山东白马、吉利河1310m岩石层定向钻穿越施工

张金宝，李强超

（江苏石油勘探局油田建设处，江苏江都225261）

山东白马、吉利河1310m岩石层定向钻穿越施工

张金宝，李强超

（江苏石油勘探局油田建设处，江苏江都225261）

长距离岩石层穿越是当今水平定向钻穿越施工的难点。文章结合山东白马、吉利河1 310 m岩石层定向钻穿越工程，在分析了穿越工程技术难点的基础上，论述了采用预埋套管、保护控向线挡圈、落井牙轮打捞新装置、导向浮筒装置、人工磁场监测、双钻机同步复式扩孔等工艺，成功地实现了岩石层穿越的施工过程。

岩石层；水平定向钻穿越；施工工艺

0 引言

2007年7月，江苏油建受中石化天然气分公司工程建设管理处的委托，承接了胶州—日照天然气管道白马、吉利河定向钻穿越工程。该工程设计穿越水平长度为1 399 m，其中岩石层水平长度为1 310 m（见图1）。穿越管道为D 508 mm×8.7 mm、材质L390的直缝埋弧焊钢管。本工程穿越的岩石层长度长、岩石硬度高，江苏油建管道技术工程公司没有穿越如此长距离岩石层的施工经验。我们通过向兄弟单位学习，应用新技术、新工艺和自行研制开发的实用有效的新工艺装置，克服重重困难，经过6个月零13天的艰苦施工，于2009年2月5日顺利地完成了该项工程。

图1 白马、吉利河穿越曲线示意

1 工程难点分析

穿越连续岩石层水平长度达1 310 m，这是江苏油建水平定向钻穿越施工史上的笫一次。

穿越地段的岩石结构由连续的二长花岗岩和玄武安山岩组成，二长花岗岩单轴极限抗压强度平均值为115.2 MPa，玄武安山岩单轴极限抗压强度平均值为68.5 MPa，岩石硬度很高。穿越如此长的岩石层，给施工带来的困难有：

（1） 导向孔施工时，由于导向长度比较长，导向累积误差较大。

（2） 导向施工达到一定长度后，钻杆自身扭转成“麻花”状，其最大扭转角度达720°，有的甚至达到1 080°以上，这就导致钻头方向难以控制。

（3） 长距离岩石导向钻孔施工，需多次更换钻头和动力钻具，一旦全部钻具离开土层，由于受钻头和动力钻具自身重力的影响，钻头要再次进入先前岩石层的井孔难度很大。

（4） 长距离岩石导向施工，我们使用有线地磁控向系统，控向线长时间受泥浆冲刷以及钻杆内壁的摩擦，导致控向线绝缘层损坏从而发生短路，使控向失效。

（5） 由于扩孔器牙轮背与岩石长时间摩擦而导致牙轮掉落井下，对于岩石层扩孔施工，如不及时将掉落井下的牙轮打捞出井，后续的扩孔施工将无法进行。

（6） 长距离岩石扩孔易发生断杆事故，造成井内无杆，重新进杆时，钻杆易被井壁岩石卡阻，使后续施工无法进行。

（7） 长距离岩石扩孔施工，要保持扩孔器切削性能，需要不断更换扩孔器，因此扩孔施工的工期很长。需要寻求缩短扩孔施工工期的新工艺。

2 定向穿越施工关键环节及应对措施

2.1 预埋套管工艺

为了保证第一次导向时钻头能够到达指定位置，以及此后更换的钻头和动力钻具能够顺利进入岩石层井孔内，在导向施工前，从入土点按入土角度用钻机旋进D 219 mm钢管，钢管与钢管之间采用焊接连接，钢管底端直抵岩石层，导向孔钻进完成后，用钻机将套管抽出。

2.2 保护控向线挡圈工艺

控向线长时间受泥浆冲刷和与钻杆内壁摩擦，容易损坏其绝缘层，发生短路而使控向失效。为防止这种情况的发生，每间隔100 m加设一只钢质挡圈，挡圈外径与钻杆内径相同，控向线穿过挡圈中心小孔，并用热缩套加以固定，挡圈安装在钻杆母扣台阶处，泥浆从挡圈半径中心点均匀分布的直径为30 mm的6个圆孔中流过。由于采用挡圈工艺，在整个导向孔施工过程中，没有发生短路现象，控向信号传输正常。

2.3 落井牙轮打捞新装置

常用的打捞桶是利用磁性原理进行工作的，桶的一端开口，另一端封闭。它只能单向打捞，而且岩屑容易塞满桶体，打捞效果大受影响。我们研制的打捞桶依然采用磁性原理，外形采用两端开口结构，渔网式双向打捞，合理设置水嘴，泥浆通过水嘴喷射至桶体内，扰动岩屑，致使岩屑不能在桶体内堆积，提高了打捞成功率（见图2）。

本工程在D 750 mm扩孔施工过程中，6个牙轮掉落井下。我们使用自行研制的打捞桶实施双向打捞，第一次打捞出井3只牙轮，同时发现强磁体上吸附了大量的铁屑，这些铁屑是由于施工过程中钻杆、扩孔器和打捞桶等铁质材料与岩石摩擦而产生的，并悬浮在泥浆中，当打捞桶经过时被强磁吸附。清除强磁体上的铁屑后，进行第二次打捞，打捞桶出井后，发现另3只牙轮全部在桶内，而且强磁体上吸附的铁屑很少。

图2 打捞桶示意

2.4 导向浮筒装置（见图3）

长距离岩石扩孔，钻具受力复杂，有时会发生断杆事故，一旦发生断杆事故，就会形成井内无杆状态，后续施工无法进行，势必要重新进杆，进杆过程中极易发生杆端被井壁岩石卡阻而不能贯通全井。根据浮力原理，我们研制开发了导向浮筒装置。在本工程扩孔施工中发生了一起断杆事故，采用导向浮筒装置，使钻杆顺利贯穿全井。

图3 导向浮筒示意

2.5 人工磁场监测工艺

由于导向长度比较长，导向累积误差较大，系统显示钻头的测量参数与钻头实际参数不一致。通过布设人工磁场，实时监测钻头实际参数，用以指导调整导向施工。在本工程施工中，我们共布设5个人工磁场，采用美国Tensor公司生产的MGS有线控向系统，显示钻头实际参数，使导向孔的钻进施工顺利进行。

2.6 双钻机同步复式扩孔工艺

为了保证井下安全和有效利用岩石扩孔器，保持施工的连续性，降低成本，提高工效，我们制订并实施了双钻机多级别同步复合式扩孔工艺，提高了施工效率。

传统预扩孔的程序是：扩孔器从出土端入孔，从入土端出孔（反向扩孔方式），一级扩孔完成后，再上笫二级扩孔器进行扩孔，如此反复直至完成。但在岩石层扩孔施工中，扩孔器经过一段时间的使用后，切削岩石的性能逐渐降低甚至丧失，因此需退出井孔进行维修，维修完成后，将此级别的扩孔器再次下井，进行扩孔。这样既耽误时间，造成施工的不连续，增加钻具维修压力和井下施工风险，又不能对扩孔器进行有效利用。这一矛盾在长距离、高强度岩石层扩孔施工时尤为突出。

为了解决以上难题，我们采取了以下措施：第一，根据岩石强度计算出岩石扩孔器在保证钻具安全的状态下能够有效切削岩层的长度；第二，采取正向、反向相结合的扩孔方式；第三，采取不同级别扩孔器相结合的嵌套式扩孔方式。这种交替进行扩孔的施工方法我们称之为复式扩孔施工工艺（见图4、图5）。

图4 复合式预扩孔施工工艺流程

图5 复合式预扩孔施工工艺进度

在进行大级别扩孔施工时，两台钻机分别在入土点和出土点联机同步扩孔，提高了扩孔速度。应用双钻机同步复式扩孔工艺，提高扩孔工效50%。

2.7 回拖施工控制要点

针对白马、吉利河穿越工程的现场环境和施工条件，由于出土点管道预制场地的限制，管道回拖采用二接一方式，并注意了以下几点：

（1） 当成品管道回拖到岩层、土层交界处，放慢回拖速度和旋转速度。

（2） 进行二接一管道焊接、探伤、防腐施工时，要定期向孔中注入泥浆，并适当地活动钻具，必要时小距离地回拖移动管道，防止停止时间过长，引起井下坍塌和泥浆水化，从而增加回拖阻力。

（3） 开挖管道发送沟以保护管道防腐层，同时减小管道与地面的摩擦力，降低回拖阻力。

（4） 调整泥浆的密度、胶凝强度和润滑性，使成品管道在孔中尽量接近于悬浮状态，这样既减少了回拖阻力，又保护了管道防腐层。

本工程一次回拖完成，共用24 h。回拖完成后经试压、测径检验合格。

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[3] 刘金祯，金健，陈雪华．地面信标控向系统在海河穿越中的应用[J]．石油工程建设，2003，（6）：58-60.

[4] 石忠．关于水平定向钻的研究报告[A]．管道人才论文集[C].北京：石油工业出版社，2003.164-169.

Abstract:Nowadays，long-distance crossing in rocky stratum is still a difficult construction key point in horizontal directional drilling.In the project of 1 310 m long pipeline crossing Baima River and Jili River in Shandong Province with directional drilling in rocky stratum,based on analyzing technical difficulties,a series of techniques were adopted,including pre-embedded casing,retaining ring for protecting direction control wire,new device for fishing gear wheel,guide buoys,artificial magnetic field monitor,synchronized multiple reaming with dual drillers.The pipeline crossing in rocky stratum was fulfilled successfully.

Key words:rocky stratum;crossing with horizontal directional drilling;construction process

（47）1 310 m Long Pipeline Crossing Baima River and Jili River with Directional Drilling in Rocky Stratum

ZHANG Jin-bao（Construction Division of Jiangsu Petroleum Bureau,Jiangdu 225261,China），LI Qiangchao

TE973.4

B

1001－2206（2011）01－0047－03

张金宝（1979-），男，江苏扬州人，工程师，2002年毕业于常州工业大学油气储运专业，现主要从事油气管道施工管理工作。

2010-01-19；

2010-08-30