管道定向钻穿越河流施工风险控制

曹洪祥

【摘 要】由于施工条件复杂，导向孔钻进、管道扩孔及回拖过程存在不可见性，定向钻穿越施工时经常出现冒浆、卡管、钻机故障等作业风险，一旦控制措施失当，会对整个工程施工产生较大的负面影响。结合某成品油管道定向钻穿越河流施工，讨论了影响定向钻施工的各种风险因素，并针对潜在的风险源，制定了详尽的风险控制措施：主要包括：优化施工工序，优选钻具组合，确定与其地质条件相适应的泥浆参数，严格进行钻进轨迹控向，采取卡管风险削减措施等，成功穿越了地下粗砂层，避免了钻机推拉力不足、抱管及大面积冒浆等现象的发生，保证了定向钻施工作业的顺利实施，为今后类似工程的施工提供了参考。

【关键词】管道；定向钻；穿越；施工；风险控制

水平定向钻穿越是管道穿越河流、公路等障碍物时采用的一种施工工艺，由于其具有对地表条件要求低、对地面环境影响小、施工速度快等优势，近年得到广泛应用。然而，与大开挖施工相比，水平定向钻穿越施工对设备、钻具具有较强的依赖性，且地下钻进过程、管道回拖过程、导向孔和扩孔存在不可见性，因此水平定向钻穿越施工具有较高的作业风险[1]。为了将定向钻穿越施工的风险降低到最小，要求在施工中采取一定的风险控制措施。

一、工程概况

某成品油管道规格D660×8.7mm，设计压力8MPa，在天津市武清区穿越北运河，穿越段管道规格为D660×12.7mm，穿越管道地基以下依次是粉质黏土（1.0～5.5m）、粉土（3.2～9.0m）、粉砂（9.1～23.1m）、粉质黏土（21.8～35.0m）。根据设计方案，穿越管道出、入土点距离为992m，穿越最大深度26.5m，入土角10°，出土角8°，光缆套管与主管道平行穿越，间距10m。

二、风险因素

（一）钻机风险

钻机是定向钻施工的核心设备之一，选择钻机时应根据地质情况、工程用管等，计算管道最大回拖力，保证最大推拉力能够满足回拖需求。若钻机选型出现偏差，可能会导致导向孔钻进困难、回拖时抱管等现象发生。另外，钻机的发动机、液压泵、液压马达等部件由于承受较大的压力，出现故障的概率较高。一旦发生故障，会出现钻进中断、回拖中断的情况，若中断时间过长，发生孔壁坍塌和抱管的概率会大幅增加。

（二）钻具风险

随着使用频次的不断增加，钻杆及扩孔器、卸扣、万向节、牵引头等钻具的抗扭、抗拉强度不断降低，特别是对于大口径、长距离的定向钻，由于钻杆/钻具组合承受的应力较大，出现各种风险的可能性更高。比较常见的钻具风险有：钻杆断裂、脱扣、回拖万向节断裂和牵引头断裂。

（三）控向风险

导向孔钻进过程中，因控向设备故障或人为因素影响，可能出现实际穿越曲线与设计穿越曲线偏差较大（脱离原设计地层），或者穿越轨迹存在急弯、死折等局部曲率半径不足的情况，如果得不到及时纠偏、修孔，可能导致管道埋深不足、导向孔钻进困难、管道回拖卡管或钻杆断裂等问题。

（四）施工工艺风险

扩孔级数、泥浆性能、管道发送方式等都是影响定向钻施工顺利进行的关键因素。扩孔级数过少，可能会因扩孔级差的增大而产生过高的钻进扭矩，对钻杆和钻具带来不利影响；扩孔级数过多，反过来会增加施工成本，延长施工时间，增大孔壁坍塌风险。泥浆在定向钻施工过程中起护壁、携砂、润滑、控温的作用，若泥浆性能物性低劣，将直接影响定向钻成孔的效果，增大钻进难度与管道回拖阻力。管道回拖时，管道发送方式选择不当，不仅会对管道防腐层造成较大的破坏，还会增大管道回拖力，给管道回拖带来额外的风险【2】。

三、风险控制措施

（一）设备及施工工序控制

水平定向钻回拖时的最大回拖力计算公式：

Fp为计算拉力，L为穿越管段曲线长度（m）， f为摩擦系数，D为管子直径（m），γm为泥浆重度，δ1为管子壁厚，γs：管道容重，Wb为定向钻回拖过程中单位长度配重（KN/m），kv为粘滞系数。

最大回拖力是定向钻施工选择钻机时需要考虑的主要因素之一。但式（1）主要考虑穿越管道与孔壁间的摩擦力和泥浆对管道的粘阻力，未考虑其他因素，根据实际施工经验，其计算结果一般偏小，因此水平定向钻钻机应根据其计算值的1.5～3倍确定。

根据计算得到的最大回拖力约为261.4kN，回拖时还需考虑扩孔器、钻杆等产生的摩擦力及自身重力等因素，且钻孔内实际工况可能与理论工況存在偏差，最终确定选用GD-350型钻机。

根据穿越点地质条件，确定施工程序为：钻导向孔（219）→一级扩孔（400）→二级扩孔（600）→三级扩孔（800）→四级扩孔（1000）→洗孔（1000），只有洗孔过程扭矩和推拉力都正常，才能进行管道回拖。施工时采用不同的钻具组合。钻导向孔：泥浆马达+三牙轮钻头+5″S-135钻杆；扩孔：桶式扩孔器+5″S-135钻杆；洗孔：挤压式洗孔器+5″S-135 钻杆；回拖：主管道+万向节+桶式扩孔器+5″S-135钻杆（1″=25.4mm）。

（二）泥浆性能控制

该工程定向钻穿越地层大部分为地下粉土层，成孔性较好，钻进难度小，但存在局部砂质地层，成孔性一般，须使用高粘度泥浆才能形成稳定性好的孔壁，因此采用泥浆复合配方配制工艺，并对各施工阶段泥浆性能进行适当调整。

（三）钻进轨迹控制

钻进轨迹控制难点：①保证钻进轨迹满足管道最小曲率半径要求；②避免钻进轨迹局部产生急弯、死折等现象。采用PⅡ地磁导向仪对穿越过程进行准确跟踪定位，保证每根钻杆最大折角不超过0.7°，连续4根钻杆累加折角不超过2°。一旦出现方向偏差，要通过调整钻头造斜面及时进行纠偏，直至钻头位置回到设计轨迹。若纠偏难度较大，则将钻杆抽回重新调整钻进轨迹。

（四）防止冒浆的控制措施

导向孔钻进的前半段采取较大的泥浆压力和排量，以便泥浆携带切削的泥土，使孔路畅通；后半段，由于从入土点反浆的难度加大，因此要适当控制泥浆压力，避免孔壁坍塌。

要根据泥浆回返情况，钻头深度和泵压变化等分析，判断并控制泥浆排量，防止泥浆的跑冒；井泥浆必须是优质泥浆，要测试性能参数，并详细记录，重点是有充足的人力，保证能连续配浆。并加强孔口监测，随时掌握变化。确保合理的粘度，和静切值，提高悬浮能力。

（五）卡管风险控制

①采用发送沟注水工艺进行管道回拖，不仅能够减少管道防腐层的破坏，还可有效降低钻机的回拖力。开挖发送沟时，其中心线要与穿越轴线重合，且发送沟内不得有石块、铁丝等硬物，沟内注水深度至少应保证将管道从地面浮起。②认真检查钻杆、扩孔器、卸扣、万向节等钻具，清洗丝扣，确保内部无损伤，回拖前还要检查并确保扩孔器的水眼畅通，卸扣无变形、锁销完好。③时间越短，钻孔坍塌的可能性越小，因此，更换扩孔器、连接回拖管道时应在保证连接质量的前提下，尽量缩短操作时间。④人员、设备及材料等方面要确保满足施工需要，不能影响施工进度、延误工期。

四、结论

在定向钻施工前必须充分分析潜在的作业风险，找出切实可行的风险控制对策。从定向钻施工工艺、施工设备、地质条件等方面出发，深入分析影响定向钻穿越施工的风险因素，找出施工过程潜在的风险源，对于合理制定风险控制措施具有较强的指导意义。同时为降低环境污染风险，使用的泥浆材料都要求是无毒害的，同时供货厂商的资质情况是经有关部门审查批准。

【参考文献】

【1】刘盛兵，向启贵，刘坤. 水平定向钻穿越施工及其风险控制措施探讨[J].石油与天然气化工，2008，37（4）：353-356.

【2】刘刚，徐舟. 定向钻穿越回拖管道径向变形原因分析[J]. 油气储运，2008，27（2）：60-61.