油氣管道定向鉆長距離穿越粉細砂地層安全控制技術

文/梁王學 何少煒 陸鵬州

管道水平定向鉆穿越技術屬于管道非開挖施工技術之一，是目前管道穿越首選的施工技術。粉細砂地層定向鉆穿越具有控向、鉆進、泥漿工藝復雜的特點，具有較高的工程風險，論文分析了油氣管道定向鉆長距離穿越粉細砂地層時的工程特點，提出了安全控制措施及應急預案，為工程實施提供了重要參考。

概述。

管道水平定向鉆穿越技術屬于管道非開挖施工技術之一，不僅施工周期短、效益高、投資少，而且不影響道路、河流交通，有利于環境保護和管道的安全運行，免于管道的維護，是目前管道穿越首選的施工技術。由于穿越施工受地質條件、穿越長度、管徑的制約，要求不僅有先進的穿越設備，而且有先進的施工技術和經驗。所以它是一項高科技、高風險、高效益的管線施工技術項目[1-3]。

1.工程特點。

水平定向鉆穿越主要有導向孔、預擴孔、回拖三個階段，與普通軟地層定向鉆穿越相比，油氣管道穿越長距離砂層具有以下特點。(1)鉆具要求高。大口徑輸氣管道穿越長距離砂層導向孔需要鉆頭、5'鉆桿、6 5/8''高強度鉆桿；預擴孔施工需要專用擴孔器。同時為降低穿越風險，導向孔、單次預擴孔的鉆具壽命應達到中途不更換的目的。(2)施工工藝復雜。①控向工藝復雜：一方面由于砂層中導向孔施工，地層的承載能力差，鉆具旋轉鉆進過程中，傾角變化較大，同時長距離穿越，鉆具不能有效的進行力量傳遞，增加了控向操作復雜程度。另一方面，大范圍江面段施工時無法布設Trutrack地面信標系統，只能在微弱的、不穩定的地球磁場作為參考的條件下鉆進，降低了定向工具的精確度。再者，由于穿越管徑大，為保證成品管的順利回拖，對保持砂層導向孔圓滑的控向工藝提出了更高的要求。②鉆進工藝復雜：在砂層導向孔、預擴孔施工期間，卡鉆的危險隨時都有可能存在。③泥漿工藝復雜：與普通軟地層穿越相比，砂層穿越的泥漿需用量會成倍地增長(增長量與砂層的長度及擴孔孔徑有關)，其原因是砂層中泥漿的漏失量將大大增加，同時砂層中穿越，成孔困難，易塌孔，需要的泥漿流量和粘度就相應增加。(3)施工周期長。根據砂層長度及擴孔孔徑不同，砂層穿越施工的施工周期是普通軟地層穿越的1.5～2倍。

2.工程難點。

定向鉆長距離穿越粉細砂地層難度較大，同時也具有極大的工程挑戰性，存在的主要技術難點如下：（1）控向技術難點。穿越距離長，控向精度要求高，江面頻繁通航的船只對信號棒測量數據的采集將產生磁干擾，大范圍水域無法布置Trutrack地面信標系統，準確控向難度很大。砂層中地層承載能力較差，在導向孔鉆進施工過程中傾角變化較大，同時長距離穿越，鉆具不能有效的進行力量傳遞，大大增加了準確控向的難度。（2）泥漿技術難點。長距離穿越出入土點附近軟地層穿越要求泥漿的固壁性能要好，防止泥漿漏失和塌孔；砂層穿越要求泥漿的懸浮、攜屑性能強，保證鉆屑的順利排出，對泥漿的性能要求很高。砂層穿越施工各階段均需要大排量的泥漿，對大量高性能泥漿的及時供應要求高。（3）司鉆及鉆進工藝技術難點。穿越存在軟、砂層的結合，從軟地層到砂層過渡穿越技術要求高。長距離砂層穿越，尤其是主河道穿越，需要克服鉆機扭矩大的難題，特別是在進行最后一次大口徑預擴孔階段(擴孔直徑為穿越管徑的1.5倍)，對鉆機能力和施工工藝提出了很高的要求。穿越地質條件復雜，如何保證導向孔曲線的圓滑過渡是關鍵，以預防擴孔和回拖期間卡鉆事故的發生。砂層的承載力較差，對出土側鉆頭“抬頭”時鉆桿推力的傳遞影響較大，勢必會造成“抬頭”難的問題。穿越需要鉆頭、鉆桿、擴孔器等特殊鉆具，而更換鉆具的風險很大，尤其在砂層中很難找到原孔。使用普通5″S-135等級的鉆桿鉆進1500 m以上的導向孔強度不夠，主要表現為推力的傳遞受限制。

3 .安全控制技術措施。

針對粉細砂層定向穿越施工的特點，工程中應采取以下安全措施：（1）控向技術在開鉆前利用信號棒和全站儀找出穿越中心線準確的大地磁方位角，以此為基準控制導向孔的左右偏差，以彌補因河面大范圍水域無法布置Trutrack地面信標系統而可能產生的控向偏差。鉆導向孔使用1.75°造斜短節，減小造斜角度，有利于導向孔曲線的圓滑過度，預防擴孔和回拖期間卡鉆事故的發生。在入土側和出土側陸域，盡可能長地布置Trutrack地面信標系統，以精確測量地下鉆頭的位置。砂層中穿越時，增加信號測量頻率，每鉆進2～3 m測量一次，以保證導向孔曲線符合設計曲線的要求。（2）泥漿技術。根據穿越地層條件的變化，采用復合泥漿配比技術，將使用定向鉆膨潤土按8～10%重量比加入淡水配出基漿，使用的主要泥漿添加劑有：固壁劑、增粘劑、清屑劑和潤滑劑等，保證泥漿性能符合穿越地層的要求。施工過程泥漿性能調整要求如下：a、普通軟土層穿越段：控制泥漿的失水，防止塌孔，需增大固壁劑含量；b、砂層：增加降濾失劑、膠凝強調和懸浮性提升劑用量，達到固孔和浮流粉砂、清潔孔道的目的，同時為保證鉆屑攜帶和孔眼清潔，要及時提高清屑劑和潤滑劑劑量，保證泥漿的流變性能良好，使鉆屑順利返出地面，同時增強泥漿的潤滑性，減小鉆具與地層的摩擦力。為進一步保證長江穿越砂層穿越大流量泥漿的供應，現場配備泥漿回收處理系統，使泥漿循環使用，以減輕現場配置大量泥漿的壓力，同時可減少環境污染。現場配備高壓泥漿泵，泵送能力不小于3 m3/min，以保證長距離長江穿越的泥漿壓力和流量滿足施工要求。（3）司鉆與鉆進工藝。針對軟、砂層結合的特點，從軟地層到砂層過渡穿越采用的施工方法應為：首先放慢鉆進速度，減小鉆進推力(或拉力)，調低鉆機的旋轉速度，待鉆頭(或擴孔器)進入砂層1～1.5 m后，在加大鉆進推力(或拉力)，調整鉆機的旋轉速度，防止速度過快造成鉆進曲線偏離預定的目標。選用大扭矩鉆機，最大扭矩可達136 kN·m；選用低扭矩的擴孔器，以克服大口徑、長距離砂層穿越預擴孔扭矩大的難題。由于粉砂不易被鉆頭切削及被泥漿攜帶至地表，就造成了鉆機的扭矩和推力過大，致使鉆桿彎曲。于是在鉆桿兩邊加樁固定，防止鉆桿彎曲，以增加力量，并增加了泥漿的排量及配比性。在對于方位角及傾角的難操控上，在保證與設計曲線相近似的前提下，采用了快速鉆進，少頂推，每根鉆桿的傾角都提前上抬，當頂推不動時，就旋進，使得鉆頭向下自然施降在設計曲線范圍內。卡鉆的預防措施：嚴格鉆進工藝，精心組織施工，保證導向孔曲線的圓滑過渡，預防擴孔和回拖期間卡鉆事故的發生；預擴孔階段使用比上一級孔徑校1 1/2″～2″中心扶正器；主管線最后一次擴孔完成后，用比回拖管徑大、比成孔直徑小的桶式擴孔器再清孔兩次，最后用同直徑桶式擴孔器進行回拖。針對地層特點，在導向孔施工階段，入土側斜孔段采取下套管的施工方法，防止淺地層軟土長時間受泥漿浸泡后塌陷堵孔，同時解決長距離穿越“抬頭”難，鉆機推力傳遞難的問題。下套管時控制好鉆進速度和泥漿壓力，保證將套管和鉆桿間的鉆削清理出來，保持導向孔的暢通。

4.工程應急預案。

(1)導向孔鉆進時卡鉆應急預案①導向孔鉆進過程中，鉆頭一旦卡鉆，表現為泥漿壓力劇增，或伴隨鉆機扭矩瞬間的增大(旋轉鉆進時)，此時，鉆機產生的扭矩無法克服砂層作用于鉆具上的扭矩，鉆頭停止轉動。處理的方法有二種：一是當泥漿壓力表顯示的壓差能保持在設計的最大壓降范圍內時，可采取立即停止鉆桿的推進，改為往鉆機方向拉鉆桿，使鉆頭迅速離開作業面，降低泥漿的壓差，然后用更慢的推力和推進速度鉆進；二是當泥漿壓力表顯示的壓差能超過設計的最大壓降范圍時，應立即關停泥漿泵，停止泥漿的泵送，同時往鉆機方向回撤鉆桿。②導向孔施工過程中，在更換鉆具或其它特殊情況回抽鉆桿時卡鉆。主要原因是個別地段造斜過大，清孔不徹底，鉆屑過量堆積引起“縮孔”，造成卡鉆。處理方法：首先應使鉆機的正常工作，有足夠的泥漿往孔內泵送，此時鉆桿切不可簡單地繼續往回拉，否則很容易將鉆頭卡死。應在泵送泥漿的前提下繼續往前進，耐心進行清孔，同時調整鉆頭的傾角至首次鉆進該地層時的傾角，停止鉆桿的旋轉往回抽，注意控制好鉆機的拉力，然后旋轉鉆桿前進、清孔，多次反復，直到順利通過“縮孔”地段。(2)砂層擴孔時卡鉆應急預案。可采用機械回拉擴孔器的辦法解決擴孔卡鉆的問題，具體辦法如下：①機具、材料準備：在出土側準備旋轉接頭1套、U型環1套、練級擴孔鉆桿和旋轉接頭用短節1個，φ22 mm以上鋼絲繩4根(等長)，履帶爬行設備(吊管機、推土機或挖掘機)2臺以上。②施工步驟：a.卡鉆后鉆機立即停止旋轉；b.出土側連接(擴孔鉆桿+短節+旋轉接頭+U型環+鋼絲繩+履帶設備)；c.多臺設備同步回拉，同時鉆機給予適當的推力，使擴孔器離開切削面；d.鉆機恢復旋轉；e.出土側卸下應急鉆具；f.繼續擴孔。③司鉆手應隨時密切關注擴孔扭矩的變化，防止卡鉆后扭矩過大，損壞鉆機旋轉馬達及鉆桿絲扣。(3)管道回拖受阻時應急預案。應根據受阻位置和實際情況區別對待。當管線回拖進距離相對較短時，可采取往出土側回拉的方式；當管線回拖至接近出土時，可采取往鉆機側助推的方式；當回拖管線位置處于中間段，兩個方向均可考慮。在軟地層受阻時，用助推方式成功的機率較大，砂層受阻時，盡可能考慮往出土側回拉的方式，以免損壞防腐層甚至鋼管。回拉或助推的方式有兩種：①機械設備操作方式。利用挖掘機、履帶拖拉機、吊管機等爬行設備，先在回拖管道尾部的兩側對稱地分別焊上一個拉環，再用鋼絲繩連接協同鉆機進行回拉或助推。次方式的優點是設備和卡具準備簡單，操作平穩，與鉆機的配合施工好；缺點是提供的推拉力有限。②夯管錘操作方式：準備一臺套夯管錘，在回拖管道尾部安裝事先加工好的卡具，利用夯管錘的瞬間、高頻沖擊力進行回拉或助推。此方式的優點：無需后背力，提供的沖擊力很大，其沖擊力可調節，夯管錘可以和管線、鉆桿等相連接，前進和后退方向均可調整，解決受阻問題的能力強。缺點是設備租用、運輸，卡具加工等時間較長，與鉆機的配合施工同步性較差，需精心策劃、組織。

5.結語。

論文基于定向鉆穿越粉細砂地層的工程難點，從控向、泥漿配置與供給、司鉆與鉆進工藝等方面提出了工程安全控制措施，并建立了工程應急預案，為工程的實施提供了重要參考。