对长距离天然气管道定向钻穿越岩石层施工工艺的探讨

2017-01-20杨福武

中国设备工程 2017年20期

关键词：长距离泥浆定向

杨福武

（泰山燃气集团有限公司，山东泰安 271000）

对长距离天然气管道定向钻穿越岩石层施工工艺的探讨

杨福武

（泰山燃气集团有限公司，山东泰安 271000）

随着我国社会经济的不断发展以及科学技术的创新应用，天然气管道工程建设项目逐渐增多，施工工艺技术水平取得一定发展。而长距离岩石层天然气管道定向穿越作为水平定向穿越施工环节的重要组成部分，是重点也是难点。基于此，本文在资料分析的基础上，结合工程实例进行了探索。

天然气管道；定向钻穿越；岩石层

定向钻穿越技术是非开挖施工工艺技术中的重要组成部分，又被称为“复式潜钻施工技术（Horizontal Directional Drilling，简称“HDD”）”。主要是指在特殊地质环境下，利用机械设备进行导向、定向钻施工的方法，如“钻掘—排土—清渣—方向控制—钻孔施工—管材预埋”等。

定向钻穿越技术以其地表干扰性小、施工速度快、施工安全性高、适用范围广等优势在国内城市管网建设与复杂环境下长输管道施工中得到了广泛应用。因此对长距离天然气管道定向钻穿越岩石层施工工艺具有重要现实意义。

1 工程概述

本文工程为某石化天然气公司天然气输送管道工程项目体系中的主干管道重要分支，由于施工环境相对复杂，故采用水平定向钻穿越施工发进行实践操作，所设计的穿越长度为1398米，实际长度为1340米，其中岩石层长度为1311米，

穿越入土角度为10度，出土角度为6度，穿越管道规格为φ508×8．7mm，穿越曲率半径高于1500D，最大穿越深度可达地下20米以下，本段管道所采用的材质为适应规格的直缝埋弧焊钢管。该工程地质条件复杂，需实现高硬度连续岩石层穿越，岩石层抗压强度平均值在68～115MPa范围之间。

2 工程定向钻穿越的地质条件

天然气管道工程主要位于风化泥质粉砂岩、砾岩层中，属高硬度岩石层，岩石层单轴极限抗压强度的平均值在68～115MPa之间。在两端的穿越点附近存在由粉质粘土、粉砂以及砾石共同组成的硬度不均衡性底层，河面宽度较宽。

3 工程施工特点与施工工艺技术难点

3.1 工程施工特点

在工程施工建设中，主要具有以下特点：其一，本工程属于长距离（1398米）、岩石层（距离1311米）的天然气管道水平定向钻穿越工程，需要进行连续性高硬度岩石层穿越作业；其二，定向钻穿越地质环境复杂，不仅存在软硬不均衡地层，也存在风化泥质粉砂岩层、花岗岩层、砾岩层等等，对整体施工工艺以及施工设备，如钻机等要求较高；其三，由于所需水平定向钻穿越的岩石层距离相对较长，因此施工工期也相对较长，加之各环节施工工艺要求较高，存在的不确定性因素将相对较多。

3.2 施工工艺技术难点

由工程施工特点可知，在进行长距离岩石层天然气管道定向穿越岩石层施工中，其施工工艺技术难点主要体现在以下几方面。

第一，导向、定向控制的难度较大。由于本工程所处地理物质特殊，工程施工地质条件存在复杂性，加之岩石层穿越距离以及岩石层单轴极限抗压强度平均值较大，穿越深度也相对较深，从而在一定程度上加大了控向难度。与此同时，受自然条件与周边环境的影响，本工程数据信息采集将会受到一定的电磁干扰，不利于地面对地下施工进行监督与引导，从而进一步加大了控向难度。

第二，扩孔难度较大。由于本工程岩石层的硬度相对较高，岩石层抗压强度最高硬度高于110MPa，从而加大了地层扩孔的难度。在进行实践施工作业中，由于在岩石层与粘土层相连接处出现“沉降”、“塌孔”等问题。

第三，泥浆工艺要求相对较高。由于管道工程地质条件相对复杂，在定向钻穿越施工中，需要穿越粘土层、粉土层、砾岩层、高硬度岩层。因此，在实践穿越施工中要求泥浆具备较强的固壁性，能够在孔壁形成稳定的泥皮，避免出现泥浆漏失、塌孔等危害；要求泥浆具备良好的携屑能力与流变性，用以提升排屑效率，保证钻屑完全排出。

第四，易出现钻杆变形与管道损坏问题。由于本工程定向钻穿越的曲线较长，加之入土侧的软土层的荷载能力不高。因此，在进行软土层施工时，随着推力的不断增加，钻孔孔壁向钻杆施加的力也将相应的加大，使钻杆发生变形，并在钻杆推力传递的作用下，导致钻头失控，甚至在一定程度上致使钻杆发生断裂或折断。此外，在进行回拖作业时，同样受定向钻穿越曲线长度的影响，加之管道自身重量的影响，使管道与钻孔孔壁之间受摩擦力作用，加大管道推力，当力达到一定程度容易造成管道破损。

4 施工设计方案与工艺实施策略

相关工作人员结合工程特点，通过资料整合分析与现场实践调研勘测，针对本工程定向钻穿越岩石层施工制定了科学、合理的施工方案，并依据施工工艺要点与难点提出了施工工艺操作策略。

4.1 定向钻穿越施工中导向孔施工设计

在导向孔施工中，定向钻穿越曲线设计以及定向钻穿越设备选用是该阶段思考的重点。具体分析如下。

首先，相关工作人员应依据相关规定与设计基本要求，并结合施工现场实践勘测结果，对本工程定向钻穿越曲线进行科学设计，包括定向钻穿越入土角、穿越曲率半径、出土角、穿越管道入土层埋深范围等，为工程实践作业奠定基础，提供依据。

其次，关于定向钻穿越施工设备的选用，相关工作人员应依据工程特点，结合国家有关规定进行科学选用，在保证设备质量的同时，保证机械设备应用的科学性、适用性。本工程所选用的钻机为“DD330-HD”型钻机，最大可执行200吨的回拖力，72000Nm的扭转力，并在此基础上配置了其他型号的钻机，用以满足不同条件下不同作业需求。与此同时，也选用了“MGS有线控向系统”为本工程的控向系统。并根据定向钻穿越岩石层长度、地质条件以及管径等参数值，对岩石钻头、岩石扩孔器、钻杆、泥浆马达等特殊钻具进行了科学选用，用以满足实际需求。

此外，结合定向钻穿越施工中导向孔施工存在工艺要点与难点，需采用以下策略进行强化，用以实现导向孔施工的顺利进行，提升导向孔施工质量。第一，为针对工程施工工艺技术难点，为实现长距离、岩石层定向钻穿越过程中，钻头方位以及钻具与孔壁摩擦阻力的有效控制，可通过科学配置钻井液，用以降低摩擦阻力对钻头位置的影响。第二，通过利用信号数据采集设备，如信号棒等，对本工程定向钻穿越中心线的地磁方向角进行确立。与此同时，通过构建人工磁场，用以降低工程环境对控制系统产生的干扰，提升地面信号采集能力，为地下钻孔作业提供准确数据。第三，利用性能好的泥浆马达进行导向孔处理，保证因导向孔质量问题致使扩孔施工与回拖施工过程中出现“卡钻”问题。

4.2 定向钻穿越施工中扩孔施工工艺

（1）钻进工艺技术。为进一步提升岩石扩孔器的应用效率，维护地下施工作业安全性与稳定性，保证岩石层施工的连续性，本工程采用了“双钻机同步复式扩孔工艺”进行了钻进施工的实践操作。相对于传统扩孔施工工艺的“反向扩孔”而言，双钻机同步复式扩孔工艺技术的应用，有利于保证长距离岩石层施工作业的连续性，提升工程施工效率与质量，缩短工期，提高工程施工成本。在此过程中，首先应根据现场勘测结果，对岩石层强度进行计算，用以保证岩石扩孔器应用的准确性与合理性，实现对岩石层长度的科学切削。其次，在正向与反向相结合作业下，提升施工整体效率。在此过程中要准确掌握倾角与方位角的变化情况，根据施工实际情况进行旋转速度、钻进推力、泥浆压力等的有效调整，并通过应用中心扶正器，进行扩孔圆心度的维护。此外，为避免扩孔过程中卡钻问题的产生，可通过对钻机扩孔过程的动态观察，适当调整推拉力、泥浆排量、钻速等，进行科学处理与控制。

（2）泥浆施工工艺技术。在进行泥浆施工时，需依据工程项目地层的实际变化情况，进行泥浆的科学配置。例如，本工程依据7%～10%的比重，对“专用膨润土”与“水”进行配制，并将其作为定向钻穿越基浆，并依据2%～9%的比重，在基浆中适当加入增粘剂、清屑剂、护壁剂等泥浆添加剂，提升泥浆整体性能，保证施工过程中对泥浆要求的满足。

（3）回拖施工工艺技术。在回拖施工中，可通过采用“二接一”的方法进行实践操作，用以提升施工质量。在此过程中，可通过控制回拖速度与旋转速度，对岩石层与土层交接面的管线进行处理；可通过控制泥浆量、泥浆密度、摩擦力对管线焊接、防腐施工进行处理，实现回拖阻力的科学调整，保证施工质量。