造成回拖管線時(shí)鉆具斷裂、管線變形以及回拖不成功半途而廢的案例并非罕見。為此采取的預(yù)防措施是，首先要根據(jù)地質(zhì)條件和穿越現(xiàn)場地形、地貌選擇合適的控向方案，目前使用的控向技術(shù)有2種，一種為無線控向技術(shù)，一種為有線控向技術(shù)。

無線控向技術(shù)比較直觀，準(zhǔn)確度高，但是能夠探測的深度有限，很容易受高大建筑物、高壓線、地面水等諸多環(huán)境因素對接收信號的影響，造成導(dǎo)向孔不規(guī)則或者不能按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行有效控制，所以無線控向技術(shù)使用范圍十分有限。為了預(yù)防因?yàn)閷?dǎo)向軌跡不規(guī)則而發(fā)生的復(fù)雜和工程事故，我們建議在穿越公路、鐵路和一些水面較窄的河流，地勢較平坦并且穿越深度在15 m 以上時(shí)，才能使用無線導(dǎo)向系統(tǒng)。大

港油建穿越公司在穿越港棗線西圍堤路、大港區(qū)南環(huán)路、王穩(wěn)莊天然氣改造穿越工程中成功使用了無線控向系統(tǒng)。

有線控向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不受地面條件的影響，在穿越深度超過20 m 的湖泊、池塘、河流時(shí)被廣泛應(yīng)用，但有線控向系統(tǒng)易受到地下金屬管道及電纜等的影響，精度比較低。為了克服這些不利因素造成的影響，一般采用有線控向加地面信標(biāo)(人工磁場)相結(jié)合的施工措施。有線控向的原理是：在無磁鉆鋌內(nèi)的探頭中安裝加速度計(jì)和磁力計(jì)，對影響它磁場的磁通量、磁場強(qiáng)度進(jìn)行采集、分析，從而計(jì)算出探頭的位置，通過有線信號傳遞給計(jì)算機(jī)。一般的控向系統(tǒng)操作，是把地球磁場作為采集分析的對象，由于地球磁場的微弱性、不穩(wěn)定性和易干擾性，導(dǎo)致加速度計(jì)、磁力計(jì)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性波動很大造成誤差。因此增加磁場強(qiáng)度和磁通量，可以明顯提高加速度計(jì)、磁力計(jì)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而提高控向的精度。根據(jù)上述原理，在地面合適的位置布置地面信標(biāo)(人工磁場)，來改善和提高影響加速度計(jì)、磁力計(jì)的磁場強(qiáng)度和磁通量，從而使采集的數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確性和可控性，以達(dá)到防止定向鉆在打?qū)蚩讜r(shí)與設(shè)計(jì)的穿越曲線的偏差。在川氣東輸符河穿越施工時(shí)成功采用了地面布置人工磁場的方法，出土點(diǎn)成功中靶，經(jīng)過預(yù)擴(kuò)孔等施工工序回拖一次成功。在永唐秦還鄉(xiāng)河穿越過程中，由于地面和空間環(huán)境沒有地下管道和高壓線影響，采用了以地球磁場為收集對象的控向措施(沒有添加人工磁場)，在控向技術(shù)員和司鉆密切配合下，導(dǎo)向孔的軌跡完全實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求[1]。

2 打?qū)蚩走^程中幾個常見問題的處理

2.1 導(dǎo)向孔軌跡的控制

為保證穿越工程安全，導(dǎo)向孔軌跡一定要按正確的設(shè)計(jì)進(jìn)行控制，保證導(dǎo)向孔規(guī)則、光滑，保證每根鉆桿的折角不能超過一定的控制范圍。每根鉆桿的折角是由穿越的管徑、曲率半徑及鉆桿的長度來決定的，設(shè)計(jì)曲率半徑一般為1500 D。

在打?qū)蚩椎氖┕み^程中，由于所鉆遇的地層不盡相同，對每一根鉆桿角度的控制需要司鉆根據(jù)不同的地層情況，采取鉆進(jìn)和推進(jìn)方式來實(shí)現(xiàn)，如果司鉆沒有積累大量的經(jīng)驗(yàn)，就很難實(shí)現(xiàn)控向技術(shù)員發(fā)出的指令目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)每根鉆桿折角控制在合理范圍，鉆工往往反復(fù)進(jìn)行操作，但由于技術(shù)水平差，其結(jié)果破壞了原始地層結(jié)構(gòu)，不僅不能正確控制鉆桿折角，還可能導(dǎo)致導(dǎo)向孔重新施鉆。在施工中如果出現(xiàn)某一根鉆桿折角不能滿足設(shè)計(jì)要求，是否必須反復(fù)操作控向，要看具體情況而定。因?yàn)榇┰焦艿朗菬o縫鋼管，其彈性模量允許曲率半徑為1000 D，也就是說穿越鋼管在自然彎曲1000 D的情況下其剛性結(jié)構(gòu)、使用效果不會發(fā)生變化。為了保險(xiǎn)起見，把穿越的曲率半徑設(shè)計(jì)為1500 D，一般情況下不能小于1200 D。如果由于控制不當(dāng)，其控制角度沒有在曲率半徑的設(shè)計(jì)范圍，但是通過計(jì)算仍在1000 D范圍之內(nèi)，這種情況就不要反復(fù)操作，關(guān)鍵在于不能連續(xù)2根鉆桿都是這種情況；如果出現(xiàn)大于1000 D的單根折角，就視為定向失敗而必須重新定向。

判定穿越曲線的規(guī)則程度時(shí)除考查每根鉆桿的折角外，還要看連續(xù)3根的折角之和。永唐秦還鄉(xiāng)河輸氣管道穿越，設(shè)計(jì)曲率半徑為1524 m，通過計(jì)算每根鉆桿的折角≤0.37°，則3根鉆桿的連續(xù)折角不能超過1.11°。如果其中一根鉆桿的折角達(dá)0.54°，且通過計(jì)算小于1000 D單根折角，可以繼續(xù)施鉆，但后面3根鉆桿的折角累計(jì)不能超過0.57°，即必須滿足3根鉆桿的折角不大于1.11°。

2.2 在信號傳輸中常見的問題及處理對策

信號線的連接及連接完成后的緊線固定操作，是鉆工的一項(xiàng)重要工作，操作難度不大，但是非常重要。信號線是控向儀與電腦及顯示器連接的唯一通道，也是一個容易出現(xiàn)問題的薄弱環(huán)節(jié)。如果在打?qū)蚩资┕み^程中，信號突然中斷，導(dǎo)向技術(shù)員就失去了眼睛，司鉆的操作也會是盲目操作，補(bǔ)救的辦法只能是重新開始，從而造成很大的資源浪費(fèi)。信號線經(jīng)常出現(xiàn)的問題有[2]：

①信號線連接時(shí)壓線不緊，造成斷線，導(dǎo)致信號消失。

②信號線緊線不及時(shí)、固定不牢，出現(xiàn)松動，由于泥漿泵大排量的沖刷，松動的信號線堆積在導(dǎo)向儀探管一端，發(fā)生纏繞造成斷線或絕緣膠皮損壞，發(fā)生斷路或者短路。

③由于信號線本身存在質(zhì)量問題，特別是絕緣膠皮是由再生塑料制作的，絕緣膠皮厚度不夠、不均勻、脆皮等，在泥漿的沖刷和與鉆桿的磨擦下破壞絕緣層發(fā)生短路。

在永唐秦穿越過程中由于信號線不合格曾多次發(fā)生斷路造成很大損失。由于管理和操作人員在信號線連接上不夠重視，也曾發(fā)生在導(dǎo)向儀探管端纏繞信號線發(fā)生短路導(dǎo)致信號消失等現(xiàn)象。

根據(jù)在施工中信號線發(fā)生斷路或者短路的情況，應(yīng)該采取以下措施：操作人員必須認(rèn)真做好接線工作，夾線鉗和電加熱器必須滿足施工要求，接線時(shí)在保證壓緊的情況下，選用優(yōu)質(zhì)厚壁銅管和質(zhì)量好的熱收縮套。要求信號線的供應(yīng)商必須保證供貨質(zhì)量，在必要時(shí)自己選購定做厚皮的信號線。在長距離穿越施工中，信號線很難被拉直，要每隔200～300 m 加信號線固定卡。

在永唐秦還鄉(xiāng)河光纜管穿越打?qū)蚩椎倪^程中，在穿越到距離出土點(diǎn)還有36 m 時(shí)信號中斷，此時(shí)如果拔出鉆桿重新連接信號線會造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，于是根據(jù)平時(shí)有信號時(shí)在動力頭記刻下的信號標(biāo)志，即將動力頭旋轉(zhuǎn)到什么角度和導(dǎo)向儀顯示器顯示的鉆頭角度進(jìn)行對照刻記，在最后36 m 成功進(jìn)行了盲鉆，出土點(diǎn)位置在靶心范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

有時(shí)信號線破壞不嚴(yán)重，各種數(shù)據(jù)正常，可以繼續(xù)使用，在特殊情況下也可以盲鉆，但在大管徑穿越時(shí)不能輕易盲鉆，否則會導(dǎo)致施工失敗。

3 穿越管道回拖常見問題的處理

3.1 孔眼不潔凈造成回拖困難或回拖卡管

管線回拖是穿越的最后一道工序，也是工程成敗的關(guān)鍵，由于孔眼不潔凈造成工程失敗的例子很多。造成孔眼不潔的主要原因有：

①泥漿粘度、切力等性能達(dá)不到要求，造成泥漿沒有足夠的懸浮能力和攜砂能力，使泥漿在孔眼流動途中形成巖床沉淀。

②泥漿泵的排量不夠，泥漿在孔眼內(nèi)流動速度慢，使大量鉆屑滯留在孔眼內(nèi)，造成孔眼不潔。

③地質(zhì)情況復(fù)雜，泥漿沒有足夠的護(hù)壁性能和防塌能力，造成孔眼塌方，產(chǎn)生大量巖屑。

以上每一種情況出現(xiàn)都會造成回拖困難或回拖卡管現(xiàn)象，解決辦法是：在回拖前最后一次擴(kuò)孔或洗孔時(shí)要調(diào)試好泥漿性能，在地層條件好的情況下，泥漿粘度在55 s 以上，如果是粉砂或細(xì)砂地層泥漿粘度應(yīng)在75 s以上。為使泥漿有一定的切力，具有一定的護(hù)壁防塌能力，可在泥漿中添加適當(dāng)?shù)慕凳畡┛刂剖?，添加一定量的潤滑劑減小摩擦阻力。在中途停鉆開泵循環(huán)泥漿時(shí)，要根據(jù)泵壓確定泥漿排量，如果泵壓過高，應(yīng)該先小排量循環(huán)，根據(jù)返漿情況，逐漸增大泥漿排量，否則會造成壓力激動，使孔眼垮塌或冒漿；還要根據(jù)返漿的密度調(diào)整擴(kuò)孔速度，如果泥漿粘度有一定保證，返漿密度過高超過了1.10說明擴(kuò)孔速度過快，如果返漿的密度在1.07以下，說明擴(kuò)孔速度太慢應(yīng)適當(dāng)提高擴(kuò)孔速度；如擴(kuò)孔速度已經(jīng)很慢，泥漿的粘度也在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，返漿密度仍然較高，在1.10以上，說明泥漿的排量太小，泥漿在孔眼中的流速太低，應(yīng)提高泥漿排量，如泥漿泵排量已經(jīng)達(dá)到極限值，說明泥漿泵能力過低，應(yīng)增加泥漿泵或者更換更大能力的泥漿泵。在調(diào)整擴(kuò)孔速度時(shí)也應(yīng)該密切注意扭矩的變化，扭矩太高適當(dāng)減小鉆機(jī)拉力，否則會造成卸扣困難。

3.2 管線發(fā)送方法和入洞角度不當(dāng)造成回拖失敗

穿越管線的發(fā)送往往是被人忽視的環(huán)節(jié)，只是注意保護(hù)管線防腐層的問題，在實(shí)際工作中由于發(fā)送方法不合理和入土角度不正確造成工程事故屢屢發(fā)生才逐漸被人所重視。在管線開始回拖時(shí)要克服很大的凈摩擦阻力，此時(shí)如果鉆具某些部位有薄弱環(huán)節(jié)很有可能發(fā)生鉆具斷裂，如川氣東輸符河穿越拖管啟動阻力達(dá)100 t 左右，是正?；赝狭Φ?倍以上。故建議在長距離大管徑回拖時(shí)采用漂管法，漂管條件不具備時(shí)應(yīng)該采用機(jī)械設(shè)備配合發(fā)送[4]。

在管道入土?xí)r由于高差的原因如果入土角處理不好，斷鉆具的事故也很多。永唐秦還鄉(xiāng)河穿越時(shí)在出土點(diǎn)位置，沿著出土角的方向開挖管溝，形成1個長30 m 與出土角一致自然平滑的發(fā)送溝，其他發(fā)送溝采用灌水漂管，形成與出土角一致的30 m 長的發(fā)送溝，避免進(jìn)水漂管，從而成功避免了管線入洞時(shí)由于浮力向上浮管與鉆具自身重力沉降形成的高差，使鉆機(jī)的拉力與管線進(jìn)洞的走向在一條直線上，也由于開挖了30 m 與出土角一致的管溝，相當(dāng)于降低了管線的支撐高度，保證了回拖管線的自然入土[4]。

4 大型定向鉆穿越發(fā)生冒漿的原因及預(yù)防

水平定向鉆在施工過程中，在滲漏和微滲漏地層條件下，經(jīng)常遇到泥漿跑冒現(xiàn)象，對穿越的池塘、河流、道路、建筑物、住宅等造成很大污染，索賠額巨大?；诒ＷC施工質(zhì)量、合理規(guī)避冒漿風(fēng)險(xiǎn)、做好施工現(xiàn)場環(huán)境保護(hù)等要求，水平定向鉆淺層泥漿堵漏技術(shù)是施工中急需解決的技術(shù)課題。

4.1 冒漿的原因分析

在定向鉆施工中，泥漿的密度和壓力必須滿足一定的要求，其上限應(yīng)以防止壓裂地層為度，下限是要足以控制地層壓力和支撐井壁。在進(jìn)行導(dǎo)向孔作業(yè)時(shí)，孔洞較小，孔洞與鉆挺及鉆頭形成一個環(huán)形空間，在泥漿泵不停注入泥漿的情況下，空間局部處于高壓狀態(tài)，環(huán)孔壓力釋放速度小于泥漿泵的注入速度，環(huán)孔壓力就會越積越高超過上限，過大張應(yīng)力將引起地層破裂，從而發(fā)生泥漿漏失，冒漿即為泥漿漏失的一種表現(xiàn)，同時(shí)泥漿的嚴(yán)重漏失，還可引發(fā)井壁坍塌；而泥漿的密度和壓力低于下限時(shí)，將產(chǎn)生由于剪切破壞引起的井塌[5]。

4.2 冒漿的預(yù)防措施

4.2.1 工藝措施

在進(jìn)行導(dǎo)向孔作業(yè)時(shí)，要使用相對尺寸較大的鉆頭，這樣鉆鋌與鉆頭形成環(huán)空較大，泥漿返漿暢通，減小局部空間壓力積累。在導(dǎo)向孔定向作業(yè)中需要不停地進(jìn)行鉆進(jìn)和推進(jìn)，也造成了導(dǎo)向孔環(huán)形空間不規(guī)則，很容易形成封閉的空間，增大冒漿機(jī)率。因此操作過程中在完成一根鉆桿以后，應(yīng)該旋轉(zhuǎn)回抽一段距離然后再旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，這樣可以加大環(huán)孔疏通泥漿流道降低環(huán)孔壓力，避免冒漿。

4.2.2 泥漿配比

在滲漏和微滲漏地層添加堵漏材料，采用高效膨潤土增加添加劑的用量，配置泥漿性能：粘度55 s，密度1.03～1.05，pH 值9～11，切力2～4/4～8，返出泥漿密度在1.07～1.09。

4.2.3 擴(kuò)孔作業(yè)

在擴(kuò)孔作業(yè)時(shí)，如果泥漿壓力突然增大時(shí)，應(yīng)減小泥漿排量，同時(shí)略微回退一下擴(kuò)孔器，增大環(huán)形空間。地層結(jié)構(gòu)是粉沙層和細(xì)沙層，擴(kuò)孔器的水嘴要適量增加，并且要加大泥漿排量，泥漿粘度在75 s以上，保持返漿正常，盡量保持孔眼干凈，防止沉沙沉淀堵塞流道，造成憋壓冒漿。

4.2.4 其他方面

增加臨時(shí)漏漿點(diǎn)，減輕泥漿對地層的壓力，防止穿越河流、蝦池、湖泊時(shí)污染水域，在出土點(diǎn)和入土點(diǎn)前各50 m 左右開挖泥漿導(dǎo)流溝或儲漿池，收集不可避免冒出的泥漿。長距離穿越項(xiàng)目返漿情況往往不正常，特別是入土點(diǎn)一側(cè)，在距離入土點(diǎn)40 m 左右由于穿越軌跡拐點(diǎn)處經(jīng)常造成返漿不正常，發(fā)生冒漿，可采取下套管的方法保持流道暢通。

5 結(jié)語

本文根據(jù)查閱的相關(guān)資料和書籍，并結(jié)合港棗線、永唐秦還鄉(xiāng)河定向穿越以及川氣東輸府河穿越中一些工程實(shí)踐體會和認(rèn)識，驗(yàn)證所述方法在處理復(fù)雜情況方面是有效的。然而我們必須認(rèn)識到預(yù)防和處理大口徑穿越工程復(fù)雜問題永遠(yuǎn)是個難題，應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)學(xué)習(xí)，下大力氣進(jìn)行研究探討。對于泥漿返漿堵塞問題、鉆頭的運(yùn)行軌跡研究和鉆具組合，不同地層條件下鉆頭和擴(kuò)孔器所采用金屬材質(zhì)，以及配套的工藝措施還亟待深入研究。