超长距离复杂岩层定向钻穿越施工技术

郑明高

中石化江汉油建工程有限公司，湖北武汉 433101

潜江-韶关输气管道工程包括湖北省干线、湖南省干线、广东省干线、长江先期投产及工程联络线五个部分。干线线路起自湖北省潜江市潜江枢纽站，止于广东省韶关市韶关末站，管道全长830 km。管道穿越长江采用定向钻方式，为新气管道有限公司管道项目的先期投产段。穿越水平长度3 100 m，实长3 120 m，穿越入土角17°，出土角12°，曲率半径1 500 D（D为管径）。穿越层位为中风化泥质、砂质板岩，最大穿越深度为水平面下55 m。管道设计采用D 406.4 mm×12.7 mm的X60Q钢级钢管，设计输送压力10 MPa。穿越地层主要为中-微风化泥质、砂质板岩，为硬岩，岩芯多碎片状、半柱状，少量呈柱状，裂隙发育，垂直层理发育，平均单轴抗压强度为80 MPa，两侧穿越地层存在小范围粉质黏土、细砂、砾石区，穿越段的长江江面宽2 000 m。

1 工程特点

（1）穿越水平长度3 120 m，是国内水平定向钻穿越长江岩石层距离最长的工程，穿越岩石层距离达2 900 m。

（2）穿越地质条件复杂，地层中石英含量高，裂隙、破碎带发育，软硬交替频繁，存在中风化泥质-砂质板岩夹杂石英，对施工工艺提出了更高要求。

（3）为保证在长江大堤以下部分的穿越施工进入水平段，穿越入土角采取罕见的17°，出土角12°，为此给长距离施加钻压、扭矩传递、导向孔的对接准确度和扩孔、管道回拖都将带来较大的困难。

（4）穿越施工点位于家鱼保护区，受汛期限制，必须在一个汛期内（当年10月至来年5月）完成施工，对施工工艺、施工效率提出较高要求。

2 施工难点

需要施工的管道路由见图1，管道需穿越长距离的中风化、强风化板岩地层。本文主要介绍导向孔、扩孔施工技术以及配套的泥浆工艺，其施工难点如下[1-4]：

图1 穿越管道剖面示意

（1）穿越地层硬，地质结构复杂，软硬交替，裂隙、破碎带发育，导向施工难度大。

（2）穿越地层中石英含量高，对钻具磨损严重，穿越距离长，钻机扭矩和钻压的传递距离短，扩孔施工效率低下。

（3）切削岩石颗粒大，数量多，容易造成钻屑堆积，形成钻具卡钻等井下事故，泥浆施工工艺复杂。

3 施工工艺论证

3.1 导向孔施工方法

（1）导向孔穿越方式与钻机选择。现有导向孔施工方法主要有单穿和对穿，即单侧穿越施工和对接穿越施工，由于本次穿越距离为3 120 m，超过了单侧穿越的最大施工能力，故选择对接穿越施工。两岸同时安装钻机，长江北岸监利侧安装600 t奥格DD1300主钻机，长江南岸岳阳侧安装200 t奥格DD-440辅助钻机，相向钻进，在合适位置完成导向孔对接。

（2）钻具组合的选择和导向孔曲线的控制。在对接导向孔施工中，此项内容至关重要。导向钻具组合是指将各种不同型号的螺杆马达与钻头加以组合以适应穿越地层，本工程穿越管道直径为406.4 mm，按照GB 50424-2015《油气输送管道穿越工程施工规范》，单根钻杆的最大折角不大于1.6°，考虑到入土角罕见的17°，实际施工中单根钻杆调节角度需满足1°的造斜能力，因此，导向孔钻进应采用大钻头和大马达，加大造斜角度，防止钻进时导向孔曲线超深或超浅。通过CAD模拟计算，本工程选用φ203 mm、1.75°的螺杆钻具，配合φ311.2 mm的三牙轮镶齿钻头，钻杆选用能够承受大拉力、大扭矩的7-5/8 in（1 in=25.4 mm）的S-135级优质壁厚高强度钻杆，见图2。以上导向孔钻具组合成孔孔径较大，约745 mm，相应的钻杆环空也较大，有利于泥浆钻屑的携带，防止钻头卡钻。

图2 导向孔钻具造斜强度示意

（3）导向仪器选择。对于导向孔曲线的控制，更多受制于导向仪器的精度和控向人员对穿越地质的了解程度。本项目为弱风化板岩，岩石单轴抗压强度大，导向孔成形后，很难在现有孔内调节钻进方向或改变钻井方向，因此，在导向孔钻进至对接位置前，必须保证两侧导向孔精确地相向钻进。鉴于本项目穿越复杂的硬岩，因而选择精度较高的PHL公司生产的P2导向仪。

3.2 扩孔施工方法

常规扩孔施工是在出土点安装扩孔钻头，钻机提供拉力和扭矩，迫使钻头切削岩体，但本项目穿越距离长，消耗在钻杆上的摩阻力矩大，传递给扩孔钻头的扭矩小，扩孔效率低下，因此，本工程不宜采用常规扩孔施工，推荐使用正向扩孔或两台钻机同步扩孔施工。

按照以下经验公式，计算穿越长度3 100 m时钻杆最大的摩阻力矩：

式中：T为钻杆阻力矩，N·m；k为正压力系数，取1/3；g为重力加速度，m/s2，取9.8；f为摩擦系数，取0.2～0.4；W为钻杆质量，kg；r为钻杆半径，m。

通过计算得出，钻杆所受到的最大摩阻力矩约为30 000 N·m。如果采用常规方式扩孔，首先要抵消此部分扭矩，因此选用正向扩孔方法。

4 解决施工难点的技术措施

4.1 导向孔对穿施工

（1）助推保护套管辅助技术的实施。穿越两侧均有100 m长度的土层，为了防止泥浆漏失、软硬交界面扩孔形成台阶以及解决长距离钻进钻压的有效传递等问题，两侧均安装了φ457 mm的套管（此为助推保护套管辅助技术），通过实施该技术，创造了奥格DD440钻机在抗压强度80 MPa岩石中最长钻进1 750 m的纪录。

（2）磁方位角测量。施工前，将导向探头布置在长江两岸中心线上，多次测量大地磁方位角，取多次测量值的算术平均值作为方位角基准值；在穿越陆地段尽可能多地布置人工磁场线圈，以精确控制钻头方向；穿越江面采用交流磁靶，测量时磁靶放置在木船上，多次测量，分析判别干扰值和真实值。穿越区域磁方位角测量统计见表1。

（3）优化选择导向孔对接区域。对接点选择在两侧岩石硬度均一的地区，防止不均造成钻头突变方向，干扰对接；准确计划导向孔对接时间，选择在白天午间对接，有利于磁靶测量时磁干扰小；同时，增加数据采集频率，每钻进2～5 m测量一次，精确控向，保证导向孔对接区域平缓、连续。最终，导向孔对接横向偏差为0.2 m，纵向偏差为-0.3 m。导向对穿施工作业见图3。

4.2 正向扩孔施工

（1）扩孔工艺。本工程共两级扩孔，均采用正向扩孔方式，第一级扩孔为φ457.2 mm，第二级扩孔为φ609.6 mm。正向扩孔的钻具组合为：钻机+钻杆+扶正器+正向扩孔器+导引头。扶正器器为φ406.4 mm，起到对钻头的扶正和导向的作用，导引头为φ254 mm，其作用是保证扩孔器与导向孔成型孔洞的同心度，防止扩孔器偏位、扩孔姿态不正。正向扩孔施工见图4。

表1 穿越区域磁方位角测量统计

图3 导向对穿施工作业

图4 正向扩孔施工

（2）扩孔工艺参数。正向扩孔最大的问题是钻杆在孔内受力复杂，容易发生钻杆断裂风险。通过模拟计算，该种地层，采用φ457.2 mm、3牙轮正向扩孔器切削岩石的扭矩约为8 000 N·m，扩孔时为保证井下钻具安全，需要将扭矩控制在20 000 N·m以内，钻压控制在300 kN以内，钻机旋转速度控制在20 r/min，钻进过程中需特别留意各类钻进参数的变化，控制好钻进速度和泥浆流量。

（3）扩孔技术措施。本项目局部地层破碎，裂隙、断层发育（见图5），正向扩孔钻具和钻机容易产生剧烈振动，钻屑颗粒较大，易发生卡钻事故。针对该风险，主要措施是减小钻进速度，降低钻压，调低钻机的旋转速度，待扩孔器本体完全进入岩石层或硬岩层后再加大钻压。

图5 岩体的垂直层理

4.3 泥浆工艺

超长距离扩孔时，泥浆工艺至关重要。为提升泥浆的携渣能力，施工现场根据穿越地层的变化，采用复合泥浆配比技术，先使用6%～8%（质量分数）的定向钻专用膨润土加淡水配出基浆，而后加入0.08%～0.15%的NaOH、0.2%～0.3%的高黏提切剂、0.2%～0.3%的高黏降滤失剂等调节泥浆的性能参数。

在扩孔中，由于多次更换钻具和清孔，泥浆全程需保持好的携带性能，现场要求每2 h对泥浆性能进行全面检测一次。泥浆的基本性能满足表2的要求。

表2 泥浆基本性能参数

5 结束语

在超长距离、超硬岩石、极复杂地质条件下进行水平定向钻穿越施工，具有施工周期长、不稳定因素多、风险极大、难度极高的特点，但通过采取科学的施工方法，新气公司长江定向钻穿越施工项目成功地在长江汛期前完成一次性回拖，得到了业主的肯定，同时创下了管径406 mm管道水平定向钻穿越长江岩石层距离最长的国内纪录，且创造了国内钻机正向扩孔1 500 m的施工纪录。