超長(zhǎng)距離復(fù)雜巖層定向鉆穿越施工技術(shù)

鄭明高

中石化江漢油建工程有限公司，湖北武漢 433101

潛江-韶關(guān)輸氣管道工程包括湖北省干線、湖南省干線、廣東省干線、長(zhǎng)江先期投產(chǎn)及工程聯(lián)絡(luò)線五個(gè)部分。干線線路起自湖北省潛江市潛江樞紐站，止于廣東省韶關(guān)市韶關(guān)末站，管道全長(zhǎng)830 km。管道穿越長(zhǎng)江采用定向鉆方式，為新氣管道有限公司管道項(xiàng)目的先期投產(chǎn)段。穿越水平長(zhǎng)度3 100 m，實(shí)長(zhǎng)3 120 m，穿越入土角17°，出土角12°，曲率半徑1 500 D（D為管徑）。穿越層位為中風(fēng)化泥質(zhì)、砂質(zhì)板巖，最大穿越深度為水平面下55 m。管道設(shè)計(jì)采用D 406.4 mm×12.7 mm的X60Q鋼級(jí)鋼管，設(shè)計(jì)輸送壓力10 MPa。穿越地層主要為中-微風(fēng)化泥質(zhì)、砂質(zhì)板巖，為硬巖，巖芯多碎片狀、半柱狀，少量呈柱狀，裂隙發(fā)育，垂直層理發(fā)育，平均單軸抗壓強(qiáng)度為80 MPa，兩側(cè)穿越地層存在小范圍粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、礫石區(qū)，穿越段的長(zhǎng)江江面寬2 000 m。

1 工程特點(diǎn)

（1）穿越水平長(zhǎng)度3 120 m，是國(guó)內(nèi)水平定向鉆穿越長(zhǎng)江巖石層距離最長(zhǎng)的工程，穿越巖石層距離達(dá)2 900 m。

（2）穿越地質(zhì)條件復(fù)雜，地層中石英含量高，裂隙、破碎帶發(fā)育，軟硬交替頻繁，存在中風(fēng)化泥質(zhì)-砂質(zhì)板巖夾雜石英，對(duì)施工工藝提出了更高要求。

（3）為保證在長(zhǎng)江大堤以下部分的穿越施工進(jìn)入水平段，穿越入土角采取罕見(jiàn)的17°，出土角12°，為此給長(zhǎng)距離施加鉆壓、扭矩傳遞、導(dǎo)向孔的對(duì)接準(zhǔn)確度和擴(kuò)孔、管道回拖都將帶來(lái)較大的困難。

（4）穿越施工點(diǎn)位于家魚(yú)保護(hù)區(qū)，受汛期限制，必須在一個(gè)汛期內(nèi)（當(dāng)年10月至來(lái)年5月）完成施工，對(duì)施工工藝、施工效率提出較高要求。

2 施工難點(diǎn)

需要施工的管道路由見(jiàn)圖1，管道需穿越長(zhǎng)距離的中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化板巖地層。本文主要介紹導(dǎo)向孔、擴(kuò)孔施工技術(shù)以及配套的泥漿工藝，其施工難點(diǎn)如下[1-4]：

圖1 穿越管道剖面示意

（1）穿越地層硬，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軟硬交替，裂隙、破碎帶發(fā)育，導(dǎo)向施工難度大。

（2）穿越地層中石英含量高，對(duì)鉆具磨損嚴(yán)重，穿越距離長(zhǎng)，鉆機(jī)扭矩和鉆壓的傳遞距離短，擴(kuò)孔施工效率低下。

（3）切削巖石顆粒大，數(shù)量多，容易造成鉆屑堆積，形成鉆具卡鉆等井下事故，泥漿施工工藝復(fù)雜。

3 施工工藝論證

3.1 導(dǎo)向孔施工方法

（1）導(dǎo)向孔穿越方式與鉆機(jī)選擇?，F(xiàn)有導(dǎo)向孔施工方法主要有單穿和對(duì)穿，即單側(cè)穿越施工和對(duì)接穿越施工，由于本次穿越距離為3 120 m，超過(guò)了單側(cè)穿越的最大施工能力，故選擇對(duì)接穿越施工。兩岸同時(shí)安裝鉆機(jī)，長(zhǎng)江北岸監(jiān)利側(cè)安裝600 t奧格DD1300主鉆機(jī)，長(zhǎng)江南岸岳陽(yáng)側(cè)安裝200 t奧格DD-440輔助鉆機(jī)，相向鉆進(jìn)，在合適位置完成導(dǎo)向孔對(duì)接。

（2）鉆具組合的選擇和導(dǎo)向孔曲線的控制。在對(duì)接導(dǎo)向孔施工中，此項(xiàng)內(nèi)容至關(guān)重要。導(dǎo)向鉆具組合是指將各種不同型號(hào)的螺桿馬達(dá)與鉆頭加以組合以適應(yīng)穿越地層，本工程穿越管道直徑為406.4 mm，按照GB 50424-2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》，單根鉆桿的最大折角不大于1.6°，考慮到入土角罕見(jiàn)的17°，實(shí)際施工中單根鉆桿調(diào)節(jié)角度需滿足1°的造斜能力，因此，導(dǎo)向孔鉆進(jìn)應(yīng)采用大鉆頭和大馬達(dá)，加大造斜角度，防止鉆進(jìn)時(shí)導(dǎo)向孔曲線超深或超淺。通過(guò)CAD模擬計(jì)算，本工程選用φ203 mm、1.75°的螺桿鉆具，配合φ311.2 mm的三牙輪鑲齒鉆頭，鉆桿選用能夠承受大拉力、大扭矩的7-5/8 in（1 in=25.4 mm）的S-135級(jí)優(yōu)質(zhì)壁厚高強(qiáng)度鉆桿，見(jiàn)圖2。以上導(dǎo)向孔鉆具組合成孔孔徑較大，約745 mm，相應(yīng)的鉆桿環(huán)空也較大，有利于泥漿鉆屑的攜帶，防止鉆頭卡鉆。

圖2 導(dǎo)向孔鉆具造斜強(qiáng)度示意

（3）導(dǎo)向儀器選擇。對(duì)于導(dǎo)向孔曲線的控制，更多受制于導(dǎo)向儀器的精度和控向人員對(duì)穿越地質(zhì)的了解程度。本項(xiàng)目為弱風(fēng)化板巖，巖石單軸抗壓強(qiáng)度大，導(dǎo)向孔成形后，很難在現(xiàn)有孔內(nèi)調(diào)節(jié)鉆進(jìn)方向或改變鉆井方向，因此，在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)至對(duì)接位置前，必須保證兩側(cè)導(dǎo)向孔精確地相向鉆進(jìn)。鑒于本項(xiàng)目穿越復(fù)雜的硬巖，因而選擇精度較高的PHL公司生產(chǎn)的P2導(dǎo)向儀。

3.2 擴(kuò)孔施工方法

常規(guī)擴(kuò)孔施工是在出土點(diǎn)安裝擴(kuò)孔鉆頭，鉆機(jī)提供拉力和扭矩，迫使鉆頭切削巖體，但本項(xiàng)目穿越距離長(zhǎng)，消耗在鉆桿上的摩阻力矩大，傳遞給擴(kuò)孔鉆頭的扭矩小，擴(kuò)孔效率低下，因此，本工程不宜采用常規(guī)擴(kuò)孔施工，推薦使用正向擴(kuò)孔或兩臺(tái)鉆機(jī)同步擴(kuò)孔施工。

按照以下經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算穿越長(zhǎng)度3 100 m時(shí)鉆桿最大的摩阻力矩：

式中：T為鉆桿阻力矩，N·m；k為正壓力系數(shù)，取1/3；g為重力加速度，m/s2，取9.8；f為摩擦系數(shù)，取0.2～0.4；W為鉆桿質(zhì)量，kg；r為鉆桿半徑，m。

通過(guò)計(jì)算得出，鉆桿所受到的最大摩阻力矩約為30 000 N·m。如果采用常規(guī)方式擴(kuò)孔，首先要抵消此部分扭矩，因此選用正向擴(kuò)孔方法。

4 解決施工難點(diǎn)的技術(shù)措施

4.1 導(dǎo)向孔對(duì)穿施工

（1）助推保護(hù)套管輔助技術(shù)的實(shí)施。穿越兩側(cè)均有100 m長(zhǎng)度的土層，為了防止泥漿漏失、軟硬交界面擴(kuò)孔形成臺(tái)階以及解決長(zhǎng)距離鉆進(jìn)鉆壓的有效傳遞等問(wèn)題，兩側(cè)均安裝了φ457 mm的套管（此為助推保護(hù)套管輔助技術(shù)），通過(guò)實(shí)施該技術(shù)，創(chuàng)造了奧格DD440鉆機(jī)在抗壓強(qiáng)度80 MPa巖石中最長(zhǎng)鉆進(jìn)1 750 m的紀(jì)錄。

（2）磁方位角測(cè)量。施工前，將導(dǎo)向探頭布置在長(zhǎng)江兩岸中心線上，多次測(cè)量大地磁方位角，取多次測(cè)量值的算術(shù)平均值作為方位角基準(zhǔn)值；在穿越陸地段盡可能多地布置人工磁場(chǎng)線圈，以精確控制鉆頭方向；穿越江面采用交流磁靶，測(cè)量時(shí)磁靶放置在木船上，多次測(cè)量，分析判別干擾值和真實(shí)值。穿越區(qū)域磁方位角測(cè)量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

（3）優(yōu)化選擇導(dǎo)向孔對(duì)接區(qū)域。對(duì)接點(diǎn)選擇在兩側(cè)巖石硬度均一的地區(qū)，防止不均造成鉆頭突變方向，干擾對(duì)接；準(zhǔn)確計(jì)劃導(dǎo)向孔對(duì)接時(shí)間，選擇在白天午間對(duì)接，有利于磁靶測(cè)量時(shí)磁干擾??；同時(shí)，增加數(shù)據(jù)采集頻率，每鉆進(jìn)2～5 m測(cè)量一次，精確控向，保證導(dǎo)向孔對(duì)接區(qū)域平緩、連續(xù)。最終，導(dǎo)向孔對(duì)接橫向偏差為0.2 m，縱向偏差為-0.3 m。導(dǎo)向?qū)Υ┦┕ぷ鳂I(yè)見(jiàn)圖3。

4.2 正向擴(kuò)孔施工

（1）擴(kuò)孔工藝。本工程共兩級(jí)擴(kuò)孔，均采用正向擴(kuò)孔方式，第一級(jí)擴(kuò)孔為φ457.2 mm，第二級(jí)擴(kuò)孔為φ609.6 mm。正向擴(kuò)孔的鉆具組合為：鉆機(jī)+鉆桿+扶正器+正向擴(kuò)孔器+導(dǎo)引頭。扶正器器為φ406.4 mm，起到對(duì)鉆頭的扶正和導(dǎo)向的作用，導(dǎo)引頭為φ254 mm，其作用是保證擴(kuò)孔器與導(dǎo)向孔成型孔洞的同心度，防止擴(kuò)孔器偏位、擴(kuò)孔姿態(tài)不正。正向擴(kuò)孔施工見(jiàn)圖4。

表1 穿越區(qū)域磁方位角測(cè)量統(tǒng)計(jì)

圖3 導(dǎo)向?qū)Υ┦┕ぷ鳂I(yè)

圖4 正向擴(kuò)孔施工

（2）擴(kuò)孔工藝參數(shù)。正向擴(kuò)孔最大的問(wèn)題是鉆桿在孔內(nèi)受力復(fù)雜，容易發(fā)生鉆桿斷裂風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)模擬計(jì)算，該種地層，采用φ457.2 mm、3牙輪正向擴(kuò)孔器切削巖石的扭矩約為8 000 N·m，擴(kuò)孔時(shí)為保證井下鉆具安全，需要將扭矩控制在20 000 N·m以?xún)?nèi)，鉆壓控制在300 kN以?xún)?nèi)，鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)速度控制在20 r/min，鉆進(jìn)過(guò)程中需特別留意各類(lèi)鉆進(jìn)參數(shù)的變化，控制好鉆進(jìn)速度和泥漿流量。

（3）擴(kuò)孔技術(shù)措施。本項(xiàng)目局部地層破碎，裂隙、斷層發(fā)育（見(jiàn)圖5），正向擴(kuò)孔鉆具和鉆機(jī)容易產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，鉆屑顆粒較大，易發(fā)生卡鉆事故。針對(duì)該風(fēng)險(xiǎn)，主要措施是減小鉆進(jìn)速度，降低鉆壓，調(diào)低鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，待擴(kuò)孔器本體完全進(jìn)入巖石層或硬巖層后再加大鉆壓。

圖5 巖體的垂直層理

4.3 泥漿工藝

超長(zhǎng)距離擴(kuò)孔時(shí)，泥漿工藝至關(guān)重要。為提升泥漿的攜渣能力，施工現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)穿越地層的變化，采用復(fù)合泥漿配比技術(shù)，先使用6%～8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的定向鉆專(zhuān)用膨潤(rùn)土加淡水配出基漿，而后加入0.08%～0.15%的NaOH、0.2%～0.3%的高黏提切劑、0.2%～0.3%的高黏降濾失劑等調(diào)節(jié)泥漿的性能參數(shù)。

在擴(kuò)孔中，由于多次更換鉆具和清孔，泥漿全程需保持好的攜帶性能，現(xiàn)場(chǎng)要求每2 h對(duì)泥漿性能進(jìn)行全面檢測(cè)一次。泥漿的基本性能滿足表2的要求。

表2 泥漿基本性能參數(shù)

5 結(jié)束語(yǔ)

在超長(zhǎng)距離、超硬巖石、極復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行水平定向鉆穿越施工，具有施工周期長(zhǎng)、不穩(wěn)定因素多、風(fēng)險(xiǎn)極大、難度極高的特點(diǎn)，但通過(guò)采取科學(xué)的施工方法，新氣公司長(zhǎng)江定向鉆穿越施工項(xiàng)目成功地在長(zhǎng)江汛期前完成一次性回拖，得到了業(yè)主的肯定，同時(shí)創(chuàng)下了管徑406 mm管道水平定向鉆穿越長(zhǎng)江巖石層距離最長(zhǎng)的國(guó)內(nèi)紀(jì)錄，且創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)鉆機(jī)正向擴(kuò)孔1 500 m的施工紀(jì)錄。