1、水平定向钻穿越施工技术在盘锦地区的应用摘要：秦皇岛-沈阳天然气管道储气工程清水河定向钻穿越和双水线定向钻穿越分别于 2012 年 1 月 26 日和 1 月 31 日开工，3 月 3 日和 2月 29 日主体完工。盘锦地区地层结构多以粉砂、细砂、流砂为主，穿越风险较大，易塌孔、钻头不易抬头，因此该文章将针对此情况结合两项穿越工程,通过在各施工工序中采用不同的施工技术，经实践总结出了一套针对盘锦地区特殊的地质结构进行定向钻穿越施工的技术。 关键词：盘锦、细沙粉砂 1016mm 导向孔扩孔回拖 中图分类号： TU74 文献标识码： A 文章编号： 2012 年 3 月辽河石油勘探局油田建设工程一公
2、司完成了秦皇岛-沈阳天然气管道储气工程清水河和双水线两个定向钻穿越工程。盘锦地区属盐碱性地质，一般穿越地质结构主要以粉砂、细砂、流砂为主，穿越过程中入土部分的曲线倾角不易控制，出土部分曲线处钻头不易抬头，流砂处易塌陷是穿越过程中遇到的主要问题。两项工程的施工概况除所在地理位置不同外其他均一致，我单位对两项工程采用不同的施工工艺进行对比分析，通过实践总结出一套针对盘锦地区盐碱特殊地质结构的定向钻穿越施工技术。为以后在具有类似地质结构的地区施工提供一定的参考依据。 工程概况 秦皇岛-沈阳天然气管道储气工程清水河定向钻穿越和双水线定向钻穿越均位于盘锦市曙光地区，穿越段实际长度均为 600 米，设计深
3、度为18 米，入土角 8 度，出土角 6 度。勘探地质情况主要穿越段为细砂、粉砂、流砂，最大承载力特征值为 200kPa。主管道规格为D101626.2mm、设计压力为 10MPa。间隔 10 米在主管道北侧平行穿越等长硅管套管，规格为 D1146.4mm。分别使用 HK500 钻机（最大回拖力500T）和 GD5000L 钻机（最大回拖力 500T）进行施工。 清水河穿越于 1 月 26 日进行通信管线导向孔钻进，1 月 31 日完成回拖用时 5 天。主管线于 2 月 1 日开钻，经16、24、32、40、48、52六级扩孔后于 2 月 29 日回拖完毕；双水线穿越于 1 月 31 日进行通
4、信管线导向孔钻进，2 月 5 日完成回拖。主管线于 2 月 6 日开钻，3 月 3 日回拖完毕。两项工程分别用时 37 日和30 日。 施工过程 施工流程 导向孔施工 根据设计提供的穿越段地质情况，清水河穿越工程钻导向孔采用鸭嘴板式钻头，该钻头无法安置水眼，有两个直径为 10mm，内部为圆筒式结构的水孔，钻导向孔期间发现钻机仪表显示推力较大。推力较大主要存在两种可能：一种是地下存在硬层， 停止旋转向前推送的过程中发现掉头明显，确定不是遇到硬层；另一种是水孔处泥浆射流速度不够，加大泥浆泵排量以后发现，钻进速度有所提高但效果并不明显。经分析确定原因为后者，即钻头上水孔不具有提高泥浆喷射速度的射流作
5、用。 在进行主管线导向孔钻进时，将钻头更换为 10.8 寸老式板式钻头，选择直径为 10mm 的水眼。根据图 3 排量与喷射速度关系，保证射流速度在 100m/s。更换以后发现导向孔钻进速度明显提高，节省穿越时间近 12小时。 双水线导向孔穿越采用现有 10.8 寸老式板式钻头+螺杆马达的钻具组合进行施工。进行 114mm 通信硅管的导向孔钻进时，发现由于螺杆马达自身重量较大，钻头不易抬头，降低泥浆排量后也难以抬头，结果导致实际穿越深度比设计深度深两米。钻主管线导向孔时去掉了螺杆马达，减轻重量后钻头抬头明显，在遇到硬层的地方，通过提高泥浆的排量钻机的推力下降明显，证明无需搭配螺杆马达能有效解决
6、钻头不易抬头的问题。 通过实践总结，针对盘锦地区地下主要以细砂、粉砂、流砂为主的地质结构，导向孔钻进采用鸭嘴板式钻头较为合适。选择直径为 9-11mm的水眼，泥浆排量控制在 15-20 升/秒较为合适，根据地层硬度的变换，对泥浆的排量进行控制。 扩洗孔 在进行扩孔器初步选择的时候，我们筛选出三种作为备选，包括桶式扩孔器、板式扩孔器、飞旋扩孔器。针对粉砂、细砂、流砂的地质特点，以上三种各有优缺点。飞旋式扩孔器中间为镂空设计，不易堆积泥沙， 能够减轻钻机的扭矩和拉力，但是在进行大孔径扩孔时，外侧边缘较窄影响成孔质量。桶板式扩孔器较比桶式扩孔器除了成孔效果好以外，由于边缘有支板，能够在一定程度上减少
7、泥沙的堆积，但是因其自身的重量较大产生的扭矩也较大，易增大钻具疲劳程度。 在清水河穿越施工过程中，采用了飞旋扩孔器和桶板式扩孔器混合使用的方式来施工。扩孔极差为 200mm，共进行 6 次扩孔分别为400mm、600mm、800mm、1000mm、1200mm、1400mm。 在进行前四级扩孔时采用飞旋扩孔器，发现中小孔径扩孔时使用飞旋扩孔器扩孔速度较快，扭矩和拉力较小，成孔效果不是十分理想。为保证曲线质量，决定后两级扩孔时采用桶板式扩孔器。在采用桶板式扩孔器扩孔时从仪表上直观体现出的问题是钻机的扭矩和拉力较大，扩孔速度较慢，但是由于该扩孔器自身的结构特点使得扩孔后的成孔效果要远远好于飞旋扩孔
8、器的成孔效果。扩孔完毕后根据以往的施工经验需要对孔洞进行洗孔修孔，本次工程决定省略此步骤以便对桶板式扩孔器的成孔效果进行实际考察。 在双水线穿越工程扩孔施工中，同样在进行中小孔径扩孔时，采用飞旋扩孔器，施工效果基本与清水河穿越一致。而在后两级扩孔时采用了飞旋式扩孔器+扶正器的组合进行施工，结果发现拉力和扭矩与使用桶板式扩孔器差别不大。由于采用钻具组合的方式扩孔会因拉力过大易引发扶正器脱扣而使之脱落，为了降低这种风险可采取降低扩孔速度的方式来确保扩孔的成功。 通过对比，发现在进行中小口径扩孔时飞旋扩孔器要优于桶板式扩孔器。在进行 1 米以上大口径扩孔时，考虑到降低塌孔风险提高扩孔质量节省工期，采
9、用桶板式扩孔器要略优于飞旋扩孔器+扶正器的钻具组合。管线回拖 管线回拖在场地允许的情况下一般采用挖发送沟的方式，既能保护管线防腐层，也能最大限度降低回拖管线自身产生的摩擦力。若场地条件不允许可以采用前方挖发送沟，后侧垫材料的混合方式来进行回拖。 泥浆系统 定向钻穿越工程泥浆是一个非常重要的环节，在施工过程中，泥浆起到了喷射、固壁、携带碎屑、润滑等作用。针对盘锦地区多以粉砂、细砂、流砂地质结构为主的情况，施工开始阶段将泥浆的起始粘度控制在 60 秒。根据扩孔孔径增大每一级扩孔粘度增长值控制在上一级粘度的10%-15%，当孔径达到 1000mm 时，泥浆黏度需超过 100s。 水眼问题 无论是钻头
10、还是扩孔器，水眼的选择尤为重要，水眼直径的不同，泥浆的排量也有所不同，下面就水眼截面面积的大小同泥浆排量的关系进行说明。 上式就是钻头水眼大小和泵量的匹配的定量公式。L 为管长；d 为管径；p 为压力； 为流体的重度； 为流体阻力系数；u 为流体速度；Q1 为泥浆泵的排量。 A2 即是扩孔器水眼过流的总面积，根据公式可以看到，在钻杆的直径和长度、以及钻井液的重度一定的情况，所选择档位的泵量越大、压力越小、流速越小，则设计的过流总面积 A。就要越大，反之亦然；当所选择档位一定时，钻杆的直径越小、长度越长、钻井液重度越大，则设计的过流总面积 A。就要越大，反之亦然。 钻头设计过程中必须要有相应过流截面积与钻机不同泵量相匹配，在此基础上，合理选择管材和钻井液的重度，已达到最优的配合，保证施工的顺利进行。 总结 秦皇岛-沈阳天然气管道储气工程清水河和双水线两个定向钻穿越工程作为我公司 2012 年上半两项重要工程，通过这两项工程帮助我公司很好的总结了针对盘锦地区以粉砂、细砂、流砂为主的特殊地质结构，如何快速、安全、合理完成大口径定向钻工程的施工经验。为我公司以后在进行易坍塌地层内进行大口径定向钻穿越打下了一个良好的基础。 参考文献 1 曹函，孙平贺，乌效鸣，马保松非开挖扩孔钻头水眼与泵量匹配模型研J.武汉：工程地球物理学报，20079
