定向钻穿越常见的施工问题处理及工程事故预防

高秋玲，何金平，张振国

(1.天津大港油田集团工程建设有限责任公司 天津300272；2.中海油能源发展采油服务公司 天津300452)

0 引言

水平定向钻技术是一种非开挖铺设、修复或更换各种地下管道和电缆的施工技术，与传统开挖施工穿越技术相比，水平定向钻技术在提高施工效率、缩短工期、降低综合成本和环境保护方面具有明显优势。

目前水平定向钻技术已在国内市政工程中得到广泛应用，尤其是在油气长输管道建设中扮演着越来越重要的角色，但是水平定向钻穿越在带来施工便利的同时也存在很多发生工程事故的可能性，造成工程施工困难、工期及成本不可控甚至工程失败，这些事故体现在工程项目的各个施工工序中。因此，如何解决水平定向钻施工过程中出现的各种技术难题、避免工程事故显得尤为重要。本文结合实际施工经验，通过对项目特点及施工难点分析，在导向轨迹设计、导向孔钻进、回拖工艺及泥浆控制工艺等方面采取技术措施，有效解决了控向准确性不高、导向控制难度大、回拖卡管甚至失败、泥浆易跑冒等施工难题，同时对工程施工中的技术要点、过程控制中的关键点进行总结，对以后的定向钻施工提供技术依据和经验借鉴。

1 科学合理的轨迹设计和控向方案

穿越轨迹的设计受到穿越长度、深度、管径和钻杆长度的影响，一般情况下，曲率半径为1500 D，入土角选择8°～10°，出土角在6°以下。由于轨迹设计不合理以及打导向孔没能按设计要求进行控制，造成回拖管线时钻具断裂、管线变形以及回拖不成功半途而废的案例并非罕见。为此采取的预防措施是，首先要根据地质条件和穿越现场地形、地貌选择合适的控向方案，目前使用的控向技术有2种，一种为无线控向技术，一种为有线控向技术。

无线控向技术比较直观，准确度高，但是能够探测的深度有限，很容易受高大建筑物、高压线、地面水等诸多环境因素对接收信号的影响，造成导向孔不规则或者不能按设计要求进行有效控制，所以无线控向技术使用范围十分有限。为了预防因为导向轨迹不规则而发生的复杂和工程事故，我们建议在穿越公路、铁路和一些水面较窄的河流，地势较平坦并且穿越深度在15 m 以上时，才能使用无线导向系统。大

港油建穿越公司在穿越港枣线西围堤路、大港区南环路、王稳庄天然气改造穿越工程中成功使用了无线控向系统。

有线控向系统的优点是不受地面条件的影响，在穿越深度超过20 m 的湖泊、池塘、河流时被广泛应用，但有线控向系统易受到地下金属管道及电缆等的影响，精度比较低。为了克服这些不利因素造成的影响，一般采用有线控向加地面信标(人工磁场)相结合的施工措施。有线控向的原理是：在无磁钻铤内的探头中安装加速度计和磁力计，对影响它磁场的磁通量、磁场强度进行采集、分析，从而计算出探头的位置，通过有线信号传递给计算机。一般的控向系统操作，是把地球磁场作为采集分析的对象，由于地球磁场的微弱性、不稳定性和易干扰性，导致加速度计、磁力计采集数据的准确性波动很大造成误差。因此增加磁场强度和磁通量，可以明显提高加速度计、磁力计采集数据的准确性，从而提高控向的精度。根据上述原理，在地面合适的位置布置地面信标(人工磁场)，来改善和提高影响加速度计、磁力计的磁场强度和磁通量，从而使采集的数据具有准确性和可控性，以达到防止定向钻在打导向孔时与设计的穿越曲线的偏差。在川气东输符河穿越施工时成功采用了地面布置人工磁场的方法，出土点成功中靶，经过预扩孔等施工工序回拖一次成功。在永唐秦还乡河穿越过程中，由于地面和空间环境没有地下管道和高压线影响，采用了以地球磁场为收集对象的控向措施(没有添加人工磁场)，在控向技术员和司钻密切配合下，导向孔的轨迹完全实现了设计要求[1]。

2 打导向孔过程中几个常见问题的处理

2.1 导向孔轨迹的控制

为保证穿越工程安全，导向孔轨迹一定要按正确的设计进行控制，保证导向孔规则、光滑，保证每根钻杆的折角不能超过一定的控制范围。每根钻杆的折角是由穿越的管径、曲率半径及钻杆的长度来决定的，设计曲率半径一般为1500 D。

在打导向孔的施工过程中，由于所钻遇的地层不尽相同，对每一根钻杆角度的控制需要司钻根据不同的地层情况，采取钻进和推进方式来实现，如果司钻没有积累大量的经验，就很难实现控向技术员发出的指令目标。为了实现每根钻杆折角控制在合理范围，钻工往往反复进行操作，但由于技术水平差，其结果破坏了原始地层结构，不仅不能正确控制钻杆折角，还可能导致导向孔重新施钻。在施工中如果出现某一根钻杆折角不能满足设计要求，是否必须反复操作控向，要看具体情况而定。因为穿越管道是无缝钢管，其弹性模量允许曲率半径为1000 D，也就是说穿越钢管在自然弯曲1000 D的情况下其刚性结构、使用效果不会发生变化。为了保险起见，把穿越的曲率半径设计为1500 D，一般情况下不能小于1200 D。如果由于控制不当，其控制角度没有在曲率半径的设计范围，但是通过计算仍在1000 D范围之内，这种情况就不要反复操作，关键在于不能连续2根钻杆都是这种情况；如果出现大于1000 D的单根折角，就视为定向失败而必须重新定向。

判定穿越曲线的规则程度时除考查每根钻杆的折角外，还要看连续3根的折角之和。永唐秦还乡河输气管道穿越，设计曲率半径为1524 m，通过计算每根钻杆的折角≤0.37°，则3根钻杆的连续折角不能超过1.11°。如果其中一根钻杆的折角达0.54°，且通过计算小于1000 D单根折角，可以继续施钻，但后面3根钻杆的折角累计不能超过0.57°，即必须满足3根钻杆的折角不大于1.11°。

2.2 在信号传输中常见的问题及处理对策

信号线的连接及连接完成后的紧线固定操作，是钻工的一项重要工作，操作难度不大，但是非常重要。信号线是控向仪与电脑及显示器连接的唯一通道，也是一个容易出现问题的薄弱环节。如果在打导向孔施工过程中，信号突然中断，导向技术员就失去了眼睛，司钻的操作也会是盲目操作，补救的办法只能是重新开始，从而造成很大的资源浪费。信号线经常出现的问题有[2]：

①信号线连接时压线不紧，造成断线，导致信号消失。

②信号线紧线不及时、固定不牢，出现松动，由于泥浆泵大排量的冲刷，松动的信号线堆积在导向仪探管一端，发生缠绕造成断线或绝缘胶皮损坏，发生断路或者短路。

③由于信号线本身存在质量问题，特别是绝缘胶皮是由再生塑料制作的，绝缘胶皮厚度不够、不均匀、脆皮等，在泥浆的冲刷和与钻杆的磨擦下破坏绝缘层发生短路。

在永唐秦穿越过程中由于信号线不合格曾多次发生断路造成很大损失。由于管理和操作人员在信号线连接上不够重视，也曾发生在导向仪探管端缠绕信号线发生短路导致信号消失等现象。

根据在施工中信号线发生断路或者短路的情况，应该采取以下措施：操作人员必须认真做好接线工作，夹线钳和电加热器必须满足施工要求，接线时在保证压紧的情况下，选用优质厚壁铜管和质量好的热收缩套。要求信号线的供应商必须保证供货质量，在必要时自己选购定做厚皮的信号线。在长距离穿越施工中，信号线很难被拉直，要每隔200～300 m 加信号线固定卡。

在永唐秦还乡河光缆管穿越打导向孔的过程中，在穿越到距离出土点还有36 m 时信号中断，此时如果拔出钻杆重新连接信号线会造成很大的经济损失，于是根据平时有信号时在动力头记刻下的信号标志，即将动力头旋转到什么角度和导向仪显示器显示的钻头角度进行对照刻记，在最后36 m 成功进行了盲钻，出土点位置在靶心范围之内，符合设计要求。

有时信号线破坏不严重，各种数据正常，可以继续使用，在特殊情况下也可以盲钻，但在大管径穿越时不能轻易盲钻，否则会导致施工失败。

3 穿越管道回拖常见问题的处理

3.1 孔眼不洁净造成回拖困难或回拖卡管

管线回拖是穿越的最后一道工序，也是工程成败的关键，由于孔眼不洁净造成工程失败的例子很多。造成孔眼不洁的主要原因有：

①泥浆粘度、切力等性能达不到要求，造成泥浆没有足够的悬浮能力和携砂能力，使泥浆在孔眼流动途中形成岩床沉淀。

②泥浆泵的排量不够，泥浆在孔眼内流动速度慢，使大量钻屑滞留在孔眼内，造成孔眼不洁。

③地质情况复杂，泥浆没有足够的护壁性能和防塌能力，造成孔眼塌方，产生大量岩屑。

以上每一种情况出现都会造成回拖困难或回拖卡管现象，解决办法是：在回拖前最后一次扩孔或洗孔时要调试好泥浆性能，在地层条件好的情况下，泥浆粘度在55 s 以上，如果是粉砂或细砂地层泥浆粘度应在75 s以上。为使泥浆有一定的切力，具有一定的护壁防塌能力，可在泥浆中添加适当的降失水剂控制失水，添加一定量的润滑剂减小摩擦阻力。在中途停钻开泵循环泥浆时，要根据泵压确定泥浆排量，如果泵压过高，应该先小排量循环，根据返浆情况，逐渐增大泥浆排量，否则会造成压力激动，使孔眼垮塌或冒浆；还要根据返浆的密度调整扩孔速度，如果泥浆粘度有一定保证，返浆密度过高超过了1.10说明扩孔速度过快，如果返浆的密度在1.07以下，说明扩孔速度太慢应适当提高扩孔速度；如扩孔速度已经很慢，泥浆的粘度也在设计范围之内，返浆密度仍然较高，在1.10以上，说明泥浆的排量太小，泥浆在孔眼中的流速太低，应提高泥浆排量，如泥浆泵排量已经达到极限值，说明泥浆泵能力过低，应增加泥浆泵或者更换更大能力的泥浆泵。在调整扩孔速度时也应该密切注意扭矩的变化，扭矩太高适当减小钻机拉力，否则会造成卸扣困难。

3.2 管线发送方法和入洞角度不当造成回拖失败

穿越管线的发送往往是被人忽视的环节，只是注意保护管线防腐层的问题，在实际工作中由于发送方法不合理和入土角度不正确造成工程事故屡屡发生才逐渐被人所重视。在管线开始回拖时要克服很大的净摩擦阻力，此时如果钻具某些部位有薄弱环节很有可能发生钻具断裂，如川气东输符河穿越拖管启动阻力达100 t 左右，是正常回拖力的2倍以上。故建议在长距离大管径回拖时采用漂管法，漂管条件不具备时应该采用机械设备配合发送[4]。

在管道入土时由于高差的原因如果入土角处理不好，断钻具的事故也很多。永唐秦还乡河穿越时在出土点位置，沿着出土角的方向开挖管沟，形成1个长30 m 与出土角一致自然平滑的发送沟，其他发送沟采用灌水漂管，形成与出土角一致的30 m 长的发送沟，避免进水漂管，从而成功避免了管线入洞时由于浮力向上浮管与钻具自身重力沉降形成的高差，使钻机的拉力与管线进洞的走向在一条直线上，也由于开挖了30 m 与出土角一致的管沟，相当于降低了管线的支撑高度，保证了回拖管线的自然入土[4]。

4 大型定向钻穿越发生冒浆的原因及预防

水平定向钻在施工过程中，在渗漏和微渗漏地层条件下，经常遇到泥浆跑冒现象，对穿越的池塘、河流、道路、建筑物、住宅等造成很大污染，索赔额巨大。基于保证施工质量、合理规避冒浆风险、做好施工现场环境保护等要求，水平定向钻浅层泥浆堵漏技术是施工中急需解决的技术课题。

4.1 冒浆的原因分析

在定向钻施工中，泥浆的密度和压力必须满足一定的要求，其上限应以防止压裂地层为度，下限是要足以控制地层压力和支撑井壁。在进行导向孔作业时，孔洞较小，孔洞与钻挺及钻头形成一个环形空间，在泥浆泵不停注入泥浆的情况下，空间局部处于高压状态，环孔压力释放速度小于泥浆泵的注入速度，环孔压力就会越积越高超过上限，过大张应力将引起地层破裂，从而发生泥浆漏失，冒浆即为泥浆漏失的一种表现，同时泥浆的严重漏失，还可引发井壁坍塌；而泥浆的密度和压力低于下限时，将产生由于剪切破坏引起的井塌[5]。

4.2 冒浆的预防措施

4.2.1 工艺措施

在进行导向孔作业时，要使用相对尺寸较大的钻头，这样钻铤与钻头形成环空较大，泥浆返浆畅通，减小局部空间压力积累。在导向孔定向作业中需要不停地进行钻进和推进，也造成了导向孔环形空间不规则，很容易形成封闭的空间，增大冒浆机率。因此操作过程中在完成一根钻杆以后，应该旋转回抽一段距离然后再旋转钻进，这样可以加大环孔疏通泥浆流道降低环孔压力，避免冒浆。

4.2.2 泥浆配比

在渗漏和微渗漏地层添加堵漏材料，采用高效膨润土增加添加剂的用量，配置泥浆性能：粘度55 s，密度1.03～1.05，pH 值9～11，切力2～4/4～8，返出泥浆密度在1.07～1.09。

4.2.3 扩孔作业

在扩孔作业时，如果泥浆压力突然增大时，应减小泥浆排量，同时略微回退一下扩孔器，增大环形空间。地层结构是粉沙层和细沙层，扩孔器的水嘴要适量增加，并且要加大泥浆排量，泥浆粘度在75 s以上，保持返浆正常，尽量保持孔眼干净，防止沉沙沉淀堵塞流道，造成憋压冒浆。

4.2.4 其他方面

增加临时漏浆点，减轻泥浆对地层的压力，防止穿越河流、虾池、湖泊时污染水域，在出土点和入土点前各50 m 左右开挖泥浆导流沟或储浆池，收集不可避免冒出的泥浆。长距离穿越项目返浆情况往往不正常，特别是入土点一侧，在距离入土点40 m 左右由于穿越轨迹拐点处经常造成返浆不正常，发生冒浆，可采取下套管的方法保持流道畅通。

5 结语

本文根据查阅的相关资料和书籍，并结合港枣线、永唐秦还乡河定向穿越以及川气东输府河穿越中一些工程实践体会和认识，验证所述方法在处理复杂情况方面是有效的。然而我们必须认识到预防和处理大口径穿越工程复杂问题永远是个难题，应持续加强学习，下大力气进行研究探讨。对于泥浆返浆堵塞问题、钻头的运行轨迹研究和钻具组合，不同地层条件下钻头和扩孔器所采用金属材质，以及配套的工艺措施还亟待深入研究。