定向钻技术施工大管径管道穿越泥岩地层的技术措施

江荣龙

关键词：水平定向钻、泥岩、大管径、技术措施、穿越工程

摘要：原油管网俄油引进配套庆铁线扩能改造工程第四标段内汽车产业区特殊区段定向钻穿越工程，穿越管线为南北走向，采用大型定向钻两管同拖φ813mm＋φ114mm方式穿越。

随着现代文明意识和环保意识的逐渐加强，开挖路面进行各类地下管线施工导致的社会问题，交通问题和环境污染问题已越来越受人民的关注，城市限制开挖施工的法规已陆续出台。采用水平定向钻穿越技术进行管线穿越施工，是城市市政建设和电气化管网改造，通讯光缆敷设，油气管道和穿越大中小型江河、湖泊、经济作物区以及不可拆迁建筑物的最佳选择，是不破坏地貌状态和保护环境的最理想的施工方法。随着定向钻技术的不断发展，在施工过程中遇到的地层也将越来越复杂，本文结合工程实例就定向钻技术施工大管径管道穿越泥岩地层中的一些技术要点和技术措施进行描述。

一、工程概况及水文地质条件

中国中东部原油管网俄油引进配套庆铁线扩能改造工程，起点为大庆分输站，终点为铁岭分输站。本工程为原油管网俄油引进配套庆铁线扩能改造工程第四标段内汽车产业区特殊区段定向钻穿越工程，穿越管线为南北走向，采用大型定向钻两管同拖φ813mm＋φ114mm方式穿越。

根据地质报告显示穿越地貌单元为冲积平原，场地地势较平坦，穿越地层主要为：①杂填土：主要由粘性土、碎石、砖块等组成；②耕土：主要由粘性土组成，包含大量植物根系；③－1粉质粘土：黄褐色，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，可塑；③－2粉质粘土：黄褐色，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，硬塑，局部可塑；④泥岩：黄褐色～紫红色，泥质结构，块状构造，节理裂隙发育，岩芯呈短柱状，锤击可碎，强风化。本工程穿越经过地层主要是在泥岩中穿越，泥岩的抗压强度按地质报告揭露其抗压强度为0.6～1.7MPa。

二、施工主要技術要点分析

1、导向孔施工过程中，穿越段泥岩层对导向钻头的反作用力大，导向孔造斜和纠斜难，容易造成导向孔轨迹与设计轨迹发生较大偏差，如何采取措施保证施工后导向孔参数达到施工要求。

2、导向孔施工结束后，在扩孔过程中如何保证扩孔后管道曲线不偏离导向孔施工的曲线问题。

3、泥岩层内扩孔施工较困难，如何保证扩孔的顺利施工及扩孔后采取什么措施将泥岩碎块携带出孔外。

4、施工过程中，如何保证施工顺利进行，避免出现抱钻、卡钻事故的发生。

三、施工中采取的技术措施

1、优化设计

由于原设计采用的是φ813mm输油主管与φ114mm光缆管分别穿越施工，而由于施工现场条件的限制，没有进行两次穿越的施工场地，只能将φ813mm输油主管与φ114mm光缆管进行两管同拖的施工工艺，所以针对该情况，取得设计院及业主的同意后，在保证管线埋深的前提下，结合现有施工设备的实际情况，将原设计曲线进行部分优化。

⑴原设计入土角为9°，由于美国奥格DD-440钻机最小入土角度为10°，所以将原设计入土角9°更改为10°，以便于我们施工设备的顺利施工。

⑵原设计出土角为7°，考虑到由于管线比较大，而且是两管同拖，如果出土角度偏大的话，在管线回拖的过程中管线的入洞将会非常的困难，而且管线在摆放过程中的难度也非常困难，所以将原设计出土角7°更改为4.5°。这样对我们施工更为有利。

⑶原设计曲率半径为1220（0.813×1500），由于设计时是考虑主管与光缆管是分开施工的，所以曲率半径的取值为1220。但是由于施工现场两边都有一根正在使用的原输油管线，已经没有条件将主管与光缆管分开施工，所以将原设计的曲率半径1220调整为1390，即（0.813+0.114）×1500。

优化后施工穿越曲线剖面设计示意图

2、保证导向孔施工曲线满足施工要求的措施

⑴保证钻机就位方位与设计管线中心线重合的措施。

钻机就位前，用测量仪器(如经纬仪)放出管线穿越中心线，根据穿越入土角、钻机自身尺寸(车长、车宽、轮距等)等参数计算出钻机就位的精确位置，并用白灰或用线绳予以标记，并以此标记作为钻机就位的依据。在钻机就位过程中，除了利用白灰或线绳标记作为就位的标准外，就位过程中还要用测量仪器测量钻机就位偏差，经计算钻机就位方位相对于管线中心线的角度偏差如超过0.1°时，需根据偏左偏右情况重新调整钻机，经多次就位-测量-调整-再测量，直到偏差控制在0.1°范围内。钻机就位后，计算出精确的偏差数值，在开始钻导向孔时及时设置好软件的计算参数，调整偏差，保证导向孔轨迹与设计穿越曲线重合。

⑵外部磁场对方位角的影响及控制措施

根据现场确定的外部磁场的位置，在钻孔时，探测器到达外部磁场前，钻孔方向不能出现过大的左右偏移量，保持实际方位角与控向方位角的偏差在允许的范围内，在进入外部磁场时，实际方位角发生变化，此时的方位角与控向方位角不同，钻进时暂不考虑干扰后的方位角而直接按直线钻进，在进行数据测量时，根据控向工具面的位置输入与控向方位角接近的方位角。钻头穿越过磁场干扰区后，计算机控向数据恢复正常，此时导向孔轨迹与设计穿越曲线偏差应当在许可范围内，万一两者偏差较大，首先计算出实际偏差量，然后将经过磁场干扰区的钻杆抽出后重新钻进进行偏差调整。在已知偏差量的情况下进行调整是很容易的，通过调整消除磁场影响，使导向孔轨迹与设计穿越曲线重合。

⑶采用人工磁场

钻机控向系统是依靠地磁场进行方位控制，通过钻头后面的探棒将导向孔参数传输到计算机。地磁场容易受到地下管线、地下电缆、地面高压线等金属构件的干扰，从而造成控向参数不准确。人工磁场是在穿越中心线两侧布设的闭合线圈，布设简单方便，在施工中既经经济又有效，其优点是它不受外部磁场的干扰，可以准确无误的将钻孔数据反映出来，当探头到达此闭合的线圈区域内,接通直流电源产生磁场,通过人工磁场可以测得穿越轴线的左右偏移和穿越标高。通过人工磁场与地磁场左右偏差的比较,可以确定目前钻头方位角,从而确定下一根钻杆的行进方位。由于人工磁场在地磁场受干扰的情况下可以提供准确的管线穿越方位角，在地磁场不受干扰的情况下可以校正控向方位角的正确性，从而能够很好的控制导向孔与设计穿越曲线偏移，并能保证穿越曲线的平滑性。

⑷控制人为因素造成导向孔轨迹与设计穿越曲线偏差的措施

开工前，加强对控向人员与司钻操作人员的技术交底，提高工作人员的素质，加强控向人员与司钻人员相互间的配合，司钻人员以控向人员的指令为准，按照指令进行操作，防止人为操作导致钻孔出现偏移设计曲线。控向人员应严格按照设计曲线计算每次倾角的调整度数，认真掌握并注意穿越过程中的轨迹变化，通过轨迹变化确定控向方向的变化。从而控制导向孔轨迹与设计穿越曲线的偏移。

3、扩孔器的配置

对于φ813mm主输油管与φ114mm光缆管套管的穿越施工。根据穿越扩孔的要求：扩孔直径达到管径的1.3-1.5倍，每级扩孔相差6＂-15＂；按照我们以前的施工情况，正常的预扩孔是按每级扩孔级差为6＂，如果按以前的施工方法，需要采用桶式扩孔器扩6次孔（18″、24″、30″、36″、42″、48″），最后再用42″扩孔器清孔一次。而根据地质报告描述，此次定向钻穿越的主要地层是泥岩、为保证最佳的成孔质量及工期要求，拟定采用φ18″、φ24″、φ30″、φ36＂、φ42″、φ48″板式和桶式相结合的三级扩孔、两次清孔使用，以减小扩孔扭矩和提高成孔质量，同时保证扩孔过程中孔径曲线不偏离导向孔曲线，先后逐级扩孔，最后扩孔直径达1.3倍。

三级扩孔级配：

第一级扩孔：采用φ24″板式扩孔器；

第二级扩孔：采用φ36″板式扩孔器+φ18″桶式扩孔器；

第三级扩孔：采用φ48″板式扩孔器+φ30″桶式扩孔器；

两次清孔级配：

第一次采用φ42″桶式扩孔器；

第二次采用φ48″桶式扩孔器；

板式扩孔器及桶式扩孔器形状见下图所示。

采用上述的扩孔器配置，尺寸小的桶式扩孔器主要起的作用是保证扩孔后的管道曲线沿导向孔曲线前进扩孔，同时将上一级扩孔过程中切削下来的泥块进行粉碎，保证与泥浆充分溶解；而尺寸大的板式扩孔器的主要作用是将孔径扩大，也就是扩孔。通过试驗证明，此种扩孔器的配置，对于泥岩地层中施工能很好的减小扩孔扭矩，同时保证成孔质量。

4、泥浆配置

应根据地质及时调整泥浆配比，泥浆性能取决于其成分配方，它可以润滑钻头减少磨损，可以软化地层易于钻进，同时携带钻屑返回工作坑，可以在回扩过程中稳定孔壁，可以在回扩和拖管时润滑管道，其性能的好坏，直接影响最终管线穿越的成功。穿越泥岩应调整泥浆添加剂，改变泥浆的流变性，提高剪切力，增加泥浆的携带性能，使泥浆克服“泥抱钻”的施工现象，从而使钻进产生的阻力减小，并使钻出的孔径畅通无阻，顺利完成推力、扭力的传递，有力的保障了下道工序的进行。

在本工程穿越工程施工前，泥浆师要根据本工程的地层的特点、结构及土壤分类进行泥浆的配方研究，提出了对于本工程的地质情况，应尽量减少钻进液对地层渗水，也就是降低泥浆的失水量以及增强井壁的岩土的抗水敏性，抑制分散是最为关键的问题。从泥浆失水量影响因素的分析和对岩土的水化性分析可以归纳出针对泥岩地层配制泥浆时的几个要点：

⑴选优质土。由于水化效果好，粘土颗粒吸附了较厚的水化膜，泥浆体系中的额自由水量大大减少，所以优质土泥浆的失水量远低于劣质土的。

⑵采用“粗分散”方法。使粘土颗粒适度絮凝，而非高度分散，从而使井壁岩土的分散性减弱，保持一定的稳定性。

⑶添加降水剂。Na-CMC、PAM等降水剂通过增加水化膜厚度、增大渗透阻力、起井壁网架隔膜作等，可使失水量明显减少。

⑷提高基液粘度。泥浆中的“自由水”实际上是滤向地层的基浆，其粘度愈高，向地层中渗滤的速率就愈低。

⑸调整泥浆比重，平衡地层压力。井眼中液体压力与地层中的流体的压力差是泥浆失水的动力，尽可能减少压力差，维持平衡钻进是降失水的有效措施。

泥浆的配置在整个施工过程中并不是一成不变的，要根据具体的施工情况进行调整。具体调整的主要是根据孔道中返出的泥浆的性能进行调整。

四、结束语

在本工程的施工过程中，通过采用以上的技术措施后，在工期和成本方面均取得了很好的效果。

1、科学的施工组织管理，能够提高工作效率，缩短施工工期，有效地控制施工进度，实现施工工期短的优势。

2、科学的施工技术方案是确保施工成功关键，可以减少施工材料的消耗，降低施工成本，取得较好经济效益，实现成本低的优势。