长距离岩石层定向钻施工措施.doc

1、2009年江苏石油勘探局油田建设处技术、质量研讨会材料定向钻穿越长距离岩石地层的施工控制措施井振洪江苏石油勘探局油田建设处定向钻穿越长距离岩石地层的施工控制措施井振洪（管道技术工程公司）摘要：本文着重介绍了水平定向钻针对长距离岩石地层按照穿越施工步骤采用的工艺技术，结合实际工程中所遇到的问题进行的小结。关键词： 长距离 岩石层 测量放线 控向参数 导向孔 扩孔 回拖 泥浆 概述：定向钻穿越施工技术是在不挖开地表的情况下进行地下管线的铺设、修复和替换的一种城市建设新技术，它以独特的技术优势和广阔的市场前景得到世界各国的极大关注。至今在国内已取得了较大的发展，目前非开挖铺管技术在单一地层中施工时，

2、其理论和施工工艺都比较成熟，但对于地层为岩层、流砂层等复杂地层的地区，定向钻技术还存在很多不足，尤其是在复杂地层中导向的问题。随着我国经济的发展，加紧在复杂地层中进行定向钻技术的研究具有很重要的理论和实践意义。本文按照穿越施工步骤浅谈长距离复杂地层穿越施工过程中个人总结出的一些经验与心得，仅供交流与学习。1、施工准备1.1测量放线根据施工图、设计控制桩进行测量放线，定向穿越往往是施工困难地段，测量时入土点、出土点两点大多不能通视，属于放线的特殊段处理。操作过程中，定好了出、入土点，就需要利用坐标控制，来回倒点，将入土点、出土点之间的直线在现场标出。而且，定向穿越对测量放线的精度要求高，这就需要

3、在操作过程中精益求精，尽量减少人为操作误差，主要控制手段有：在测量木桩上画交叉点，定桩定向时使用对中杆；进行多次测量来减少误差“一定二测三校验” ；1.2控向参数的设定控向参数是定向钻穿越工程成功的关键工序，是定向钻穿越必不可少的步骤。在施工前，根据穿越管道的设计位置（包括入土点和出土点、入土角和出土角）来测定管道穿越的中心线，并在入土侧和出土侧分别标示出中心桩。利用探头在该中心线上测定穿越施工中需要的各种初设参数，为穿越施工提供基准。首先将探头安放在两根带有“V”型槽的木条上，将探头和接口单元、控制电脑和电源（110V 交流）连接起来。电源以后，开启接口单元上的供电按钮，给系统供电，通电以后

4、探头会将获取的定位参数传输到接口单元，通过接口单元再传输到计算机，在计算机显示屏上会显示探头的各种参数和当地地磁场强度和地磁夹角，为了测量数据的真实性，应将探头放置在无外界磁场干扰的地方（包括作业人员、高压电缆、通讯电缆和其他金属等），而且要使探头远离这些障碍物至少60m，探头不能直接放在地面上，并尽可能的离地面高些。探头放置在V型木架上时，方位角的测定过程中，应按入土端、出土端分组测量，每组将探头顺时针旋转90和180进行多次测量。测量完成以后，利用测量所得的数据计算值，通过每组数据进行比较，来判定探头误差。误差值如果在规定范围之内，证明探头精度复合工程需要，可以使用。如果误差值超出比较大，

5、应将探头送厂家进行校正和修复，如果误差值超出规定值较小，可以在测定参数时进行修正。（附注：方位角：定向穿越直线与地球磁场北极的夹角。顺时针为正，逆时针为负。）1.3导向孔轨迹的控制设计施工前要根据地质勘察报告及穿越管的管径、长度设计出最优化的导向钻进的轨迹，在长距离岩石地层穿越曲线的设计时，在满足设计要求的情况下，适当地放大穿越曲线的曲率半径，这样使穿越曲线比较缓和，并在控向过程中有更大的空间对穿越轨迹进行校正。设计穿越轨迹时一般要考虑三方面的要求：铺设管线的深度和水平距离；避开的地下障碍物和石块等复杂地层段；钻进角度或出钻角度的弧度变化控制。1.4泥浆配制泥浆是定向钻穿越工程中非常重要的因素

6、，泥浆一般由水、膨润土及泥浆添加剂等配成，根据穿越工程的实际情况，泥浆的成分配比需要作适当调整。如果地质情况复杂、穿越直径和长度较大，对泥浆的性能要求就比较高，相应要采取不同的措施，以确保能够穿越成功。泥浆应具有适当的粘度和流动性，携带钻屑能力要强，使钻屑在孔底呈悬浮状态，通过泥浆的流动使钻屑能够顺利返出地面。泥浆应该有比较强的护壁作用，能够提高孔壁的稳定性，尤其对于孔径较大、容易坍塌的地层，更应如此。泥浆应该具有较强的润滑性能，为管线回拖提供有效的润滑作用，特别是当穿越长度较长，加入润滑剂降低摩擦系数可以降低管线的回拖力。在穿越经过不同地层和穿越施工的不同阶段，调整泥浆的压力和流量，满足穿越

7、施工的需要。2、施工过程工艺的技术控制2.1导向孔导向孔曲线控制至关重要，根据穿越地层的类别选择最优的钻具组合，在岩石施工过程中针对岩石层强度高可采用：（三牙轮钻头动力钻具探棒室无磁钻铤加重钻杆普通钻杆）的钻具组合在施工过程中总结出以下几点经验：定向钻穿越距离长时，摩擦阻力增大，钻机推力不易到达钻头，点可采用了套管技术和使用加重钻杆配合钻进的措施，能够有效提高钻进效率同时也防止钻杆因距离长在井口及粘土层部分变形、失稳。由于岩石地层地质比较坚硬，打导向孔时钻进困难，我们使用泥浆马达作为动力钻具，其运转完全依靠泥浆驱动。由于泥浆压力大，流速快，对控向线的接头的绝缘收缩套不断地冲刷，使其与钻杆内壁反

8、复摩擦而破裂，形成短路或断路，造成信号中断。在打导向孔时，通过泥浆的钻杆内腔加设挡圈缓解泥浆对控向线的冲击力保护控向线，可有效防止由于控向线破损而丢失信号，此措施有良好的效果。钻导向孔情况分析地面设备的运转。此次导向孔距离长地层复杂,岩屑与钻压扭矩机械钻速压力等地面仪表都能直接反映井下情况，打导向孔时应密切注视，特别是扭矩泵压机械钻速和岩屑,记录导向过程中的重要数据,分析判断地层的变化。泥浆的配制。泥浆除有清洗、冷却钻头，携带岩屑和辅助破岩的功用外，主要目的是保护井壁。清洁的井底不仅能提高钻进速度，而且可减少钻头的磨损，我们根据不同地层配制适合地层的泥浆，在打导向孔时严格控制泥浆的粘度、比重、

9、排量、压力的大小，以泥浆为辅助配合系统，调整泥浆配制比率，发挥泥浆在控向中的作用，使穿越曲线做到“平、滑、圆、缓”。导向孔钻进时候，很难摸到规律，施工时，在施工规范允许的范围内，及时调整每根钻杆钻进速度，控制每一根钻杆的控向参数，保证每一根钻杆的偏差量为最小值，因为如果导向孔偏差过大，在抽出部分或全部钻杆重新钻进纠偏时，钻具很难脱离原孔钻制新孔，即便能够钻进新孔，也会在原孔、新孔交汇处形成折角很大的曲线，无法满足管道的穿越曲率半径要求。2.2预扩孔、清孔预扩孔前，应制定优化的扩孔方案，根据设备能力、地层条件和现场的情况来确定最大扩孔直径和扩孔次数，（最终的扩孔直径应该是待铺管线直径的 1.25

10、1.5 倍）。预扩孔时选择合理扩孔器类型和直径的大小，根据上一次扩孔的情况确定下一级的扩孔方式。岩石扩孔器的选择要点：根据穿越地层的类型选择岩石扩孔器：穿越地层的类型是正确选择岩石扩孔器的尺寸和型式的重要因素，软岩地层扩孔时允许使用更大直径的扩孔器和更少的扩孔次数，相邻两级扩孔器的尺寸差距也可以更大，级差100150mm；硬岩地层扩孔时要求的扩孔直径变化不能太大，级差50100mm并采取多次扩孔的方式，以达到最佳的扩孔效率及钻屑的顺利排出。扩孔操作控制要点不同直径和不同形式的岩石扩孔器对钻压的要求也各不相同，尤其是在长距离岩石层扩孔期间，一定要控制合理的拉力和扭矩，以避免扩孔器的过度磨损造成严

11、重后果。大多数岩石层扩孔事故都是因为过度追求扩孔速度，施加的钻压过大造成的。岩石扩孔操作应遵循的一个重要原则是：需破碎的岩石越硬，需要的钻压就越大，要求的钻速也就越低。相同的钻机钻速条件下，扩孔器直径越大，外边缘的线速度也就越大，磨损也越严重。扩孔泥浆控制要点进行岩石层扩孔时，泥浆也是非常重要的因素，此时泥浆的主要作用是冷却扩孔器和携带钻屑。泥浆一般由水、膨润土及泥浆添加剂等配成，泥浆应具有适当的粘度和流动性，携带钻屑能力要强，使钻屑在孔底呈悬浮状态，通过泥浆的流动使钻屑能够顺利返出地面。孔内返浆与孔内的畅通情况有一定的关系。如果没有返浆现象，可能会导致铺管失败，要分析实际原因。如果孔内不畅通

12、，泥浆中水也漏失，则剩下泥皮越积越厚，管线易被“抱住”，给拉管造成很大的阻力。在正常拉管情况下，一般会有返浆现象出现。泥浆的实际排量应根据每级扩孔产生的钻屑量和泥浆的携带能力进行计算后确定。 扩孔关键点的控制扩孔器进岩石层的施工方法：当岩石扩孔器从软土层进入岩石层或从软岩层进入硬岩层时，操作要点是首先放慢扩孔速度，降低钻压，待扩孔器本体完全进入岩石层或硬岩层后再加大钻压。如果此过程中施加的钻压过大，就很可能造成卡钻，从而损坏扩孔器。预扩孔时，在扩到导向孔曲线不理想和地层交界的地方要放慢扩孔的速度，适当修整曲线。在清孔的过程中要控制好泥浆的排量，最大限度地携带出钻屑。此外，为把孔内的钻屑清理干净

13、，防止孔内泥浆水化，钻屑沉淀，为回拖管线争取时间，更重要的是检验导向孔沿线拉力、扭力是否正常。2.3管线回拖定向钻穿越的目的是按照设计和规范要求敷设管道，导向孔、扩孔等所有工序都是为回拖管道打基础，如果管道回拖失利或者回拖过程控制失误，则前期所有工作都是徒劳，必造成巨大的损失，因此回拖控制尤为重要。钻具组合管线回拖时，先将钻具连接好，钻具组合包括：回拉钻杆，扩孔钻头，旋转接头（也叫万向接）和拉管头。对于组装的顺序应该注意，顺序接错会给施工带来麻烦，也容易发生事故。其中扩孔钻头与万向接连接处有一起固定作用的螺母，螺母一端专门设有插销孔，组装钻具时必须在插销孔中穿入铁丝或大铁钉作为插销，以防止螺母

14、在回拉铺管过程中松动脱落。例如：管径为508 穿越的管线回拖使用：钻杆+650的岩石扩孔器+200T 回拖万向节+卸扣+508穿越管线。钻机固定回拉铺管时，钻机是不能移动的，而长距离穿越情况下，钻机的自重根本无法与铺管的回拉力相抗衡，因此钻机必须牢牢锚固住。如果回拉力很大，在必要情况下，采用铁葫芦和铁链套住钻机大梁，然后打锚杆锚固在地面。发送沟处理管线回拖前应对穿越管线采用挖发送沟注水的方式增大浮力,减少回拖阻力,出土点管线入土时，有必要用吊车将穿越管线吊起一个角度或使发送沟与入土点处成一个顺势入孔的角度，使管线顺利入孔，使管线与出土的角度一致。防止回拖管线时出现重新扩孔的现象。特别是穿越管线

15、回拖到岩层与土层交界的地方，可以有效防止管线回拖到此处时扩孔器过多地与岩壁摩擦，甚至出现卡管事故。泥浆控制为了防止产品管线在回拖过程中与岩壁摩擦而损坏防腐层，调整泥浆的胶凝强度和润滑性，使穿越管线孔中处于悬浮状态，这样即减少了回拖阻力，又保护了管线防腐层。主管回拖前及时将泥浆池内泥浆处理干净,保证回拖过程中泥浆池有足够的空间盛泥浆,确保主管回拖的连续。回拖连续性回拖的连续性至关重要，应尽量不采取“二接一”的焊接预制措施，避免回拖时“二接一”的时间风险。另外，加强钻机设备保养、维修，保证设备的完好，并尽其量缩短交接班等间隙停顿时间，同时杜绝无故停工，确保回拖作业的连续性。3、结论与建议3.1长距

16、离岩石定向钻穿越时，施工前的准备工作要求比较高，对所穿越物的地质情况仔细分析，做好测量放线、控向参数采集、导向孔轨迹的控制设计等的基础工作，制定优化的施工方案；3.2为了保证定向钻穿越的成功率，应在施工过程中对控向参数、泥浆性能、排量参数、钻机拖拉力、扭力参数等数据及时的收集与整理，根据数据的对比，判断井下情况，及时做出合理调整，做到层层严格把关，做到万无一失。3.3导向过程中应使穿越曲线做到“平、滑、圆、缓”，施工时，严格控制每一根钻杆的控向参数，保证每一根钻杆的偏差量为最小值，（使用泥浆马达导向时应考虑信号变化的滞后性）因为如果导向孔偏差过大，在抽出部分纠偏时，在岩石层中钻具很难脱离原孔钻

17、制新孔，即便能够钻进新孔，也会在原孔、新孔交汇处形成折角很大的曲线，无法满足管道的穿越曲率半径要求；3.4岩石地层穿越采用的钻具组合，在出土端钻出岩石地层进入土层时，由于动力钻具自重较大，土层比较软，钻头会出现难抬头的现象，导致滞后出土。因此使钻头倾斜角在岩层里可提前太高2左右，以防止进入土层后角度掉的太大出土滞后； 3.5岩石地层穿越预扩孔时，钻具分级细致均匀，每次下井前认真检查钻具，确保钻具的合适与性能良好。根据控向数据和上一级扩孔数据，可以大致了解到地层的变化情况，扩孔时要放慢速度，在扩到导向孔曲线不理想和地层交界的地方要放慢扩孔的速度，适当修整曲线；3.6根据穿越工程的实际情况配制优质

18、的泥浆是穿越成功的保障，地质情况复杂、穿越直径和长度较大，对泥浆的性能要求就比较高，相应要采取不同的措施，对泥浆的成分配比需要作适当调整以确保能够穿越成功。4、结束语非开挖工程施工应用的规模和范围不断扩大，随着经济的快速发展，城市建设可谓日新月异，基础设施建设的投入力度不断加大，水平定向钻进市场前景必然更加广阔。定向钻穿越施工中，经常出现一些可避免和一些不可避免的问题。总之，要提高施工效率，做样板工程，就要敢于面对问题，多做思考，多做总结，积累经验。做到在经验中成长，在学习中进步。参考文献：1 中国非开挖技术协会.水平定向钻进技术. 2000.9第6期.2 李小苗，岩层中非开挖导向钻进技术，J. 产品技术，2004年第7期作者简介：姓名：井振洪，性别：男，出生年月：1985年10月，毕业时间：2007年7月，毕业院校：河北石油职业技术学院，专业：管道工程，职称：助理工程师，电子邮箱：,联系电话：13933556637。