軟弱地層交叉管道定向鉆穿越施工技術研究

劉云驕

摘 要：自上世紀八十年代我國就開始了對定向鉆技術的引入與研究。定向鉆技術目前已經在我國的西氣東輸項目以及川氣東送等項目中發揮了至關重要的作用。隨著國內定向鉆技術的不斷成熟，一些新的問題也正逐漸出現，及時對這些問題進行歸納與處理，總結相關經驗無疑可以更好的推動國內定向鉆事業的發展。故本文就該方面展開探究。

關鍵詞：軟弱地層;交叉管道;定向鉆穿越施工技術

隨著社會需求日益增高，國內油氣行業迎來了新的發展契機。油氣管道建設作為油氣行業的重要組成部分，近年來也得到了較好的發展。但油氣管道建設是一個非常復雜的流程，包含多種技術形式，這其中定向穿越技術就是難點之一。

1 管道工程概況

我單位承包如下范圍管線新建施工：施工圖號XD201800061-501-GE，曲寨樁號B4+500，終點為 B8+100，總長3.6km，設計壓力4.0MPa，壓力管道類別為 GB1，本標段主管管徑為 DN800，管材和彎管均采用直縫埋弧焊或下向焊鋼管，管材均為 PSL2 系列，材質為 L360M，3PE 加強級防腐層。施工圖紙范圍內全部內容，主管管徑B820，長度3600米范圍內土方開挖回填、管線安裝、焊口探傷、吹掃、防腐、定向鉆穿越、試壓、干燥等。

2 技術難點

2.1 本標段穿越工程地質條件苛刻， 對控向、鉆桿、擴孔、回拖和泥漿技都都提出了較高的要求。

2.2 控向難度大：鉆孔軌跡的實時測量是進行管道穿越施工的關鍵技術之一。管道穿越施工條件惡劣， 地質地理條件復雜， 而且穿越距離較長，穿越深度較大， 致使準確控向難度很大。

2.3 鉆桿變形問題：本標段定向鉆單次穿越最大曲線長度為700m，累計有2400m 處在軟弱地層交叉土層中，特別是樁號 B5+332 至 B5+850的518 m為塑性粘土。在進行長距離定向鉆施工時， 鉆桿會發生一定程度的變形， 當推力負荷增大， 孔壁內鉆桿的“邊緣荷載” 也相應增加。在較軟的粘土層施工時， 鉆桿將不受限制的繼續變形， 出現失穩，鉆頭失去控制等問題。此外， 由于鉆進輸出的旋轉力會使鉆桿折斷， 因此，采用傳統的施工方法（即一臺鉆機鉆孔）， 無法滿足鉆桿強度與穩定性的要求。

2.4 擴孔難題多：本標段工程定向鉆穿越有長度約370 m 的巖石段， 巖石的最高硬度為140 MPa ， 在這種地層擴孔極為困難， 目前在國內尚無先例。在施工過程中，巖石層與粘土層擴孔難易度相差很大， 容易在巖石和粘土段的結合面產生一定程度的沉降， 導致整個孔道產生臺階， 影響管道回拖。由于穿越距離較長， 管道的管徑偏大， 并且穿越路由要通過淤泥層， 擴孔施工中很可能出現“抱桿”、塌孔等危險。

2.5 回拖易造成管道損壞：本工程管道定向鉆穿越曲線長度達700m，如此長距離的管道回拖， 在國內外穿越史上尚無先例。主要存在的問題是， 回拖時， 管道長度很長， 自身的重量較大， 管道與孔壁之間的摩阻增大， 所需的拉力很大， 回拖過程易造成管道損壞。同時， 鉆機基礎可能出現滑移、失穩等現象。

3 定向鉆穿越施工流程

3.1 鉆機設備的安裝、調試、試鉆

3.1.1 鉆機設備安裝

鉆機及配套設備就位：鉆機就位完成后，進行系統連接、試運轉，保證設備正常工作。檢查定向鉆機各連接管路、接頭是否連接穩當。所有設備檢查完后進行設備試運轉。

3.1.2 鉆機設備調試

測量控向參數：根據設計入土點、出土點，嚴格按照控向系統調校程序進行調校。按操作規程標定控向參數，為保證數據準確，在中心線的五個不同位置測取，且每個位置至少測四次，進行對比，并做好記錄。對所有鉆桿進行測量編號，做好統計，為鉆導向提供基礎數據。

3.2 泥漿系統及用料準備：

施工用淡水放入水罐，經沉淀過濾后利用;膨潤土及必要的添加劑及時運到;調試泥漿攪拌系統，檢查泥漿攪拌系統各攪拌倉是否工作正常;檢查各連接管路是否有泥漿泄漏情況，發現問題及時解決;檢查定向鉆機各連接管路、接頭是否連接穩當; 檢查調試泥漿泵工作是否正常，泥漿泵壓力表是否正常工作。

3.2.1 泥漿配制及施工工程中的控制

3.2.1.1 泥漿的配制

泥漿配置在鉆導向孔、預擴孔及回拖中采取不同的措施，除保證傳統配比外，再按一定比例加大泥漿材料用量，從而達到提高泥漿粘度，保證孔壁。

3.2.1.2強化各施工過程泥漿性能調整

3.2.1.2.1 斜孔段：泥漿的流動性能要好，結構性要強，保證鉆屑攜帶和孔眼清潔;控制泥漿的失水，防止塌孔。需增大固壁劑、降失水劑劑量。

3.2.1.2.2 水平孔段：及時提高潤滑劑劑量，適當降低粘度和切力，保證泥漿的流變性能良好，使鉆屑順利返出地面;增強泥漿的潤滑性，減小鉆機旋轉及推進阻力。

3.2.1.2.3 擴孔段：提高泥漿的攜帶性能，提高泥漿的黏度、控制泥漿的密度，降低泥漿的失水率。

3.2.1.2.4 回拖段：提高泥漿的潤滑性，降低摩擦阻力，增強攜屑效果;需提高潤滑劑劑量。

3.2.1.3 泥漿回收及處理

由于本工程泥漿的用量大，不但增加了泥漿的成本和征地成本，更嚴重的問題是穿越完成后廢棄泥漿若不有效處理，污染農田和水源，將造成生態問題。隨著人們環保意識的增強，泥漿回收再利用在本工程中必須采用。一方面減少泥漿用量，減少對環境的污染，減少廢棄物的處理量;另一方面，由于回收泥漿屬于“熟泥漿”，性能比較穩定，可減少因性能不穩定而出現的井下事故，保證穿越工程的順利進行。

3.1 出入土點挖發送溝施工法：

3.1.1 在鉆機入土點挖設一個長 3m 的發送溝，用于儲存孔洞內多余的泥漿， 便于泥漿收集。

3.1.2 在鉆機出土點挖設一條長 20m 的斜坡，減少管道回拖時的摩擦阻力和順直管道方便管道回拖。

3.4：

3.4.1 鉆導向孔：設備和儀器準備就緒，鉆桿和鉆頭清掃完畢后進行試鉆，啟動控向儀器，信號電纜將產生交流磁信號，此時啟動鉆機并鉆進，當鉆進 1-2 根鉆桿后檢查各部位運行情況，各種參數正常后正常鉆進。

3.4.2 導向鉆進：結合使用控向系統和磁信號電纜，將施工鉆機沿著設計穿越曲線鉆進，如果在鉆進過程中鉆進的力量增大可在入鉆點處沿鉆進方向加鉆桿定位管。利用鉆機沿鉆桿方向推入地下，采用手工焊接，定位管打入的長度視地層情況而定。使用定位管后，鉆機的推力更容易向鉆頭傳遞，防止產生過多地側向分力而導致的鉆桿失穩，能夠良好地克服地層的阻力，連續而又準確地完成導向動作。

3.4.3 導向控制：施工鉆機的鉆頭在每完成一根鉆桿后利用人工磁場產生的磁場檢查穿越的方向和深度，判斷是否符合軌跡要求。導向員和司鉆密切配合，利用采集的磁信號控制鉆進方向，使之按穿越軌跡要求，逐步平緩鉆進，直至導向出土，完成整個導向孔施工。在導向孔穿越過程中，為保證鉆頭在穿越地層中順利的鉆進，避免巖層堅硬出現卡鉆現象。

3.4.4 導向孔曲線要求：定向鉆施工應嚴格按《城鎮燃氣管道穿越工程技術規程》CJJ/T250-2016 執行， 定向鉆鉆進曲線應嚴格按照穿越施工規范和設計圖紙曲線要求，其中導向孔實際曲線與設計曲線的偏差不應大于 1%。

3.4.5導向孔曲線與設計曲線偏差控制措施：鉆導向孔是定向鉆穿越施工過程中重點控制的關鍵工序，導向孔質量的好壞直接影響鉆機回拖時回拖扭矩與拉力的大小，因此，導向孔與設計穿越曲線是否重合是關系到管道最后回拖成功的關鍵。

4 結語

未來，隨著各方面技術的不斷完善，相信定向鉆技術也必將趨于完善，可以很好的應對各種復雜環境，但對于相關機構以及個人等依然需要保持高度負責以及不斷學習的態度，深刻了解并掌握定向鉆技術的發展趨勢以及使用中的各種復雜問題，從而可以保證在日常工作期間遇到問題能夠及時的進行解決與規避。

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