大口徑管線定向鉆穿越管理要點(diǎn)和措施

趙 杰

(廊坊中油朗威工程項(xiàng)目管理有限公司，河北廊坊 065000)

1 項(xiàng)目概況

陜京四線輸氣管道工程已于2017年11月順利投產(chǎn)，并平穩(wěn)運(yùn)行至今。其中控制性工程黃河定向鉆穿越工程，其長(zhǎng)度、管徑、工作壓力、管材強(qiáng)度等指標(biāo)均居定向鉆穿越工程前列(管徑1219 mm X80(L555)，3PE外防腐層厚3.7 mm，設(shè)計(jì)壓力12 MPa，壁厚26.4 mm，穿越水平長(zhǎng)2680.4 m)，主管道采用2次連續(xù)定向鉆+基坑連頭方式穿越黃河，與主管道并行10 m位置穿越1條通訊光纜套管，套管直徑168 mm。

本文以陜京四線輸氣管道工程黃河定向鉆穿越(圖1)為例，同時(shí)結(jié)合其他項(xiàng)目定向鉆穿越的管理經(jīng)驗(yàn)，從定向鉆穿越設(shè)計(jì)、鉆具創(chuàng)新選擇、鉆桿的管理、泥漿系統(tǒng)研究和工藝卡的建立、管段回拖存在的主要問(wèn)題和應(yīng)對(duì)措施以及應(yīng)急管理等方面進(jìn)行探討，以解決長(zhǎng)距離、大口徑管道定向鉆施工中可能存在的難題，提高穿越成功率。

圖1 陜京四線輸氣管道工程黃河定向鉆穿越Fig.1 Directional drilling crossing of gas transmission pipeline project Yellow River on Shaanxi-Beijing fourth line

2 穿越施工管理要點(diǎn)

2.1 施工方案設(shè)計(jì)

初期的地質(zhì)勘察資料是編制定向鉆施工方案中的鉆具組合、泥漿配制、穿越地層選擇等關(guān)鍵控制點(diǎn)的基礎(chǔ)依據(jù)。要做好此項(xiàng)工作，應(yīng)選擇高素質(zhì)的勘察單位，提高物探的準(zhǔn)確性。依據(jù)物探地質(zhì)勘察資料，對(duì)斷層、破碎帶等不良地層進(jìn)行加密地質(zhì)鉆探孔數(shù)，以便對(duì)其狀況和范圍進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。

為保證管線防腐層的質(zhì)量，在管線回拖過(guò)程中應(yīng)采取降浮措施(如在回拖管段內(nèi)增加配重)，減少因管段上浮與孔壁摩擦，降低回拖力，同時(shí)也保證管體防腐層的完整性。

設(shè)計(jì)人員與施工單位技術(shù)人員相結(jié)合，有效地提高穿越設(shè)計(jì)方案的可行性。例如，俄羅斯管道設(shè)計(jì)院就設(shè)有專業(yè)的施工部來(lái)負(fù)責(zé)編制如何在施工中落實(shí)設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)人員與定向鉆施工技術(shù)人員相結(jié)合，能有效提高設(shè)計(jì)的深度和合理性。設(shè)計(jì)文件應(yīng)依據(jù)不同的地質(zhì)條件，對(duì)穿越入土端是否加裝隔離套管，鉆孔泥漿的推薦配方，擴(kuò)孔級(jí)數(shù)，回拖管線時(shí)是否加內(nèi)管降浮，管線回拖力，泥漿處理，管線穿越巖石地質(zhì)層是否加裝光固化保護(hù)層等方面，提出技術(shù)要求和說(shuō)明，有利于施工過(guò)程控制。

2.2 鉆具創(chuàng)新選擇

隨著定向鉆穿越管線的口徑達(dá)到1422 mm，研制新的鉆具組合，已成為刻不容緩的事情。如2010年，XX項(xiàng)目渭河定向鉆穿越，當(dāng)擴(kuò)孔尺寸到1422 mm 時(shí)，鉆桿斷裂，前功盡棄。在定向鉆擴(kuò)孔作業(yè)中，為帶動(dòng)擴(kuò)孔器前行，鉆桿承受拉、扭復(fù)合受力，當(dāng)擴(kuò)孔孔徑增大時(shí)，孔壁對(duì)鉆桿的約束度逐步減小，擴(kuò)孔器前端的鉆桿發(fā)生“繩甩”，產(chǎn)生頻繁的交變應(yīng)力。為減輕這種現(xiàn)象，在擴(kuò)孔器前端加裝“過(guò)渡中心扶正器”，是一個(gè)較好的解決辦法，但是，目前的扶正器質(zhì)量2～3 t，為了降低扭矩、減少鉆桿斷裂的幾率，擴(kuò)孔器和扶正器均應(yīng)輕量化，見圖2。

擴(kuò)孔器要多樣化，根據(jù)地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)、采用不同形式的擴(kuò)孔器及組合形式。在巖石地層，擴(kuò)孔器要保證既能切削巖石，又要防止掉牙輪；在粉砂、黏土等軟地層，擴(kuò)孔器要輕量化，以利用“浮筒效應(yīng)”，既要能切削，又能減輕擴(kuò)孔的“梨形”孔洞。

經(jīng)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)定向鉆使用的基本上石油鉆井用鉆桿，最大口徑為168 mm。應(yīng)研制適合于管道定向鉆的專用大口徑鉆桿，以減小輸送泥漿的阻力，并可承受較大的扭矩和拉力，同時(shí)減少鉆進(jìn)中的摩擦阻力。

圖2 安裝扶正器后擴(kuò)孔器前段鉆桿變形示意圖Fig.2 Schematic diagram of drill pipe deformation in front section of reamer after installing centralizer

2.3 鉆桿的管理

為每根鉆桿建立檔案，使其具有可追蹤性，以防有缺陷的鉆桿混入鉆進(jìn)作業(yè)中。此外，有了鉆桿檔案，可在施工中依據(jù)扭矩和拉應(yīng)力的不同，在不同的位置輪換使用。建立小型的、流動(dòng)性強(qiáng)的鉆桿檢測(cè)專業(yè)隊(duì)伍，在定向鉆施工現(xiàn)場(chǎng)定期對(duì)鉆桿進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，減少運(yùn)輸成本，提高鉆桿可靠性。

2.4 泥漿系統(tǒng)

復(fù)雜地層的定向鉆施工，如果沒(méi)有使用合適的泥漿配方和正確的泥漿排量計(jì)算，幾乎不可能成功完成施工任務(wù)。定向鉆的泥漿理論與鉆進(jìn)中的相互影響與石油鉆井有很大差別，需要搜集、積累各類定向鉆施工的成功和失敗的案例，研究它們的泥漿配方、攜鉆屑量及相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速、拉力、扭矩等基本參數(shù)，建立一套適用定向鉆施工的泥漿和鉆進(jìn)理論及公式。

目前，我國(guó)定向鉆大多使用石油鉆井用的高壓泥漿泵(p=25 MPa，q=1 m3/min)，壓力大而流量小，不太適宜定向鉆使用，定向鉆施工泥漿最大泵壓8 MPa，流量3 m3/min較為合適。在管段回拖前，對(duì)返流出的泥漿進(jìn)行分析，檢查攜砂量及清孔是否順利，潤(rùn)滑劑要由專人負(fù)責(zé)，泥漿的含砂量在5%以下?；赝蠒r(shí)要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泥漿返流狀況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)泥漿含砂量突然增大或泥漿返流量減少，以及管道回拖力突然增大時(shí)，要考慮孔道是否出現(xiàn)坍塌并采取相應(yīng)措施。

在定向鉆施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)建設(shè)立較完備的泥漿實(shí)驗(yàn)室，建立現(xiàn)場(chǎng)泥漿檢測(cè)頻次、范圍的制度，保證能及時(shí)掌握泥漿的攜鉆屑量、泥漿的黏度、密度、穩(wěn)定性等基本參數(shù)，以保證復(fù)雜地層的定向鉆施工得以順利完成。

2.5 施工工藝

每個(gè)工程在開工之前都應(yīng)編寫包含有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面內(nèi)容的方案，但是要推行全員、全過(guò)程的精細(xì)化管理，較高效率地實(shí)現(xiàn)工期、質(zhì)量、成本、HSE控制目標(biāo)。在工程技術(shù)管理上，僅有施工方案是不夠的，還應(yīng)對(duì)一些關(guān)鍵工序編制施工工藝卡，使施工現(xiàn)場(chǎng)的每個(gè)員工知道自己的工作范圍、責(zé)任及操作要點(diǎn)。如定向鉆施工從導(dǎo)向孔、每級(jí)擴(kuò)孔到管線回拖都應(yīng)編制相應(yīng)的工藝卡，規(guī)定出最大扭矩、轉(zhuǎn)速、拉力、泥漿的各項(xiàng)參數(shù)等工藝規(guī)范，供操作人員遵照?qǐng)?zhí)行。管線回拖的工藝卡要附有計(jì)算，說(shuō)明管線在坡道的下滑力、起重設(shè)備的能力、作業(yè)時(shí)所站的位置吊具的規(guī)格、安全、環(huán)保等操作事項(xiàng)。

3 管線回拖主要問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

回拖管段前必須采取包括但不限于以下4個(gè)方面的重要技術(shù)措施：①回拖管道前孔道清洗(洗孔)；②采用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)注水平衡技術(shù)降低管段浮力；③控制管段入土?xí)r的角度(圖3)；④系統(tǒng)進(jìn)行回拖組合鉆具及其結(jié)構(gòu)件的工程設(shè)計(jì)，并校核其強(qiáng)度、剛度，對(duì)回拖組合鉆具及其結(jié)構(gòu)件進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)。

圖3 回拖時(shí)控制管段入土角度的方式Fig.3 How to control the embedment angle of pipe section when dragging back

下面重點(diǎn)對(duì)采用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)注水平衡技術(shù)降低管段浮力的技術(shù)措施進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 注水平衡技術(shù)的作用

由于管段浮力與其管段直徑的平方成正比，伴隨管段直徑增加管段浮力將顯著增大，管段浮力計(jì)算外徑1230 mm時(shí)管段在泥漿中單位長(zhǎng)度浮力達(dá)到15.1 kN/m，管段自重7.7 kN/m，管段在泥漿中的凈浮力達(dá)到7.4 kN/m，1230 m長(zhǎng)管段總浮力將達(dá)到9604 kN。要保證回拖管段作業(yè)的順利實(shí)施，采取靜態(tài)或動(dòng)態(tài)注水平衡技術(shù)降低管段浮力的技術(shù)措施尤其重要。

管段回拖時(shí)，由于泥漿的浮力作用，會(huì)將管段浮在井孔的上部，并與井孔頂部緊密貼合，產(chǎn)生較大的摩擦力。在擴(kuò)孔過(guò)程中，擴(kuò)孔器自重大，有不斷下沉的趨勢(shì)，經(jīng)多級(jí)擴(kuò)孔后的井孔形狀呈現(xiàn)為上小下大的“鴨梨狀”(圖4)，且下部存積的泥砂石子比較多。管段被浮入井孔上部后，存在三角卡固及防腐層破壞的風(fēng)險(xiǎn)，而井孔下部又有存積的泥砂石子堵塞。針對(duì)上述問(wèn)題，必須采用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)注水平衡技術(shù)進(jìn)行配重降浮，克服泥漿的上浮力，使之平衡處于井孔泥漿的中部位置，降低回拖力，同時(shí)還有利于保護(hù)防腐層在整個(gè)回拖過(guò)程中不被劃傷。

圖4 多級(jí)擴(kuò)孔后的井孔形狀示意圖Fig.4 Schematic diagram of borehole shape after multi-stage reaming

3.2 靜態(tài)注水平衡技術(shù)

靜態(tài)注水平衡技術(shù)是在需要穿越的管段中放置小管(一般用PE管)，在回拖過(guò)程中將水注入小管(小管直徑要根據(jù)泥漿密度產(chǎn)生的泥漿浮力、減去管段自重后計(jì)算所需要充水量，再結(jié)合PE管的直徑模數(shù)，按照接近零浮力的原則計(jì)算確定)或?qū)⑺苯幼⑷牍芏?此時(shí)小管為空管)，利用注水的方式增加穿越管段的浮力，克服泥漿的一部分上浮力，降低回拖力，見圖5。如果采用小管中空，僅在管段中注水的方式，可以將小管置入欲穿越的管段中，將小管的前端封閉，并固定在管道前端的穿越拖拉頭上。當(dāng)管段回拖作業(yè)開始時(shí)，按照要求進(jìn)行注水作業(yè)。

圖5 回拖時(shí)靜態(tài)注水平衡技術(shù)示意圖Fig.5 Schematic diagram of static water injection balance technology when dragging back

如果采用小管注水，管段中空的方式。安裝小管方式如上述，但小管前端應(yīng)留一個(gè)注水口，并在管段中安裝一個(gè)注水管，按回拖時(shí)要求的注水量從小管前端注水，此注水的方式可以精確控制注水量。

3.3 動(dòng)態(tài)注水平衡技術(shù)

動(dòng)態(tài)注水平衡技術(shù)是指在管段回拖作業(yè)中直接從管段后端注水。

3.4 注水的注意事項(xiàng)

靜態(tài)注水平衡技術(shù)和動(dòng)態(tài)平衡技術(shù)在管段回拖作業(yè)中，都可以有效地平衡管段的浮力。但在應(yīng)用動(dòng)態(tài)注水平衡技術(shù)時(shí)，注水時(shí)間與注水流量的控制是關(guān)鍵。

3.4.1 注水時(shí)間和流量控制

(1)注水時(shí)間的控制。注水時(shí)間應(yīng)選擇在管段已進(jìn)入水平段后，不能過(guò)早注入。過(guò)早注入后，管段前端自重大，垂直向下的分力大，造成下扎的現(xiàn)象，會(huì)破壞管段入土側(cè)的井孔，使管段入孔口坍塌，形成卡管和由于泥漿返流通道堵死造成憋壓。

(2)注水流量的控制。根據(jù)孔段情況計(jì)算并控制好注水量，量過(guò)小時(shí)無(wú)法控制管段的浮力，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致管段下沉使管段與孔底產(chǎn)生摩擦，由于孔底有大量的鉆屑淤積，也有可能形成砂橋，致使卡管。為了精確控制注水量，管段上要標(biāo)記長(zhǎng)度，每段長(zhǎng)度與相應(yīng)的注水量要記錄在表格上，以便于在回拖過(guò)程中根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)調(diào)整回拖速度和控制注水量。

3.4.2 注水時(shí)其他注意事項(xiàng)

注水時(shí)要注意將水注在管段入土一側(cè)，在發(fā)送道和輥道的管段不能有水，否則影響管段的發(fā)送或?qū)l(fā)送輥道損壞。

靜態(tài)注水平衡技術(shù)特別是小管注水方式可以精確控制浮力，在難度較大的工程上可以預(yù)先安排，以保證回拖的成功率。動(dòng)態(tài)注水平衡技術(shù)不僅可以作為一項(xiàng)技術(shù)措施，而且可以用于處理工程事故，當(dāng)回拖管段發(fā)生卡管時(shí)，可及時(shí)注水解卡。工程實(shí)踐表明，動(dòng)態(tài)注水平衡技術(shù)是一個(gè)較為有效可行的方法，但應(yīng)注意注水時(shí)機(jī)。

在擴(kuò)孔完成后，如果地質(zhì)情況不理想，可采取較短的一段管段進(jìn)行模擬回拖，借以對(duì)孔道進(jìn)一步整形，待模擬管段順利回拖后，可進(jìn)入正式的回拖作業(yè)。

4 應(yīng)急管理

定向鉆回拖作業(yè)的成敗直接決定著整個(gè)定向鉆工程的成敗，在管道回拖前或在管道回拖過(guò)程中，孔洞、設(shè)備的狀況不好(如孔壁坍塌、縮孔時(shí))會(huì)出現(xiàn)回拖力不足、卡鉆現(xiàn)象，尤其是在大口徑管道的回拖過(guò)程中，更容易出現(xiàn)卡鉆情況，因此必須在回拖前做好管道卡鉆的應(yīng)急措施準(zhǔn)備(落實(shí)并準(zhǔn)備推管機(jī)、夯管機(jī)、換輪組)。施工應(yīng)單位認(rèn)真分析定向鉆回拖風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)制定并落實(shí)應(yīng)急措施，一旦發(fā)生緊急情況能及時(shí)采取措施，避免延誤搶救時(shí)機(jī)。

如遇到卡鉆時(shí)，首先與對(duì)岸取得聯(lián)系后再進(jìn)行解卡作業(yè)，解卡時(shí)首先在不旋轉(zhuǎn)的情況下用鉆機(jī)助力進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)(推力不宜超過(guò)150 kN)，在推之前要求對(duì)岸人員仔細(xì)觀察鉆桿位置，確定兩邊的鉆桿是否同步運(yùn)動(dòng)，如入土點(diǎn)鉆桿推動(dòng)超過(guò)安全范圍而出土點(diǎn)鉆桿無(wú)反應(yīng)時(shí)應(yīng)立即停止點(diǎn)動(dòng)，把鉆桿拉回到原來(lái)位置，防止鉆桿在孔內(nèi)發(fā)生扭曲折斷。

在點(diǎn)動(dòng)無(wú)效時(shí)，操作人員可進(jìn)行反轉(zhuǎn)解卡。在反轉(zhuǎn)之前與對(duì)岸人員聯(lián)系觀察鉆桿是否轉(zhuǎn)動(dòng)，反轉(zhuǎn)的扭矩不能超過(guò)卡鉆的扭矩，注意轉(zhuǎn)數(shù)不應(yīng)過(guò)多以防脫扣。如對(duì)岸看到鉆桿反轉(zhuǎn)立即通知司鉆停止反轉(zhuǎn)讓司鉆人員開始正轉(zhuǎn)，以確認(rèn)是否解卡，重復(fù)進(jìn)行，直至退出卡點(diǎn)。當(dāng)再接近卡點(diǎn)時(shí)控制好速度，如扭矩還是過(guò)大可原地旋轉(zhuǎn)，當(dāng)扭矩恢復(fù)正常后再進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)。每次解卡時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)(30 min以內(nèi))，停止15 min，再進(jìn)行解卡操作，以免發(fā)生鉆桿疲勞發(fā)生折斷。如通過(guò)多次推送、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)無(wú)法解卡，應(yīng)停止解卡操作，在出土點(diǎn)增加一臺(tái)鉆機(jī)，配合解卡，將擴(kuò)孔器退出至出土端。

若施工過(guò)程中發(fā)生鉆桿斷裂，首先將斷裂的鉆桿拉出孔外，根據(jù)鉆桿斷裂情況，制定相應(yīng)的打撈方案，采用公錐或母錐對(duì)斷裂鉆桿進(jìn)行打撈。

在管道回拖時(shí)，如遇到回拖力增加至超出預(yù)計(jì)的最大安全拉力時(shí)，可判斷為管道在孔洞中遭遇孔壁坍塌，導(dǎo)致抱管現(xiàn)象產(chǎn)生。出現(xiàn)此種情況時(shí)，可立即在管尾安裝夯管錘進(jìn)行錘擊，使管道受到夯管錘的振擊后，擺脫穿越孔洞對(duì)其的束縛，使回拖作業(yè)得以繼續(xù)進(jìn)行，見圖6。若采用夯管錘振擊后，回拖仍然不能繼續(xù)進(jìn)行，則可判斷穿越孔洞內(nèi)坍塌現(xiàn)象嚴(yán)重。對(duì)此，應(yīng)及時(shí)采用動(dòng)滑輪組或夯管錘與滑輪組的組合方式將管道從孔洞中拽出，避免管道存留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致更大的解卡阻力。

圖6 滑輪組與夯管錘結(jié)合使用解卡示意圖Fig.6 Schematic diagram of releasing card when pulley block and pipe rammer are used together

5 結(jié)語(yǔ)

定向鉆穿越是否能成功，受設(shè)備、地質(zhì)、人員、技術(shù)以及應(yīng)急措施等影響。對(duì)于大口徑、地質(zhì)復(fù)雜條件下的定向鉆穿越應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工組織編制、論證、技術(shù)措施的嚴(yán)格落實(shí)以及應(yīng)急處理措施的準(zhǔn)備及實(shí)施上做足功課，以使定向鉆回拖一次成功。