■張金寶 李強(qiáng)超 江蘇石油勘探局油田建設(shè)處 江蘇江都 225261

中國(guó)石化“巖石笫一穿”新記錄的創(chuàng)建
——山東白馬、吉利河1310m巖石層定向穿越施工方法

■張金寶 李強(qiáng)超 江蘇石油勘探局油田建設(shè)處 江蘇江都 225261

長(zhǎng)距離巖石層穿越是當(dāng)今水平定向鉆穿越的施工難點(diǎn)。文章簡(jiǎn)述了1310m巖石層定向穿越取得成功的施工方法和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

水平定向鉆穿越 巖石層 擴(kuò)孔器 復(fù)式擴(kuò)孔 打撈筒

1 工程概況

2007年7月，江蘇油建受中石化天然氣分公司工程建設(shè)管理處的委托，承接了膠州－日照天然氣管道白馬、吉利河定向穿越工程。設(shè)計(jì)穿越水平長(zhǎng)度為1399m，其中巖石層水平長(zhǎng)度為1310m。穿越管道規(guī)格為φ508×8.7mm，材質(zhì)為L(zhǎng)390直縫埋弧焊鋼管；另單獨(dú)穿越光纜套管為φ89×6mm,20# 無縫鋼管。

白馬、吉利河定向穿越工程的最大難點(diǎn)是連續(xù)穿越長(zhǎng)度為1310m的高硬度巖石層。這是江蘇油建水平定向穿越施工史上的第一次，巖石層由二長(zhǎng)花崗巖和玄武安山巖組成，二長(zhǎng)花崗巖單軸極限抗壓強(qiáng)度平均值為115.2Mpa，玄武安山巖單軸極限抗壓強(qiáng)度平均值68.5Mpa。

2 定向穿越施工方案策劃

通過進(jìn)行詳盡的現(xiàn)場(chǎng)踏勘，同時(shí)查閱了大量參考文獻(xiàn)。結(jié)合過去短距離巖石層定向穿越的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，制定了本工程定向穿越施工方案。

2.1 導(dǎo)向孔的施工

2.1.1 穿越曲線設(shè)計(jì)

根據(jù)有關(guān)規(guī)范的規(guī)定和設(shè)計(jì)要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查，設(shè)計(jì)穿越曲線見圖1。其入土角10°，出土角6°，穿越曲率半徑為1500D，相對(duì)入土點(diǎn)穿越管道埋深為22m。

2.1.2 定向穿越設(shè)備、控向系統(tǒng)的選用

為了保證定向穿越順利進(jìn)行，我們選用奧格DD330—HD鉆機(jī)，最大扭力為72000Nm，最大回拖力200t;控向系統(tǒng)選用Tensor公司生產(chǎn)的 MGS有線控向系統(tǒng)。

另選用輔助鉆機(jī)為威猛D100*120,最大扭力16269Nm，最大回拖力45t。

2.1.3 保證導(dǎo)向孔順利施工采取了以下措施：

由于長(zhǎng)距離巖石導(dǎo)向施工時(shí)，井孔內(nèi)壁對(duì)鉆具的摩阻較大，鉆頭方位難以控制，因此要配備技術(shù)熟練的司鉆，配制適宜的鉆井液，盡可能避免因?yàn)槟ψ柙斐摄@頭方位的偏移。

為了保證鉆導(dǎo)向孔時(shí)有足夠的推力，防止鉆桿彎曲，保證二次鉆孔時(shí)，鉆頭能夠順利進(jìn)入巖石層的成孔中，在入土點(diǎn)埋設(shè)φ273×6mm的20#無縫鋼管作為套管，套管底端抵達(dá)巖石層。

由于泥漿壓力大，流速快，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)鉆桿內(nèi)部的控向線不斷地沖刷，使其表皮與鉆桿內(nèi)壁反復(fù)摩擦而破裂，形成短路、斷路，造成數(shù)據(jù)信號(hào)中斷。為此在鉆桿內(nèi)部加設(shè)圓形擋圈，消除泥漿對(duì)控向線的沖刷、磨損。

為了保證鉆頭鉆進(jìn)時(shí)鉆頭軌跡與設(shè)計(jì)曲線相吻合，在地面條件允許的情況下，盡量多的布設(shè)人工磁場(chǎng)，加強(qiáng)地面信號(hào)的采集，及時(shí)調(diào)整地下鉆頭的鉆進(jìn)參數(shù)。

2.2 擴(kuò)孔施工

2.2.1 巖石擴(kuò)孔器的選擇

根據(jù)本工程的地質(zhì)特點(diǎn)和管徑規(guī)格，我們選用自行研制的牙輪式巖石擴(kuò)孔器見圖2。擴(kuò)孔從φ400mm擴(kuò)至φ750mm，50mm一級(jí)，共八級(jí)。巖石層擴(kuò)孔施工時(shí)，嚴(yán)格控制鉆壓、轉(zhuǎn)速和泥漿的性能參數(shù)（粘度、比重、流動(dòng)性、含沙量、PH值等）以及泵送量等，這樣既能延長(zhǎng)鉆具的使用壽命，適當(dāng)提高施工功效，又能將巖屑有效地?cái)y帶出孔徑，同時(shí)降低了卡鉆、牙輪脫落、鉆桿斷裂等井下事故的發(fā)生幾率。

2.2.2 雙鉆機(jī)同步復(fù)式擴(kuò)孔工藝

為了保證井下安全和對(duì)巖石擴(kuò)孔器的有效利用，保持施工的連續(xù)性，降低成本，提高工效，我們制定并實(shí)施了雙鉆機(jī)多級(jí)別同步復(fù)合式擴(kuò)孔工藝，提高施工效率。

傳統(tǒng)預(yù)擴(kuò)孔的程序是：擴(kuò)孔器從出土端入孔，從出土端出孔（反向擴(kuò)孔方式），一級(jí)別擴(kuò)孔開始直至這一級(jí)別擴(kuò)孔完成后，再上笫二級(jí)擴(kuò)孔器進(jìn)行擴(kuò)孔，如此反復(fù)。但擴(kuò)孔施工中，擴(kuò)孔器經(jīng)過一定長(zhǎng)度巖石層擴(kuò)孔后，切削巖石的性能逐漸降低甚至喪失，勢(shì)必退出地面進(jìn)行維修。維修完成后，將此級(jí)別的擴(kuò)孔器再次下井，進(jìn)行擴(kuò)孔，這樣既耽誤時(shí)間，造成施工的不連續(xù)，增加鉆具維修壓力和井下施工風(fēng)險(xiǎn)，又不能對(duì)擴(kuò)孔器進(jìn)行有效利用。這一矛盾在長(zhǎng)距離，高強(qiáng)度巖石層擴(kuò)孔施工時(shí)，尤為突出。

為了解決以上難題，我們制定出：第一、根據(jù)巖石強(qiáng)度計(jì)算出巖石擴(kuò)孔器在保證鉆具安全的狀態(tài)下能夠有效切削巖層的長(zhǎng)度；第二、采取正向、反向相結(jié)合的擴(kuò)孔方式；第三、采取不同級(jí)別擴(kuò)孔器相結(jié)合的嵌套式擴(kuò)孔方式。這樣交替進(jìn)行擴(kuò)孔的施工方法稱之為復(fù)式擴(kuò)孔施工工藝。

在進(jìn)行大級(jí)別擴(kuò)孔施工時(shí)，兩臺(tái)鉆機(jī)分別在入土點(diǎn)和出土點(diǎn)聯(lián)機(jī)同步擴(kuò)孔施工。提高了擴(kuò)孔速度。

2.2.3 對(duì)井下掉落牙輪，采用自行研制的打撈桶可進(jìn)行雙向打撈

在擴(kuò)孔器擴(kuò)孔和回退過程中，由于牙輪背與巖石摩擦而導(dǎo)致牙輪掉落井下，導(dǎo)致擴(kuò)孔施工不能正常進(jìn)行。

常用的打撈桶，是利用磁性原理，桶的一端開口，另一端封閉。它只能單向打撈，而且?guī)r屑容易塞滿桶體，打撈效果不明顯。我們研制的打撈桶外形采用開放式設(shè)計(jì)，漁網(wǎng)式雙向打撈，內(nèi)安裝數(shù)塊強(qiáng)磁和合理設(shè)置泥漿水嘴，既解決了以往打撈時(shí)堵塞打撈裝置的問題，同時(shí)又能實(shí)施雙向打撈，提高了打撈成功率。

2.3 回拖施工要點(diǎn)

針對(duì)白馬、吉利河穿越工程的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和施工條件，由于出土點(diǎn)管線預(yù)制場(chǎng)地的限制，管線回拖采用二接一方式，在管線回拖作業(yè)操作時(shí)，注意以下幾點(diǎn)：

（1）當(dāng)成品管線回拖到巖層、土層交界處，放慢回拖速度和旋轉(zhuǎn)速度。

（2）當(dāng)進(jìn)行二接一管線焊接、探傷、防腐施工期間，要定期向孔中注入泥漿，并適當(dāng)?shù)鼗顒?dòng)鉆具，必要時(shí)小距離的回拖移動(dòng)管線，防止停止時(shí)間過長(zhǎng)，引起井下坍塌和泥漿水化，從而增加回拖阻力。

（3）開挖管線發(fā)送溝以保護(hù)管線防腐層，同時(shí)減小管線與地面的摩擦力，降低回拖阻力。

（4）調(diào)整泥漿的密度、膠凝強(qiáng)度和潤(rùn)滑性，使成品管線在孔中盡量接近于懸浮狀態(tài)，這樣既減少了回拖阻力，又保護(hù)了管線防腐層。

3 成敗得失及原因分析

白馬、吉利河穿越工程于2008年7月22日開工，2009年2月5日完工，施工工期6個(gè)月13d。在施工過程中既有成功也有失敗的經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)述如下：

（1）第一次導(dǎo)向孔施工出土點(diǎn)位置與設(shè)計(jì)確定的出土點(diǎn)偏移近20m，不符合規(guī)范要求，項(xiàng)目部領(lǐng)導(dǎo)決定推倒從來。發(fā)生偏移的原因:一是磁偏角測(cè)量有誤差；二是巖石層中含有的金屬元素的干擾，導(dǎo)致控向反饋數(shù)據(jù)失真；三是受地形地貌的限制，無法多次進(jìn)行地面信標(biāo)測(cè)試，也就不能提供鉆進(jìn)方位糾偏的依據(jù)。第二次導(dǎo)向孔鉆進(jìn)，出土點(diǎn)偏差僅為1.5m。

（2）在擴(kuò)孔施工過程中，六個(gè)牙輪掉落井下，我們成功地運(yùn)用了自行研制的打撈桶實(shí)施雙向打撈，分兩次將落井牙輪全數(shù)打撈出井。

（3）采用我們自行開發(fā)的雙鉆機(jī)同步復(fù)式擴(kuò)孔工藝，提高了擴(kuò)孔功效50%。

（4）本穿越工程經(jīng)營(yíng)運(yùn)作有一定的虧損。雖然交了不少的“學(xué)費(fèi)”，但是設(shè)計(jì)思路，自行研制開發(fā)的新機(jī)具、新工藝得到了有效的驗(yàn)證，證實(shí)了設(shè)計(jì)思路是正確的；證實(shí)了自行研制開發(fā)的新機(jī)具，新工藝的可行性、可操作性和安全可靠性。

（5）2009年5月14至15日，在中石化海外工作會(huì)議暨打造石油鐵軍隊(duì)伍專題會(huì)上，江蘇油建承建的白馬、吉利河1310m巖石層定向穿越工程取得成功，被認(rèn)定為中石化集團(tuán)公司“巖石第一穿”的新紀(jì)錄。至今，在中石化集團(tuán)公司范圍內(nèi)，“巖石第一穿”的新紀(jì)錄仍被我們公司保持。

1 蔣征島．穿越河流的一種新方法—水平定向鉆技術(shù)．全國(guó)主要江河油氣管道穿跨越工程資料匯編，北京；石油工業(yè)出版社：119～124.

2 賈衛(wèi)波，呂明記．水平定向鉆技術(shù)在尼羅河穿越工程中的應(yīng)用．石油工程建設(shè)，2000年；第1期：18～19.

3 劉金禎，金健，陳雪華．地面信標(biāo)控向系統(tǒng)在海河穿越中的應(yīng)用．石油工程建設(shè)，2003年；第6期：58～60.

4 石忠．關(guān)于水平定向鉆的研究報(bào)告．管道人才論文集，北京：石油工業(yè)出版社，2003年：164～169.

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