油氣管道定向鉆穿越勘察設計和施工中存在的問題及對策

曾 強，陳 杰，亢會明，康 勝

（中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川成都 610017）

油氣管道定向鉆穿越勘察設計和施工中存在的問題及對策

曾 強，陳 杰，亢會明，康 勝

（中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川成都 610017）

文章總結了近年來國內油氣管道定向鉆穿越勘察設計存在的問題，分析了產生這些問題的原因，針對復雜工程地質條件和不良地質情況，提出了相應的對策和措施，闡述了定向鉆穿越施工中應注意的事項，從泥漿選擇、冒漿問題的處理、定向鉆穿越設備的選擇、施工順序安排、預防卡鉆及卡鉆事故處理等方面探討了保證管道定向鉆穿越施工順利進行的措施。

油氣管道；定向鉆穿越；勘察；設計；存在問題；應對措施

從20世紀80年代初第一臺RB5型鉆機引入我國，定向鉆穿越方式已經在西氣東輸、西氣東輸二線、西氣東輸冀寧聯絡線、杭寧線、川氣東送等長輸管道工程中多次成功運用，技術日益成熟，同時也出現了一些新問題。及時總結油氣管道定向鉆穿越的經驗教訓，把握定向鉆穿越的發展趨勢，對更好地運用定向鉆穿越技術為油氣管道建設服務具有重要的實際意義。

1 定向鉆穿越勘察存在的主要問題及應對措施

1.1 定向鉆穿越勘察存在的主要問題

近年來，在西氣東輸二線、蘭鄭長管道等工程的定向鉆穿越施工中出現了由于勘察資料與實際施工中遇到的地質情況有偏差而導致施工困難等問題。根據這些工程施工實踐以及補充勘察與原地質勘察資料的對比分析，發現勘察過程中主要存在的問題如下：

（1）對卵石層厚度、粒徑大小和分布范圍等認識不清。由于河床及兩岸的堆積物基本上都經歷了無數次的沖淤變化，卵石層厚度、粒徑大小及分布范圍變化大，定向鉆勘察時要求在穿越斷面上下游各15 m左右布置勘探點，單純依靠鉆探即使鉆孔間距很小也容易出現偏差。

（2）對基巖裂隙分布情況未查清。由于定向鉆穿越地段一般覆蓋層厚度較大，基巖露頭少，無法通過直觀的觀察確定裂隙性質、密度和分布規律，只能通過鉆探或其他物探手段來判斷，判定結果與鉆探取芯水平和判定者專業水平有密切聯系，故勘察結論與實際情況容易出現偏差。

（3）對巖體強度及其差異性變化規律認識不清。由于巖體本身成巖過程的不連續性和后期的差異風化作用，導致巖體強度變化幅度較大，在進行巖體取樣時未取到有代表性的巖樣，導致勘察結論與實際巖體強度情況出現偏差。

1.2 應對措施

（1）為了盡可能減小地質勘察資料與實際施工鉆進遇到的地質情況之間的偏差，提供更準確的地質勘察資料，應采取工程地質測繪、鉆探及工程物探相結合的綜合勘察方法，以盡可能查清定向鉆穿越地層情況。

（2）充分收集區域地質資料、河流水文資料，了解河床岸坡情況、河道變遷史、河床地形圖等，對已有的上下游水利工程修建、穿越工程活動等進行細致調查。

（3）勘探工作量的布置應因地制宜，不墨守成規，在勘探過程中根據實際情況適當調整鉆孔間距，若既定的鉆孔作業不能應對地層變化情況，特別是當遇到對定向鉆穿越有影響的層位，如卵石層、流砂層、碎石層或基巖裂隙發育的層位時，應縮小鉆孔間距。

（4）在工程地質條件復雜的情況下，對定向鉆入土段和出土段適當增加勘探孔數量，縮小探孔間距，并可采用地質雷達、地震勘探或高密度電法等物探手段以輔助查清定向鉆穿越斷面地層情況，尤其是影響定向鉆穿越的卵石層厚度和變化規律。

（5）在工程地質條件復雜的情況下，由于定向鉆穿越需要選擇在相對有利的層位通過，因此應重點查明擬定的定向鉆穿越設計深度上下的地層情況，為穿越層位選擇提供依據。

（6）在滿足現行規范要求的前提下，適當增加定向鉆穿越層位巖樣、土樣的取樣數量，并應注意取樣的代表性。

（7）在地質鉆探完成后必須對勘探孔進行壓力注漿封堵，避免施工過程中探孔冒漿情況的發生。

2 定向鉆穿越設計存在的問題和應對措施

2.1 穿越位置和斷面選擇存在的問題

（1）穿越斷面兩側地形起伏較大，造成定向鉆兩岸出、入土端與定向鉆江底水平段高差過大，泥漿壓力不均，從而導致冒漿、成孔質量不均。

（2）離建 （構）筑物 （尤其是大堤）距離較近，從而導致定向鉆曲線與建 （構）筑物距離不足，鉆進和擴孔過程中建 （構）筑物發生塌陷、沉降等。

2.2 穿越層位選擇存在的問題

從近年來定向鉆施工情況來看，定向鉆穿越設計有時選擇的地層不合理，對于大段不良地層如流沙、粗砂、砂卵石層、軟硬不均段或變異系數過大的巖石段等未充分考慮避讓，導致定向鉆施工難度加大或失敗。

（1）流沙層由于富含飽和水，流動性和蠕變性強，成孔難度大，失水后常常造成在擴孔過程中孔壁塌陷或難以成孔。如陜京二線榆溪河穿越在出土端遇到較長流沙段，施工未能有效成孔，回拖發生塌孔致流沙覆蓋管道，最終采用開挖方式將最后一段管道挖出接長后方過河。

（2）粗砂地層由于砂粒較粗，其黏性土含量低或不含黏性土，土壤內聚力極小甚至為零，成孔難度很大，尤其隨著管道直徑增加，擴孔直徑也增加，其成孔難度更大。如西氣東輸二線渭河穿越，部分地段擴孔扭矩非常大，擴孔速度緩慢，特別在1 422 mm （56 in）擴孔中擴至第104根鉆桿時鉆桿突然斷裂，后由于解卡失敗，孔道報廢，渭河主河槽穿越失敗。分析認為，因穿越地層主要為中粗砂，大直徑擴孔時導致孔洞塌陷，對鉆桿和擴孔器進行包覆，導致鉆桿因扭矩過大而斷裂。

（3）砂卵石地層為定向鉆穿越中最難以成孔和通過的地層，砂卵石地層由于卵石分布不均，且卵石強度偏高，鉆進過程無法有效控制精度，成孔難度大，極易出現坍塌和卡鉆現象，原則上應避免通過該地層，如無法避免，則應采取技術措施進行處理。西南油氣田公司北內環輸氣管道工程渠江定向鉆穿越，穿越厚約1.5 m的砂卵石層，砂卵石粒徑雖小于5 cm，但由于未采取技術措施，且鉆進遇阻時強行前進，導致卵石進入孔洞卡住鉆桿，結果鉆進時發生卡鉆情況，最后采用開挖該卵石層的方法才使得定向鉆施工繼續進行。

（4）對于軟硬不均地層，特別是基巖巖性差別較大、基巖傾角大的地層，大直徑擴孔過程中在軟硬交界處，易出現偏擴、狗洞等現象，導致成孔質量不均勻，同時也容易造成冒漿、地下水滲漏下降現象。例如，在南干線東段綦江定向鉆穿越中，由于大段地層性狀屬于軟硬不均且巖層傾角較大，施工擴孔過程中擴孔器在硬巖附近常常偏離原導向孔軌跡，且擴孔速度慢、擴孔器前端加強筋磨損嚴重，特別是在擴孔至600 mm以上時，成孔質量較差，效率嚴重降低。

2.3 措施和建議

（1）對于穿越位置和斷面選擇存在的問題，設計時應盡量選擇兩岸地形起伏較小的位置，降低兩岸高差；若兩岸高差確實較大，施工時應采取相應技術措施確保成孔質量，防止冒漿。同時定向鉆入土點、出土點及穿越中線應與建 （構）筑物保持一定距離。

（2）當定向鉆穿越上述不良地層時，設計時首先應該根據現場調查結果 （如采沙船、漁工以及河道資料），初步分析地層情況，同時結合區域地質構造情況，避開存在深大斷裂和有不良地層的河段。在設計曲線選擇上，應避免急彎，同時應充分考慮造斜點的位置，為避免造斜彎曲時的偏移，應盡可能選擇穩定、致密的層位作為造斜點；在斷面設計上，應盡量避開不良地層的影響，在無法避開的情況下，應合理選擇鉆進設計曲線，盡可能減小通過不良地層的長度；在地層選擇上，尤其是基巖地層，應盡可能將設計曲線置于同一穩定的傾角較小的層位。為避開以上不良地層，在條件允許的情況下，可適當考慮多曲線平緩過渡。

（3）在出、入土端附近若遇到卵石、流沙和中粗砂等，可采取以下辦法處理：

a.開挖換填法。采用開挖的方式將兩岸所要穿越的卵石層或流沙、中粗砂等挖除，回填一種更適合定向鉆的土質，然后再進行鉆孔和回拖。此法比其他技術措施工程量大，但是風險最小。該方法主要適用于砂卵石、流沙等及上面覆蓋層厚度在15 m以下、地下水位較低的情況。如果砂卵石及上面覆蓋層厚度在15 m以上，地下水位較高，則大開挖施工工程量巨大且難度很大。

b.下套管法。采用套管隔離卵石層的方法穿越卵石層，即將套管沿一定角度頂進，將卵石層隔離，并用泥漿或其他措施把套管內的卵石置換出來。下套管法對定向鉆控向技術的精度要求較高。

c.注漿固化法。采用水泥砂漿注漿的方法，使卵石層固化成一個整體，用穿越巖石層的方法穿越固化層。此方法的風險在于固化土體會使穿越地層的強度過大，導致鉆頭鉆進困難，且注漿后對周圍環境影響較大。

實踐證明，目前國內多采用開挖置換或夯套管的方法處理砂卵石層及流沙、中粗砂等。故建議勘察時對于含砂卵石層的地段增加探孔個數，提出準確的地層分界線。設計應根據勘察資料作出經濟合理可行的有針對性的處理措施、處理范圍以及相應的工程量等。

根據國內目前的施工實踐情況，小直徑管道定向鉆穿越對不良地層的適應性要好得多，對于大口徑管道 （DN600 mm以上）的定向鉆穿越，在通過不良地層時，設計上應進行充分論證，使用上應慎重，可對多工法 （包括隧道、頂管、盾構等）進行比選后擇優推薦。

3 定向鉆穿越施工應注意的問題和應對措施

3.1 不良地質

針對不良地質情況，施工單位應認真閱讀設計文件和勘察資料，制訂詳細的施工組織設計方案，選擇的鉆機及鉆桿應有足夠的鉆進和儲備能力。一般建議施工單位可先通過試鉆通信光纜套管獲取參數，合理匹配鉆進參數和泥漿系統參數，為主管鉆進作準備。

3.1.1 泥漿選擇

泥漿的選擇和添加劑的使用是否合理，對鉆進和擴孔起到至關重要的作用。泥漿的主要功能：一是攜帶和懸浮鉆屑，就是把鉆頭 （擴孔鉆）破碎的巖土屑從孔洞中帶出孔眼，保持孔洞暢通；二是穩定孔壁，孔壁穩定、形狀規則是優質快速鉆進的重要基礎條件；三是冷卻和沖洗鉆頭，清掃孔中（底）巖 （土）屑；四是泥漿密度能在較大的范圍內調節，以建立與地層壓力相平衡的液柱壓力，防止漏、塌、卡等地下復雜情況出現。總之，應根據每一次鉆進各個階段的地層特點、結構、鉆進措施等具體條件，正確選擇泥漿類型，采取相應合理的措施，達到優質快速鉆進的目的。

3.1.2 泥漿排量和洗孔

除了良好的泥漿配置外，合理的泥漿黏度、排量也是必不可少的因素，尤其是在遇到不良地層時，泥漿排量及清洗渣物常常是決定定向鉆成敗的關鍵。對于本文所述不良地層，一方面要注意鉆進參數和泥漿系統參數應與泥漿配比及擴孔尺寸相匹配，另一方面，合理提高護壁泥漿黏度和供給量，合理選擇性能完好的鉆擴孔器具、泥漿短節和對注參數，必要時增加擴孔量、泥漿排量和洗孔次數，以充分攜帶鉆霄，避免鉆屑沉底導致成孔質量問題。同時，可適當選擇一些新型的添加劑。如正電膠鉆井液等。

3.2 冒漿問題的處理

定向鉆施工中泥漿的漏失可能對環境、河道、堤防等造成較嚴重的不良影響，也是定向鉆施工中較常見的現象。防止冒漿主要有設計和施工兩個方面，設計上可以通過加大穿越曲線深度、延長入、出土點到大堤的距離、增大入土角等措施來減小冒漿的可能；施工中則可采取調整泥漿性能、減小鉆進壓力、添加劑堵漏、合理控制鉆進擴孔及回拖速度等手段盡量避免冒漿。

對于易漏失和冒漿地層，還可考慮選用正電膠鉆井液，該添加劑具有特殊的流變特性，靜止時具有固體特性，對于斷裂帶或裂隙發育嚴重漏失地層，在高含量膨潤土和高濃度正電膠泥漿液中加入各種橋堵劑進行堵漏，可降低通過地層裂縫的漏失量，能取得明顯的效果。

3.3 定向鉆穿越裝備

3.3.1 鉆機選型

施工單位可根據設計理論計算值或自己的計算結果、施工經驗和擁有設備的能力合理選擇鉆機，并要留有一定的安全系數和儲備能力，以保證穿越施工順利進行。對于大型 （一般穿越長度＞1500m）或特殊中型穿越，建議根據現場地形、道路等情況綜合考慮采用兩臺鉆機對鉆。

在鉆機選擇上，應根據最大回拖力進行合理選擇。目前根據規范可計算回拖力，但其系數取值變化范圍較大，實際計算后常常因設計的差異而造成回拖力差異很大。根據定向鉆鉆進機理，在管道回拖時，管道將受到摩擦阻力的作用。當孔壁穩定時，管道回拖時的摩擦阻力主要由管道的重力引起。當鉆孔孔壁不穩定時，鉆孔的上部和兩側巖土體都將對管道產生壓力。鉆孔兩側的作用力可以認為是主動土壓力。管道外表面不同位置所受巖土體的作用力因其產生的原因不同，力的大小也不相同。因此，只要求得不同位置孔壁對管道的作用力，進而求出摩擦力，就可求得回拖管道所需的回拖力。

3.3.2 鉆桿選用

施工單位可根據回拖力和扭矩設計理論計算值或自己的計算結果、配接鉆具方案、安全系數、施工經驗、現場檢測和鉆進工藝保障措施以及擁有鉆桿鉆具的規格、性能，在充分考慮安全性和儲備能力的前提下，認真論證選擇鉆桿，原則是確保施工安全可靠、萬無一失，規避穿越過程中影響孔壁穩定和施工操作的不安全因素。另外，在長距離硬巖層或粗砂層中通過時，對鉆桿的磨損特別嚴重，所有鉆桿必須堆焊耐磨帶，以保證鉆桿的壽命。

鉆桿的扭矩是定向鉆鉆進和擴孔過程中一個重要參數，對于長距離大直徑定向鉆，該項指標尤其重要，很多事故都是因為鉆桿所受扭矩過大導致其斷裂的。我們考慮建立在軸向力及扭矩作用下鉆桿最大破壞荷載、在軸向力及側向力作用下鉆桿中最大彎曲應力及臨界屈曲荷載與鉆桿接頭外徑的關系、鉆桿在鉆進過程中所受摩擦力計算的有限元模型，并對模型進行求解及分析，以期達到根據受力分析結果，為鉆桿的選擇提供理論依據的目的。

3.4 施工順序的合理安排

定向鉆施工主要包括：鉆進、擴孔和回拖三部分。施工中應嚴格注意三道工序的順序，三道工序應銜接緊密，同時還要與管道組裝、焊接、試壓等工序結合好，嚴禁出現擴孔、清孔完畢而管道還未組裝好，或發送溝、發送道還在施工等情況。

3.5 預防卡鉆及卡鉆等事故處理

施工時司鉆在操作過程中，起步、運轉、結束前應保證平穩過渡，對于較硬的地層，鉆進盡量慢一些，通過軟硬不均地層時也應減小鉆速和擴孔速度，以防止 “狗腿狀”臺階形成和卡鉆現象；同時，當出現扭矩過大的情況時，不應強行再鉆進，應及時降低速度，嚴禁強行鉆進或拖管。

對于可能出現的卡鉆，施工前應制訂必要的解卡措施預案，包括套洗解卡、反拖設備準備以及捕撈器等。

3.6 回拖中對防腐層的保護

若采用發送溝形式，應在發送溝中注水讓管道在回拖過程中漂浮起來；若采用發送道形式，應采取措施使得管道與發送道輔助結構接觸處為滾動摩擦，而不是滑動摩擦；還可考慮選用新型定向鉆保護材料，如光固化套等。

4 結束語

通過上述探討，總結了近年來國內油氣管道定向鉆穿越勘察設計的經驗教訓，針對常見的一些問題，提出了應對措施，為定向鉆穿越技術更好地服務于油氣管道建設作了有益的探討。

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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 強 （1980-），男，四川瀘州人，工程師，2003年畢業于西南石油學院，現從事油氣儲運工程設計工作。

2011-03-18；

2011-12-05