納潮河定向鉆施工中的瓶頸問題及解決措施

馬國武，馬　軍，龍志宏中國石油天然氣股份有限公司冀東油田分公司，河北唐山063200

?

納潮河定向鉆施工中的瓶頸問題及解決措施

馬國武，馬軍，龍志宏
中國石油天然氣股份有限公司冀東油田分公司，河北唐山063200

摘要：納潮河定向鉆穿越具有穿越管道數量多，穿越長度長，工期短，現場不具備施工條件地質多為砂層等特點。由于在工程施工中采用一孔三管回拖、大噸位進口定向鉆機施鉆以及提前做好定向鉆解卡應急預案等技術措施，工程從開鉆到完鉆共用21 d的時間就完成了施工任務。介紹了工程施工前與施工過程中存在的問題、解決措施及其實施過程等。工程實踐表明：該工法相對于傳統的定向鉆施工具有周期短、見效快、適用于場地狹窄受限場所等優點，但也存在風險較高，一次性投資較高的問題，有待進一步完善。

關鍵詞：油氣集輸管道；定向鉆穿越；一孔三管回拖；施工

納潮河定向鉆穿越是南堡3號構造油氣集輸干線工程能否順利完工的關鍵，冀東油田自成立以來，首次采用一孔三管回拖定向鉆技術成功穿越了納潮河，從開鉆到完鉆時間共計21 d，開創了穿越長度最長，一次穿越管道數量最多，地質條件和周圍環境較復雜，施工周期最短的定向鉆穿越先例。施工過程中創新技術的應用是穿越成功的關鍵。

1　施工前的瓶頸問題及解決措施

1.1開工前準備階段存在的困難

（1）穿越管道數量多，穿越長度長，施工工期短，穿越難度較大。在工程伊始的現場踏勘和設計交底時，對該工程的總體認識是施工難度較大：一是納潮河水面寬（穿越處約為1 000 m），實際穿越長度為1 361 m，不利于定向鉆施工；二是需要穿越1條 φ323.9 mm×8 mm的3PE防腐輸氣管道，1條φ273 mm×8 mm的黃夾克防腐輸油管道，1條φ114 mm×4 mm的3PE防腐通信光纜鋼套管，在同一個區域、同一時期穿越管道數量較多；三是整個工程的工期為45 d，按照常規的油氣管道穿越至少分別需要15 d，加上光纜鋼套管的施工時間為7 d，其中不包括設備轉場時間，相對于30 d的納潮河定向鉆工期要求來說，時間相當緊。

（2）施工現場不具備定向鉆施工的條件。根據圖紙設計和曹妃甸管委會規劃的要求，新建的φ323.9 mm×8 mm輸氣管道穿越入土點坐標（單位為m）為X = 4 324 868.758、Y = 497 757.665，出土點坐標為X = 4 323 766.365、Y = 498 556.021，其中入土點在已建LNG管道的東側約10 m位置。沿線需要與已建LNG管道交叉穿越一次，交叉點的坐標為X = 4 324 775.836、Y = 497 824.96，距入土點的距離為112 m。已建LNG管道管徑為1 016 mm，采用定向鉆施工穿越，穿越交叉點的深度為14 m，交叉穿越的垂直距離一般保證2 m以上，112 m長度之內穿越深度在16 m以上，且要安全穿越已建管道，施工的風險較大。新建的φ273 mm×8 mm的輸油管道穿越入土點坐標為X = 4 324 864.072、Y = 497 751.181，出土點坐標為X = 4 323 761.673、Y = 498 549.541，其中入土點在已建的LNG管道和中石化φ813 mm輸油管道之間（分別與兩個已建管道間距約為5 m）。φ114 mm×4 mm通信光纜鋼套管的入土點坐標為X = 4 324 864.072、Y = 497 751.187，出土點坐標為X = 4 323 738.563、Y = 498 517.631，出入土點距已建的曹南鐵路橋僅有10 m左右。綜合三條管道的出入土點位置可以看出：一是管道穿越位置位于曹南鐵路橋東側30 m之內，伴行鐵路橋鋪設，距離電氣化鐵路較近，而已建兩條管道為外加電流保護，會產生磁場，綜合起來對于定向鉆信號干擾性較大。二是管道的入土點均與已建管道位置較近，不利于場地鋪墊和鉆機位置的選擇。三是穿越管道交叉點的頻次較多，穿越風險較大。四是在φ273 mm×8 mm輸油管道和φ114 mm ×4 mm通信光纜鋼套管之間有一條φ813 mm管道伴行穿越，兩穿越同時開鉆的相互擾動和干擾較大。納潮河穿越現場示意見圖1。

圖1　納潮河穿越現場示意

（3）地質多為砂層，不利于定向鉆施工。納潮河的地質情況為：

第①層粉質黏土：深度為地上4 m至0 m，灰色，軟塑，土質不均，切面較光滑，韌性和干強度中等，含有機質。

第②層粉砂：深度為地下2 m以上，灰色，中密狀態，飽和，主要礦物成分為長石、石英，含云母，砂質不純，顆粒均勻，磨圓度中等，局部夾粉土薄層，貝殼碎屑。

第③層粉質黏土：深度為地下2～8 m，灰色，軟塑-流塑，土質不均，切面較光滑，韌性和干強度中等，局部夾粉土薄層，貝殼碎片。

第④層粉砂：深度為8～16 m，灰色，中密狀態，飽和，主要礦物成分為長石、石英，含云母，砂質不純，顆粒均勻，磨圓度中等，局部夾粉土薄層。

第⑤層粉質黏土：深度為16～25 m，深度為灰褐色，可塑，土質不均，切面較光滑，韌性和干強度中等，局部夾粉土薄層。

第⑥- 1層粉砂：地下26 m以下，黃褐色，密實狀態，飽和，主要礦物成分為長石、石英，含云母，砂質不純，顆粒均勻，磨圓度中等。

由上述地勘報告可以得出：不利于定向鉆施工的粉砂層厚度大，穿越范圍廣，成孔條件差，圖紙設計最深的穿越深度為25 m，正好處于粉質黏土和粉砂的邊緣地帶，穿越長度長，造成導向偏差大，塌孔成型差，極易導致管道回拖過程中的爆死或卡鉆現象發生，施工的風險加大。

1.2問題的解決措施

（1）大膽嘗試一孔三管回拖方法。為了保證穿越的成功率，降低風險，一是甲方、監理方、設計方、定向鉆施工單位一同與中石化和已建LNG管道的相關人員一起進行現場多次踏勘，進一步了解已建管道的走向和具體情況，索要施工時的記錄和資料。二是組織人員用雷迪檢測儀器和RTK儀器現場測量已建兩條管道（LNG管道和中石化φ813 mm管道）的埋深和坐標，并做好標記，特別是交叉點（坐標為X = 4 324 775.836、Y = 497 824.960，埋深為14.3 m）。三是考慮納潮河定向鉆的重要性，在確認工程施工難度較大后，定向鉆施工單位與各個專家溝通和協商，并結合多年的施工經驗，決定采用一孔三管回拖方法進行施工，出入土點的坐標與輸氣管道的相同（入土點坐標為X=4 324 868.758、Y = 497 757.665，出土點坐標為X = 4 323 766.365、Y = 498 556.021）。采取一孔三管回拖方案的對比論證情況見表1。

（2）選用大噸位進口定向鉆機進行施工，奠定了穿越一次成功的基礎。定向鉆鉆機能力應滿足穿越管段回拖時的最大回拖力要求，回拖力計算公式如下：

表1　兩種穿越方式的對比

式中：F為穿越管段回拖力，kN；L為穿越管段長度，m，取1 361；D為穿越管段的管身外徑（包括保溫層、防腐層的厚度），m；Ds為穿越管段的鋼管外徑，m；ds為穿越管段的鋼管內徑，m；δ為鋼管壁厚，m；γs為鋼材重度，kN/m3，取78.5；γ1為泥漿重度，kN/m3，取12；f為摩擦系數，一般取0.1～0.3，本工程取0.2；K為黏滯系數，一般取0.1 ～0.3，本工程取0.3。

經過計算，φ323.9 mm×8 mm輸氣管道單拖的回拖拉力為781 kN，φ273 mm×8 mm輸油管道單拖的回拖拉力為642 kN，φ114 mm硅管的回拖拉力為149 kN，合計為1 572 kN。根據上述分析，為確保工程順利實施，選用美國奧格水平定向鉆機（最大回拖力為2 630 kN）進行施工［1］，鉆機的性能見表2。

表2　奧格水平定向鉆機的性能參數

另外，為了保證一次穿越成功，應提前做好應急預案，開工前要求施工方準備好定向鉆卡鉆時的解救設備，并編制具體的專項施工預案。

2　施工過程中發生的問題及解決措施

2.1施工過程中遇到的問題

（1）鉆機采用沉箱前地錨的方式固定，但鉆機就位調試后，發現地錨下土質較軟，承載力和摩擦力較小，存在沉箱下沉和鉆機可能滑動的現象。

（2）在導向施工過程中信號干擾較強，地質比較硬，導向進展緩慢，在導向到980 m時，無信號，地質較硬，導向設備糾偏很困難，嘗試抽回鉆桿后，多次重新導向效果不明顯。若導向失敗，那就意味著定向鉆施工失敗，因而準確的導向非常重要。

（3）定向鉆擴孔過程中遇較厚土質砂層，擴孔速度較慢，兩側的泥漿坑返漿不明顯，當擴孔到1 080 m位置時，扭力特別大，擴孔非常困難。

（4）在冀東油田第一次應用一孔三管回拖技術［2］，如何保證3根管道的同心度和牢靠度，且在回拖過程中避免發生纏繞，是當時急需解決的難題之一。

（5）由于回拖管道較長，質量較大，回拖區域復雜（預制管道穿越的道路有4條、池塘1個、山皮石鋪設區域460m），回拖過程中在保護管道防腐層的同時，如何減少回拖過程中的接觸面積，減少鉆機的回拖力，也是需要解決的問題之一。

2.2解決措施

（1）為了加大摩擦力和承載力，決定將沉箱取出后下面用毛石換填處理，而后采用錨固固定墩預埋地腳螺栓，配合打鋼管樁進行地錨加固，增加了錨固力，確保鉆機在加大拉力和扭力的情況下不滑動，具體見圖2。

圖2　鉆機固定錨加固示意

（2）為了減少周圍環境磁場的干擾，一是鋪設交流磁信號電纜，即沿穿越中心線，鋪設交流磁信號電纜，該電纜在穿越過程中將作為導向孔穿越Paratrack II控向系統的磁信號源。二是使用磁靶進行鋪設，磁靶的特點是用一個點的強磁場進行導向控制，一般在中心線上。對前后3根鉆桿進行定向，一般每70～80 m挪一下磁靶，以確保人工磁場覆蓋大部分穿越區域。同時為了保證數據的準確，在穿越軸線的不同位置測取數據，且每個位置至少測3次，而后做好記錄，取其有效值的平均值作為控向Line Az值。在以上兩種措施的協同作用下，導向信號強度和穩定性明顯加強，終于導向成功，最終出土點向東偏移了1 m，處于設計允許的范圍之內。鋪設交流磁信號電纜示意見圖3。

圖3　鋪設交流磁信號電纜示意

（3）經過多次嘗試，扭矩還是比較大，擴孔進展緩慢。經過分析和判斷發現，兩側返漿不明顯，這說明成孔不好或者存在冒漿區域，經過巡查，未發現嚴重的冒漿現象。在擴孔無法向前進展的情況下，決定將擴孔器反推到出土點，查看擴孔器的狀況，反推過程中發現推力和扭矩較小，判斷成孔效果還好，但擴孔器四周磨損較嚴重，因此決定更換新的、更加耐磨的擴孔器重新擴孔，最終完成φ600 mm孔的擴孔任務。

（4）為保證三條管道的同心度，減少纏繞的幾率，進行了大膽創新，采用φ711 mm的管道做母盤，內焊接30 mm厚的鋼板盤，將三條管道固定焊接在板盤上，一起回拖。

（5）為了減少鉆機的回拖拉力，具體采取了如下措施：一是在管道上水試壓完畢后，采用通球的方法，將管道內部清理干凈，減少重量；二是針對不同的地段采取不同的方法，前700 m采用開挖傳送溝后放水的方式，池塘段采用漂管的方式，后460 m段的過路部分采用涵洞方式（即在開挖道路，鋪設沙袋和沙土后，在上面鋪設管排和鋼板以保證車輛順利通過），其余段采用滾輪方式（即每隔10 m設置一個由4個橡膠滾輪組成的滾輪支架，以減少管道與地面的著力面積，同時可很好地保護防腐層）來解決上述問題；三是在管道的入洞點前30 m位置人為設置斜坡，即用沙土架起管道，使管道在敷設時產生彈性變形形成的角度正好符合出土角的要求，增加了管道順直程度，減少了阻礙力，從而實現了管道的自然回拖［3］。

3　結束語

納潮河定向鉆穿越是冀東油田自成立以來首次采用一孔三管回拖技術進行穿越施工的工程，其穿越長度最長，一次性穿越周期最短，所采用的鉆機型號最大。該工法相對于傳統的定向鉆施工具有周期短、見效快、適用于場地狹窄受限場所等優點，但也存在風險較高，一次性投資較高的問題，在今后的施工中還需不斷地完善。

參考文獻

［1］趙帥.油氣管道定向鉆穿越技術［J］.石油工程建設，2009，35 （2）：37- 40.

［2］黃洋.一孔多管無約束自由回拖定向鉆施工技術研究與應用［J］.石油知識，2009（6）：32- 33.

［3］蔡亮學.水平定向鉆管道穿越回拖過程動態力學特性研究［D］.青島：中國石油大學（華東），2011.

Bottleneck Problem and Countermeasures in Nachao River Directional Drilling Construction

MAGuowu，MAJun，LONG Zhihong
PetroChina Jidong Oilfield Company，Tangshan 063200，China

Abstra ct：Nachao River directional drilling project has following features：several crossing pipelines，long crossing distance，short construction period，difficult construction site conditions and sand stratums. In engineering construction，the method of“three pipelines back- pulled in one hole”was tried，the imported heavy directional drilling machine was used，and the contingency plan for drill bit stuck was worked out，so the whole construction task from starting drilling to finishing drilling was fulfilled in 21 days. The practice shows that the construction countermeasures have the advantages such as short work period，fast effect and good adaptability to narrow site. But problems such as high risk and high one- time investment still exist and need solving.

Keywords：oil and gas gathering and transportation pipelines；directional drilling crossing；three pipelines back- pulled in one hole；construction

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.015

作者簡介：

馬國武（1982-），男，河北廊坊人，工程師，2004年畢業于河北石油職業技術學院焊接科學及設備自動化專業，主要從事油田地面工程建設工作。Email：565866608@qq.com

收稿日期：2015- 10- 21