砂泥岩交互破碎岩层定向钻穿越

胡安鑫，叶文建，陈仕清，李良均，易云兵

1.四川科宏石油天然气工程有限公司，四川成都610213

2.四川石油天然气建设工程有限责任公司，四川成都610213

砂泥岩交互破碎岩层定向钻穿越

胡安鑫1，叶文建2，陈仕清1，李良均1，易云兵1

1.四川科宏石油天然气工程有限公司，四川成都610213

2.四川石油天然气建设工程有限责任公司，四川成都610213

中贵线琼江河定向钻穿越地层主要为泥岩和砂岩，岩体较为破碎，定向钻穿越施工将遇到漏浆、卡钻等一系列难题。通过在施工图设计阶段应用物探和钻探相结合的方法探明了地层，以及在导向孔钻进及扩孔过程中采取随钻堵漏、套洗解卡等有效措施，成功地解决了工程难题，使管道一次回拖成功。着重介绍了穿越断面的地质情况及穿越设计，光缆导向孔的钻进，主管导向孔的钻进、扩孔及洗孔、回拖等主要施工过程，最后介绍了扩孔器的选择、泥浆的配备、卡钻的解卡等施工经验。

破碎岩层；定向钻穿越；钻探；物探；漏浆及堵漏；卡钻及解卡

中卫-贵阳联络线工程（简称中贵线）第5标段琼江河定向钻穿越位于重庆市铜梁县境内，为控制性工程。穿越场区位于四川盆地东南部，地形主要以浅丘和低山为主，穿越处河道宽约90 m，常年水深10～12 m，设计冲刷深度1.5 m。

琼江河定向钻穿越工程等级为大型，穿越断面包括琼江河及河南岸的山体。此段管道规格为D 1 016 mm×22.9 mm直缝埋弧焊钢管，管道材质X80，穿越长度1 016 m。与主管道平行间距10 m敷设了1条D 114 mm×6.4 mm硅芯管套管。

1 穿越断面地质情况与穿越设计

穿越断面主要地层为不等厚互层的砂岩、泥岩，地层构造主要以单斜地层为主，岩层接触关系为角度不整合，产状为330°∠8°。局部岩体破碎，裂隙发育，裂隙倾角范围25°～62°，闭合，无充填。破碎岩芯多呈碎块状、短柱状、柱状，岩石质量较差，穿越断面大部分岩石抗压强度20～60 MPa，RQD（岩石质量指标）平均值35%～65%，最小值为8%。采用瞬变电磁法和高密度电法相结合的物探方法对穿越断面河床及两岸附近区域进行探察，并结合勘察报告和钻孔岩芯数据，推测在距入土点240～350 m，450～550 m及距离出土点30～180 m附近区域为极为破碎岩层，见图1。根据以上地质情况，设计了如图2所示的穿越曲线[1]。

图1 水面顺河道方向物探剖面解译图

图2 穿越断面示意

2 主要施工过程

2.1 光缆导向孔钻进

导向孔钻进过程采用5-1/2 in（139.7 mm）钻杆，泥浆黏度控制在50～70 s，pH值控制在8～9左右，泥浆滤失量控制在15 mL以内，泥浆排量控制在0.8 m3/min以上。使用的主要泥浆材料为5%～7%的钠基膨润土，0.3%～0.5%的高黏CMC，0.2%～0.4%的纯碱。导向孔钻进过程中出现了泥浆渗漏现象，导向孔完成后回拖D 114 mm光缆套管。

2.2 主管道导向孔钻进

主管导向孔钻进过程出现较为严重的漏浆，通过比较分析水玻璃堵漏、水泥浆堵漏及采取桥塞堵漏后，确定采取桥塞随钻堵漏方案进行堵漏作业，并采用超过70 s的泥浆完成了导向孔的钻进。

2.3 扩孔及洗孔

为了减小每级扩孔器的切屑量，采取加快扩孔速度的方式，尽可能消除台阶的形成，确保扩孔器通过破碎地段的施工安全，共采用了11级扩孔。

（1）第1级扩孔（孔径达400 mm）。第1级扩孔采用牙轮扩孔器进行扩孔，泥浆黏度70 s以上，并在泥浆中添加了桥塞堵漏材料对漏点进行封堵。当第1级扩孔至距离出土点约130 m时，出现了严重卡钻，通过调整泥浆排量、钻机转速等措施均无法完成解卡，泥浆压力偶尔超过5 MPa。

推测卡钻的原因：由于地层岩体破碎和泥浆渗漏，造成了孔内无泥浆支撑，从而导致塌落的片状岩块卡在钻杆的接头部位。

解卡措施：入土端用200 t钻机下D232 mm× 9 mm钢套管450 m，出土端用400 t钻机牵引钻杆实施解卡施救作业，将卡在孔内的钻杆和第一级扩孔器打捞出洞。

（2）第2到8级扩孔（孔径达1 120 mm）。在第1级扩孔过程中，桥塞堵漏材料通过泥浆泵时，常造成泥浆泵底阀被堵漏材料堵塞，导致泥浆泵损坏的情况发生。在后几级的扩孔过程中，改用钻屑和大排量高黏度的泥浆进行随钻堵漏。

第1级至第7级扩孔均采用修复的牙轮式扩孔器进行扩孔，最大扩孔级差不超过100 mm，要求扩孔扭矩控制在2 500 psi（1 psi=6.896 kPa）以内，扩孔拉力控制在2 000 psi以下，扩孔转速≤25 r/min，防止扩孔器被卡死。

在进行第8级扩孔施工时，当扩进至距出土点100 m位置时，出现严重卡钻情况，扩孔器退出后发现有2个牙轮从掌背中部断裂，造成扩孔器无法继续钻进，施救采用D 900 mm的打捞桶进行打捞作业，将断落在孔内的牙轮打捞出洞。

（3）第9至11级扩孔及洗孔（孔径达1 420mm）。由于扩孔直径的增大，扩孔扭矩增加，扩孔周期延长，牙轮扩孔器经过长时间的磨损容易出现牙轮脱落造成孔内事故。因此在后期扩孔时采用滚刀式扩孔器扩孔，以确保扩孔安全。第9级扩孔先采用D1 270 mm滚刀式扩孔器扩孔，扩孔完成后再采用D1 300 mm牙轮扩孔器进行洗孔作业。第10级扩孔采用D1 370 mm滚刀式扩孔器扩孔，并采用D 1 300、1 420 mm牙轮扩孔器进行洗孔作业。第11级扩孔采用D1 200 mm扶正器+D1 420 mm牙轮扩孔器进行扩孔。

2.4 回拖

为了减小回拖的风险，采用5-1/2 in钻杆+D 1 200 mm牙轮扩孔器+200 t分动器+卸扣+38 m D 1 016 mm钢管进行试回拖，试回拖采用的泥浆黏度在60 s左右，泥浆排量控制在0.8 m3/min左右，试回拖过程进展顺利。

主管道回拖采用5-1/2 in钻杆+D 1 200 mm牙轮扩孔器+400 t分动器+卸扣+D 1 016 mm过渡管6 m+卸扣+D 1 016 mm主管，主管回拖一次成功。

3 施工经验

3.1 扩孔器选择

由于滚刀式扩孔器采用的滚刀直径大，数量少，旋转不平稳，振动较大，对不稳定地层的破坏作用较大；另外滚刀采用锥形齿，牙齿较浅，切屑效率低，遇到泥岩时容易形成泥包钻具，施工速度较慢，扩孔器在出现卡钻时进退较困难，因此，对于穿越长度在1 000 m以内的较软地层（抗压强度60 MPa以内），宜采用牙轮式扩孔器进行扩孔，而滚刀式扩孔器宜用于岩石抗压强度超过60 MPa以上的地层。

3.2 泥浆配备

完备泥浆性能检测仪器和配备专业的泥浆工程师，以便施工过程中能够及时检测泥浆性能，并根据钻进参数适时调整泥浆性能和泥浆供给参数，确保扩孔过程安全和提高扩孔速度[2]。

3.3 卡钻

在导向孔钻进过程中，为了防止卡钻，可加大泥浆排量，并来回抽送钻杆，以便提高泥浆的流动性和洗孔，并防止出现泥包钻具情况发生，这样直到扭矩平稳以后，再继续钻进。同时严格控制扩孔扭矩，防止扩孔器被卡死无法转动。如果出现卡钻，需要向后退出扩孔器时，入土端和出土端应保持信息畅通，密切注意钻杆的移动情况，防止在扩孔器退出过程中钻杆弯曲断裂[3-4]。常见的卡钻和解卡措施如下：

（1）对于扩孔器卡钻，可采取出土点钻机旋转拖拉，入土点滑轮组反向回拖的方法。滑轮组产生的回拖力应小于钻杆的最大抗拉强度。

（2）对于沉砂卡钻及钻杆卡钻，可采取内直径比钻杆大100 mm以内的钢套管进行套洗施救的方法。实施套洗施救的钢套管长度不宜大于500 m。

（3）对于钻遇破碎带时，因孔壁塌孔造成扩孔器卡在孔内的情况，可采用小一级的扩孔器进行清孔的方法解卡。

3.4 回拖

在大口径管道回拖前，先采用同直径管道进行试回拖，试回拖管道的长度不宜短于30 m，以检验孔道是否平滑顺直和满足管道回拖要求。主管道回拖时应增拖6 m长的同直径过渡管，以增加回拖主管道时管头的自由度。

4 结束语

中贵线琼江河定向钻穿越地层主要为泥岩、砂岩，岩体较为破碎，在施工图设计阶段应用物探、钻探相结合的勘察方法探明了地层；在导向孔钻进及扩孔过程中遇到了漏浆、卡钻等一系列问题，通过采取随钻堵漏、套洗解卡等一系列有效的措施，使工程得以顺利推进，最后管道一次回拖成功，为类似工程的设计和施工积累了经验。

[1]曾强，陈杰，亢会明，等.油气管道定向钻穿越勘察设计和施工中存在的问题及对策[J].石油工程建设，2012，38（1）：29-32.

[2]蔡亮学，何利民，吕宇玲，等.水平定向钻穿越方案设计方法研究[J].石油工程建设，2010，36（2）：1-4.

[3]徐向阳，许明武，杨菲.珠三角地区河流定向钻穿越设计施工问题探讨[J].石油工程建设，2012，38（4）：34-35.

[4]陈静，潘攀，王红丽，等.油气管道河流定向钻穿越设计存在的问题及对策探讨[J].石油工程建设，2014，40（5）：35-38.

DirectionalDrilling Crossing Staggered Fractured RockyStrata

HU Anxin1，YE Wenjian2，CHEN Shiqing1，LILiangjun1，YIYunbing1
1.Sichuan Kehong Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610213，China
2.Sichuan Petroleum Construction Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610213，China

The strata where Zhong-Gui Pipeline crossing Qiongjiang River by diretional drilling consist of mudstone and sandstone mainly.Owing to the fractured rock，directional drilling construction will face a series of problems such as mud leakage and drill bit stuck.To solve these problems，the combined geophysical exploration and drilling method is applied to explore the strata；the measures such as plugging leakage along with drilling and releasing drill bit stuck by washover are taken in pilot hole drilling and hole expanding.Therefore，the pipeline pullback succeeds once.This paper illustrates the geological condition of crossing profile，crossing construction design，and main construction procedures including pilot hole drilling for fiber optic cable，and pilot hole drilling，hole expanding and cleaning，and pullback for main pipeline.Finally，it introduces the construction experience involving hole expender selection，mud preparation and drillbit stuck releasing.

fractured rock layer；directional drilling crossing；geophysical exploration；mud leakage and plugging；drill bit stuck and releasing

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.06.016

胡安鑫（1984-），男，四川宜宾人，工程师，2007年毕业于西南石油大学油气储运专业，现从事管道线路及穿跨越设计工作。

2015-05-02