陆对海定向钻穿越技术在海洋工程的探索与实践

2020-11-04李大全王文龙林贻海张智枢张秀林

海洋技术学报 2020年4期

李大全，王文龙，林贻海，张智枢，张秀林

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057）

崖城13-1 管道高栏支线工程项目，需要在已建荔湾3-1 至珠海高栏终端天然气管道旁，新建1条24 英寸天然气分输管道。该项目登陆段施工，如采用常规海底管道预挖沟回填方式，将面临以下主要施工难点和风险：一是登陆段近岸端地貌复杂、海况恶劣、回头浪大，海底管道预挖沟难度大；二是新建管线距离已建管线较近，需对已建管线后保护设施进行移除，对其安全性存在一定施工风险；三是海底管道预挖沟、已建管线后保护设施移除和回填保护作业工程量大，投入资源多，将大幅增加项目成本，破坏已有设施和环境。

为解决上述问题，探索采用水平定向钻穿越的方式进行登陆段施工作业，以避免上述所面临的施工难点和风险。水平定向钻穿越技术最早出现在20世纪70 年代，是传统的打孔与油田定向钻技术的结合[1]，常应用于陆域工程复杂地质条件下的穿越工程。随着定向钻穿越技术不断发展和进步，定向钻穿越在海洋油气工程领域作为一项新的施工技术[2]，在海底管道穿越航道、冲涮区和障碍物等方面问题上，提出了新的解决思路和实践方案。本文以崖城13-1 管道高栏支线项目登陆段施工，探索采用陆对海定向钻穿越技术为例，对陆对海定向钻穿越技术的技术方案、施工原理和实际应用效果进行详细介绍。

1 陆对海定向钻穿越曲线设计

崖城13-1 管道高栏支线项目工程采用陆对海的定向钻穿越技术进行施工，定向钻穿越完成后，通过高栏终端的钻机和铺管船之间的紧密配合，将铺管船上焊接预制好的海底管道逐根回拖至高栏终端，完成登陆段施工回拖作业。

通过对该登陆段海底管道定向钻穿越设计和计算分析，该登陆段定向钻穿越管线为：610 mm ×22.2 mm，材质为API 5L X65，防腐层设计为三层聚丙烯（Three layer polypropylene， 3LPP）。本工程弹性弯曲段的最小曲率半径为1 500 D。弹性敷设段海管除应满足最小曲率半径要求外，还应满足海底管道本身强度的要求，即由海底管道的轴向应力（σL）、内压产生的环向应力(σh）和弹性敷设产生的弯曲应力组合的当量应力不应大于0.9 σs。弯曲应力按式（1）计算：

考虑弯曲应力时，应力校核按式（2）计算校核：

弹性敷设管段强度校核结果见表1。

表1 弹性敷设海管强度校核结果

高栏终端水平段管线底面标高为EL.(+)52.15 m，定向钻穿越水平长度为853.77 m，实际长度为867.5 m。入土点位于已建海底管道登陆点北侧50 m，入土角为20°；出土点位于海底，水深约8.6 m，出土角为6°。定向钻穿越最低点管线底面标高为EL.(-)40 m，相对入土点穿越深度92.15 m，曲率半径为915 m（1 500 D）。定向钻穿越设计曲线如图1 所示。

图1 陆对海定向钻穿越曲线

2 陆对海定向钻穿越技术

2.1 定向钻施工流程

本次定向钻穿越施工流程为：定向钻设备安装调试→从陆地向水下钻导向孔→钻通岩石层→钻头从入土点拔回→正推逐级扩孔→钻头从海底出土→抽回钻头→粘土段正推扩孔→扩孔钻头上铺管船→卸钻头/连接管道→管道在铺管船预制/开始回拖→回拖完成，进行相关检测。

2.2 导向孔精度控制

为确保海底管线在海底的出土位置和角度满足设计要求，同时确保海管路由附近已建海底管线的安全，必须精确控制导向孔精度。

2.2.1 精确测量放线按照设计图纸，使用GPS 准确定位穿越施工的入土点和出土点，从而得到精确的穿越轴线，在放线阶段须严格控制测量放线精度，防止穿越轴线与设计轴线发生偏移误差[3]。

2.2.2 严控穿越中心线的磁方位角测量在导向孔开钻前，须准确测量穿越中心线的磁方位角，该数值是导向孔钻进方向控制的原始依据，确保实际穿越曲线与设计曲线一致。通过在地表多点测量，对比分析各组数据，排除由于磁干扰而产生错误的数据，确定正确的磁方位角数值。如果各组数据相差较大（0.2°以上），则增加测量点（2～4 个），直到确定准确的磁方位角数值。

2.2.3 布置地面人工磁场辅助测量定向钻控向的原理是在定向钻钻头后方，安装有地磁导向系统的探测器，探测器中包含有三轴重力加速度计和三轴微磁场传感器，根据探测到的重力场和磁场在各个传感器中的分量，可以计算出钻头的姿态和朝向[4]，然后由数据传输系统将这些信息传输至地面操作系统中。在定向钻穿越导向孔钻进时，每钻进一根钻杆，测量一次钻头的倾角和方位角，根据这两个数据计算出当前钻进相对于上一次钻进的上下和左右偏差，进而完成整个导向孔钻进。由于地球磁场的微弱性和不稳定性，导致加速度计和磁力计采集的数据有一定的波动和误差。通过在现场布置人工磁场，增加磁场强度和磁通量，可以有效提高加速度计、磁力计采集数据的准确性，从而提高定向钻控向的精度（图2）。

图2 人工磁场布置示意图

2.2.4 GPS 钻头跟踪测量仪辅助定位 GPS 钻头跟踪测量仪根据入土、出土点标定的GPS 坐标，建立穿越中心线的GPS 坐标系，GPS 钻头跟踪测量仪发射磁信号（图3），钻头探测器接收到信号后，由计算机计算出钻头相对穿越中心线的位置，在钻进过程中随时对钻头位置进行检测和调整，从而精确控向。

2.2.5 严格控制导向孔按设计曲线钻进在钻导向孔阶段，对每一测量点的控向数据采取不同工具面角进行实时测量。在每个测量点，通过旋转钻头，使工具面角分别在 0°，90°，180°，270°和 360°时进行控向数据的实时测量，取最接近五次实时测量数据平均值的工具面角作为控向数据采集时的工具面角，减少控向数据采集的误差，防止钻进曲线与设计曲线间产生偏移。

图3 钻头定位示意图

2.2.6 控向系统采用高精度数学模型在水平定向钻施工中，采用精度较高的平均角法和最小曲率法作为控向系统的数学模型，以求在相同的数据采集基础上，得到较高的计算精度，从而提高控向的精度[5]。

严格按照规范要求施工，确保每根钻杆的操作符合设计所规定的曲率半径范围，每根钻杆的折角和方位角的变化值满足规范规定的钻杆折角范围，折角不大于1.2°～1.3°，曲率半径不小于1 500 m。

2.3 泥浆配置方案

本次穿越工程地质自上而下有：中风化花岗岩，全风化花岗岩，粉质粘土，零星分布粉砂，淤泥质粉质粘土，淤泥。考虑到工程穿越长度、管径，地下水和地表水钙镁离子含量高，为避免钻屑携带不干净杂质，钻杆被粘卡，使钻杆扭矩增大，增加海底管道防腐层破坏等风险，确保穿越工程安全顺利进行，泥浆配置至关重要。

2.3.1 泥浆室内试验根据穿越地层地质条件，在泥浆实验室试配，并确定不同的泥浆配方，在施工过程中，根据地质情况和钻进工艺，调整泥浆的配方和泥浆性能，推荐泥浆性能见下表2 和表3。

表2 泥浆动塑比、滤失量、返浆携砂量表

表3 泥浆粘度表

泥浆配置方案主要是降低泥浆失水量，保证泥浆的护壁性、润滑性，以及与地层钻屑的亲和性，防止泥浆失效，保证钻屑被包裹在泥浆胶体中，防止钻屑床的产生。

2.3.2 导向孔阶段泥浆方案在钻导向孔阶段，泥浆的主要作用是护壁、排屑，防止钻屑床的产生。为提高钻进效率，泥浆的配置方案需将泥浆在钻头喷嘴处的粘度控制在40～50 s。配方为水+(5-7)%膨润土，泥浆用量主要依据泥浆马达使用需求，使马达产生足够动力，泥浆流量为2 000 L/min，压力约为3～5 MPa。

2.3.3 扩孔阶段泥浆方案在扩孔阶段，泥浆的主要作用是护壁和排屑，合理控制泵的排量，提高流速，增大钻屑携带能力。泥浆配制粘度要求70～90 s；配方为水+(8-10)%膨润土+正电悬浮剂1%，泥浆用量主要依据动力扩孔器的使用需求，使动力钻具产生足够动力，泥浆流量为3 000～4 000 L/min，压力约 3～5 MPa。

2.3.4 洗孔、回拖阶段泥浆方案回拖阶段，海底管道回拖力主要有两部分构成，一是由于重力和浮力作用引起的摩擦力，二是由于泥浆结构粘度引起的粘滞阻力。通过改变这两个参数可以降低回拖力，有效降低施工风险。针对这两个参数，回拖时的泥浆除满足护壁[6]、防塌孔的功能外，应适当减小泥浆粘度，减小回拖力。泥浆配制粘度要求60～70 s，配方为水+(7-10)%膨润土。泥浆用量主要给孔内及时补给泥浆，泥浆排量约为500～2 000 L/min，压力约 0.5～1 MPa。

在施工阶段，需根据不同地质情况，适时调整泥浆配制方案，根据不同地层断面及时调整泥浆性能。

2.4 岩石层和覆盖层分段施工

本次陆对海定向钻穿越工程土质层分为岩石层和覆盖层，由于岩石段扩孔时间长，为防止出土侧覆盖层的塌孔或缩孔，将扩孔分两个阶段进行，一是岩石层扩孔，二是覆盖层扩孔，不同土质层需要扩孔级数、级差（表4），所使用扩孔器型式和直径均不相同。

表4 管道扩孔级数、级差表

2.4.1 岩石层扩孔由陆地向海上钻进入土侧岩石层导向孔，钻穿岩石层后，将钻头拔回，进行岩石层扩孔。岩石层扩孔采用正推扩孔工艺，钻具安装动力扩孔器进行施工（图4）。动力扩孔器工作原理是利用泥浆马达输出的动力带动切削盘高速旋转，从而达到切削岩石的目的[7]。岩石层正推扩孔时，钻具连接方式为钻机→钻杆→（扶正器）→动力扩孔器。动力扩孔器的高速平稳运转使得孔洞内壁非常光滑，有效降低了海底管道回拖时防腐层的破损风险。

图4 岩石层正推扩孔示意图

2.4.2 覆盖层扩孔待岩石层扩孔完成后，进行出土侧覆盖层的导向孔钻进，导向孔钻进完成、钻头在海底出土后，根据海上磁靶定位系统，工作原理是从已知点发射一个特定的磁场信号，由导向系统探测器接收这个信号，探测器根据接收到的信号方向和强度来确定自己与磁靶的相对空间位置，根据磁靶的位置计算出钻头的当前位置，通过连续的磁靶定位，可以精确确定钻头位置和深度（图5）。结合潜水员联合确认钻头位置，并将钻头从入土点抽回，更换为覆盖层正推筒板式扩孔器，进行覆盖层的正推扩孔。

图5 覆盖层正推扩孔示意图

2.5 海底管道回拖

覆盖层扩孔作业完成、钻头从海底出土后，由潜水员用卸扣将铺管船作业线上的AR 缆与扩孔钻头上的连接孔连接，将钻头拉出水面，放在托管架上，拆卸扩孔钻头，如图6 所示。

图6 在托管架上拆卸扩孔钻头示意图

使用铺管船的吊机将回拖旋转接头和回拖扩孔器吊装至拆卸扩孔钻头的位置与钻杆进行连接，将铺管船作业线上预制好的管道逐步送至连接位置，利用卸扣和回拖旋转接头连接。回拖时钻具连接方式为：钻机→钻杆→加重钻杆→回拖扩孔器→旋转接头→卸扣→海底管线（铺管船），如图7 所示。

图7 回拖时钻具连接方式示意图

海底管道回拖作业采取在铺管船作业线预制，由高栏终端陆地钻机牵引回拖的方式，管线预制与牵引回拖交叉进行，即预制一段、回拖一段，回拖时尽量要减少管线在孔内完全静止的时间，如图8所示。

图8 海底管道回拖示意图

海底管道回拖完成后，为防止回拖海底管道受铺管船移船及正常铺管作业影响，在高栏终端陆地采用抱卡抱住回拖后的管体，并采用钢丝绳将抱卡连接在钻机基础上，防止海底管道施工作业拖拉移动已安装就位的回拖管道。待海底管道正常铺设一定距离后，钻机回拖力测试显示回拖管道不再受到铺管船正常铺设施工影响，即可拆除抱卡、解除钻机基础，进行陆地回拖海底管道与终端工艺管线的连接施工作业。

3 实施效果

在海底管道回拖过程中，高栏终端陆地定向钻机回拖力和铺管船的张紧器张力数值均在设计要求范围内，且数值变化平稳，连续作业并一次回拖成功。海底管道回拖完成后，海管实际穿越曲线满足设计精度要求，定向钻水下出土点位置和角度均在设计范围内。

通过对登陆段海底管道进行测径检测，测量板状态良好（图9），未发生明显变形[8]。海底管道拖拉出导向孔后，海底管道3LPP 外防腐层、拖拉封头与海底管道之间的节点防腐热缩带状态良好[9]。海底管道外防腐层馈电测试检验孔隧内管线防腐层质量，导电率小于标准值，评价结果为“优”[10]，证明孔隧内管线外防腐层状态良好。

图9 海底管道回拖完成后状态

4 分析与讨论

本文以崖城13-1 管道高栏支线项目海底管道登陆段施工为例，介绍了海底管道登陆段定向钻穿越技术方案、施工原理和实际应用效果。是结合陆地定向钻穿越和海底管道铺设回拖技术施工的探索与实践，与陆地定向钻穿越施工最大的区别在于，受天气和海况影响较大，且需要陆地定向钻机与海上的铺管船紧密配合。

在项目实施过程中，遭遇了岩石层硬度过高和涌浪较大等困难。针对岩石层硬度过高，钻导向孔和扩孔时，钻头损坏严重，多次更换钻头和打捞掉落在孔道内的扶正块及牙轮，并不断优化钻头和扶正圈的结构，确保了定向钻穿越施工按期完工。针对铺管船起始铺设配合回拖作业时涌浪较大，“海洋石油202”铺管船稳性不足等情况，导致作业线焊接效率较低，返修率较高，通过调整熟练焊工和改变预热方式，提高了焊接质量，保证了海底管道作业线预制和回拖工作密切配合的顺利完成。

4.1 选择合适的扩孔器

本工程在穿越扩孔过程中遭遇到高硬度岩石层，通过改变扩孔器的结构形式（包括扩孔器整体结构、扩孔器前扶正圈机构，以及钻头上牙轮布局、安装角度和不同齿形牙轮排列情况）和提高扩孔器的结构强度（包括扩孔器结构材质强度和钻头牙轮齿的硬度），减少了高强度岩石扩孔过程中岩屑卡钻和钻具损坏现象，顺利完成高硬度岩石层的扩孔作业。如图10 和图11 所示。