定向鉆技術施工大管徑管道穿越泥巖地層的技術措施

江榮龍

關鍵詞：水平定向鉆、泥巖、大管徑、技術措施、穿越工程

摘要：原油管網俄油引進配套慶鐵線擴能改造工程第四標段內汽車產業區特殊區段定向鉆穿越工程，穿越管線為南北走向，采用大型定向鉆兩管同拖φ813mm＋φ114mm方式穿越。

隨著現代文明意識和環保意識的逐漸加強，開挖路面進行各類地下管線施工導致的社會問題，交通問題和環境污染問題已越來越受人民的關注，城市限制開挖施工的法規已陸續出臺。采用水平定向鉆穿越技術進行管線穿越施工，是城市市政建設和電氣化管網改造，通訊光纜敷設，油氣管道和穿越大中小型江河、湖泊、經濟作物區以及不可拆遷建筑物的最佳選擇，是不破壞地貌狀態和保護環境的最理想的施工方法。隨著定向鉆技術的不斷發展，在施工過程中遇到的地層也將越來越復雜，本文結合工程實例就定向鉆技術施工大管徑管道穿越泥巖地層中的一些技術要點和技術措施進行描述。

一、工程概況及水文地質條件

中國中東部原油管網俄油引進配套慶鐵線擴能改造工程，起點為大慶分輸站，終點為鐵嶺分輸站。本工程為原油管網俄油引進配套慶鐵線擴能改造工程第四標段內汽車產業區特殊區段定向鉆穿越工程，穿越管線為南北走向，采用大型定向鉆兩管同拖φ813mm＋φ114mm方式穿越。

根據地質報告顯示穿越地貌單元為沖積平原，場地地勢較平坦，穿越地層主要為：①雜填土：主要由粘性土、碎石、磚塊等組成；②耕土：主要由粘性土組成，包含大量植物根系；③－1粉質粘土：黃褐色，稍有光澤，干強度中等，韌性中等，可塑；③－2粉質粘土：黃褐色，稍有光澤，干強度中等，韌性中等，硬塑，局部可塑；④泥巖：黃褐色～紫紅色，泥質結構，塊狀構造，節理裂隙發育，巖芯呈短柱狀，錘擊可碎，強風化。本工程穿越經過地層主要是在泥巖中穿越，泥巖的抗壓強度按地質報告揭露其抗壓強度為0.6～1.7MPa。

二、施工主要技術要點分析

1、導向孔施工過程中，穿越段泥巖層對導向鉆頭的反作用力大，導向孔造斜和糾斜難，容易造成導向孔軌跡與設計軌跡發生較大偏差，如何采取措施保證施工后導向孔參數達到施工要求。

2、導向孔施工結束后，在擴孔過程中如何保證擴孔后管道曲線不偏離導向孔施工的曲線問題。

3、泥巖層內擴孔施工較困難，如何保證擴孔的順利施工及擴孔后采取什么措施將泥巖碎塊攜帶出孔外。

4、施工過程中，如何保證施工順利進行，避免出現抱鉆、卡鉆事故的發生。

三、施工中采取的技術措施

1、優化設計

由于原設計采用的是φ813mm輸油主管與φ114mm光纜管分別穿越施工，而由于施工現場條件的限制，沒有進行兩次穿越的施工場地，只能將φ813mm輸油主管與φ114mm光纜管進行兩管同拖的施工工藝，所以針對該情況，取得設計院及業主的同意后，在保證管線埋深的前提下，結合現有施工設備的實際情況，將原設計曲線進行部分優化。

⑴原設計入土角為9°，由于美國奧格DD-440鉆機最小入土角度為10°，所以將原設計入土角9°更改為10°，以便于我們施工設備的順利施工。

⑵原設計出土角為7°，考慮到由于管線比較大，而且是兩管同拖，如果出土角度偏大的話，在管線回拖的過程中管線的入洞將會非常的困難，而且管線在擺放過程中的難度也非常困難，所以將原設計出土角7°更改為4.5°。這樣對我們施工更為有利。

⑶原設計曲率半徑為1220（0.813×1500），由于設計時是考慮主管與光纜管是分開施工的，所以曲率半徑的取值為1220。但是由于施工現場兩邊都有一根正在使用的原輸油管線，已經沒有條件將主管與光纜管分開施工，所以將原設計的曲率半徑1220調整為1390，即（0.813+0.114）×1500。

優化后施工穿越曲線剖面設計示意圖

2、保證導向孔施工曲線滿足施工要求的措施

⑴保證鉆機就位方位與設計管線中心線重合的措施。

鉆機就位前，用測量儀器(如經緯儀)放出管線穿越中心線，根據穿越入土角、鉆機自身尺寸(車長、車寬、輪距等)等參數計算出鉆機就位的精確位置，并用白灰或用線繩予以標記，并以此標記作為鉆機就位的依據。在鉆機就位過程中，除了利用白灰或線繩標記作為就位的標準外，就位過程中還要用測量儀器測量鉆機就位偏差，經計算鉆機就位方位相對于管線中心線的角度偏差如超過0.1°時，需根據偏左偏右情況重新調整鉆機，經多次就位-測量-調整-再測量，直到偏差控制在0.1°范圍內。鉆機就位后，計算出精確的偏差數值，在開始鉆導向孔時及時設置好軟件的計算參數，調整偏差，保證導向孔軌跡與設計穿越曲線重合。

⑵外部磁場對方位角的影響及控制措施

根據現場確定的外部磁場的位置，在鉆孔時，探測器到達外部磁場前，鉆孔方向不能出現過大的左右偏移量，保持實際方位角與控向方位角的偏差在允許的范圍內，在進入外部磁場時，實際方位角發生變化，此時的方位角與控向方位角不同，鉆進時暫不考慮干擾后的方位角而直接按直線鉆進，在進行數據測量時，根據控向工具面的位置輸入與控向方位角接近的方位角。鉆頭穿越過磁場干擾區后，計算機控向數據恢復正常，此時導向孔軌跡與設計穿越曲線偏差應當在許可范圍內，萬一兩者偏差較大，首先計算出實際偏差量，然后將經過磁場干擾區的鉆桿抽出后重新鉆進進行偏差調整。在已知偏差量的情況下進行調整是很容易的，通過調整消除磁場影響，使導向孔軌跡與設計穿越曲線重合。

⑶采用人工磁場

鉆機控向系統是依靠地磁場進行方位控制，通過鉆頭后面的探棒將導向孔參數傳輸到計算機。地磁場容易受到地下管線、地下電纜、地面高壓線等金屬構件的干擾，從而造成控向參數不準確。人工磁場是在穿越中心線兩側布設的閉合線圈，布設簡單方便，在施工中既經經濟又有效，其優點是它不受外部磁場的干擾，可以準確無誤的將鉆孔數據反映出來，當探頭到達此閉合的線圈區域內,接通直流電源產生磁場,通過人工磁場可以測得穿越軸線的左右偏移和穿越標高。通過人工磁場與地磁場左右偏差的比較,可以確定目前鉆頭方位角,從而確定下一根鉆桿的行進方位。由于人工磁場在地磁場受干擾的情況下可以提供準確的管線穿越方位角，在地磁場不受干擾的情況下可以校正控向方位角的正確性，從而能夠很好的控制導向孔與設計穿越曲線偏移，并能保證穿越曲線的平滑性。

⑷控制人為因素造成導向孔軌跡與設計穿越曲線偏差的措施

開工前，加強對控向人員與司鉆操作人員的技術交底，提高工作人員的素質，加強控向人員與司鉆人員相互間的配合，司鉆人員以控向人員的指令為準，按照指令進行操作，防止人為操作導致鉆孔出現偏移設計曲線?？叵蛉藛T應嚴格按照設計曲線計算每次傾角的調整度數，認真掌握并注意穿越過程中的軌跡變化，通過軌跡變化確定控向方向的變化。從而控制導向孔軌跡與設計穿越曲線的偏移。

3、擴孔器的配置

對于φ813mm主輸油管與φ114mm光纜管套管的穿越施工。根據穿越擴孔的要求：擴孔直徑達到管徑的1.3-1.5倍，每級擴孔相差6＂-15＂；按照我們以前的施工情況，正常的預擴孔是按每級擴孔級差為6＂，如果按以前的施工方法，需要采用桶式擴孔器擴6次孔（18″、24″、30″、36″、42″、48″），最后再用42″擴孔器清孔一次。而根據地質報告描述，此次定向鉆穿越的主要地層是泥巖、為保證最佳的成孔質量及工期要求，擬定采用φ18″、φ24″、φ30″、φ36＂、φ42″、φ48″板式和桶式相結合的三級擴孔、兩次清孔使用，以減小擴孔扭矩和提高成孔質量，同時保證擴孔過程中孔徑曲線不偏離導向孔曲線，先后逐級擴孔，最后擴孔直徑達1.3倍。

三級擴孔級配：

第一級擴孔：采用φ24″板式擴孔器；

第二級擴孔：采用φ36″板式擴孔器+φ18″桶式擴孔器；

第三級擴孔：采用φ48″板式擴孔器+φ30″桶式擴孔器；

兩次清孔級配：

第一次采用φ42″桶式擴孔器；

第二次采用φ48″桶式擴孔器；

板式擴孔器及桶式擴孔器形狀見下圖所示。

采用上述的擴孔器配置，尺寸小的桶式擴孔器主要起的作用是保證擴孔后的管道曲線沿導向孔曲線前進擴孔，同時將上一級擴孔過程中切削下來的泥塊進行粉碎，保證與泥漿充分溶解；而尺寸大的板式擴孔器的主要作用是將孔徑擴大，也就是擴孔。通過試驗證明，此種擴孔器的配置，對于泥巖地層中施工能很好的減小擴孔扭矩，同時保證成孔質量。

4、泥漿配置

應根據地質及時調整泥漿配比，泥漿性能取決于其成分配方，它可以潤滑鉆頭減少磨損，可以軟化地層易于鉆進，同時攜帶鉆屑返回工作坑，可以在回擴過程中穩定孔壁，可以在回擴和拖管時潤滑管道，其性能的好壞，直接影響最終管線穿越的成功。穿越泥巖應調整泥漿添加劑，改變泥漿的流變性，提高剪切力，增加泥漿的攜帶性能，使泥漿克服“泥抱鉆”的施工現象，從而使鉆進產生的阻力減小，并使鉆出的孔徑暢通無阻，順利完成推力、扭力的傳遞，有力的保障了下道工序的進行。

在本工程穿越工程施工前，泥漿師要根據本工程的地層的特點、結構及土壤分類進行泥漿的配方研究，提出了對于本工程的地質情況，應盡量減少鉆進液對地層滲水，也就是降低泥漿的失水量以及增強井壁的巖土的抗水敏性，抑制分散是最為關鍵的問題。從泥漿失水量影響因素的分析和對巖土的水化性分析可以歸納出針對泥巖地層配制泥漿時的幾個要點：

⑴選優質土。由于水化效果好，粘土顆粒吸附了較厚的水化膜，泥漿體系中的額自由水量大大減少，所以優質土泥漿的失水量遠低于劣質土的。

⑵采用“粗分散”方法。使粘土顆粒適度絮凝，而非高度分散，從而使井壁巖土的分散性減弱，保持一定的穩定性。

⑶添加降水劑。Na-CMC、PAM等降水劑通過增加水化膜厚度、增大滲透阻力、起井壁網架隔膜作等，可使失水量明顯減少。

⑷提高基液粘度。泥漿中的“自由水”實際上是濾向地層的基漿，其粘度愈高，向地層中滲濾的速率就愈低。

⑸調整泥漿比重，平衡地層壓力。井眼中液體壓力與地層中的流體的壓力差是泥漿失水的動力，盡可能減少壓力差，維持平衡鉆進是降失水的有效措施。

泥漿的配置在整個施工過程中并不是一成不變的，要根據具體的施工情況進行調整。具體調整的主要是根據孔道中返出的泥漿的性能進行調整。

四、結束語

在本工程的施工過程中，通過采用以上的技術措施后，在工期和成本方面均取得了很好的效果。

1、科學的施工組織管理，能夠提高工作效率，縮短施工工期，有效地控制施工進度，實現施工工期短的優勢。

2、科學的施工技術方案是確保施工成功關鍵，可以減少施工材料的消耗，降低施工成本，取得較好經濟效益，實現成本低的優勢。