曹洪祥

【摘 要】由于施工條件復(fù)雜，導(dǎo)向孔鉆進(jìn)、管道擴(kuò)孔及回拖過程存在不可見性，定向鉆穿越施工時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)冒漿、卡管、鉆機(jī)故障等作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，一旦控制措施失當(dāng)，會(huì)對(duì)整個(gè)工程施工產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。結(jié)合某成品油管道定向鉆穿越河流施工，討論了影響定向鉆施工的各種風(fēng)險(xiǎn)因素，并針對(duì)潛在的風(fēng)險(xiǎn)源，制定了詳盡的風(fēng)險(xiǎn)控制措施：主要包括：優(yōu)化施工工序，優(yōu)選鉆具組合，確定與其地質(zhì)條件相適應(yīng)的泥漿參數(shù)，嚴(yán)格進(jìn)行鉆進(jìn)軌跡控向，采取卡管風(fēng)險(xiǎn)削減措施等，成功穿越了地下粗砂層，避免了鉆機(jī)推拉力不足、抱管及大面積冒漿等現(xiàn)象的發(fā)生，保證了定向鉆施工作業(yè)的順利實(shí)施，為今后類似工程的施工提供了參考。

【關(guān)鍵詞】管道；定向鉆；穿越；施工；風(fēng)險(xiǎn)控制

水平定向鉆穿越是管道穿越河流、公路等障礙物時(shí)采用的一種施工工藝，由于其具有對(duì)地表?xiàng)l件要求低、對(duì)地面環(huán)境影響小、施工速度快等優(yōu)勢(shì)，近年得到廣泛應(yīng)用。然而，與大開挖施工相比，水平定向鉆穿越施工對(duì)設(shè)備、鉆具具有較強(qiáng)的依賴性，且地下鉆進(jìn)過程、管道回拖過程、導(dǎo)向孔和擴(kuò)孔存在不可見性，因此水平定向鉆穿越施工具有較高的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)[1]。為了將定向鉆穿越施工的風(fēng)險(xiǎn)降低到最小，要求在施工中采取一定的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

一、工程概況

某成品油管道規(guī)格D660×8.7mm，設(shè)計(jì)壓力8MPa，在天津市武清區(qū)穿越北運(yùn)河，穿越段管道規(guī)格為D660×12.7mm，穿越管道地基以下依次是粉質(zhì)黏土（1.0～5.5m）、粉土（3.2～9.0m）、粉砂（9.1～23.1m）、粉質(zhì)黏土（21.8～35.0m）。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，穿越管道出、入土點(diǎn)距離為992m，穿越最大深度26.5m，入土角10°，出土角8°，光纜套管與主管道平行穿越，間距10m。

二、風(fēng)險(xiǎn)因素

（一）鉆機(jī)風(fēng)險(xiǎn)

鉆機(jī)是定向鉆施工的核心設(shè)備之一，選擇鉆機(jī)時(shí)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況、工程用管等，計(jì)算管道最大回拖力，保證最大推拉力能夠滿足回拖需求。若鉆機(jī)選型出現(xiàn)偏差，可能會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)向孔鉆進(jìn)困難、回拖時(shí)抱管等現(xiàn)象發(fā)生。另外，鉆機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)等部件由于承受較大的壓力，出現(xiàn)故障的概率較高。一旦發(fā)生故障，會(huì)出現(xiàn)鉆進(jìn)中斷、回拖中斷的情況，若中斷時(shí)間過長，發(fā)生孔壁坍塌和抱管的概率會(huì)大幅增加。

（二）鉆具風(fēng)險(xiǎn)

隨著使用頻次的不斷增加，鉆桿及擴(kuò)孔器、卸扣、萬向節(jié)、牽引頭等鉆具的抗扭、抗拉強(qiáng)度不斷降低，特別是對(duì)于大口徑、長距離的定向鉆，由于鉆桿/鉆具組合承受的應(yīng)力較大，出現(xiàn)各種風(fēng)險(xiǎn)的可能性更高。比較常見的鉆具風(fēng)險(xiǎn)有：鉆桿斷裂、脫扣、回拖萬向節(jié)斷裂和牽引頭斷裂。

（三）控向風(fēng)險(xiǎn)

導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程中，因控向設(shè)備故障或人為因素影響，可能出現(xiàn)實(shí)際穿越曲線與設(shè)計(jì)穿越曲線偏差較大（脫離原設(shè)計(jì)地層），或者穿越軌跡存在急彎、死折等局部曲率半徑不足的情況，如果得不到及時(shí)糾偏、修孔，可能導(dǎo)致管道埋深不足、導(dǎo)向孔鉆進(jìn)困難、管道回拖卡管或鉆桿斷裂等問題。

（四）施工工藝風(fēng)險(xiǎn)

擴(kuò)孔級(jí)數(shù)、泥漿性能、管道發(fā)送方式等都是影響定向鉆施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。擴(kuò)孔級(jí)數(shù)過少，可能會(huì)因擴(kuò)孔級(jí)差的增大而產(chǎn)生過高的鉆進(jìn)扭矩，對(duì)鉆桿和鉆具帶來不利影響；擴(kuò)孔級(jí)數(shù)過多，反過來會(huì)增加施工成本，延長施工時(shí)間，增大孔壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)。泥漿在定向鉆施工過程中起護(hù)壁、攜砂、潤滑、控溫的作用，若泥漿性能物性低劣，將直接影響定向鉆成孔的效果，增大鉆進(jìn)難度與管道回拖阻力。管道回拖時(shí)，管道發(fā)送方式選擇不當(dāng)，不僅會(huì)對(duì)管道防腐層造成較大的破壞，還會(huì)增大管道回拖力，給管道回拖帶來額外的風(fēng)險(xiǎn)【2】。

三、風(fēng)險(xiǎn)控制措施

（一）設(shè)備及施工工序控制

水平定向鉆回拖時(shí)的最大回拖力計(jì)算公式：

Fp為計(jì)算拉力，L為穿越管段曲線長度（m）， f為摩擦系數(shù)，D為管子直徑（m），γm為泥漿重度，δ1為管子壁厚，γs：管道容重，Wb為定向鉆回拖過程中單位長度配重（KN/m），kv為粘滯系數(shù)。

最大回拖力是定向鉆施工選擇鉆機(jī)時(shí)需要考慮的主要因素之一。但式（1）主要考慮穿越管道與孔壁間的摩擦力和泥漿對(duì)管道的粘阻力，未考慮其他因素，根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，其計(jì)算結(jié)果一般偏小，因此水平定向鉆鉆機(jī)應(yīng)根據(jù)其計(jì)算值的1.5～3倍確定。

根據(jù)計(jì)算得到的最大回拖力約為261.4kN，回拖時(shí)還需考慮擴(kuò)孔器、鉆桿等產(chǎn)生的摩擦力及自身重力等因素，且鉆孔內(nèi)實(shí)際工況可能與理論工況存在偏差，最終確定選用GD-350型鉆機(jī)。

根據(jù)穿越點(diǎn)地質(zhì)條件，確定施工程序?yàn)椋恒@導(dǎo)向孔（219）→一級(jí)擴(kuò)孔（400）→二級(jí)擴(kuò)孔（600）→三級(jí)擴(kuò)孔（800）→四級(jí)擴(kuò)孔（1000）→洗孔（1000），只有洗孔過程扭矩和推拉力都正常，才能進(jìn)行管道回拖。施工時(shí)采用不同的鉆具組合。鉆導(dǎo)向孔：泥漿馬達(dá)+三牙輪鉆頭+5″S-135鉆桿；擴(kuò)孔：桶式擴(kuò)孔器+5″S-135鉆桿；洗孔：擠壓式洗孔器+5″S-135 鉆桿；回拖：主管道+萬向節(jié)+桶式擴(kuò)孔器+5″S-135鉆桿（1″=25.4mm）。

（二）泥漿性能控制

該工程定向鉆穿越地層大部分為地下粉土層，成孔性較好，鉆進(jìn)難度小，但存在局部砂質(zhì)地層，成孔性一般，須使用高粘度泥漿才能形成穩(wěn)定性好的孔壁，因此采用泥漿復(fù)合配方配制工藝，并對(duì)各施工階段泥漿性能進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（三）鉆進(jìn)軌跡控制

鉆進(jìn)軌跡控制難點(diǎn)：①保證鉆進(jìn)軌跡滿足管道最小曲率半徑要求；②避免鉆進(jìn)軌跡局部產(chǎn)生急彎、死折等現(xiàn)象。采用PⅡ地磁導(dǎo)向儀對(duì)穿越過程進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤定位，保證每根鉆桿最大折角不超過0.7°，連續(xù)4根鉆桿累加折角不超過2°。一旦出現(xiàn)方向偏差，要通過調(diào)整鉆頭造斜面及時(shí)進(jìn)行糾偏，直至鉆頭位置回到設(shè)計(jì)軌跡。若糾偏難度較大，則將鉆桿抽回重新調(diào)整鉆進(jìn)軌跡。

（四）防止冒漿的控制措施

導(dǎo)向孔鉆進(jìn)的前半段采取較大的泥漿壓力和排量，以便泥漿攜帶切削的泥土，使孔路暢通；后半段，由于從入土點(diǎn)反漿的難度加大，因此要適當(dāng)控制泥漿壓力，避免孔壁坍塌。

要根據(jù)泥漿回返情況，鉆頭深度和泵壓變化等分析，判斷并控制泥漿排量，防止泥漿的跑冒；井泥漿必須是優(yōu)質(zhì)泥漿，要測(cè)試性能參數(shù)，并詳細(xì)記錄，重點(diǎn)是有充足的人力，保證能連續(xù)配漿。并加強(qiáng)孔口監(jiān)測(cè)，隨時(shí)掌握變化。確保合理的粘度，和靜切值，提高懸浮能力。

（五）卡管風(fēng)險(xiǎn)控制

①采用發(fā)送溝注水工藝進(jìn)行管道回拖，不僅能夠減少管道防腐層的破壞，還可有效降低鉆機(jī)的回拖力。開挖發(fā)送溝時(shí)，其中心線要與穿越軸線重合，且發(fā)送溝內(nèi)不得有石塊、鐵絲等硬物，溝內(nèi)注水深度至少應(yīng)保證將管道從地面浮起。②認(rèn)真檢查鉆桿、擴(kuò)孔器、卸扣、萬向節(jié)等鉆具，清洗絲扣，確保內(nèi)部無損傷，回拖前還要檢查并確保擴(kuò)孔器的水眼暢通，卸扣無變形、鎖銷完好。③時(shí)間越短，鉆孔坍塌的可能性越小，因此，更換擴(kuò)孔器、連接回拖管道時(shí)應(yīng)在保證連接質(zhì)量的前提下，盡量縮短操作時(shí)間。④人員、設(shè)備及材料等方面要確保滿足施工需要，不能影響施工進(jìn)度、延誤工期。

四、結(jié)論

在定向鉆施工前必須充分分析潛在的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，找出切實(shí)可行的風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策。從定向鉆施工工藝、施工設(shè)備、地質(zhì)條件等方面出發(fā)，深入分析影響定向鉆穿越施工的風(fēng)險(xiǎn)因素，找出施工過程潛在的風(fēng)險(xiǎn)源，對(duì)于合理制定風(fēng)險(xiǎn)控制措施具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。同時(shí)為降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，使用的泥漿材料都要求是無毒害的，同時(shí)供貨廠商的資質(zhì)情況是經(jīng)有關(guān)部門審查批準(zhǔn)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】劉盛兵，向啟貴，劉坤. 水平定向鉆穿越施工及其風(fēng)險(xiǎn)控制措施探討[J].石油與天然氣化工，2008，37（4）：353-356.

【2】劉剛，徐舟. 定向鉆穿越回拖管道徑向變形原因分析[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2008，27（2）：60-61.