油气管道定向钻穿越勘察设计和施工中存在的问题及对策

曾 强，陈 杰，亢会明，康 胜

（中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都 610017）

油气管道定向钻穿越勘察设计和施工中存在的问题及对策

曾 强，陈 杰，亢会明，康 胜

（中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都 610017）

文章总结了近年来国内油气管道定向钻穿越勘察设计存在的问题，分析了产生这些问题的原因，针对复杂工程地质条件和不良地质情况，提出了相应的对策和措施，阐述了定向钻穿越施工中应注意的事项，从泥浆选择、冒浆问题的处理、定向钻穿越设备的选择、施工顺序安排、预防卡钻及卡钻事故处理等方面探讨了保证管道定向钻穿越施工顺利进行的措施。

油气管道；定向钻穿越；勘察；设计；存在问题；应对措施

从20世纪80年代初第一台RB5型钻机引入我国，定向钻穿越方式已经在西气东输、西气东输二线、西气东输冀宁联络线、杭宁线、川气东送等长输管道工程中多次成功运用，技术日益成熟，同时也出现了一些新问题。及时总结油气管道定向钻穿越的经验教训，把握定向钻穿越的发展趋势，对更好地运用定向钻穿越技术为油气管道建设服务具有重要的实际意义。

1 定向钻穿越勘察存在的主要问题及应对措施

1.1 定向钻穿越勘察存在的主要问题

近年来，在西气东输二线、兰郑长管道等工程的定向钻穿越施工中出现了由于勘察资料与实际施工中遇到的地质情况有偏差而导致施工困难等问题。根据这些工程施工实践以及补充勘察与原地质勘察资料的对比分析，发现勘察过程中主要存在的问题如下：

（1）对卵石层厚度、粒径大小和分布范围等认识不清。由于河床及两岸的堆积物基本上都经历了无数次的冲淤变化，卵石层厚度、粒径大小及分布范围变化大，定向钻勘察时要求在穿越断面上下游各15 m左右布置勘探点，单纯依靠钻探即使钻孔间距很小也容易出现偏差。

（2）对基岩裂隙分布情况未查清。由于定向钻穿越地段一般覆盖层厚度较大，基岩露头少，无法通过直观的观察确定裂隙性质、密度和分布规律，只能通过钻探或其他物探手段来判断，判定结果与钻探取芯水平和判定者专业水平有密切联系，故勘察结论与实际情况容易出现偏差。

（3）对岩体强度及其差异性变化规律认识不清。由于岩体本身成岩过程的不连续性和后期的差异风化作用，导致岩体强度变化幅度较大，在进行岩体取样时未取到有代表性的岩样，导致勘察结论与实际岩体强度情况出现偏差。

1.2 应对措施

（1）为了尽可能减小地质勘察资料与实际施工钻进遇到的地质情况之间的偏差，提供更准确的地质勘察资料，应采取工程地质测绘、钻探及工程物探相结合的综合勘察方法，以尽可能查清定向钻穿越地层情况。

（2）充分收集区域地质资料、河流水文资料，了解河床岸坡情况、河道变迁史、河床地形图等，对已有的上下游水利工程修建、穿越工程活动等进行细致调查。

（3）勘探工作量的布置应因地制宜，不墨守成规，在勘探过程中根据实际情况适当调整钻孔间距，若既定的钻孔作业不能应对地层变化情况，特别是当遇到对定向钻穿越有影响的层位，如卵石层、流砂层、碎石层或基岩裂隙发育的层位时，应缩小钻孔间距。

（4）在工程地质条件复杂的情况下，对定向钻入土段和出土段适当增加勘探孔数量，缩小探孔间距，并可采用地质雷达、地震勘探或高密度电法等物探手段以辅助查清定向钻穿越断面地层情况，尤其是影响定向钻穿越的卵石层厚度和变化规律。

（5）在工程地质条件复杂的情况下，由于定向钻穿越需要选择在相对有利的层位通过，因此应重点查明拟定的定向钻穿越设计深度上下的地层情况，为穿越层位选择提供依据。

（6）在满足现行规范要求的前提下，适当增加定向钻穿越层位岩样、土样的取样数量，并应注意取样的代表性。

（7）在地质钻探完成后必须对勘探孔进行压力注浆封堵，避免施工过程中探孔冒浆情况的发生。

2 定向钻穿越设计存在的问题和应对措施

2.1 穿越位置和断面选择存在的问题

（1）穿越断面两侧地形起伏较大，造成定向钻两岸出、入土端与定向钻江底水平段高差过大，泥浆压力不均，从而导致冒浆、成孔质量不均。

（2）离建 （构）筑物 （尤其是大堤）距离较近，从而导致定向钻曲线与建 （构）筑物距离不足，钻进和扩孔过程中建 （构）筑物发生塌陷、沉降等。

2.2 穿越层位选择存在的问题

从近年来定向钻施工情况来看，定向钻穿越设计有时选择的地层不合理，对于大段不良地层如流沙、粗砂、砂卵石层、软硬不均段或变异系数过大的岩石段等未充分考虑避让，导致定向钻施工难度加大或失败。

（1）流沙层由于富含饱和水，流动性和蠕变性强，成孔难度大，失水后常常造成在扩孔过程中孔壁塌陷或难以成孔。如陕京二线榆溪河穿越在出土端遇到较长流沙段，施工未能有效成孔，回拖发生塌孔致流沙覆盖管道，最终采用开挖方式将最后一段管道挖出接长后方过河。

（2）粗砂地层由于砂粒较粗，其黏性土含量低或不含黏性土，土壤内聚力极小甚至为零，成孔难度很大，尤其随着管道直径增加，扩孔直径也增加，其成孔难度更大。如西气东输二线渭河穿越，部分地段扩孔扭矩非常大，扩孔速度缓慢，特别在1 422 mm （56 in）扩孔中扩至第104根钻杆时钻杆突然断裂，后由于解卡失败，孔道报废，渭河主河槽穿越失败。分析认为，因穿越地层主要为中粗砂，大直径扩孔时导致孔洞塌陷，对钻杆和扩孔器进行包覆，导致钻杆因扭矩过大而断裂。

（3）砂卵石地层为定向钻穿越中最难以成孔和通过的地层，砂卵石地层由于卵石分布不均，且卵石强度偏高，钻进过程无法有效控制精度，成孔难度大，极易出现坍塌和卡钻现象，原则上应避免通过该地层，如无法避免，则应采取技术措施进行处理。西南油气田公司北内环输气管道工程渠江定向钻穿越，穿越厚约1.5 m的砂卵石层，砂卵石粒径虽小于5 cm，但由于未采取技术措施，且钻进遇阻时强行前进，导致卵石进入孔洞卡住钻杆，结果钻进时发生卡钻情况，最后采用开挖该卵石层的方法才使得定向钻施工继续进行。

（4）对于软硬不均地层，特别是基岩岩性差别较大、基岩倾角大的地层，大直径扩孔过程中在软硬交界处，易出现偏扩、狗洞等现象，导致成孔质量不均匀，同时也容易造成冒浆、地下水渗漏下降现象。例如，在南干线东段綦江定向钻穿越中，由于大段地层性状属于软硬不均且岩层倾角较大，施工扩孔过程中扩孔器在硬岩附近常常偏离原导向孔轨迹，且扩孔速度慢、扩孔器前端加强筋磨损严重，特别是在扩孔至600 mm以上时，成孔质量较差，效率严重降低。

2.3 措施和建议

（1）对于穿越位置和断面选择存在的问题，设计时应尽量选择两岸地形起伏较小的位置，降低两岸高差；若两岸高差确实较大，施工时应采取相应技术措施确保成孔质量，防止冒浆。同时定向钻入土点、出土点及穿越中线应与建 （构）筑物保持一定距离。

（2）当定向钻穿越上述不良地层时，设计时首先应该根据现场调查结果 （如采沙船、渔工以及河道资料），初步分析地层情况，同时结合区域地质构造情况，避开存在深大断裂和有不良地层的河段。在设计曲线选择上，应避免急弯，同时应充分考虑造斜点的位置，为避免造斜弯曲时的偏移，应尽可能选择稳定、致密的层位作为造斜点；在断面设计上，应尽量避开不良地层的影响，在无法避开的情况下，应合理选择钻进设计曲线，尽可能减小通过不良地层的长度；在地层选择上，尤其是基岩地层，应尽可能将设计曲线置于同一稳定的倾角较小的层位。为避开以上不良地层，在条件允许的情况下，可适当考虑多曲线平缓过渡。

（3）在出、入土端附近若遇到卵石、流沙和中粗砂等，可采取以下办法处理：

a.开挖换填法。采用开挖的方式将两岸所要穿越的卵石层或流沙、中粗砂等挖除，回填一种更适合定向钻的土质，然后再进行钻孔和回拖。此法比其他技术措施工程量大，但是风险最小。该方法主要适用于砂卵石、流沙等及上面覆盖层厚度在15 m以下、地下水位较低的情况。如果砂卵石及上面覆盖层厚度在15 m以上，地下水位较高，则大开挖施工工程量巨大且难度很大。

b.下套管法。采用套管隔离卵石层的方法穿越卵石层，即将套管沿一定角度顶进，将卵石层隔离，并用泥浆或其他措施把套管内的卵石置换出来。下套管法对定向钻控向技术的精度要求较高。

c.注浆固化法。采用水泥砂浆注浆的方法，使卵石层固化成一个整体，用穿越岩石层的方法穿越固化层。此方法的风险在于固化土体会使穿越地层的强度过大，导致钻头钻进困难，且注浆后对周围环境影响较大。

实践证明，目前国内多采用开挖置换或夯套管的方法处理砂卵石层及流沙、中粗砂等。故建议勘察时对于含砂卵石层的地段增加探孔个数，提出准确的地层分界线。设计应根据勘察资料作出经济合理可行的有针对性的处理措施、处理范围以及相应的工程量等。

根据国内目前的施工实践情况，小直径管道定向钻穿越对不良地层的适应性要好得多，对于大口径管道 （DN600 mm以上）的定向钻穿越，在通过不良地层时，设计上应进行充分论证，使用上应慎重，可对多工法 （包括隧道、顶管、盾构等）进行比选后择优推荐。

3 定向钻穿越施工应注意的问题和应对措施

3.1 不良地质

针对不良地质情况，施工单位应认真阅读设计文件和勘察资料，制订详细的施工组织设计方案，选择的钻机及钻杆应有足够的钻进和储备能力。一般建议施工单位可先通过试钻通信光缆套管获取参数，合理匹配钻进参数和泥浆系统参数，为主管钻进作准备。

3.1.1 泥浆选择

泥浆的选择和添加剂的使用是否合理，对钻进和扩孔起到至关重要的作用。泥浆的主要功能：一是携带和悬浮钻屑，就是把钻头 （扩孔钻）破碎的岩土屑从孔洞中带出孔眼，保持孔洞畅通；二是稳定孔壁，孔壁稳定、形状规则是优质快速钻进的重要基础条件；三是冷却和冲洗钻头，清扫孔中（底）岩 （土）屑；四是泥浆密度能在较大的范围内调节，以建立与地层压力相平衡的液柱压力，防止漏、塌、卡等地下复杂情况出现。总之，应根据每一次钻进各个阶段的地层特点、结构、钻进措施等具体条件，正确选择泥浆类型，采取相应合理的措施，达到优质快速钻进的目的。

3.1.2 泥浆排量和洗孔

除了良好的泥浆配置外，合理的泥浆黏度、排量也是必不可少的因素，尤其是在遇到不良地层时，泥浆排量及清洗渣物常常是决定定向钻成败的关键。对于本文所述不良地层，一方面要注意钻进参数和泥浆系统参数应与泥浆配比及扩孔尺寸相匹配，另一方面，合理提高护壁泥浆黏度和供给量，合理选择性能完好的钻扩孔器具、泥浆短节和对注参数，必要时增加扩孔量、泥浆排量和洗孔次数，以充分携带钻霄，避免钻屑沉底导致成孔质量问题。同时，可适当选择一些新型的添加剂。如正电胶钻井液等。

3.2 冒浆问题的处理

定向钻施工中泥浆的漏失可能对环境、河道、堤防等造成较严重的不良影响，也是定向钻施工中较常见的现象。防止冒浆主要有设计和施工两个方面，设计上可以通过加大穿越曲线深度、延长入、出土点到大堤的距离、增大入土角等措施来减小冒浆的可能；施工中则可采取调整泥浆性能、减小钻进压力、添加剂堵漏、合理控制钻进扩孔及回拖速度等手段尽量避免冒浆。

对于易漏失和冒浆地层，还可考虑选用正电胶钻井液，该添加剂具有特殊的流变特性，静止时具有固体特性，对于断裂带或裂隙发育严重漏失地层，在高含量膨润土和高浓度正电胶泥浆液中加入各种桥堵剂进行堵漏，可降低通过地层裂缝的漏失量，能取得明显的效果。

3.3 定向钻穿越装备

3.3.1 钻机选型

施工单位可根据设计理论计算值或自己的计算结果、施工经验和拥有设备的能力合理选择钻机，并要留有一定的安全系数和储备能力，以保证穿越施工顺利进行。对于大型 （一般穿越长度＞1500m）或特殊中型穿越，建议根据现场地形、道路等情况综合考虑采用两台钻机对钻。

在钻机选择上，应根据最大回拖力进行合理选择。目前根据规范可计算回拖力，但其系数取值变化范围较大，实际计算后常常因设计的差异而造成回拖力差异很大。根据定向钻钻进机理，在管道回拖时，管道将受到摩擦阻力的作用。当孔壁稳定时，管道回拖时的摩擦阻力主要由管道的重力引起。当钻孔孔壁不稳定时，钻孔的上部和两侧岩土体都将对管道产生压力。钻孔两侧的作用力可以认为是主动土压力。管道外表面不同位置所受岩土体的作用力因其产生的原因不同，力的大小也不相同。因此，只要求得不同位置孔壁对管道的作用力，进而求出摩擦力，就可求得回拖管道所需的回拖力。

3.3.2 钻杆选用

施工单位可根据回拖力和扭矩设计理论计算值或自己的计算结果、配接钻具方案、安全系数、施工经验、现场检测和钻进工艺保障措施以及拥有钻杆钻具的规格、性能，在充分考虑安全性和储备能力的前提下，认真论证选择钻杆，原则是确保施工安全可靠、万无一失，规避穿越过程中影响孔壁稳定和施工操作的不安全因素。另外，在长距离硬岩层或粗砂层中通过时，对钻杆的磨损特别严重，所有钻杆必须堆焊耐磨带，以保证钻杆的寿命。

钻杆的扭矩是定向钻钻进和扩孔过程中一个重要参数，对于长距离大直径定向钻，该项指标尤其重要，很多事故都是因为钻杆所受扭矩过大导致其断裂的。我们考虑建立在轴向力及扭矩作用下钻杆最大破坏荷载、在轴向力及侧向力作用下钻杆中最大弯曲应力及临界屈曲荷载与钻杆接头外径的关系、钻杆在钻进过程中所受摩擦力计算的有限元模型，并对模型进行求解及分析，以期达到根据受力分析结果，为钻杆的选择提供理论依据的目的。

3.4 施工顺序的合理安排

定向钻施工主要包括：钻进、扩孔和回拖三部分。施工中应严格注意三道工序的顺序，三道工序应衔接紧密，同时还要与管道组装、焊接、试压等工序结合好，严禁出现扩孔、清孔完毕而管道还未组装好，或发送沟、发送道还在施工等情况。

3.5 预防卡钻及卡钻等事故处理

施工时司钻在操作过程中，起步、运转、结束前应保证平稳过渡，对于较硬的地层，钻进尽量慢一些，通过软硬不均地层时也应减小钻速和扩孔速度，以防止 “狗腿状”台阶形成和卡钻现象；同时，当出现扭矩过大的情况时，不应强行再钻进，应及时降低速度，严禁强行钻进或拖管。

对于可能出现的卡钻，施工前应制订必要的解卡措施预案，包括套洗解卡、反拖设备准备以及捕捞器等。

3.6 回拖中对防腐层的保护

若采用发送沟形式，应在发送沟中注水让管道在回拖过程中漂浮起来；若采用发送道形式，应采取措施使得管道与发送道辅助结构接触处为滚动摩擦，而不是滑动摩擦；还可考虑选用新型定向钻保护材料，如光固化套等。

4 结束语

通过上述探讨，总结了近年来国内油气管道定向钻穿越勘察设计的经验教训，针对常见的一些问题，提出了应对措施，为定向钻穿越技术更好地服务于油气管道建设作了有益的探讨。

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Problems and Countermeasures in Survey,Design and Construction of Directional Drilling Crossings of Oil and Gas Pipelines

ZENG Qiang（China Petroleum Engineering Southwest Company， Chengdu 610017,China）,CHEN Jie,KANG Hui-ming,et al.

This article summarizes the problems in survey and design of recent domestic oil and gas pipeline directional drilling crossing projects and analyzes the reasons,and puts forward countermeasures according to complex engineering geological conditions and matters needing attention in crossing construction.It discusses the measures to ensure smooth operation of directional drilling including mud selection,mud spillover treatment,directional drilling equipment selection,construction procedure arrangement,drilling sticking accident prevention and treatment.

oil and gas pipelines,directional drilling crossing;exploration;design;existing problem;countermeasure

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.009

曾 强 （1980-），男，四川泸州人，工程师，2003年毕业于西南石油学院，现从事油气储运工程设计工作。

2011-03-18；

2011-12-05