水平定向鉆穿越長距離含姜石軟塑膠粘土層技術研究

王丙奎

摘 要：結合中石化重點工程日照一儀征原油管道工程水平定向鉆穿越京杭運河膠粘土層的工程實例，重點說明新的泥漿體系對此類地層穿越的作用，具體闡述了保證施工順利進行采取的措施。

關鍵詞：水平定向鉆 膠粘土 泥漿

中圖分類號：P634.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）02（c）-00-02

雖然近幾年水平定向鉆穿越技術發展迅速，穿越紀錄不斷被打破，但穿越長距離含姜石軟塑膠粘土地層，其成孔困難、易坍塌、扭矩壓力大、鉆具磨損嚴重等問題一直無法得到有效解決。在此類地層中進行水平定向鉆穿越風險極大，難度極高。該文結合中石化日照至儀征原油管道工程淮安Ⅲ段京杭大運河定向鉆穿越工程施工經驗，介紹該地層下穿越施工技術。其穿越主要地層為含20%姜石（粒徑1～3 cm）軟塑的膠粘土層。

1 工程概況

1.1 工程簡介

淮安Ⅲ段京杭大運河定向鉆穿越工程穿越管徑Ф914×15.9，管線水平長度911.2 m，定向鉆穿越實長913.5 m，穿越段管線的最大埋深為20.9 m。施工選用DD-1100 500T定向鉆機及配套設備。

1.2 地質概述

據地質報告顯示，穿越段地層只有約5 m多的土層，5 m以下均為含20%姜石（粒徑1～3 cm）軟塑的膠粘土層，此類地層穿越長度約為816 m。

2 施工特點

2.1 含姜石軟塑膠粘土層的工程地質特性

膠粘土俗稱橡皮土，是含水量過多的粘土因土中的孔隙水不能排出形成軟塑狀土層的現象。其形態與嚼過的口香糖類似，附在物體表面后難以剝離，遇水粘爛，土性軟粘易回彈。姜石也是定向鉆穿越施工中的一種復雜地質類型，為鈣質結核，是沉積巖中與圍巖成分有明顯區別的某種礦物質團塊，其形態有球狀、卵狀及不規則狀等。

該類型地質是定向鉆穿越施工中的難點，通常出現在河床底部。

2.2 定向鉆在含姜石軟塑膠粘土地層中作業存在的問題

（1）在該地層條件下成孔，會遇到被切削下來的鉆屑未能有效地被帶出孔洞或離散在泥漿里，導向孔無法達到光滑而形成“爛孔”，不利于后續工序的進行。

（2）粘附在鉆具和鉆桿上的膠粘土若不及時處理，粘豁效應越來越強，嚴重時會結成厚厚的包裹層，大量消耗扭矩，造成無法成孔甚至停工。

（3）地層中含有姜石，在鉆導向孔的過程中，由于姜石質地堅硬，故而對鉆具的消耗較大，頂進過程艱難，導向鉆頭特別容易偏離設計的方向。

3 施工中遇到問題

（1）導向孔穿越施工至最后約100 m準備出土時，鉆桿幾近粘住，此時鉆機已達最大旋轉壓力，而鉆桿幾乎不轉，推進力無限接近鉆桿最大承受力。后采取回抽數根鉆桿，每根費時45 min到1 h，盡管通過再次鉆進僥幸打通導向孔，但長時間、高負荷運轉給設備造成了極大損耗。究其原因是施工中切削的粘土遇水膨脹，泥漿粘度大幅增加，降低了泥漿流速，致使孔道內鉆屑未能及時帶出孔洞，并粘附在鉆具和鉆桿上，粘豁效應越來越強，嚴重時結成厚厚的包裹層，大量消耗扭矩，甚至導致卡鉆。

（2）32英寸切擴器經過膠粘土（含20%粒徑1～3 cm姜石）地層時，鉆機扭矩壓力一直居高不下，造成鉆桿、鉆具多次被“抱死”。當32英寸切擴器擴孔至約380 m處時，鉆機扭矩壓力最大達到4500 Psi，拉力最大到350 t時，鉆桿卡鉆，無法前進和后退?？ㄣ@后立即停止鉆機的運轉，防止損傷設備。

制定應急方案，解決鉆桿卡鉆問題：

①入土側使用DD-1100 500T定向鉆機鉆機套洗鉆桿2次，出土側調用280T鉆機進場套洗鉆桿。

②修筑鋼管混凝土地錨，利用動滑輪組與卷揚機回拉被卡鉆桿、鉆具。

雖然利用卡鉆應急保障措施，成功的解救出被卡于地層內的鉆桿、鉆具，避免了重大損失。但是，因為地質性質，同樣的工程問題，還會再次出現。在擴孔、洗孔施工環節，所遭遇的工程問題有。

①鉆機扭矩壓力過大（約2000 ～

4000 Psi）。

②地面鉆桿無法正常卸扣。

③地下鉆桿、鉆具多次被“抱死”，直至卡鉆。

④擴孔器磨損嚴重。

⑤回流的泥漿量小。

（3）擴孔器卡鉆的原因

①膠粘土形成的粘豁效應，消耗了大量的扭矩能量。

②通過對回拖出孔洞的32英寸擴孔器觀察，發現其攜帶的物質為膠粘土包裹著姜石，并且主要堆集在擴孔器的前面，從而使鉆機的扭矩壓力過大，造成卡鉆。

4 改進泥漿體系

考慮膠粘土遇水膨脹，水敏性強的特點，認為如何使泥漿能很好的抑制膠粘土分散，避免土層自身造漿，是當前面臨的最大困難。應對膠粘土，考慮其遇水容易膨脹的特性，要求配置泥漿時保持中低粘度，以增強泥漿流變性，易于鉆進，并將沿途碎屑導出孔外并在孔壁上形成泥皮，穩定孔壁，以便回擴。但針對含量20%的姜石，中低粘度的泥漿不能滿足使破碎的姜石懸浮并帶出孔洞的要求，這本身就與姜石地質定向鉆穿越配制高粘度泥漿自相矛盾，那么如何保證泥漿的中低粘度的同時，又能很好的攜帶鉆屑（含姜石），成為京杭大運河定向鉆穿越成敗的關鍵所在。

4.1 制定適宜含姜石膠粘土地層的泥漿配比方案

結合前期的施工經驗，總結出與含姜石軟塑膠粘土地層相適宜的泥漿體系應具備如下功能。

（1）抑制鉆屑（膠粘土）分散，控制泥漿粘度，避免鉆桿“抱死”。

（2）優異的流變性，便于及時攜帶出鉆屑。

（3）膠粘度強，具備碎屑的支撐、懸浮和運載能力。

（4）支持鉆頭切削時粘土分散及造壁顆粒形成。

（5）濾失量低，泥餅薄且堅韌、光滑，避免縮孔、塌方。

結合此段穿越地層膠粘土水敏性強、地層本身造漿嚴重的特點，決定放棄以往泥漿以水中加膨潤土的配比方法，采用以水為分散介質，輔以化學泥漿添加劑的泥漿配比方案。

根據泥漿功能要求，決定采用以強力包被劑COATER為主，輔以純堿（Na2CO3）、正電膠（MMH）、羧甲基纖維素（CMC）及潤滑劑（HL-1）等為輔助處理劑的泥漿

體系。

各輔助處理劑在新的泥漿體系中所起到的主要作用。

⑴強力包被劑（COATER）：抑制鉆屑分散，控制坂土含量，吸附鉆屑。

⑵碳酸鈉（Na2CO3）：支持粘土分散以提供造壁顆粒。

⑶ 正電膠（MMH）：固-液雙重性及穩定孔壁。

⑷羧甲基纖維素（CMC）：降低濾失量，提高攜帶能力。

⑸潤滑劑（HL-1）：吸附在孔壁和鉆具表面，提高泥漿的潤滑效果。

新的泥漿體系正是在各輔助處理劑的有機結合下，有效的解決了膠粘土和姜石對于泥漿性能（粘度）要求不同的矛盾，從綜合功效上滿足了含姜石軟塑膠粘土地層的要求。采用高粘羧甲基纖維素（CMC）來提高泥漿的粘、切性，從而改善泥漿攜帶姜石的能力，同時作為降低泥漿濾失量的主要處理劑。因為采用強力包被劑（COATER）作為包被劑，降低鉆屑分散程度，使泥漿的粘土含量很低，確保泥漿具有優異的流變性，達到及時攜帶出鉆屑的功能。

考慮膠粘土地層水敏性較強，依靠碳酸鈉（Na2CO3）提供造壁顆粒，依托正電膠（MMH）穩定孔壁的特性，有效的防止了孔壁的坍塌或變形。參考前階段擴孔期間鉆桿多次出現“抱死”現象，通過添加潤滑劑（HL-1），降低鉆桿被“抱死”概率。

4.2 現場處理要點

這套泥漿體系的關鍵就是泥漿預處理，預處理的成功與否是以后順利維護泥漿性能的基礎。

（1）預處理前的泥漿密度必須控制在1.1g/cm3 以內。

（2）泥漿中的強力包被劑（COATER）含量以0.3%為好。另外根據實際需要加入足夠量的降濾失、提粘、防塌、潤滑等輔助處理劑。

（3）隨時檢測泥漿中的強力包被劑含量，始終保證泥漿濾液中至少含有0.1%的強力包被劑。

（4）一般以1 kg/m的量進行維護，視地層的造漿性可適當增減。

4.3 隨時檢測泥漿濾液中的強力包被劑（COATER）含量的重要性

該泥漿體系維護起來最重要的一點是：隨時檢測泥漿濾液中的強力包被劑的含量。因為強力包被劑對粘土具有非常強的吸附作用，正是如此強的吸附作用才使強力包被劑產生了非常理想的包被作用，這種包被作用的結果是使被鉆頭破碎的鉆屑基本保持原始狀態被泥漿攜帶到地面而被有效地清除掉，從而保持泥漿性能的穩定，使以往的被動性調整泥漿變為主動處理，這也是這套泥漿體系的性能控制主線。

正是強力包被劑的這種作用，所以它是不斷地被消耗掉的，因為膠粘土地層中蒙脫石的含量越高，地層的造漿性越強，強力包被劑被消耗的速度越快，所以要保障不斷地進行補充和維護。

理論上講，只要泥漿濾液中存在強力包被劑，就證明泥漿中的鉆屑是被強力包被劑進行了飽和性包被的，否則濾液中就不會有強力包被劑的存在。

4.4 新泥漿體系應用記錄

2010年12月11日，淮安Ⅲ段京杭大運河定向鉆穿越工程擴孔環節恢復進程，采用鉆桿帶噴漿頭進行孔洞內泥漿置換，新的泥漿體系正式投入應用。

擴孔過程中，時刻觀察返漿情況。動塑比高，泥漿粘度低，性能穩定，濾失量得到較好控制。泥餅質量好，泥漿中固相含量低，且鉆機扭矩壓力有明顯下降，在最大一級（54英寸）擴孔過程中，扭矩壓力最大僅為3200 Psi，從而證明新的泥漿體系發揮了功效，解決了含姜石軟塑膠粘土地層的施工難題，保證了穿越工程的順利

進行。

5 結語

在施工中，面對穿越介質含姜石軟塑膠粘土層的特殊工程地質性質，在無任何工程經驗可借鑒的前提下，針對各個施工環節中出現的問題，對地層特性、施工設備本身、技術工藝進行科學分析，開發并成功應用適應含姜石軟塑膠粘土層的泥漿體系是保障工程順利進行的關鍵所在。在施工中，逐漸了解并掌握了含姜石軟塑膠粘土層的特性，形成了水平定向鉆穿越含姜石軟塑膠粘土層的技術體系，填補了國內在該領域的技術空白。日儀原油管道工程建設中，與京杭大運河定向鉆穿越地質相同的淮沭河（東、西）及蘇北灌溉總渠穿越施工過程中，借鑒京杭大運河穿越成功經驗，施工過程中應用新的泥漿體系，有效的加快施工進度，同時在保證穿越施工質量的前提下，順利完成定向鉆穿越施工任務，大大縮短了施工周期，節約了工程投資，取得了較好的經濟效果。

參考文獻

[1] 劉雷.卵石地層中水平定向鉆進施工技術.非開挖技術[J].2011（6）：21-

23.