砂泥巖交互破碎巖層定向鉆穿越

胡安鑫，葉文建，陳仕清，李良均，易云兵

1.四川科宏石油天然氣工程有限公司，四川成都610213

2.四川石油天然氣建設(shè)工程有限責任公司，四川成都610213

砂泥巖交互破碎巖層定向鉆穿越

胡安鑫1，葉文建2，陳仕清1，李良均1，易云兵1

1.四川科宏石油天然氣工程有限公司，四川成都610213

2.四川石油天然氣建設(shè)工程有限責任公司，四川成都610213

中貴線瓊江河定向鉆穿越地層主要為泥巖和砂巖，巖體較為破碎，定向鉆穿越施工將遇到漏漿、卡鉆等一系列難題。通過在施工圖設(shè)計階段應用物探和鉆探相結(jié)合的方法探明了地層，以及在導向孔鉆進及擴孔過程中采取隨鉆堵漏、套洗解卡等有效措施，成功地解決了工程難題，使管道一次回拖成功。著重介紹了穿越斷面的地質(zhì)情況及穿越設(shè)計，光纜導向孔的鉆進，主管導向孔的鉆進、擴孔及洗孔、回拖等主要施工過程，最后介紹了擴孔器的選擇、泥漿的配備、卡鉆的解卡等施工經(jīng)驗。

破碎巖層；定向鉆穿越；鉆探；物探；漏漿及堵漏；卡鉆及解卡

中衛(wèi)-貴陽聯(lián)絡(luò)線工程（簡稱中貴線）第5標段瓊江河定向鉆穿越位于重慶市銅梁縣境內(nèi)，為控制性工程。穿越場區(qū)位于四川盆地東南部，地形主要以淺丘和低山為主，穿越處河道寬約90 m，常年水深10～12 m，設(shè)計沖刷深度1.5 m。

瓊江河定向鉆穿越工程等級為大型，穿越斷面包括瓊江河及河南岸的山體。此段管道規(guī)格為D 1 016 mm×22.9 mm直縫埋弧焊鋼管，管道材質(zhì)X80，穿越長度1 016 m。與主管道平行間距10 m敷設(shè)了1條D 114 mm×6.4 mm硅芯管套管。

1 穿越斷面地質(zhì)情況與穿越設(shè)計

穿越斷面主要地層為不等厚互層的砂巖、泥巖，地層構(gòu)造主要以單斜地層為主，巖層接觸關(guān)系為角度不整合，產(chǎn)狀為330°∠8°。局部巖體破碎，裂隙發(fā)育，裂隙傾角范圍25°～62°，閉合，無充填。破碎巖芯多呈碎塊狀、短柱狀、柱狀，巖石質(zhì)量較差，穿越斷面大部分巖石抗壓強度20～60 MPa，RQD（巖石質(zhì)量指標）平均值35%～65%，最小值為8%。采用瞬變電磁法和高密度電法相結(jié)合的物探方法對穿越斷面河床及兩岸附近區(qū)域進行探察，并結(jié)合勘察報告和鉆孔巖芯數(shù)據(jù)，推測在距入土點240～350 m，450～550 m及距離出土點30～180 m附近區(qū)域為極為破碎巖層，見圖1。根據(jù)以上地質(zhì)情況，設(shè)計了如圖2所示的穿越曲線[1]。

圖1 水面順河道方向物探剖面解譯圖

圖2 穿越斷面示意

2 主要施工過程

2.1 光纜導向孔鉆進

導向孔鉆進過程采用5-1/2 in（139.7 mm）鉆桿，泥漿黏度控制在50～70 s，pH值控制在8～9左右，泥漿濾失量控制在15 mL以內(nèi)，泥漿排量控制在0.8 m3/min以上。使用的主要泥漿材料為5%～7%的鈉基膨潤土，0.3%～0.5%的高黏CMC，0.2%～0.4%的純堿。導向孔鉆進過程中出現(xiàn)了泥漿滲漏現(xiàn)象，導向孔完成后回拖D 114 mm光纜套管。

2.2 主管道導向孔鉆進

主管導向孔鉆進過程出現(xiàn)較為嚴重的漏漿，通過比較分析水玻璃堵漏、水泥漿堵漏及采取橋塞堵漏后，確定采取橋塞隨鉆堵漏方案進行堵漏作業(yè)，并采用超過70 s的泥漿完成了導向孔的鉆進。

2.3 擴孔及洗孔

為了減小每級擴孔器的切屑量，采取加快擴孔速度的方式，盡可能消除臺階的形成，確保擴孔器通過破碎地段的施工安全，共采用了11級擴孔。

（1）第1級擴孔（孔徑達400 mm）。第1級擴孔采用牙輪擴孔器進行擴孔，泥漿黏度70 s以上，并在泥漿中添加了橋塞堵漏材料對漏點進行封堵。當?shù)?級擴孔至距離出土點約130 m時，出現(xiàn)了嚴重卡鉆，通過調(diào)整泥漿排量、鉆機轉(zhuǎn)速等措施均無法完成解卡，泥漿壓力偶爾超過5 MPa。

推測卡鉆的原因：由于地層巖體破碎和泥漿滲漏，造成了孔內(nèi)無泥漿支撐，從而導致塌落的片狀巖塊卡在鉆桿的接頭部位。

解卡措施：入土端用200 t鉆機下D232 mm× 9 mm鋼套管450 m，出土端用400 t鉆機牽引鉆桿實施解卡施救作業(yè)，將卡在孔內(nèi)的鉆桿和第一級擴孔器打撈出洞。

（2）第2到8級擴孔（孔徑達1 120 mm）。在第1級擴孔過程中，橋塞堵漏材料通過泥漿泵時，常造成泥漿泵底閥被堵漏材料堵塞，導致泥漿泵損壞的情況發(fā)生。在后幾級的擴孔過程中，改用鉆屑和大排量高黏度的泥漿進行隨鉆堵漏。

第1級至第7級擴孔均采用修復的牙輪式擴孔器進行擴孔，最大擴孔級差不超過100 mm，要求擴孔扭矩控制在2 500 psi（1 psi=6.896 kPa）以內(nèi)，擴孔拉力控制在2 000 psi以下，擴孔轉(zhuǎn)速≤25 r/min，防止擴孔器被卡死。

在進行第8級擴孔施工時，當擴進至距出土點100 m位置時，出現(xiàn)嚴重卡鉆情況，擴孔器退出后發(fā)現(xiàn)有2個牙輪從掌背中部斷裂，造成擴孔器無法繼續(xù)鉆進，施救采用D 900 mm的打撈桶進行打撈作業(yè)，將斷落在孔內(nèi)的牙輪打撈出洞。

（3）第9至11級擴孔及洗孔（孔徑達1 420mm）。由于擴孔直徑的增大，擴孔扭矩增加，擴孔周期延長，牙輪擴孔器經(jīng)過長時間的磨損容易出現(xiàn)牙輪脫落造成孔內(nèi)事故。因此在后期擴孔時采用滾刀式擴孔器擴孔，以確保擴孔安全。第9級擴孔先采用D1 270 mm滾刀式擴孔器擴孔，擴孔完成后再采用D1 300 mm牙輪擴孔器進行洗孔作業(yè)。第10級擴孔采用D1 370 mm滾刀式擴孔器擴孔，并采用D 1 300、1 420 mm牙輪擴孔器進行洗孔作業(yè)。第11級擴孔采用D1 200 mm扶正器+D1 420 mm牙輪擴孔器進行擴孔。

2.4 回拖

為了減小回拖的風險，采用5-1/2 in鉆桿+D 1 200 mm牙輪擴孔器+200 t分動器+卸扣+38 m D 1 016 mm鋼管進行試回拖，試回拖采用的泥漿黏度在60 s左右，泥漿排量控制在0.8 m3/min左右，試回拖過程進展順利。

主管道回拖采用5-1/2 in鉆桿+D 1 200 mm牙輪擴孔器+400 t分動器+卸扣+D 1 016 mm過渡管6 m+卸扣+D 1 016 mm主管，主管回拖一次成功。

3 施工經(jīng)驗

3.1 擴孔器選擇

由于滾刀式擴孔器采用的滾刀直徑大，數(shù)量少，旋轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，振動較大，對不穩(wěn)定地層的破壞作用較大；另外滾刀采用錐形齒，牙齒較淺，切屑效率低，遇到泥巖時容易形成泥包鉆具，施工速度較慢，擴孔器在出現(xiàn)卡鉆時進退較困難，因此，對于穿越長度在1 000 m以內(nèi)的較軟地層（抗壓強度60 MPa以內(nèi)），宜采用牙輪式擴孔器進行擴孔，而滾刀式擴孔器宜用于巖石抗壓強度超過60 MPa以上的地層。

3.2 泥漿配備

完備泥漿性能檢測儀器和配備專業(yè)的泥漿工程師，以便施工過程中能夠及時檢測泥漿性能，并根據(jù)鉆進參數(shù)適時調(diào)整泥漿性能和泥漿供給參數(shù)，確保擴孔過程安全和提高擴孔速度[2]。

3.3 卡鉆

在導向孔鉆進過程中，為了防止卡鉆，可加大泥漿排量，并來回抽送鉆桿，以便提高泥漿的流動性和洗孔，并防止出現(xiàn)泥包鉆具情況發(fā)生，這樣直到扭矩平穩(wěn)以后，再繼續(xù)鉆進。同時嚴格控制擴孔扭矩，防止擴孔器被卡死無法轉(zhuǎn)動。如果出現(xiàn)卡鉆，需要向后退出擴孔器時，入土端和出土端應保持信息暢通，密切注意鉆桿的移動情況，防止在擴孔器退出過程中鉆桿彎曲斷裂[3-4]。常見的卡鉆和解卡措施如下：

（1）對于擴孔器卡鉆，可采取出土點鉆機旋轉(zhuǎn)拖拉，入土點滑輪組反向回拖的方法。滑輪組產(chǎn)生的回拖力應小于鉆桿的最大抗拉強度。

（2）對于沉砂卡鉆及鉆桿卡鉆，可采取內(nèi)直徑比鉆桿大100 mm以內(nèi)的鋼套管進行套洗施救的方法。實施套洗施救的鋼套管長度不宜大于500 m。

（3）對于鉆遇破碎帶時，因孔壁塌孔造成擴孔器卡在孔內(nèi)的情況，可采用小一級的擴孔器進行清孔的方法解卡。

3.4 回拖

在大口徑管道回拖前，先采用同直徑管道進行試回拖，試回拖管道的長度不宜短于30 m，以檢驗孔道是否平滑順直和滿足管道回拖要求。主管道回拖時應增拖6 m長的同直徑過渡管，以增加回拖主管道時管頭的自由度。

4 結(jié)束語

中貴線瓊江河定向鉆穿越地層主要為泥巖、砂巖，巖體較為破碎，在施工圖設(shè)計階段應用物探、鉆探相結(jié)合的勘察方法探明了地層；在導向孔鉆進及擴孔過程中遇到了漏漿、卡鉆等一系列問題，通過采取隨鉆堵漏、套洗解卡等一系列有效的措施，使工程得以順利推進，最后管道一次回拖成功，為類似工程的設(shè)計和施工積累了經(jīng)驗。

[1]曾強，陳杰，亢會明，等.油氣管道定向鉆穿越勘察設(shè)計和施工中存在的問題及對策[J].石油工程建設(shè)，2012，38（1）：29-32.

[2]蔡亮學，何利民，呂宇玲，等.水平定向鉆穿越方案設(shè)計方法研究[J].石油工程建設(shè)，2010，36（2）：1-4.

[3]徐向陽，許明武，楊菲.珠三角地區(qū)河流定向鉆穿越設(shè)計施工問題探討[J].石油工程建設(shè)，2012，38（4）：34-35.

[4]陳靜，潘攀，王紅麗，等.油氣管道河流定向鉆穿越設(shè)計存在的問題及對策探討[J].石油工程建設(shè)，2014，40（5）：35-38.

DirectionalDrilling Crossing Staggered Fractured RockyStrata

HU Anxin1，YE Wenjian2，CHEN Shiqing1，LILiangjun1，YIYunbing1
1.Sichuan Kehong Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610213，China
2.Sichuan Petroleum Construction Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610213，China

The strata where Zhong-Gui Pipeline crossing Qiongjiang River by diretional drilling consist of mudstone and sandstone mainly.Owing to the fractured rock，directional drilling construction will face a series of problems such as mud leakage and drill bit stuck.To solve these problems，the combined geophysical exploration and drilling method is applied to explore the strata；the measures such as plugging leakage along with drilling and releasing drill bit stuck by washover are taken in pilot hole drilling and hole expanding.Therefore，the pipeline pullback succeeds once.This paper illustrates the geological condition of crossing profile，crossing construction design，and main construction procedures including pilot hole drilling for fiber optic cable，and pilot hole drilling，hole expanding and cleaning，and pullback for main pipeline.Finally，it introduces the construction experience involving hole expender selection，mud preparation and drillbit stuck releasing.

fractured rock layer；directional drilling crossing；geophysical exploration；mud leakage and plugging；drill bit stuck and releasing

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.06.016

胡安鑫（1984-），男，四川宜賓人，工程師，2007年畢業(yè)于西南石油大學油氣儲運專業(yè)，現(xiàn)從事管道線路及穿跨越設(shè)計工作。

2015-05-02