贵-渝成品油管道乌江水平定向钻穿越施工技术

2014-04-06郑俊

石油工程建设 2014年3期

郑俊

中石化江苏油建工程有限公司，江苏扬州 225001

1 工程概况

由江苏油建承建施工的贵阳-遵义-重庆成品油管道乌江水平定向钻穿越工程，位于贵-渝高速公路乌江大桥以东1.5 km，贵-渝铁路以西0.5 km处。管道输送介质为成品油，输送压力为9.5 MPa，管道规格为D 406.4 mm×9.5mm，钢管材质为X60直缝埋弧焊钢管，管道外防腐层采用3PE加强级防腐。

贵州省是多山地区、乌江以天险著称。喀斯特地质造就了众多的地下溶洞、暗河、地缝等特殊的地质构造，这给乌江水平定向钻管道穿越带来许多困难。

2 乌江穿越工程施工难点分析

2.1 控向难度大

碎石和卵石层、岩层软硬交错，穿越处岩石硬度高、距离长，地形地貌起伏大、高差大，周围干扰源多（如电气化铁路、铁矿石矿等），准确控向难度非常大，控向信号数据检测校验难。若碎石、片石突然滑落，易造成塞孔、卡钻杆和突然偏钻等，由此会进一步造成憋压和泥浆泄漏等问题，影响到井下钻具的安全和钻导向孔的成功率。且如果钻遇溶洞，就要承担前功尽弃的风险。

2.2 钻机操控难题多

（1）由于穿越地层软硬不均，片石、碎石多，穿越距离长，井下钻杆易在地层中形成S弯，而且随着穿越距离的增大，钻进的推力和扭矩也逐渐增大，钻头造斜难度更大，这将影响到导向孔曲线的质量。

（2）乌江地质情况复杂，地层分布不均，可能存在溶洞、较多的碎石和卵石，该地层易造成钻头跑偏，泥浆漏失和塌孔，正常钻孔的难度非常大。

（3）由于钻进距离长，地层变化大，司钻很难正确感触到地层情况以及钻具钻进的情况，不利于紧急情况的及时处理。比如：前面的钻头已经卡钻，司钻却正常钻进，这将使钻杆产生很大的反扭矩，造成钻杆弯曲，严重时甚至导致钻杆断裂和设备损坏。

（4）由于穿越距离长，高差大，需反复多次洗孔，但井下易破碎片石较多，在钻头回拔时，极可能发生塞孔、塌孔、卡钻头及钻杆接头脱落等情况，造成井下意外事故的发生，这就对洗孔速度、泥浆排量、压力的控制要求非常高。

3 对策措施

3.1 入土点、出土点调整

原设计确定的入土点、出土点，曲线高差大，经与设计部门沟通确定，入土点选在乌江南岸一条支流西岸上荒地处，出土点选在乌江北岸较大支流东岸坡地上，该坡地有500～600m长，可用于管道预制。如此，穿越曲线水平长度为885m，曲线长度891m，穿越最大垂直深度85m。由于乌江岸边山包的阻隔，出土点、入土点互相看不见。

3.2 穿越机选择

根据乌江穿越工程的地质条件、穿越长度、穿越管径以及现场地形地貌，确定选用美国威猛D 300mm×500mm履带式水平定向钻穿越机进场施工，穿越机最大拖拉力1 360 kN、最大扭矩67 800 N·m。

3.3 控向技术

（1）在开钻前利用探棒和全站仪准确测出穿越轴线的磁偏角，以此为基准控制导向孔钻向偏差。测磁偏角的具体方法如下：用全站仪准确测出穿越轴线，将探棒放在穿越轴线上，将探棒与遥显信号线连接，遥控显示器上将显示该位置探棒的磁偏角，沿轴线改变探棒的位置，多点测量在线磁偏角，综合考虑筛选几个可信的磁偏角后，取平均值即可作为穿越轴线准确的磁偏角。

（2）优化导向孔钻具组合，将探棒装入尼龙套及无磁探棒室中，无磁探棒室两端各连接1根无磁钻铤，以消除钻机、钻杆以及周围干扰源对探棒产生的磁干扰。

（3）在探棒入土前，利用手提探测器、遥控显示器对探棒进行3m校验，取垂直于探棒钻进方向的3、5、10、15、20m位置进行探测数据校验，采集数据进行分析，判断数据误差大小，摸索规律，以便及时准确判断控向数据的准确度，达到精确定位的目的。

（4）为防止控向线因钻导向孔时间长、泥浆压力高、排量大造成控向线堆积和外皮破损，在钻杆内设置特制的耐磨塑料线卡，使用定制加厚外皮的控向线，以确保控向信号正常传输。

（5）为防止钻杆弯曲断裂，特在入土点沿穿越曲线预埋D 323mm×10mm、长40m的焊接钢导向套管至硬地层（导向孔钻完后取出钢套管），以确保钻导向孔时推力正常传递，保持井口返浆，防止钻杆扭曲变形甚至断裂。

（6）导向孔钻进时，在入土点与出土点之间，沿穿越轴线设置中心桩，在可探测区域利用手提探测器，精确测量地下钻头位置，同时分析研究探测数据与控向软件反馈数据的偏差，把握数据规律和钻进趋势。

（7）在不可探测校验区域，如江面、山体以及探棒埋深较深位置等处，在钻导向孔时增加信号测量频率，每根钻杆（长9.6m）测量2次，根据信号数据变化，及时判断钻头走向，有效保证导向孔曲线符合设计曲线要求。最终使导向孔曲线与设计曲线的偏移量、出土点沿穿越轴线的纵向及横向偏差完全满足设计和规范要求。

（8）钻导向孔时，严格控制每根钻杆控向数据的变化量，满足设计曲率半径要求，避免出现S弯或“狗腿子”等缺陷。

3.4 泥浆配制技术

（1）乌江穿越地质条件复杂，在长距离岩石中穿越，其中可能存在溶洞、碎石，又由于岩体细缝多，因而泥浆配制技术是关键。各施工过程的泥浆性能调整要求如下：

其一，导向孔斜孔段：为保证钻屑携带和井眼畅通，控制泥浆的失水，需增大护壁剂、增黏剂和堵漏剂的含量。导向孔水平段：要及时提高携砂剂和润滑剂的含量，适当降低泥浆黏度和切力，保证泥浆的流变性能良好，使岩屑能顺利返出地面，增强泥浆的润滑性，以减小钻机推进阻力和扭矩。

其二，扩孔时为增强泥浆的固壁性能，防止井眼塞孔、塌孔和缩径，需增大固壁剂、增黏剂和清屑剂含量。

其三，回拖时为提高泥浆的润滑性，降低摩擦阻力，增强携屑效果，需提高清屑剂和润滑剂的含量。根据穿越段地层情况控制泥浆的黏度，在钻导向孔阶段，泥浆黏度控制在55～60 s；在预扩孔阶段，泥浆黏度控制在60～65 s；在回拖阶段，泥浆黏度控制在65～70 s。

（2）现场采用4个25m3罐配制泥浆，增加储浆量，使得膨润土及其添加剂有足够的水化时间，确保泥浆的黏度等性能达到要求。

（3）利用泥浆回收处理系统以循环使用泥浆。一是可更有效地保证泥浆的供应量，二是可减少泥浆的使用量，以节约成本和减少环境污染。为此，使用泥浆外运车将出土端返浆拉到入土端，经过处理后再次使用，这样既减少了泥浆使用量，又避免了废浆污染环境。

（4）因穿越段可能存在溶洞和较多的岩隙，泥浆漏失和冒浆风险很大，且井下岩屑较多，为此，专门与美国十方公司合作，现场试验，选用化学泥浆、果冻凝胶增强剂及堵漏剂等，配制了专用泥浆，提高了堵漏和携带岩屑效果；同时加大泥浆排量，提高泥浆循环速度，确保井眼畅通，避免了乌江水源污染和环境污染。

3.5 钻机操控技术

（1）钻导向孔时钻具组合为φ216mm镶齿合金牙轮钻头+动力钻具（1.5°）+2根无磁钻铤及探棒室+钻杆。首先采用φ127mm（S135）钻杆，钻进至650m后改用φ140mm（S135）钻杆，以增强钻杆的刚度，有利于钻机的推力和扭矩的有效传递。同时在入土侧斜孔段打入导向套管，使后续钻杆的推力易于向前传递，特别是在出土侧钻头开始上抬时可以利用入土侧套管作导向支撑点，克服钻进的阻力，有利于解决出土侧水平段向斜孔段过渡“抬头”难和入土侧塌孔及钻屑排出等问题。

（2）预扩孔时钻具组合为φ127 mm（S135）钻杆+φ140mm（S135）钻杆（20m） +岩石扩孔器+φ140 mm（S135）钻杆（20 m） +φ127 mm（S135）钻杆。扩孔时井下扩孔器保持平稳旋转和缓慢进退，以免造成片石或碎石受振滑落，从而导致塞孔、卡钻或所扩孔径变形，因此需经常注意井下钻具受力变化，及时反复洗孔排屑，确保井下钻具安全和井孔畅通。

（3）管道回拖时钻具组合为φ127 mm（S135）钻杆+φ140mm（S135）钻杆（20m）+φ550mm岩石扩孔器+150 t分动器及卸扣+φ406.4mm成品油管道。司钻员每次回拖前需提前开泥浆泵，待泵压正常后方可回拖，回拖时要控制回拖速度和扩孔器慢转，以免造成石块滑落、岩屑堆积或刮伤管道防腐层。

（4）长距离复杂地层导向孔钻进时，司钻员要全面准确地理解和执行控向员指令，同时要保证设备和钻具的承载能力在允许的范围内。预扩孔和回拖阶段要密切关注钻机扭力和拖力的变化，依据地质结构的变化，及时调整钻机旋转速度和回拖速度，使钻机扭矩和拖力保持在一个相对稳定和安全的数值。