長距離大高差天然氣集輸管道定向鉆穿越施工方法

朱傳清

陜西化建工程有限責(zé)任公司 陜西楊凌 712100

隨著陜北區(qū)域石油天然氣地面集輸管網(wǎng)的快速發(fā)展，集輸管道建設(shè)長度不斷增長，穿跨越工程越來越多，而定向鉆穿越方式在工期、經(jīng)濟(jì)等方面的優(yōu)點(diǎn)也越來越明顯，穿越長度不斷創(chuàng)新記錄。因此，確保定向鉆穿越工程的質(zhì)量，降低施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)就變得尤為重要。

1 工程概況

郝3 定向鉆穿越工程屬于延安氣田延899 井區(qū)地面集輸工程，管道規(guī)格為1 根φ114.3mm×7mm 采氣管道、1 根φ26.9mm×4.5mm 注醇管道，均為無縫鋼管。采氣管道設(shè)計(jì)壓力為4MPa，注醇管道設(shè)計(jì)壓力為35MPa。由淺及深穿越地層為：素填土、粉砂、中風(fēng)化砂巖。最大穿越深度為182m，最小穿越深度20m；設(shè)計(jì)入土角為10°，出土角12°。

2 施工要素分析

2.1 鉆具

本次定向鉆距離長。一般距離越長，靠近鉆頭的鉆桿承受扭矩越大，且由于穿越深度非均質(zhì)性極差，變異性極強(qiáng)（20～182m）。所以鉆柱中性點(diǎn)位置變化極其頻繁，導(dǎo)致鉆桿非常容易在拉力、扭力、壓力的綜合作用下產(chǎn)生疲勞破壞，從而使鉆桿斷裂、脫扣的潛在風(fēng)險(xiǎn)增大。

2.2 導(dǎo)向

定向鉆鉆進(jìn)前，需要根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告對(duì)地層的物性進(jìn)行詳細(xì)了解，并對(duì)鉆進(jìn)軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)。鉆進(jìn)過程中如果由于人為因素或者設(shè)備因素偏離設(shè)計(jì)軌跡，或者增斜角小于鉆桿允許的最小曲率半徑[1]，在不能及時(shí)進(jìn)行糾偏時(shí)，會(huì)導(dǎo)致卡鉆、孔壁坍塌、回拖卡管甚至鉆孔報(bào)廢等嚴(yán)重問題。故司鉆的技術(shù)水平、責(zé)任意識(shí)和設(shè)備的精度對(duì)定向鉆成功與否至關(guān)重要。

2.3 泥漿

由于穿越的地層巖性較多，穿越深度極其不均質(zhì)（上覆地層壓力變化幅度大）。其中延河段穿越深度極淺，且處于此次定向鉆最低點(diǎn)，泥漿的靜液柱壓力很容易在此段和其他穿越深度較小的地方發(fā)生漏漿、冒漿事故。所以，需要根據(jù)鉆進(jìn)過程中的返屑，嚴(yán)格控制泥漿的粘度、密度，以減少漏漿和冒漿發(fā)生的幾率。

3 施工機(jī)具選用

3.1 鉆機(jī)選用

鉆機(jī)選用必須以最大回拖力為基礎(chǔ)[2]。由于郝3 定向鉆與一般定向鉆穿越工程在高差上有較大差別，入土端直線段長1068m，底部直線段長734m，出土端直線段長193m。所以對(duì)GB 50424- 2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》中管道回拖力計(jì)算方法[3]進(jìn)行分解，將穿越管道分為三段進(jìn)行受力計(jì)算，即入土端直線段、底部水平段和出土端直線段。

由于本次預(yù)選鉆柱組合在連接穿越管道后，回拖前的拉力小于穿越管道在鉆孔內(nèi)的拉力，故以后者來計(jì)算最大回拖力，計(jì)算結(jié)果為186.83kN。由于該結(jié)果未考慮安全裕量，故依照規(guī)范要求需乘以安全系數(shù)，安全系數(shù)取1.5～3，得到最大回拖力應(yīng)介于280.25～560.49kN 之間，故選擇XZ1000A 鉆機(jī)（最大推拉力1000kN，最大扭矩45）。

3.2 鉆頭選用

目前國內(nèi)常用的鉆頭有三牙輪鉆頭和PDC 金剛石鉆頭。三牙輪常用于硬度小的軟地層，PDC 金剛石鉆頭常用于硬度大、進(jìn)尺速度慢的地層[4]。由于本次定向鉆距離較長，高差較大，采用了分段多開次鉆進(jìn)方法，故選擇更經(jīng)濟(jì)的牙輪鉆頭（9in，10.5in，12.2in），提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 鉆柱選用

考慮到鉆進(jìn)過程中性點(diǎn)的位置變化較大，與一般定向鉆鉆柱不同，特增加加重鉆桿確保中性點(diǎn)落于鉆鋌或加重鉆桿，保證鉆桿服役條件，避免發(fā)生鉆桿斷裂事故。鉆柱組成：1 根無磁鉆鋌（NC3850，φ127mm，9.15m/根）+2 根 加 重 鉆 桿 （ZH- JZ50- NC50- Ⅱ ，φ127mm,13.5m/ 根）+ 若干根鉆桿（E 級(jí)，屈服強(qiáng)度1970kN，φ127mm，9.5m/ 根）。

4 泥漿配制

由于穿越地層大部分是中風(fēng)化砂巖，孔隙度和滲透率較大，巖層膠結(jié)強(qiáng)度小，部分孔段穿越深度過小?？紤]到需穿越村莊，為了減少泥漿漏失和對(duì)周圍地層的污染，故采用水基泥漿，配料為食用純堿、潤滑劑、有機(jī)膨潤土，以及少量固壁劑和降失水劑，進(jìn)行充分混合制成粘度為70s 的高粘泥漿。該泥漿在孔壁上形成的泥餅?zāi)苡行p少濾失，泥餅成型好、不松散，很好地起到固壁作用，并且表面光滑，回拖時(shí)可有效減小對(duì)穿越管道3PE 防腐層的破壞。

5 施工工藝

5.1 分段多開次鉆進(jìn)方法

因考慮到入出鉆點(diǎn)高差大、易卡鉆的不利因素，提出分段多開鉆進(jìn)，即每開次鉆進(jìn)300m，抽回9inPDC 鉆頭，換用10.5 英寸PDC 鉆頭正擴(kuò)，加大孔徑至300m；再抽回鉆頭，連接12.2 英寸PDC 鉆頭正擴(kuò)至300m 處，抽回鉆頭，重復(fù)此流程直至鉆通。正擴(kuò)孔的目的是給后續(xù)導(dǎo)向鉆具留有足夠的安全環(huán)形空間，避免巖屑包裹鉆具造成卡鉆。

5.2 預(yù)擴(kuò)孔和清孔

預(yù)擴(kuò)孔用擴(kuò)孔器+ 扶正器組合使用，可加快擴(kuò)孔速度和提升孔壁的圓滑度，對(duì)孔徑內(nèi)的巖塊和顆粒進(jìn)行充分?jǐn)D壓，加強(qiáng)孔壁的堅(jiān)固性和孔內(nèi)純潔性，便于拖管施工，減小擴(kuò)孔扭矩和拖管阻力，提升泥漿的流動(dòng)性。本次采用一級(jí)擴(kuò)孔、一級(jí)清孔，擴(kuò)孔用Φ350mm 擴(kuò)孔器+Φ350mm 扶正器，清孔用Φ350mm 擠擴(kuò)器。

5.3 管道回拖

3 根回拖管焊接、探傷、補(bǔ)口補(bǔ)傷等工序完成后，在每根管的前部分別焊一個(gè)拖拉頭。拖拉頭能承受的最小拖拉力不得小于計(jì)算的最大回拖力，用相配備的U 型環(huán)分別與分動(dòng)器相連，把回拖管全部架設(shè)在發(fā)送滾輪架上，避免回拖過程有刮、碰、劃等現(xiàn)象出現(xiàn)?；赝蠒r(shí)連接順序?yàn)椋恒@機(jī)→鉆桿→擠擴(kuò)器→分動(dòng)器→U 型環(huán)→軟連接→回拖管[5]。

6 結(jié)論

本工程最終歷時(shí)103d 成功鉆通并拖管完成。此次定向鉆施工過程中成功應(yīng)用了部分石油天然氣鉆井工程相關(guān)理念，并得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)于穩(wěn)斜段（入土直線段或出土直線段）長的定向鉆穿越工程，通過分段分析管道受力來準(zhǔn)確進(jìn)行鉆機(jī)選型，可以防止未經(jīng)計(jì)算選擇過大的鉆機(jī)造成經(jīng)濟(jì)效益降低，或套用規(guī)范中的公式未分段分析受力直接計(jì)算使得選用鉆機(jī)選型過小。

（2）類似此次高差大、穿越深度變化大的定向鉆穿越工程，需控制泥漿的性能參數(shù)，根據(jù)地質(zhì)巖層情況添加化學(xué)劑，確保鉆孔內(nèi)泥餅固壁性和防濾失性良好，并且泥漿的密度不應(yīng)過大。還要嚴(yán)格控制重晶石劑量的使用，避免在最低點(diǎn)因?yàn)殪o液柱壓力過大而出現(xiàn)冒漿事故。

（3）為了避免因巖性頻繁變化使井壁坍塌造成返工甚至卡鉆事故，首次在長距離定向鉆工程中使用分段多開次鉆進(jìn)方法。即每鉆進(jìn)300m 進(jìn)行兩次擴(kuò)孔，有效提高了孔壁成型質(zhì)量，優(yōu)化了鉆桿的受力條件，可在類似過程中推廣運(yùn)用。

（4）在施工中為避免泥漿在中途冒漿污染水源，影響居民日常工作生活，設(shè)計(jì)鉆進(jìn)軌跡走向在巖層較厚及空闊地帶，避免了埋深淺處冒漿的發(fā)生，減少了環(huán)境污染，節(jié)省了施工成本。