油气管道定向钻长距离穿越粉细砂地层安全控制技术

文/梁王学 何少炜 陆鹏州

管道水平定向钻穿越技术属于管道非开挖施工技术之一，是目前管道穿越首选的施工技术。粉细砂地层定向钻穿越具有控向、钻进、泥浆工艺复杂的特点，具有较高的工程风险，论文分析了油气管道定向钻长距离穿越粉细砂地层时的工程特点，提出了安全控制措施及应急预案，为工程实施提供了重要参考。

概述。

管道水平定向钻穿越技术属于管道非开挖施工技术之一，不仅施工周期短、效益高、投资少，而且不影响道路、河流交通，有利于环境保护和管道的安全运行，免于管道的维护，是目前管道穿越首选的施工技术。由于穿越施工受地质条件、穿越长度、管径的制约，要求不仅有先进的穿越设备，而且有先进的施工技术和经验。所以它是一项高科技、高风险、高效益的管线施工技术项目[1-3]。

1.工程特点。

水平定向钻穿越主要有导向孔、预扩孔、回拖三个阶段，与普通软地层定向钻穿越相比，油气管道穿越长距离砂层具有以下特点。(1)钻具要求高。大口径输气管道穿越长距离砂层导向孔需要钻头、5'钻杆、6 5/8''高强度钻杆；预扩孔施工需要专用扩孔器。同时为降低穿越风险，导向孔、单次预扩孔的钻具寿命应达到中途不更换的目的。(2)施工工艺复杂。①控向工艺复杂：一方面由于砂层中导向孔施工，地层的承载能力差，钻具旋转钻进过程中，倾角变化较大，同时长距离穿越，钻具不能有效的进行力量传递，增加了控向操作复杂程度。另一方面，大范围江面段施工时无法布设Trutrack地面信标系统，只能在微弱的、不稳定的地球磁场作为参考的条件下钻进，降低了定向工具的精确度。再者，由于穿越管径大，为保证成品管的顺利回拖，对保持砂层导向孔圆滑的控向工艺提出了更高的要求。②钻进工艺复杂：在砂层导向孔、预扩孔施工期间，卡钻的危险随时都有可能存在。③泥浆工艺复杂：与普通软地层穿越相比，砂层穿越的泥浆需用量会成倍地增长(增长量与砂层的长度及扩孔孔径有关)，其原因是砂层中泥浆的漏失量将大大增加，同时砂层中穿越，成孔困难，易塌孔，需要的泥浆流量和粘度就相应增加。(3)施工周期长。根据砂层长度及扩孔孔径不同，砂层穿越施工的施工周期是普通软地层穿越的1.5～2倍。

2.工程难点。

定向钻长距离穿越粉细砂地层难度较大，同时也具有极大的工程挑战性，存在的主要技术难点如下：（1）控向技术难点。穿越距离长，控向精度要求高，江面频繁通航的船只对信号棒测量数据的采集将产生磁干扰，大范围水域无法布置Trutrack地面信标系统，准确控向难度很大。砂层中地层承载能力较差，在导向孔钻进施工过程中倾角变化较大，同时长距离穿越，钻具不能有效的进行力量传递，大大增加了准确控向的难度。（2）泥浆技术难点。长距离穿越出入土点附近软地层穿越要求泥浆的固壁性能要好，防止泥浆漏失和塌孔；砂层穿越要求泥浆的悬浮、携屑性能强，保证钻屑的顺利排出，对泥浆的性能要求很高。砂层穿越施工各阶段均需要大排量的泥浆，对大量高性能泥浆的及时供应要求高。（3）司钻及钻进工艺技术难点。穿越存在软、砂层的结合，从软地层到砂层过渡穿越技术要求高。长距离砂层穿越，尤其是主河道穿越，需要克服钻机扭矩大的难题，特别是在进行最后一次大口径预扩孔阶段(扩孔直径为穿越管径的1.5倍)，对钻机能力和施工工艺提出了很高的要求。穿越地质条件复杂，如何保证导向孔曲线的圆滑过渡是关键，以预防扩孔和回拖期间卡钻事故的发生。砂层的承载力较差，对出土侧钻头“抬头”时钻杆推力的传递影响较大，势必会造成“抬头”难的问题。穿越需要钻头、钻杆、扩孔器等特殊钻具，而更换钻具的风险很大，尤其在砂层中很难找到原孔。使用普通5″S-135等级的钻杆钻进1500 m以上的导向孔强度不够，主要表现为推力的传递受限制。

3 .安全控制技术措施。

针对粉细砂层定向穿越施工的特点，工程中应采取以下安全措施：（1）控向技术在开钻前利用信号棒和全站仪找出穿越中心线准确的大地磁方位角，以此为基准控制导向孔的左右偏差，以弥补因河面大范围水域无法布置Trutrack地面信标系统而可能产生的控向偏差。钻导向孔使用1.75°造斜短节，减小造斜角度，有利于导向孔曲线的圆滑过度，预防扩孔和回拖期间卡钻事故的发生。在入土侧和出土侧陆域，尽可能长地布置Trutrack地面信标系统，以精确测量地下钻头的位置。砂层中穿越时，增加信号测量频率，每钻进2～3 m测量一次，以保证导向孔曲线符合设计曲线的要求。（2）泥浆技术。根据穿越地层条件的变化，采用复合泥浆配比技术，将使用定向钻膨润土按8～10%重量比加入淡水配出基浆，使用的主要泥浆添加剂有：固壁剂、增粘剂、清屑剂和润滑剂等，保证泥浆性能符合穿越地层的要求。施工过程泥浆性能调整要求如下：a、普通软土层穿越段：控制泥浆的失水，防止塌孔，需增大固壁剂含量；b、砂层：增加降滤失剂、胶凝强调和悬浮性提升剂用量，达到固孔和浮流粉砂、清洁孔道的目的，同时为保证钻屑携带和孔眼清洁，要及时提高清屑剂和润滑剂剂量，保证泥浆的流变性能良好，使钻屑顺利返出地面，同时增强泥浆的润滑性，减小钻具与地层的摩擦力。为进一步保证长江穿越砂层穿越大流量泥浆的供应，现场配备泥浆回收处理系统，使泥浆循环使用，以减轻现场配置大量泥浆的压力，同时可减少环境污染。现场配备高压泥浆泵，泵送能力不小于3 m3/min，以保证长距离长江穿越的泥浆压力和流量满足施工要求。（3）司钻与钻进工艺。针对软、砂层结合的特点，从软地层到砂层过渡穿越采用的施工方法应为：首先放慢钻进速度，减小钻进推力(或拉力)，调低钻机的旋转速度，待钻头(或扩孔器)进入砂层1～1.5 m后，在加大钻进推力(或拉力)，调整钻机的旋转速度，防止速度过快造成钻进曲线偏离预定的目标。选用大扭矩钻机，最大扭矩可达136 kN·m；选用低扭矩的扩孔器，以克服大口径、长距离砂层穿越预扩孔扭矩大的难题。由于粉砂不易被钻头切削及被泥浆携带至地表，就造成了钻机的扭矩和推力过大，致使钻杆弯曲。于是在钻杆两边加桩固定，防止钻杆弯曲，以增加力量，并增加了泥浆的排量及配比性。在对于方位角及倾角的难操控上，在保证与设计曲线相近似的前提下，采用了快速钻进，少顶推，每根钻杆的倾角都提前上抬，当顶推不动时，就旋进，使得钻头向下自然施降在设计曲线范围内。卡钻的预防措施：严格钻进工艺，精心组织施工，保证导向孔曲线的圆滑过渡，预防扩孔和回拖期间卡钻事故的发生；预扩孔阶段使用比上一级孔径校1 1/2″～2″中心扶正器；主管线最后一次扩孔完成后，用比回拖管径大、比成孔直径小的桶式扩孔器再清孔两次，最后用同直径桶式扩孔器进行回拖。针对地层特点，在导向孔施工阶段，入土侧斜孔段采取下套管的施工方法，防止浅地层软土长时间受泥浆浸泡后塌陷堵孔，同时解决长距离穿越“抬头”难，钻机推力传递难的问题。下套管时控制好钻进速度和泥浆压力，保证将套管和钻杆间的钻削清理出来，保持导向孔的畅通。

4.工程应急预案。

(1)导向孔钻进时卡钻应急预案①导向孔钻进过程中，钻头一旦卡钻，表现为泥浆压力剧增，或伴随钻机扭矩瞬间的增大(旋转钻进时)，此时，钻机产生的扭矩无法克服砂层作用于钻具上的扭矩，钻头停止转动。处理的方法有二种：一是当泥浆压力表显示的压差能保持在设计的最大压降范围内时，可采取立即停止钻杆的推进，改为往钻机方向拉钻杆，使钻头迅速离开作业面，降低泥浆的压差，然后用更慢的推力和推进速度钻进；二是当泥浆压力表显示的压差能超过设计的最大压降范围时，应立即关停泥浆泵，停止泥浆的泵送，同时往钻机方向回撤钻杆。②导向孔施工过程中，在更换钻具或其它特殊情况回抽钻杆时卡钻。主要原因是个别地段造斜过大，清孔不彻底，钻屑过量堆积引起“缩孔”，造成卡钻。处理方法：首先应使钻机的正常工作，有足够的泥浆往孔内泵送，此时钻杆切不可简单地继续往回拉，否则很容易将钻头卡死。应在泵送泥浆的前提下继续往前进，耐心进行清孔，同时调整钻头的倾角至首次钻进该地层时的倾角，停止钻杆的旋转往回抽，注意控制好钻机的拉力，然后旋转钻杆前进、清孔，多次反复，直到顺利通过“缩孔”地段。(2)砂层扩孔时卡钻应急预案。可采用机械回拉扩孔器的办法解决扩孔卡钻的问题，具体办法如下：①机具、材料准备：在出土侧准备旋转接头1套、U型环1套、练级扩孔钻杆和旋转接头用短节1个，φ22 mm以上钢丝绳4根(等长)，履带爬行设备(吊管机、推土机或挖掘机)2台以上。②施工步骤：a.卡钻后钻机立即停止旋转；b.出土侧连接(扩孔钻杆+短节+旋转接头+U型环+钢丝绳+履带设备)；c.多台设备同步回拉，同时钻机给予适当的推力，使扩孔器离开切削面；d.钻机恢复旋转；e.出土侧卸下应急钻具；f.继续扩孔。③司钻手应随时密切关注扩孔扭矩的变化，防止卡钻后扭矩过大，损坏钻机旋转马达及钻杆丝扣。(3)管道回拖受阻时应急预案。应根据受阻位置和实际情况区别对待。当管线回拖进距离相对较短时，可采取往出土侧回拉的方式；当管线回拖至接近出土时，可采取往钻机侧助推的方式；当回拖管线位置处于中间段，两个方向均可考虑。在软地层受阻时，用助推方式成功的机率较大，砂层受阻时，尽可能考虑往出土侧回拉的方式，以免损坏防腐层甚至钢管。回拉或助推的方式有两种：①机械设备操作方式。利用挖掘机、履带拖拉机、吊管机等爬行设备，先在回拖管道尾部的两侧对称地分别焊上一个拉环，再用钢丝绳连接协同钻机进行回拉或助推。次方式的优点是设备和卡具准备简单，操作平稳，与钻机的配合施工好；缺点是提供的推拉力有限。②夯管锤操作方式：准备一台套夯管锤，在回拖管道尾部安装事先加工好的卡具，利用夯管锤的瞬间、高频冲击力进行回拉或助推。此方式的优点：无需后背力，提供的冲击力很大，其冲击力可调节，夯管锤可以和管线、钻杆等相连接，前进和后退方向均可调整，解决受阻问题的能力强。缺点是设备租用、运输，卡具加工等时间较长，与钻机的配合施工同步性较差，需精心策划、组织。

5.结语。

论文基于定向钻穿越粉细砂地层的工程难点，从控向、泥浆配置与供给、司钻与钻进工艺等方面提出了工程安全控制措施，并建立了工程应急预案，为工程的实施提供了重要参考。