江榮龍

關(guān)鍵詞：水平定向鉆、泥巖、大管徑、技術(shù)措施、穿越工程

摘要：原油管網(wǎng)俄油引進(jìn)配套慶鐵線擴(kuò)能改造工程第四標(biāo)段內(nèi)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)區(qū)特殊區(qū)段定向鉆穿越工程，穿越管線為南北走向，采用大型定向鉆兩管同拖φ813mm＋φ114mm方式穿越。

隨著現(xiàn)代文明意識(shí)和環(huán)保意識(shí)的逐漸加強(qiáng)，開(kāi)挖路面進(jìn)行各類(lèi)地下管線施工導(dǎo)致的社會(huì)問(wèn)題，交通問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題已越來(lái)越受人民的關(guān)注，城市限制開(kāi)挖施工的法規(guī)已陸續(xù)出臺(tái)。采用水平定向鉆穿越技術(shù)進(jìn)行管線穿越施工，是城市市政建設(shè)和電氣化管網(wǎng)改造，通訊光纜敷設(shè)，油氣管道和穿越大中小型江河、湖泊、經(jīng)濟(jì)作物區(qū)以及不可拆遷建筑物的最佳選擇，是不破壞地貌狀態(tài)和保護(hù)環(huán)境的最理想的施工方法。隨著定向鉆技術(shù)的不斷發(fā)展，在施工過(guò)程中遇到的地層也將越來(lái)越復(fù)雜，本文結(jié)合工程實(shí)例就定向鉆技術(shù)施工大管徑管道穿越泥巖地層中的一些技術(shù)要點(diǎn)和技術(shù)措施進(jìn)行描述。

一、工程概況及水文地質(zhì)條件

中國(guó)中東部原油管網(wǎng)俄油引進(jìn)配套慶鐵線擴(kuò)能改造工程，起點(diǎn)為大慶分輸站，終點(diǎn)為鐵嶺分輸站。本工程為原油管網(wǎng)俄油引進(jìn)配套慶鐵線擴(kuò)能改造工程第四標(biāo)段內(nèi)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)區(qū)特殊區(qū)段定向鉆穿越工程，穿越管線為南北走向，采用大型定向鉆兩管同拖φ813mm＋φ114mm方式穿越。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告顯示穿越地貌單元為沖積平原，場(chǎng)地地勢(shì)較平坦，穿越地層主要為：①雜填土：主要由粘性土、碎石、磚塊等組成；②耕土：主要由粘性土組成，包含大量植物根系；③－1粉質(zhì)粘土：黃褐色，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等，可塑；③－2粉質(zhì)粘土：黃褐色，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等，硬塑，局部可塑；④泥巖：黃褐色～紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈短柱狀，錘擊可碎，強(qiáng)風(fēng)化。本工程穿越經(jīng)過(guò)地層主要是在泥巖中穿越，泥巖的抗壓強(qiáng)度按地質(zhì)報(bào)告揭露其抗壓強(qiáng)度為0.6～1.7MPa。

二、施工主要技術(shù)要點(diǎn)分析

1、導(dǎo)向孔施工過(guò)程中，穿越段泥巖層對(duì)導(dǎo)向鉆頭的反作用力大，導(dǎo)向孔造斜和糾斜難，容易造成導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計(jì)軌跡發(fā)生較大偏差，如何采取措施保證施工后導(dǎo)向孔參數(shù)達(dá)到施工要求。

2、導(dǎo)向孔施工結(jié)束后，在擴(kuò)孔過(guò)程中如何保證擴(kuò)孔后管道曲線不偏離導(dǎo)向孔施工的曲線問(wèn)題。

3、泥巖層內(nèi)擴(kuò)孔施工較困難，如何保證擴(kuò)孔的順利施工及擴(kuò)孔后采取什么措施將泥巖碎塊攜帶出孔外。

4、施工過(guò)程中，如何保證施工順利進(jìn)行，避免出現(xiàn)抱鉆、卡鉆事故的發(fā)生。

三、施工中采取的技術(shù)措施

1、優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于原設(shè)計(jì)采用的是φ813mm輸油主管與φ114mm光纜管分別穿越施工，而由于施工現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，沒(méi)有進(jìn)行兩次穿越的施工場(chǎng)地，只能將φ813mm輸油主管與φ114mm光纜管進(jìn)行兩管同拖的施工工藝，所以針對(duì)該情況，取得設(shè)計(jì)院及業(yè)主的同意后，在保證管線埋深的前提下，結(jié)合現(xiàn)有施工設(shè)備的實(shí)際情況，將原設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行部分優(yōu)化。

⑴原設(shè)計(jì)入土角為9°，由于美國(guó)奧格DD-440鉆機(jī)最小入土角度為10°，所以將原設(shè)計(jì)入土角9°更改為10°，以便于我們施工設(shè)備的順利施工。

⑵原設(shè)計(jì)出土角為7°，考慮到由于管線比較大，而且是兩管同拖，如果出土角度偏大的話，在管線回拖的過(guò)程中管線的入洞將會(huì)非常的困難，而且管線在擺放過(guò)程中的難度也非常困難，所以將原設(shè)計(jì)出土角7°更改為4.5°。這樣對(duì)我們施工更為有利。

⑶原設(shè)計(jì)曲率半徑為1220（0.813×1500），由于設(shè)計(jì)時(shí)是考慮主管與光纜管是分開(kāi)施工的，所以曲率半徑的取值為1220。但是由于施工現(xiàn)場(chǎng)兩邊都有一根正在使用的原輸油管線，已經(jīng)沒(méi)有條件將主管與光纜管分開(kāi)施工，所以將原設(shè)計(jì)的曲率半徑1220調(diào)整為1390，即（0.813+0.114）×1500。

優(yōu)化后施工穿越曲線剖面設(shè)計(jì)示意圖

2、保證導(dǎo)向孔施工曲線滿足施工要求的措施

⑴保證鉆機(jī)就位方位與設(shè)計(jì)管線中心線重合的措施。

鉆機(jī)就位前，用測(cè)量?jī)x器(如經(jīng)緯儀)放出管線穿越中心線，根據(jù)穿越入土角、鉆機(jī)自身尺寸(車(chē)長(zhǎng)、車(chē)寬、輪距等)等參數(shù)計(jì)算出鉆機(jī)就位的精確位置，并用白灰或用線繩予以標(biāo)記，并以此標(biāo)記作為鉆機(jī)就位的依據(jù)。在鉆機(jī)就位過(guò)程中，除了利用白灰或線繩標(biāo)記作為就位的標(biāo)準(zhǔn)外，就位過(guò)程中還要用測(cè)量?jī)x器測(cè)量鉆機(jī)就位偏差，經(jīng)計(jì)算鉆機(jī)就位方位相對(duì)于管線中心線的角度偏差如超過(guò)0.1°時(shí)，需根據(jù)偏左偏右情況重新調(diào)整鉆機(jī)，經(jīng)多次就位-測(cè)量-調(diào)整-再測(cè)量，直到偏差控制在0.1°范圍內(nèi)。鉆機(jī)就位后，計(jì)算出精確的偏差數(shù)值，在開(kāi)始鉆導(dǎo)向孔時(shí)及時(shí)設(shè)置好軟件的計(jì)算參數(shù)，調(diào)整偏差，保證導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計(jì)穿越曲線重合。

⑵外部磁場(chǎng)對(duì)方位角的影響及控制措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)確定的外部磁場(chǎng)的位置，在鉆孔時(shí)，探測(cè)器到達(dá)外部磁場(chǎng)前，鉆孔方向不能出現(xiàn)過(guò)大的左右偏移量，保持實(shí)際方位角與控向方位角的偏差在允許的范圍內(nèi)，在進(jìn)入外部磁場(chǎng)時(shí)，實(shí)際方位角發(fā)生變化，此時(shí)的方位角與控向方位角不同，鉆進(jìn)時(shí)暫不考慮干擾后的方位角而直接按直線鉆進(jìn)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，根據(jù)控向工具面的位置輸入與控向方位角接近的方位角。鉆頭穿越過(guò)磁場(chǎng)干擾區(qū)后，計(jì)算機(jī)控向數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，此時(shí)導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計(jì)穿越曲線偏差應(yīng)當(dāng)在許可范圍內(nèi)，萬(wàn)一兩者偏差較大，首先計(jì)算出實(shí)際偏差量，然后將經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)干擾區(qū)的鉆桿抽出后重新鉆進(jìn)進(jìn)行偏差調(diào)整。在已知偏差量的情況下進(jìn)行調(diào)整是很容易的，通過(guò)調(diào)整消除磁場(chǎng)影響，使導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計(jì)穿越曲線重合。

⑶采用人工磁場(chǎng)

鉆機(jī)控向系統(tǒng)是依靠地磁場(chǎng)進(jìn)行方位控制，通過(guò)鉆頭后面的探棒將導(dǎo)向孔參數(shù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。地磁場(chǎng)容易受到地下管線、地下電纜、地面高壓線等金屬構(gòu)件的干擾，從而造成控向參數(shù)不準(zhǔn)確。人工磁場(chǎng)是在穿越中心線兩側(cè)布設(shè)的閉合線圈，布設(shè)簡(jiǎn)單方便，在施工中既經(jīng)經(jīng)濟(jì)又有效，其優(yōu)點(diǎn)是它不受外部磁場(chǎng)的干擾，可以準(zhǔn)確無(wú)誤的將鉆孔數(shù)據(jù)反映出來(lái)，當(dāng)探頭到達(dá)此閉合的線圈區(qū)域內(nèi),接通直流電源產(chǎn)生磁場(chǎng),通過(guò)人工磁場(chǎng)可以測(cè)得穿越軸線的左右偏移和穿越標(biāo)高。通過(guò)人工磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)左右偏差的比較,可以確定目前鉆頭方位角,從而確定下一根鉆桿的行進(jìn)方位。由于人工磁場(chǎng)在地磁場(chǎng)受干擾的情況下可以提供準(zhǔn)確的管線穿越方位角，在地磁場(chǎng)不受干擾的情況下可以校正控向方位角的正確性，從而能夠很好的控制導(dǎo)向孔與設(shè)計(jì)穿越曲線偏移，并能保證穿越曲線的平滑性。

⑷控制人為因素造成導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計(jì)穿越曲線偏差的措施

開(kāi)工前，加強(qiáng)對(duì)控向人員與司鉆操作人員的技術(shù)交底，提高工作人員的素質(zhì)，加強(qiáng)控向人員與司鉆人員相互間的配合，司鉆人員以控向人員的指令為準(zhǔn)，按照指令進(jìn)行操作，防止人為操作導(dǎo)致鉆孔出現(xiàn)偏移設(shè)計(jì)曲線?？叵蛉藛T應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)曲線計(jì)算每次傾角的調(diào)整度數(shù)，認(rèn)真掌握并注意穿越過(guò)程中的軌跡變化，通過(guò)軌跡變化確定控向方向的變化。從而控制導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計(jì)穿越曲線的偏移。

3、擴(kuò)孔器的配置

對(duì)于φ813mm主輸油管與φ114mm光纜管套管的穿越施工。根據(jù)穿越擴(kuò)孔的要求：擴(kuò)孔直徑達(dá)到管徑的1.3-1.5倍，每級(jí)擴(kuò)孔相差6＂-15＂；按照我們以前的施工情況，正常的預(yù)擴(kuò)孔是按每級(jí)擴(kuò)孔級(jí)差為6＂，如果按以前的施工方法，需要采用桶式擴(kuò)孔器擴(kuò)6次孔（18″、24″、30″、36″、42″、48″），最后再用42″擴(kuò)孔器清孔一次。而根據(jù)地質(zhì)報(bào)告描述，此次定向鉆穿越的主要地層是泥巖、為保證最佳的成孔質(zhì)量及工期要求，擬定采用φ18″、φ24″、φ30″、φ36＂、φ42″、φ48″板式和桶式相結(jié)合的三級(jí)擴(kuò)孔、兩次清孔使用，以減小擴(kuò)孔扭矩和提高成孔質(zhì)量，同時(shí)保證擴(kuò)孔過(guò)程中孔徑曲線不偏離導(dǎo)向孔曲線，先后逐級(jí)擴(kuò)孔，最后擴(kuò)孔直徑達(dá)1.3倍。

三級(jí)擴(kuò)孔級(jí)配：

第一級(jí)擴(kuò)孔：采用φ24″板式擴(kuò)孔器；

第二級(jí)擴(kuò)孔：采用φ36″板式擴(kuò)孔器+φ18″桶式擴(kuò)孔器；

第三級(jí)擴(kuò)孔：采用φ48″板式擴(kuò)孔器+φ30″桶式擴(kuò)孔器；

兩次清孔級(jí)配：

第一次采用φ42″桶式擴(kuò)孔器；

第二次采用φ48″桶式擴(kuò)孔器；

板式擴(kuò)孔器及桶式擴(kuò)孔器形狀見(jiàn)下圖所示。

采用上述的擴(kuò)孔器配置，尺寸小的桶式擴(kuò)孔器主要起的作用是保證擴(kuò)孔后的管道曲線沿導(dǎo)向孔曲線前進(jìn)擴(kuò)孔，同時(shí)將上一級(jí)擴(kuò)孔過(guò)程中切削下來(lái)的泥塊進(jìn)行粉碎，保證與泥漿充分溶解；而尺寸大的板式擴(kuò)孔器的主要作用是將孔徑擴(kuò)大，也就是擴(kuò)孔。通過(guò)試驗(yàn)證明，此種擴(kuò)孔器的配置，對(duì)于泥巖地層中施工能很好的減小擴(kuò)孔扭矩，同時(shí)保證成孔質(zhì)量。

4、泥漿配置

應(yīng)根據(jù)地質(zhì)及時(shí)調(diào)整泥漿配比，泥漿性能取決于其成分配方，它可以潤(rùn)滑鉆頭減少磨損，可以軟化地層易于鉆進(jìn)，同時(shí)攜帶鉆屑返回工作坑，可以在回?cái)U(kuò)過(guò)程中穩(wěn)定孔壁，可以在回?cái)U(kuò)和拖管時(shí)潤(rùn)滑管道，其性能的好壞，直接影響最終管線穿越的成功。穿越泥巖應(yīng)調(diào)整泥漿添加劑，改變泥漿的流變性，提高剪切力，增加泥漿的攜帶性能，使泥漿克服“泥抱鉆”的施工現(xiàn)象，從而使鉆進(jìn)產(chǎn)生的阻力減小，并使鉆出的孔徑暢通無(wú)阻，順利完成推力、扭力的傳遞，有力的保障了下道工序的進(jìn)行。

在本工程穿越工程施工前，泥漿師要根據(jù)本工程的地層的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及土壤分類(lèi)進(jìn)行泥漿的配方研究，提出了對(duì)于本工程的地質(zhì)情況，應(yīng)盡量減少鉆進(jìn)液對(duì)地層滲水，也就是降低泥漿的失水量以及增強(qiáng)井壁的巖土的抗水敏性，抑制分散是最為關(guān)鍵的問(wèn)題。從泥漿失水量影響因素的分析和對(duì)巖土的水化性分析可以歸納出針對(duì)泥巖地層配制泥漿時(shí)的幾個(gè)要點(diǎn)：

⑴選優(yōu)質(zhì)土。由于水化效果好，粘土顆粒吸附了較厚的水化膜，泥漿體系中的額自由水量大大減少，所以優(yōu)質(zhì)土泥漿的失水量遠(yuǎn)低于劣質(zhì)土的。

⑵采用“粗分散”方法。使粘土顆粒適度絮凝，而非高度分散，從而使井壁巖土的分散性減弱，保持一定的穩(wěn)定性。

⑶添加降水劑。Na-CMC、PAM等降水劑通過(guò)增加水化膜厚度、增大滲透阻力、起井壁網(wǎng)架隔膜作等，可使失水量明顯減少。

⑷提高基液粘度。泥漿中的“自由水”實(shí)際上是濾向地層的基漿，其粘度愈高，向地層中滲濾的速率就愈低。

⑸調(diào)整泥漿比重，平衡地層壓力。井眼中液體壓力與地層中的流體的壓力差是泥漿失水的動(dòng)力，盡可能減少壓力差，維持平衡鉆進(jìn)是降失水的有效措施。

泥漿的配置在整個(gè)施工過(guò)程中并不是一成不變的，要根據(jù)具體的施工情況進(jìn)行調(diào)整。具體調(diào)整的主要是根據(jù)孔道中返出的泥漿的性能進(jìn)行調(diào)整。

四、結(jié)束語(yǔ)

在本工程的施工過(guò)程中，通過(guò)采用以上的技術(shù)措施后，在工期和成本方面均取得了很好的效果。

1、科學(xué)的施工組織管理，能夠提高工作效率，縮短施工工期，有效地控制施工進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)施工工期短的優(yōu)勢(shì)。

2、科學(xué)的施工技術(shù)方案是確保施工成功關(guān)鍵，可以減少施工材料的消耗，降低施工成本，取得較好經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)成本低的優(yōu)勢(shì)。