馬國(guó)武，馬　軍，龍志宏中國(guó)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(wèn)題及解決措施

馬國(guó)武，馬軍，龍志宏
中國(guó)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(shù)量多，穿越長(zhǎng)度長(zhǎng)，工期短，現(xiàn)場(chǎng)不具備施工條件地質(zhì)多為砂層等特點(diǎn)。由于在工程施工中采用一孔三管回拖、大噸位進(jìn)口定向鉆機(jī)施鉆以及提前做好定向鉆解卡應(yīng)急預(yù)案等技術(shù)措施，工程從開(kāi)鉆到完鉆共用21 d的時(shí)間就完成了施工任務(wù)。介紹了工程施工前與施工過(guò)程中存在的問(wèn)題、解決措施及其實(shí)施過(guò)程等。工程實(shí)踐表明：該工法相對(duì)于傳統(tǒng)的定向鉆施工具有周期短、見(jiàn)效快、適用于場(chǎng)地狹窄受限場(chǎng)所等優(yōu)點(diǎn)，但也存在風(fēng)險(xiǎn)較高，一次性投資較高的問(wèn)題，有待進(jìn)一步完善。

關(guān)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(hào)構(gòu)造油氣集輸干線工程能否順利完工的關(guān)鍵，冀東油田自成立以來(lái)，首次采用一孔三管回拖定向鉆技術(shù)成功穿越了納潮河，從開(kāi)鉆到完鉆時(shí)間共計(jì)21 d，開(kāi)創(chuàng)了穿越長(zhǎng)度最長(zhǎng)，一次穿越管道數(shù)量最多，地質(zhì)條件和周圍環(huán)境較復(fù)雜，施工周期最短的定向鉆穿越先例。施工過(guò)程中創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用是穿越成功的關(guān)鍵。

1　施工前的瓶頸問(wèn)題及解決措施

1.1開(kāi)工前準(zhǔn)備階段存在的困難

（1）穿越管道數(shù)量多，穿越長(zhǎng)度長(zhǎng)，施工工期短，穿越難度較大。在工程伊始的現(xiàn)場(chǎng)踏勘和設(shè)計(jì)交底時(shí)，對(duì)該工程的總體認(rèn)識(shí)是施工難度較大：一是納潮河水面寬（穿越處約為1 000 m），實(shí)際穿越長(zhǎng)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(gè)區(qū)域、同一時(shí)期穿越管道數(shù)量較多；三是整個(gè)工程的工期為45 d，按照常規(guī)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(shí)間為7 d，其中不包括設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)間，相對(duì)于30 d的納潮河定向鉆工期要求來(lái)說(shuō)，時(shí)間相當(dāng)緊。

（2）施工現(xiàn)場(chǎng)不具備定向鉆施工的條件。根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和曹妃甸管委會(huì)規(guī)劃的要求，新建的φ323.9 mm×8 mm輸氣管道穿越入土點(diǎn)坐標(biāo)（單位為m）為X = 4 324 868.758、Y = 497 757.665，出土點(diǎn)坐標(biāo)為X = 4 323 766.365、Y = 498 556.021，其中入土點(diǎn)在已建LNG管道的東側(cè)約10 m位置。沿線需要與已建LNG管道交叉穿越一次，交叉點(diǎn)的坐標(biāo)為X = 4 324 775.836、Y = 497 824.96，距入土點(diǎn)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(diǎn)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(zhǎng)度之內(nèi)穿越深度在16 m以上，且要安全穿越已建管道，施工的風(fēng)險(xiǎn)較大。新建的φ273 mm×8 mm的輸油管道穿越入土點(diǎn)坐標(biāo)為X = 4 324 864.072、Y = 497 751.181，出土點(diǎn)坐標(biāo)為X = 4 323 761.673、Y = 498 549.541，其中入土點(diǎn)在已建的LNG管道和中石化φ813 mm輸油管道之間（分別與兩個(gè)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(diǎn)坐標(biāo)為X = 4 324 864.072、Y = 497 751.187，出土點(diǎn)坐標(biāo)為X = 4 323 738.563、Y = 498 517.631，出入土點(diǎn)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(diǎn)位置可以看出：一是管道穿越位置位于曹南鐵路橋東側(cè)30 m之內(nèi)，伴行鐵路橋鋪設(shè)，距離電氣化鐵路較近，而已建兩條管道為外加電流保護(hù)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，綜合起來(lái)對(duì)于定向鉆信號(hào)干擾性較大。二是管道的入土點(diǎn)均與已建管道位置較近，不利于場(chǎng)地鋪墊和鉆機(jī)位置的選擇。三是穿越管道交叉點(diǎn)的頻次較多，穿越風(fēng)險(xiǎn)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(shí)開(kāi)鉆的相互擾動(dòng)和干擾較大。納潮河穿越現(xiàn)場(chǎng)示意見(jiàn)圖1。

圖1　納潮河穿越現(xiàn)場(chǎng)示意

（3）地質(zhì)多為砂層，不利于定向鉆施工。納潮河的地質(zhì)情況為：

第①層粉質(zhì)黏土：深度為地上4 m至0 m，灰色，軟塑，土質(zhì)不均，切面較光滑，韌性和干強(qiáng)度中等，含有機(jī)質(zhì)。

第②層粉砂：深度為地下2 m以上，灰色，中密狀態(tài)，飽和，主要礦物成分為長(zhǎng)石、石英，含云母，砂質(zhì)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(zhì)黏土：深度為地下2～8 m，灰色，軟塑-流塑，土質(zhì)不均，切面較光滑，韌性和干強(qiáng)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(tài)，飽和，主要礦物成分為長(zhǎng)石、石英，含云母，砂質(zhì)不純，顆粒均勻，磨圓度中等，局部夾粉土薄層。

第⑤層粉質(zhì)黏土：深度為16～25 m，深度為灰褐色，可塑，土質(zhì)不均，切面較光滑，韌性和干強(qiáng)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(shí)狀態(tài)，飽和，主要礦物成分為長(zhǎng)石、石英，含云母，砂質(zhì)不純，顆粒均勻，磨圓度中等。

由上述地勘報(bào)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?jiān)O(shè)計(jì)最深的穿越深度為25 m，正好處于粉質(zhì)黏土和粉砂的邊緣地帶，穿越長(zhǎng)度長(zhǎng)，造成導(dǎo)向偏差大，塌孔成型差，極易導(dǎo)致管道回拖過(guò)程中的爆死或卡鉆現(xiàn)象發(fā)生，施工的風(fēng)險(xiǎn)加大。

1.2問(wèn)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(fēng)險(xiǎn)，一是甲方、監(jiān)理方、設(shè)計(jì)方、定向鉆施工單位一同與中石化和已建LNG管道的相關(guān)人員一起進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)多次踏勘，進(jìn)一步了解已建管道的走向和具體情況，索要施工時(shí)的記錄和資料。二是組織人員用雷迪檢測(cè)儀器和RTK儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量已建兩條管道（LNG管道和中石化φ813 mm管道）的埋深和坐標(biāo)，并做好標(biāo)記，特別是交叉點(diǎn)（坐標(biāo)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(rèn)工程施工難度較大后，定向鉆施工單位與各個(gè)專家溝通和協(xié)商，并結(jié)合多年的施工經(jīng)驗(yàn)，決定采用一孔三管回拖方法進(jìn)行施工，出入土點(diǎn)的坐標(biāo)與輸氣管道的相同（入土點(diǎn)坐標(biāo)為X=4 324 868.758、Y = 497 757.665，出土點(diǎn)坐標(biāo)為X = 4 323 766.365、Y = 498 556.021）。采取一孔三管回拖方案的對(duì)比論證情況見(jiàn)表1。

（2）選用大噸位進(jìn)口定向鉆機(jī)進(jìn)行施工，奠定了穿越一次成功的基礎(chǔ)。定向鉆鉆機(jī)能力應(yīng)滿足穿越管段回拖時(shí)的最大回拖力要求，回拖力計(jì)算公式如下：

表1　兩種穿越方式的對(duì)比

式中：F為穿越管段回拖力，kN；L為穿越管段長(zhǎng)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(nèi)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(shù)，一般取0.1～0.3，本工程取0.2；K為黏滯系數(shù)，一般取0.1 ～0.3，本工程取0.3。

經(jīng)過(guò)計(jì)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(jì)為1 572 kN。根據(jù)上述分析，為確保工程順利實(shí)施，選用美國(guó)奧格水平定向鉆機(jī)（最大回拖力為2 630 kN）進(jìn)行施工［1］，鉆機(jī)的性能見(jiàn)表2。

表2　奧格水平定向鉆機(jī)的性能參數(shù)

另外，為了保證一次穿越成功，應(yīng)提前做好應(yīng)急預(yù)案，開(kāi)工前要求施工方準(zhǔn)備好定向鉆卡鉆時(shí)的解救設(shè)備，并編制具體的專項(xiàng)施工預(yù)案。

2　施工過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題及解決措施

2.1施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題

（1）鉆機(jī)采用沉箱前地錨的方式固定，但鉆機(jī)就位調(diào)試后，發(fā)現(xiàn)地錨下土質(zhì)較軟，承載力和摩擦力較小，存在沉箱下沉和鉆機(jī)可能滑動(dòng)的現(xiàn)象。

（2）在導(dǎo)向施工過(guò)程中信號(hào)干擾較強(qiáng)，地質(zhì)比較硬，導(dǎo)向進(jìn)展緩慢，在導(dǎo)向到980 m時(shí)，無(wú)信號(hào)，地質(zhì)較硬，導(dǎo)向設(shè)備糾偏很困難，嘗試抽回鉆桿后，多次重新導(dǎo)向效果不明顯。若導(dǎo)向失敗，那就意味著定向鉆施工失敗，因而準(zhǔn)確的導(dǎo)向非常重要。

（3）定向鉆擴(kuò)孔過(guò)程中遇較厚土質(zhì)砂層，擴(kuò)孔速度較慢，兩側(cè)的泥漿坑返漿不明顯，當(dāng)擴(kuò)孔到1 080 m位置時(shí)，扭力特別大，擴(kuò)孔非常困難。

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

（5）由于回拖管道較長(zhǎng)，質(zhì)量較大，回拖區(qū)域復(fù)雜（預(yù)制管道穿越的道路有4條、池塘1個(gè)、山皮石鋪設(shè)區(qū)域460m），回拖過(guò)程中在保護(hù)管道防腐層的同時(shí)，如何減少回拖過(guò)程中的接觸面積，減少鉆機(jī)的回拖力，也是需要解決的問(wèn)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(yù)埋地腳螺栓，配合打鋼管樁進(jìn)行地錨加固，增加了錨固力，確保鉆機(jī)在加大拉力和扭力的情況下不滑動(dòng)，具體見(jiàn)圖2。

圖2　鉆機(jī)固定錨加固示意

（2）為了減少周圍環(huán)境磁場(chǎng)的干擾，一是鋪設(shè)交流磁信號(hào)電纜，即沿穿越中心線，鋪設(shè)交流磁信號(hào)電纜，該電纜在穿越過(guò)程中將作為導(dǎo)向孔穿越Paratrack II控向系統(tǒng)的磁信號(hào)源。二是使用磁靶進(jìn)行鋪設(shè)，磁靶的特點(diǎn)是用一個(gè)點(diǎn)的強(qiáng)磁場(chǎng)進(jìn)行導(dǎo)向控制，一般在中心線上。對(duì)前后3根鉆桿進(jìn)行定向，一般每70～80 m挪一下磁靶，以確保人工磁場(chǎng)覆蓋大部分穿越區(qū)域。同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，在穿越軸線的不同位置測(cè)取數(shù)據(jù)，且每個(gè)位置至少測(cè)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(xié)同作用下，導(dǎo)向信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性明顯加強(qiáng)，終于導(dǎo)向成功，最終出土點(diǎn)向東偏移了1 m，處于設(shè)計(jì)允許的范圍之內(nèi)。鋪設(shè)交流磁信號(hào)電纜示意見(jiàn)圖3。

圖3　鋪設(shè)交流磁信號(hào)電纜示意

（3）經(jīng)過(guò)多次嘗試，扭矩還是比較大，擴(kuò)孔進(jìn)展緩慢。經(jīng)過(guò)分析和判斷發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)返漿不明顯，這說(shuō)明成孔不好或者存在冒漿區(qū)域，經(jīng)過(guò)巡查，未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的冒漿現(xiàn)象。在擴(kuò)孔無(wú)法向前進(jìn)展的情況下，決定將擴(kuò)孔器反推到出土點(diǎn)，查看擴(kuò)孔器的狀況，反推過(guò)程中發(fā)現(xiàn)推力和扭矩較小，判斷成孔效果還好，但擴(kuò)孔器四周磨損較嚴(yán)重，因此決定更換新的、更加耐磨的擴(kuò)孔器重新擴(kuò)孔，最終完成φ600 mm孔的擴(kuò)孔任務(wù)。

（4）為保證三條管道的同心度，減少纏繞的幾率，進(jìn)行了大膽創(chuàng)新，采用φ711 mm的管道做母盤(pán)，內(nèi)焊接30 mm厚的鋼板盤(pán)，將三條管道固定焊接在板盤(pán)上，一起回拖。

（5）為了減少鉆機(jī)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(nèi)部清理干凈，減少重量；二是針對(duì)不同的地段采取不同的方法，前700 m采用開(kāi)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(guò)路部分采用涵洞方式（即在開(kāi)挖道路，鋪設(shè)沙袋和沙土后，在上面鋪設(shè)管排和鋼板以保證車輛順利通過(guò)），其余段采用滾輪方式（即每隔10 m設(shè)置一個(gè)由4個(gè)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(shí)可很好地保護(hù)防腐層）來(lái)解決上述問(wèn)題；三是在管道的入洞點(diǎn)前30 m位置人為設(shè)置斜坡，即用沙土架起管道，使管道在敷設(shè)時(shí)產(chǎn)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(shí)現(xiàn)了管道的自然回拖［3］。

3　結(jié)束語(yǔ)

納潮河定向鉆穿越是冀東油田自成立以來(lái)首次采用一孔三管回拖技術(shù)進(jìn)行穿越施工的工程，其穿越長(zhǎng)度最長(zhǎng)，一次性穿越周期最短，所采用的鉆機(jī)型號(hào)最大。該工法相對(duì)于傳統(tǒng)的定向鉆施工具有周期短、見(jiàn)效快、適用于場(chǎng)地狹窄受限場(chǎng)所等優(yōu)點(diǎn)，但也存在風(fēng)險(xiǎn)較高，一次性投資較高的問(wèn)題，在今后的施工中還需不斷地完善。

參考文獻(xiàn)

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

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

［3］蔡亮學(xué).水平定向鉆管道穿越回拖過(guò)程動(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究［D］.青島：中國(guó)石油大學(xué)（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(jiǎn)介：

馬國(guó)武（1982-），男，河北廊坊人，工程師，2004年畢業(yè)于河北石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院焊接科學(xué)及設(shè)備自動(dòng)化專業(yè)，主要從事油田地面工程建設(shè)工作。Email：565866608@qq.com

收稿日期：2015- 10- 21