水平定向鉆導(dǎo)向板鉆頭與三牙輪鉆頭在土夾砂地層中導(dǎo)向成孔效率的探究

韓明昊

中國石油西南油氣田公司川中北部采氣管理處，四川遂寧 629000

我國北方大部分地區(qū)的穿越地質(zhì)為土夾砂地層，導(dǎo)向板鉆頭與三牙輪鉆頭均適用于此地層的鉆進，鑒于兩種鉆頭的設(shè)計外觀和切削原理各不相同，本文將通過一組對照試驗來對比它們在導(dǎo)向孔鉆進中的工作效率。

1 工程概況

“京石邯”輸氣管道復(fù)線工程從原京石邯管道涿州站出發(fā)，途經(jīng)涿州市、淶水縣、高碑店市、定興縣、徐水區(qū)、清苑區(qū)，到達中石化保定分輸站，線路總長約103 km，管徑1 219 mm，設(shè)計壓力10 MPa，設(shè)計輸量為62.6×108m3/a。

漕河定向鉆穿越位于河北省保定市清苑區(qū)臧村鎮(zhèn)東于莊村與徐水區(qū)大因鎮(zhèn)小因村之間，屬于第二標段設(shè)計范圍?？刂茦吨g水平長1 069.9 m，實長1071.7m；定向鉆鉆孔段水平長980.0 m，實長982.3 m。定向鉆穿越管段為D1 219 mm×27.5 mm、材質(zhì)L555M的直縫埋弧焊鋼管，設(shè)計壓力為10MPa，采用三層PE常溫型加強級防腐層。本穿越工程的等級為河流大型穿越工程，設(shè)計洪水頻率為1%（100年一遇）。

本工程中的光纜套管為單獨導(dǎo)向成孔，其穿越曲線參數(shù)與主管參數(shù)完全一致[1]，兩者并行10 m的間距穿越，穿越地質(zhì)情況一致，對于光纜套管和主管的導(dǎo)向孔鉆進情況具有對照性。

2 工程地質(zhì)

根根據(jù)現(xiàn)場勘察，在勘察深度范圍內(nèi)，將場區(qū)勘察深度內(nèi)地層劃分為9個主層、1個亞層，自上而下描述如下：

①粉土：黃褐色，稍密，稍濕，手捻有砂感，土質(zhì)不均勻，含少量黏性土，搖振反應(yīng)中等。該層主要分布于001～005、010～013號孔附近，厚度1.30～1.70 m，層底深度（自自然地坪面算起，下同） 1.40～1.70 m，層底標高（1985國家高程基準，下同）7.96～9.03 m。

②粉質(zhì)黏土：黃褐色，可塑近硬塑，團粒結(jié)構(gòu)，土質(zhì)不均勻，含少量粉土，偶見姜石。該層在整個穿越范圍內(nèi)均有分布，厚度9.70～15.50 m，層底深度11.00～16.80 m，層底標高-6.83～-0.78 m。

③中砂：黃褐色，中密，濕，砂質(zhì)不均勻，主要礦物成分為石英、長石，分選性一般，振動析水，含少量云母，局部夾粉土。該層主要分布于008～013號孔附近，厚度1.80～4.20 m，層底深度13.50～15.80 m，層底標高-6.14～-2.58 m。根據(jù)地勘報告為密實中砂，承載力特征值在348kPa左右。

④粉土：褐黃色，密實，濕，手捻有砂感，局部夾粉黏薄層，搖振反應(yīng)中等。該層主要分布于004～009號孔附近，厚度1.10～2.50 m，層底深度15.80～17.50 m，層底標高-6.88～-4.88 m。

⑤粉質(zhì)黏土：黃褐色，可塑近硬塑，團粒結(jié)構(gòu)，土質(zhì)不均勻，局部夾粉土薄層。該層主要分布于010～013號孔附近，厚度1.80～3.70 m，層底深度17.10～19.40 m，層底標高-9.84～-6.87 m。

⑥粉砂：黃褐色，密實，濕，主要礦物成分為石英、長石，分選性好，振動析水，含云母碎片，砂質(zhì)較純，顆粒較均，級配一般。該層在整個穿越范圍內(nèi)均有揭露且在001、013號孔附近未揭穿，最大揭露厚度5.60 m，最大揭露深度21.90 m，最深揭露標高-12.30 m。根據(jù)地勘報告為密實粉砂，承載力特征值在286 kPa左右。

⑦粉質(zhì)黏土：黃褐色，可塑，團粒結(jié)構(gòu)，土質(zhì)較均勻，局部砂粒含量較高，局部夾粉土薄層。該層主要分布于008號孔附近，厚度2.40 m左右，層底深度23.80 m左右，層底標高-12.88 m左右。

⑧粉砂：褐黃色，密實，飽和，主要礦物成分為石英、長石，分選性好，振動析水，含云母碎片，砂質(zhì)較純，顆粒不均，級配較差。該層主要分布于008號孔附近，厚度2.00 m左右，層底深度25.80 m左右，層底標高-14.88 m左右。根據(jù)地勘報告為密實粉砂，承載力特征值在268 kPa左右。

⑨粉質(zhì)黏土：黃褐色，可塑近硬塑，團粒結(jié)構(gòu)，土質(zhì)不均勻，局部夾粉土薄層。該層在002～012號孔附近均有揭露且未揭穿，最大揭露厚度（含夾層厚度，下同） 10.30 m，最大揭露深度30.00 m，最深揭露標高-20.42 m。

⑨1中砂：黃褐色，密實，飽和，主要礦物成分為石英、長石，分選性好，振動析水，含云母碎片，砂質(zhì)不純，顆粒不均，級配稍差。該層主要分布于010號孔附近，厚度2.20 m左右，層底深度27.80 m左右，層底標高-17.07 m左右。

穿越的土層隨著深度的增加其承載力特征值隨之增加，在定向鉆深度達到12 m以上時，標準貫入試驗錘擊數(shù)N均大于30，屬密實土層。

3 對照組設(shè)置及分析

3.1 穿越定量

光纜套管和主管的導(dǎo)向孔鉆進施工需要控制的穿越定量見表1。

表1 導(dǎo)向孔鉆進穿越定量

3.2 穿越變量

穿越變量為不同類型的鉆頭，采用全新導(dǎo)向板鉆頭進行光纜套管導(dǎo)向孔鉆進，鉆具組合情況為：導(dǎo)向板鉆頭+轉(zhuǎn)換接頭+6-5/8 in無磁鉆鋌+6-5/8 in鉆桿，導(dǎo)向板鉆頭如圖1（a） 所示。采用全新三牙輪鉆頭進行主管導(dǎo)向孔鉆進，鉆具組合情況為：三牙輪鑲齒鉆頭+造斜短接（單彎1.75°） +6-5/8 in無磁鉆鋌+6-5/8 in鉆桿，三牙輪鑲齒鉆頭如圖1（b）所示。

圖1 導(dǎo)向板鉆頭和三牙輪鑲齒鉆頭

通過控制定量和變量因素來保證探究試驗的科學(xué)性和可靠性，在眾多施工因素相同的情況下，改變鉆頭的類型來實現(xiàn)探究導(dǎo)向板鉆頭與三牙輪鉆頭的成孔效率。

3.3 鉆頭原理分析

（1）導(dǎo)向原理。導(dǎo)向板鉆頭可以實現(xiàn)自我導(dǎo)向修正，而三牙輪鉆頭通常需要帶背彎的馬達或造斜短接配合來實現(xiàn)導(dǎo)向，因此行業(yè)內(nèi)通常認為導(dǎo)向板鉆頭的導(dǎo)向能力更強，特別是對于軟性地層，隨著導(dǎo)向板面積的增大，該趨勢更為明顯。

（2）導(dǎo)向效率。在軟性地層中，導(dǎo)向板鉆頭導(dǎo)向效率由導(dǎo)向板的面積和傾角來決定，三牙輪鉆頭導(dǎo)向效率與牙輪和其配合的單彎馬達角度（一般均為單彎1.75°）有關(guān)。導(dǎo)向板鉆頭對土體的切削面積會更大。

（3）地層的適應(yīng)能力。導(dǎo)向板鉆頭主要適于軟地層；三牙輪鉆頭中銑齒牙輪通常適用于軟巖及硬土地層，鑲齒牙輪適用于堅硬巖層，這是行業(yè)內(nèi)對鉆頭適應(yīng)的地層情況的普遍認知，因此本項目選用鑲齒牙輪，同時也能對其在硬土地層與砂層中的鉆進情況進行實踐探究。

4 對照探究標準

本次對照探究試驗在相關(guān)規(guī)范要求范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)對比，根據(jù)SY/T 4216.1—2017《石油天然氣建設(shè)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范油氣輸送管道穿越工程第1部分：水平定向鉆穿越》的要求[2]，對回拖管徑不一致的定向鉆，鉆桿折角要求也不一致。本試驗的光纜套管管徑為168 mm，為了保證探究試驗的科學(xué)對照性，此光纜孔的導(dǎo)向成孔要求與主管導(dǎo)向孔采用相同的規(guī)范標準，即D 1 016 mm以上管徑要求：每根鉆桿最大折角0.8°，4根鉆桿累加最大折角2.2°[3]。

成孔效率從兩個方面來探究：

（1） 成孔曲線優(yōu)劣情況對比：以設(shè)計文件作為施工依據(jù)，以單根鉆進能力和整體成孔情況為研究對象，從直線段、曲線段、角度保持與變化及穿越曲線是否平直順滑等情況來探究。

（2） 成孔所用時間長短的比較：結(jié)果表明成孔效率在兩方面均較為優(yōu)越，則說明此鉆頭為本項目的最佳配置；若僅在一方面優(yōu)越，則需要對具體情況具體分析。

5 試驗結(jié)果

試驗全過程真實可靠，且導(dǎo)向結(jié)果均符合規(guī)范的主控項目（導(dǎo)向孔曲線允許偏差及出土點允許偏差） 與一般項目（鉆桿折角） 要求[2]。司鉆操作嚴格按照操作規(guī)程穩(wěn)步有序地進行，每一根鉆桿的情況以數(shù)據(jù)的形式反映在《控向記錄表》和《司鉆記錄表》中。

此處將上述兩表中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)以圖的形式整合展示，光纜套管導(dǎo)向孔斷面如圖2所示，主管導(dǎo)向孔斷面圖如圖3所示。從兩條導(dǎo)向曲線成孔情況來看，直線段、曲線段和深度等數(shù)據(jù)均符合設(shè)計文件的穿越曲線要求。圖左均為入土端，圖右均為出土端。

圖2 光纜套管導(dǎo)向孔斷面

圖3 主管導(dǎo)向孔斷面

5.1 導(dǎo)向板鉆頭施工情況

控向到后期由于鉆桿過長，鉆機側(cè)的推動力會受到鉆桿周圍土體摩擦力及鉆桿自身撓度的影響，造斜能力會有所下降[4]，但導(dǎo)向板鉆頭相對較輕，其自我導(dǎo)向修正能力強，在本工程的穿越長度中未有造斜能力下降的趨勢，在密實地層穿越能力及較軟地層抬頭能力未受到影響。

鉆進過程中的角度變化靈敏且迅速，司鉆在純土層中的操作相對輕松，遇到區(qū)間分布有砂層或者軟硬程度不同的土層時，角度極容易被改變，需要經(jīng)過反復(fù)的推進來保持角度。例如底部直線段的多處穿越恰好位于土層與砂層的交界處，當鉆頭到達此位置時因地層硬度不均而被迫朝向軟地層傾斜，此時需要反復(fù)利用鉆頭的旋轉(zhuǎn)和進退來切削掉孔洞前方的砂層，并加大泥漿排量，增強動切力將砂屑帶出孔洞。由于導(dǎo)向板鉆頭自身成孔孔徑較大，更有利于泥漿的回流與回收。

圖2的成孔情況表明：

（1） 入土端曲線段與出土端曲線段的對稱性不強，其原因是這兩處的返平段造斜角度保持不一致，從入土端曲線到水平段的返平可明顯看出過渡區(qū)間順滑，鉆桿折角的逐步減小呈規(guī)律化的形式；而返平段到出土端曲線可看出過渡區(qū)間鉆桿折角稍大，未形成一個逐步增加的趨勢。

（2） 穿越底部直線段不夠平直，未形成一條標高始終一致的平直線，因為角度保持不夠此直線含有4段微小波動。

根據(jù)該地層鉆進控制是否滿足單根導(dǎo)向規(guī)劃及控向反饋能力進行評價，結(jié)合圖2的成孔情況說明了導(dǎo)向板鉆頭“變角度易，保角度難”的特點。此地層中多處存在軟硬交接的情況，在底部直線段想要保持相同角度鉆進，結(jié)果很容易被改變，反復(fù)調(diào)整后未完全消除變化。從底部直線段到出土端曲線段的過渡區(qū)間可以看出，對角度稍作變化后實際角度變化比預(yù)期的更大，因此導(dǎo)致此段曲線的順滑程度差了一些。

5.2 三牙輪鉆頭施工情況

控向到后期由于鉆桿過長，鉆機側(cè)的推動力會受到鉆桿周圍土體摩擦力及鉆桿自身撓度的影響，造斜能力會有所下降，但在本工程的穿越長度中能力下降的趨勢不明顯。三牙輪鉆頭相對較重，配合其造斜短接后整體重量加大[5]，在密實地層穿越能力及較軟地層抬頭能力略受到影響，但均能通過人為控制來消除。不難推測出，導(dǎo)向的距離若繼續(xù)增加，三牙輪鉆頭的自我導(dǎo)向修正能力將持續(xù)降低，在后續(xù)達到某相同穿越長度時與導(dǎo)向板鉆頭的導(dǎo)向能力差距會逐漸變大。

鉆進過程中的角度變化容易控制，無論是遇到區(qū)間分布有砂層或者軟硬程度不同的土層時，三牙輪鉆頭的表現(xiàn)總是很穩(wěn)定，司鉆的操作相對輕松。整個導(dǎo)向區(qū)間僅有在鉆進到第42根鉆桿時遇到地層分界面，該地層連續(xù)性差，導(dǎo)向過程中形成了較大鉆桿斜率，因此在此處進行了人為的角度修正。

三牙輪鉆頭導(dǎo)向采用相同的泥漿體系和壓力，從泥漿回流、回收和攜帶鉆屑的性能上來看較導(dǎo)向板鉆頭鉆進時稍弱一些，主要原因是成孔孔徑較小，泥漿的回流空間受限。在此也可推測出，導(dǎo)向的距離若繼續(xù)增加，采用導(dǎo)向板鉆頭成孔更有利于發(fā)揮泥漿的流動性和攜帶性。

圖3的成孔情況表明：

（1） 入土端曲線段與出土端曲線段的對稱性強，曲率半徑相同且曲線圓滑，孔洞成形很好；曲線段和底部直線段的交接過渡區(qū)間勻稱且角度規(guī)律性地遞增或遞減。

（2） 穿越底部直線段保持平直，無“忽上忽下”的情況發(fā)生。

根據(jù)該地層鉆進控制是否滿足單根導(dǎo)向規(guī)劃及控向反饋能力進行評價，結(jié)合圖3的成孔情況說明了三牙輪鉆頭角度易控的特點。和導(dǎo)向板鉆頭相比三牙輪鉆頭對角度的控制更加容易，在此地層結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)精確導(dǎo)向，即使地層中存在多處軟硬交接，三牙輪鉆頭的實際角度變化容易控制。從局部的砂層鉆進情況對比來看，三牙輪鉆頭在砂層中鉆進速度更快，控向精度更高。

5.3 鉆頭的完好情況比較

兩條導(dǎo)向孔施工完畢后，立即用清水將鉆頭表面附著的泥漿和泥土沖洗干凈，仔細觀察兩鉆頭的磨損的情況。導(dǎo)向板鉆頭的導(dǎo)向板和鉆齒無明顯肉眼可見的磨損及缺陷，表面光滑、棱角分明；三牙輪鉆頭的牙爪、修邊齒、保徑齒、內(nèi)排齒及牙輪本體無明顯肉眼可見的磨損及缺陷，外觀情況良好。

5.4 成孔耗時的比較

將兩條導(dǎo)向孔鉆進過程中每根鉆桿所用時間參數(shù)整理在同一個折線圖中，便于直觀地獲取對比信息。耗時折線對比如圖4所示。

圖4 導(dǎo)向孔耗時對比

從圖4中單獨看兩條導(dǎo)向孔的耗時變化趨勢，光纜套管孔在入土端直線段與曲線段過渡區(qū)間時間有所增加；在出土端曲線段到直線段過渡區(qū)間時間有明顯的增加，趨勢在40 min上下浮動；而在底部直線段幾乎保持在低耗時的情況下波動，從而也和上述分析相互印證。主管孔在入土端曲線段和出土端曲線段耗時稍多，時間幾乎控制在40 min以內(nèi)，入土端直線段、底部直線段和出土端直線段耗時均低且變化平穩(wěn)；其中第42根鉆桿處于底部水平段且耗時為105 min，原因是人為控制的調(diào)整角度和清孔操作不具有一般代表性，在考慮折線圖趨勢時是可以忽略的。

對比兩條折線圖可發(fā)現(xiàn)，主管導(dǎo)向時各鉆桿的耗時值更趨于平穩(wěn)一些，光纜導(dǎo)向時起伏更大，說明三牙輪鉆頭比導(dǎo)向板鉆頭在鉆進過程中的表現(xiàn)更穩(wěn)定。

從兩者的耗時總量來看，光纜導(dǎo)向比主管導(dǎo)向快82 min，雖耗時差距不大，但可以推測出導(dǎo)向孔鉆進長度越長，導(dǎo)向板鉆頭節(jié)約的時間會越多；若導(dǎo)向精度按照小管徑的規(guī)范要求來實施，節(jié)約下來的時間差距應(yīng)該更大。

6 結(jié)論

對于地層適應(yīng)能力，三牙輪鉆頭同樣適用于土層等較軟地層，且導(dǎo)向精度能得到保障；如遇到承載力極弱的地層，可通過給馬達或造斜短接背彎增加導(dǎo)向板來實現(xiàn)，改造潛力大。導(dǎo)向板鉆頭的有效鉆進面積大，速度更快；而導(dǎo)向板角度大且固定不可變，在軟硬稍有變化的地層中導(dǎo)向精度的表現(xiàn)也各有不同，在本文探究中，導(dǎo)向板鉆頭的控向精度相比于三牙輪鉆頭配合造斜短接的組合形式要差一點。

經(jīng)過導(dǎo)向板鉆頭和三牙輪鉆頭的對照組比較和分析，針對本項目的土層和砂層的穿越可得出以下結(jié)論：

（1）三牙輪鉆頭的導(dǎo)向精度比導(dǎo)向板鉆頭更優(yōu)越。

（2）在導(dǎo)向鉆進中，三牙輪鉆頭的各項技術(shù)參數(shù)比導(dǎo)向板鉆頭更容易控制。

（3）在導(dǎo)向鉆進中，導(dǎo)向板鉆頭比三牙輪鉆頭更節(jié)約鉆進時間。

（4）在密實砂層中鉆進時，應(yīng)優(yōu)先選用三牙輪鉆頭。

（5）在軟硬交接的地層中鉆進，應(yīng)優(yōu)先選用三牙輪鉆頭。

（6）三牙輪鑲齒鉆頭同樣適用于土層地質(zhì)和砂層地質(zhì)的鉆進。

（7）導(dǎo)向板鉆頭成孔孔徑較大，更有利于泥漿的回流與回收。

7 建議

通過對導(dǎo)向板鉆頭與三牙輪鉆頭在實際施工中工作特性的分析，提出以下建議：

（1）若對控向精度有嚴格要求的大管徑定向鉆穿越，建議使用三牙輪鉆頭。

（2）若對控向精度要求不高的小管徑，或?qū)κ┕すて谟幸欢ㄒ蟮亩ㄏ蜚@穿越，建議使用導(dǎo)向板鉆頭。

（3）光纜套管單獨成孔的定向鉆，其導(dǎo)向孔鉆進優(yōu)先選擇導(dǎo)向板鉆頭。

（4）在穿越砂層或砂層較多的區(qū)域時，優(yōu)先使用三牙輪鉆頭；若砂層密實度低，則可以給馬達或造斜短接的背彎增加導(dǎo)向板的方式進行改造來實現(xiàn)導(dǎo)向能力的調(diào)節(jié)。

（5）使用三牙輪鉆頭在穿越某些較軟、承載力弱的土層時，需要以給馬達或造斜短接的背彎增加導(dǎo)向板的方式進行改造來實現(xiàn)導(dǎo)向能力的調(diào)節(jié)。

（6）若需要使用導(dǎo)向板鉆頭穿越部分風化軟性巖石，可使用增加合金齒和采用錐形設(shè)計的導(dǎo)向板。

（7）針對穿越長度特別長的軟地層導(dǎo)向，優(yōu)先使用導(dǎo)向板鉆頭。

8 結(jié)束語

本文通過工程實例中的一組對照試驗探究出導(dǎo)向板鉆頭和三牙輪鉆頭各自的優(yōu)越性能，對應(yīng)分析了適用的條件，在以后的工程中可直接將探究的結(jié)論應(yīng)用到實際施工當中去。本工程的擴孔與管道回拖作業(yè)都進行的非常順利與快速，各項技術(shù)參數(shù)與指標正常且平穩(wěn)，施工期間未出現(xiàn)任何問題。