王書寧，申勝斌

（焦作市黃河華龍工程有限公司，河南 焦作 454100）

0 引言

水平定向鉆穿越施工是采用定向鉆機(jī)和控向儀器，通過導(dǎo)向鉆進(jìn)、擴(kuò)孔、拉管等工藝，穿越地下障礙物和地面建造物等，實(shí)施管線敷設(shè)的非開挖施工方法。該方法在非開挖技術(shù)領(lǐng)域里占據(jù)著主導(dǎo)地位［1］。

扶正器是在水平定向鉆穿越施工中經(jīng)常用到的微擴(kuò)孔裝置。扶正器種類繁多，有扶正器鉆具組合、抽油桿扶正器、套管扶正器等［2］。不同結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的扶正器適用于不同的水平穿越或不同類型偏磨的油井。

在河南焦作穿沁倒虹吸工程施工中，由于扶正器刀道堵塞，造成孔道內(nèi)壓力過高，出現(xiàn)返漿不順或冒漿等不利現(xiàn)象。施工單位針對該問題進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)研究，制造了反水孔扶正器。

1 工程概況

河南省焦作市沁北引黃灌區(qū)沁北干渠工程為管道穿越沁河倒虹吸工程，設(shè)計(jì)采用非開挖技術(shù)，即利用水平定向鉆穿越沁河。沁河為一寬淺游蕩型河道，穿越管道采用雙線布置，兩管間距為15 m，穿越管身總長為1 827 m，其中，定向鉆敷設(shè)1750m。壓力管管身采用L485直縫埋弧焊鋼管，外徑為1016 mm，管壁厚為20．6 mm。倒虹吸管建基面最大埋深為河床下約 33．5 m。

工程區(qū)位于黃河中下游沖積平原，地層均為第四系沖積物。在定向鉆穿越沁河鉆進(jìn)過程中，第一次鉆進(jìn)至22根鉆桿處、鉆進(jìn)長度為180 m時(shí)，出現(xiàn)返漿不順，壓力表顯示增大了0．5 MPa。先回抽鉆桿3根，出現(xiàn)少量返漿后，繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)至38根鉆桿處（第36根鉆桿為鉆桿水平段與曲線段的交接桿）、鉆進(jìn)長度約350 m時(shí)，未見返漿，壓力表顯示值比正常增大了1．0 MPa。為防止鉆孔內(nèi)壓力過高而出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象，決定將鉆桿全部抽出進(jìn)行檢查。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，刀型孔道存在膠泥堵塞。對鉆頭和扶正器進(jìn)行清理后，再次鉆進(jìn)。第二次鉆進(jìn)長度至684 m時(shí)，出現(xiàn)返漿不順、壓力值增大、鉆進(jìn)困難現(xiàn)象。為防止鉆孔內(nèi)壓力過高而出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象，決定抽回鉆桿。抽回至360 m時(shí)，壓力值恢復(fù)正常。于是，繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆至684 m處時(shí)，又出現(xiàn)返漿不順、泥漿壓力急劇升高、鉆進(jìn)吃力的現(xiàn)象。因此，決定將鉆桿全部抽回，對導(dǎo)向鉆頭和鉆桿進(jìn)行全面檢查。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，扶正器的刀型孔道全部被膠泥堵死。在施工過程中，為了保證河道內(nèi)不出現(xiàn)冒漿，需多次將鉆桿全部抽出，重新鉆進(jìn)。這將嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，并造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，施工單位通過分析返漿不順的原因，并根據(jù)定向鉆進(jìn)原理，研制了反水孔扶正器。

2 反水孔扶正器的研制

2．1 反水孔扶正器的工作原理

泥漿泵通過鉆機(jī)、鉆桿將泥漿加壓至鉆頭噴孔和扶正器上的反水孔，噴射出的泥漿造漿后，順著鉆進(jìn)孔道向后返漿至地面。扶正器上的反水孔噴射出的泥漿對鉆頭噴射出的泥漿進(jìn)行助力推進(jìn)，并沖刷扶正器刀齒切削的黏土，使其與鉆頭噴射出的泥漿匯合一處，向地面返漿。反水孔扶正器的微擴(kuò)孔增大了孔道的環(huán)形空間，對鉆頭處噴射的泥漿形成了空間助力返漿。通過以上兩次助力返漿，配合泥漿壓力、推力、扭矩等的控制，扶正器隨著鉆頭和鉆桿旋轉(zhuǎn)，扶正器上的反水孔也跟著旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆桿內(nèi)的泥漿由扶正器反水孔噴出，將堵塞在刀道（刀形孔道的簡稱）內(nèi)的黏土沖掉。泥漿壓力大小可根據(jù)地層、地質(zhì)及成孔情況，并結(jié)合控制室數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，調(diào)整鉆進(jìn)速度和泥漿配比，在根本上控制鉆頭處的壓力，有效地預(yù)防了刀道堵塞、冒漿及孔道塌方［3～4］。

2．2 設(shè)計(jì)方案

2．2．1 擬訂方案

根據(jù)反水孔扶正器的工作原理，擬定3種設(shè)計(jì)方案：

（1）安設(shè)3個反水孔。3個反水孔安裝在刀道的正中間，與鉆桿呈45°角。根據(jù)鉆頭的孔徑和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置反水孔孔徑的大小為5 mm。其設(shè)計(jì)簡圖如圖1所示。

（2）安設(shè)6個反水孔。在扶正器3個刀道的中、前方各安設(shè)2個反水孔，反水孔的角度順著刀道，孔口平行于扶正器。反水孔孔徑的大小為5 mm。其設(shè)計(jì)簡圖如圖2所示。

（3）安設(shè)9個反水孔。在扶正器3個刀道的前、中后各安設(shè)3個反水孔，反水孔的角度順著刀型孔道，孔口平行于扶正器。其設(shè)計(jì)簡圖如圖3所示。

2．2．2 方案對比

對擬定的3種方案進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)，得到如下結(jié)果。

第一種方案（安設(shè)3個反水孔）鉆進(jìn)至95根鉆桿、鉆進(jìn)長度為894 m時(shí)，出現(xiàn)返漿。抽回鉆桿40根（380 m），再次鉆進(jìn)至850 m處時(shí)，又出現(xiàn)返漿不順，壓力值也在不斷增高。將鉆桿全部抽出，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，扶正器在安設(shè)反水孔處沒有膠泥堵塞。但是，在反水孔的前端和后端仍有膠泥堵塞的情況。

第二種方案（安設(shè)6個反水孔），鉆進(jìn)壓力正常，返漿順利，各項(xiàng)指標(biāo)都正常。在第一條管線導(dǎo)向孔鉆進(jìn)施工中，未出現(xiàn)因扶正器刀道堵塞所引起的返漿不順、壓力值增大等問題，導(dǎo)向孔順利精確鉆出。

第三種方案鉆進(jìn)過程中，泥漿壓力表值一直在1．5 MPa左右，鉆進(jìn)至300 m處，開始返漿，鉆進(jìn)不順。檢查泥漿泵、泥漿管路、泥漿壓力表等，未發(fā)現(xiàn)故障。

通過對比，確定第二種方案（安設(shè)6個反水孔）為反水孔扶正器的設(shè)計(jì)方案。

2．3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

反水孔由彎頭和噴水孔兩部分組成，這兩部分采用合金鋼一次加工成型。彎頭外孔直徑為20 mm，壁厚為4 mm，兩邊分別長20 mm、27 mm。彎頭短邊直接焊接在扶正器上，長邊為彎頭接箍，接箍部分外徑為14 mm，內(nèi)徑為8 mm，長為7 mm。噴水孔孔長為 5 mm，孔徑為 5 mm，外徑為 10 mm，壁厚為 2．5 mm。噴水孔焊接在彎頭接箍上，具體如圖4所示。

圖1 設(shè)3個反水孔的扶正器設(shè)計(jì)方案Fig.1 Plan of installing three reverse water holes

圖2 設(shè)6個反水孔的扶正器設(shè)計(jì)方案Fig.2 Plan of installing six reverse water holes

安裝時(shí)，先在扶正器上鉆直徑為8 mm的孔。然后，將彎頭套在孔徑上方定位（彎頭方向順著刀道方向），手工氬弧焊焊牢。最后，將噴水孔焊接在彎頭接箍上。

圖3 設(shè)9個反水孔的扶正器設(shè)計(jì)方案Fig.3 Plan of installing nine reverse water holes

圖4 反水孔扶正器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Reverse waterhole centralizer structure

3 結(jié)語

反水孔扶正器的應(yīng)用解決了施工中刀道堵塞的重大難題，防止了冒漿和返漿不順等現(xiàn)象，有效提高了定向鉆的鉆進(jìn)速度，保證了施工的連續(xù)性和均衡性，確保了質(zhì)量、技術(shù)和職業(yè)健康安全目標(biāo)、指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。本次研制的反水孔扶正器適應(yīng)各種非開挖穿越工程的鉆進(jìn)技術(shù)。特別是，在黏性土質(zhì)穿越河道工程中，起到了關(guān)鍵作用。

［1］樓岱瑩．大口徑管道定向鉆穿越擴(kuò)孔施工的技術(shù)探討［J］．非開挖技術(shù)，2009（4）:13-16

［2］尹方雷，白冬青，龔建凱．液壓式套管扶正器在側(cè)鉆水平井中的應(yīng)用［J］．石油鉆采工藝，2013，35（2）:24-25．

［3］肖經(jīng)緯，馮德杰．扶正器鉆具組合在定向井施工中的應(yīng)用［J］．內(nèi)蒙古石油化工，2011（8）:35-37．

［4］王西貴．套管扶正器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］．西安:西安石油大學(xué)，2012．