鄭明高

中石化江漢油建工程有限公司，湖北武漢 433101

潛江-韶關(guān)輸氣管道工程包括湖北省干線、湖南省干線、廣東省干線、長江先期投產(chǎn)及工程聯(lián)絡(luò)線五個部分。干線線路起自湖北省潛江市潛江樞紐站，止于廣東省韶關(guān)市韶關(guān)末站，管道全長830 km。管道穿越長江采用定向鉆方式，為新氣管道有限公司管道項目的先期投產(chǎn)段。穿越水平長度3 100 m，實長3 120 m，穿越入土角17°，出土角12°，曲率半徑1 500 D（D為管徑）。穿越層位為中風(fēng)化泥質(zhì)、砂質(zhì)板巖，最大穿越深度為水平面下55 m。管道設(shè)計采用D 406.4 mm×12.7 mm的X60Q鋼級鋼管，設(shè)計輸送壓力10 MPa。穿越地層主要為中-微風(fēng)化泥質(zhì)、砂質(zhì)板巖，為硬巖，巖芯多碎片狀、半柱狀，少量呈柱狀，裂隙發(fā)育，垂直層理發(fā)育，平均單軸抗壓強度為80 MPa，兩側(cè)穿越地層存在小范圍粉質(zhì)黏土、細砂、礫石區(qū)，穿越段的長江江面寬2 000 m。

1 工程特點

（1）穿越水平長度3 120 m，是國內(nèi)水平定向鉆穿越長江巖石層距離最長的工程，穿越巖石層距離達2 900 m。

（2）穿越地質(zhì)條件復(fù)雜，地層中石英含量高，裂隙、破碎帶發(fā)育，軟硬交替頻繁，存在中風(fēng)化泥質(zhì)-砂質(zhì)板巖夾雜石英，對施工工藝提出了更高要求。

（3）為保證在長江大堤以下部分的穿越施工進入水平段，穿越入土角采取罕見的17°，出土角12°，為此給長距離施加鉆壓、扭矩傳遞、導(dǎo)向孔的對接準確度和擴孔、管道回拖都將帶來較大的困難。

（4）穿越施工點位于家魚保護區(qū)，受汛期限制，必須在一個汛期內(nèi)（當(dāng)年10月至來年5月）完成施工，對施工工藝、施工效率提出較高要求。

2 施工難點

需要施工的管道路由見圖1，管道需穿越長距離的中風(fēng)化、強風(fēng)化板巖地層。本文主要介紹導(dǎo)向孔、擴孔施工技術(shù)以及配套的泥漿工藝，其施工難點如下[1-4]：

圖1 穿越管道剖面示意

（1）穿越地層硬，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軟硬交替，裂隙、破碎帶發(fā)育，導(dǎo)向施工難度大。

（2）穿越地層中石英含量高，對鉆具磨損嚴重，穿越距離長，鉆機扭矩和鉆壓的傳遞距離短，擴孔施工效率低下。

（3）切削巖石顆粒大，數(shù)量多，容易造成鉆屑堆積，形成鉆具卡鉆等井下事故，泥漿施工工藝復(fù)雜。

3 施工工藝論證

3.1 導(dǎo)向孔施工方法

（1）導(dǎo)向孔穿越方式與鉆機選擇。現(xiàn)有導(dǎo)向孔施工方法主要有單穿和對穿，即單側(cè)穿越施工和對接穿越施工，由于本次穿越距離為3 120 m，超過了單側(cè)穿越的最大施工能力，故選擇對接穿越施工。兩岸同時安裝鉆機，長江北岸監(jiān)利側(cè)安裝600 t奧格DD1300主鉆機，長江南岸岳陽側(cè)安裝200 t奧格DD-440輔助鉆機，相向鉆進，在合適位置完成導(dǎo)向孔對接。

（2）鉆具組合的選擇和導(dǎo)向孔曲線的控制。在對接導(dǎo)向孔施工中，此項內(nèi)容至關(guān)重要。導(dǎo)向鉆具組合是指將各種不同型號的螺桿馬達與鉆頭加以組合以適應(yīng)穿越地層，本工程穿越管道直徑為406.4 mm，按照GB 50424-2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》，單根鉆桿的最大折角不大于1.6°，考慮到入土角罕見的17°，實際施工中單根鉆桿調(diào)節(jié)角度需滿足1°的造斜能力，因此，導(dǎo)向孔鉆進應(yīng)采用大鉆頭和大馬達，加大造斜角度，防止鉆進時導(dǎo)向孔曲線超深或超淺。通過CAD模擬計算，本工程選用φ203 mm、1.75°的螺桿鉆具，配合φ311.2 mm的三牙輪鑲齒鉆頭，鉆桿選用能夠承受大拉力、大扭矩的7-5/8 in（1 in=25.4 mm）的S-135級優(yōu)質(zhì)壁厚高強度鉆桿，見圖2。以上導(dǎo)向孔鉆具組合成孔孔徑較大，約745 mm，相應(yīng)的鉆桿環(huán)空也較大，有利于泥漿鉆屑的攜帶，防止鉆頭卡鉆。

圖2 導(dǎo)向孔鉆具造斜強度示意

（3）導(dǎo)向儀器選擇。對于導(dǎo)向孔曲線的控制，更多受制于導(dǎo)向儀器的精度和控向人員對穿越地質(zhì)的了解程度。本項目為弱風(fēng)化板巖，巖石單軸抗壓強度大，導(dǎo)向孔成形后，很難在現(xiàn)有孔內(nèi)調(diào)節(jié)鉆進方向或改變鉆井方向，因此，在導(dǎo)向孔鉆進至對接位置前，必須保證兩側(cè)導(dǎo)向孔精確地相向鉆進。鑒于本項目穿越復(fù)雜的硬巖，因而選擇精度較高的PHL公司生產(chǎn)的P2導(dǎo)向儀。

3.2 擴孔施工方法

常規(guī)擴孔施工是在出土點安裝擴孔鉆頭，鉆機提供拉力和扭矩，迫使鉆頭切削巖體，但本項目穿越距離長，消耗在鉆桿上的摩阻力矩大，傳遞給擴孔鉆頭的扭矩小，擴孔效率低下，因此，本工程不宜采用常規(guī)擴孔施工，推薦使用正向擴孔或兩臺鉆機同步擴孔施工。

按照以下經(jīng)驗公式，計算穿越長度3 100 m時鉆桿最大的摩阻力矩：

式中：T為鉆桿阻力矩，N·m；k為正壓力系數(shù)，取1/3；g為重力加速度，m/s2，取9.8；f為摩擦系數(shù)，取0.2～0.4；W為鉆桿質(zhì)量，kg；r為鉆桿半徑，m。

通過計算得出，鉆桿所受到的最大摩阻力矩約為30 000 N·m。如果采用常規(guī)方式擴孔，首先要抵消此部分扭矩，因此選用正向擴孔方法。

4 解決施工難點的技術(shù)措施

4.1 導(dǎo)向孔對穿施工

（1）助推保護套管輔助技術(shù)的實施。穿越兩側(cè)均有100 m長度的土層，為了防止泥漿漏失、軟硬交界面擴孔形成臺階以及解決長距離鉆進鉆壓的有效傳遞等問題，兩側(cè)均安裝了φ457 mm的套管（此為助推保護套管輔助技術(shù)），通過實施該技術(shù)，創(chuàng)造了奧格DD440鉆機在抗壓強度80 MPa巖石中最長鉆進1 750 m的紀錄。

（2）磁方位角測量。施工前，將導(dǎo)向探頭布置在長江兩岸中心線上，多次測量大地磁方位角，取多次測量值的算術(shù)平均值作為方位角基準值；在穿越陸地段盡可能多地布置人工磁場線圈，以精確控制鉆頭方向；穿越江面采用交流磁靶，測量時磁靶放置在木船上，多次測量，分析判別干擾值和真實值。穿越區(qū)域磁方位角測量統(tǒng)計見表1。

（3）優(yōu)化選擇導(dǎo)向孔對接區(qū)域。對接點選擇在兩側(cè)巖石硬度均一的地區(qū)，防止不均造成鉆頭突變方向，干擾對接；準確計劃導(dǎo)向孔對接時間，選擇在白天午間對接，有利于磁靶測量時磁干擾?。煌瑫r，增加數(shù)據(jù)采集頻率，每鉆進2～5 m測量一次，精確控向，保證導(dǎo)向孔對接區(qū)域平緩、連續(xù)。最終，導(dǎo)向孔對接橫向偏差為0.2 m，縱向偏差為-0.3 m。導(dǎo)向?qū)Υ┦┕ぷ鳂I(yè)見圖3。

4.2 正向擴孔施工

（1）擴孔工藝。本工程共兩級擴孔，均采用正向擴孔方式，第一級擴孔為φ457.2 mm，第二級擴孔為φ609.6 mm。正向擴孔的鉆具組合為：鉆機+鉆桿+扶正器+正向擴孔器+導(dǎo)引頭。扶正器器為φ406.4 mm，起到對鉆頭的扶正和導(dǎo)向的作用，導(dǎo)引頭為φ254 mm，其作用是保證擴孔器與導(dǎo)向孔成型孔洞的同心度，防止擴孔器偏位、擴孔姿態(tài)不正。正向擴孔施工見圖4。

表1 穿越區(qū)域磁方位角測量統(tǒng)計

圖3 導(dǎo)向?qū)Υ┦┕ぷ鳂I(yè)

圖4 正向擴孔施工

（2）擴孔工藝參數(shù)。正向擴孔最大的問題是鉆桿在孔內(nèi)受力復(fù)雜，容易發(fā)生鉆桿斷裂風(fēng)險。通過模擬計算，該種地層，采用φ457.2 mm、3牙輪正向擴孔器切削巖石的扭矩約為8 000 N·m，擴孔時為保證井下鉆具安全，需要將扭矩控制在20 000 N·m以內(nèi)，鉆壓控制在300 kN以內(nèi)，鉆機旋轉(zhuǎn)速度控制在20 r/min，鉆進過程中需特別留意各類鉆進參數(shù)的變化，控制好鉆進速度和泥漿流量。

（3）擴孔技術(shù)措施。本項目局部地層破碎，裂隙、斷層發(fā)育（見圖5），正向擴孔鉆具和鉆機容易產(chǎn)生劇烈振動，鉆屑顆粒較大，易發(fā)生卡鉆事故。針對該風(fēng)險，主要措施是減小鉆進速度，降低鉆壓，調(diào)低鉆機的旋轉(zhuǎn)速度，待擴孔器本體完全進入巖石層或硬巖層后再加大鉆壓。

圖5 巖體的垂直層理

4.3 泥漿工藝

超長距離擴孔時，泥漿工藝至關(guān)重要。為提升泥漿的攜渣能力，施工現(xiàn)場根據(jù)穿越地層的變化，采用復(fù)合泥漿配比技術(shù)，先使用6%～8%（質(zhì)量分數(shù)）的定向鉆專用膨潤土加淡水配出基漿，而后加入0.08%～0.15%的NaOH、0.2%～0.3%的高黏提切劑、0.2%～0.3%的高黏降濾失劑等調(diào)節(jié)泥漿的性能參數(shù)。

在擴孔中，由于多次更換鉆具和清孔，泥漿全程需保持好的攜帶性能，現(xiàn)場要求每2 h對泥漿性能進行全面檢測一次。泥漿的基本性能滿足表2的要求。

表2 泥漿基本性能參數(shù)

5 結(jié)束語

在超長距離、超硬巖石、極復(fù)雜地質(zhì)條件下進行水平定向鉆穿越施工，具有施工周期長、不穩(wěn)定因素多、風(fēng)險極大、難度極高的特點，但通過采取科學(xué)的施工方法，新氣公司長江定向鉆穿越施工項目成功地在長江汛期前完成一次性回拖，得到了業(yè)主的肯定，同時創(chuàng)下了管徑406 mm管道水平定向鉆穿越長江巖石層距離最長的國內(nèi)紀錄，且創(chuàng)造了國內(nèi)鉆機正向擴孔1 500 m的施工紀錄。