定向鉆穿越常見的施工問題處理及工程事故預防

高秋玲，何金平，張振國

(1.天津大港油田集團工程建設有限責任公司 天津300272；2.中海油能源發展采油服務公司 天津300452)

0 引言

水平定向鉆技術是一種非開挖鋪設、修復或更換各種地下管道和電纜的施工技術，與傳統開挖施工穿越技術相比，水平定向鉆技術在提高施工效率、縮短工期、降低綜合成本和環境保護方面具有明顯優勢。

目前水平定向鉆技術已在國內市政工程中得到廣泛應用，尤其是在油氣長輸管道建設中扮演著越來越重要的角色，但是水平定向鉆穿越在帶來施工便利的同時也存在很多發生工程事故的可能性，造成工程施工困難、工期及成本不可控甚至工程失敗，這些事故體現在工程項目的各個施工工序中。因此，如何解決水平定向鉆施工過程中出現的各種技術難題、避免工程事故顯得尤為重要。本文結合實際施工經驗，通過對項目特點及施工難點分析，在導向軌跡設計、導向孔鉆進、回拖工藝及泥漿控制工藝等方面采取技術措施，有效解決了控向準確性不高、導向控制難度大、回拖卡管甚至失敗、泥漿易跑冒等施工難題，同時對工程施工中的技術要點、過程控制中的關鍵點進行總結，對以后的定向鉆施工提供技術依據和經驗借鑒。

1 科學合理的軌跡設計和控向方案

穿越軌跡的設計受到穿越長度、深度、管徑和鉆桿長度的影響，一般情況下，曲率半徑為1500 D，入土角選擇8°～10°，出土角在6°以下。由于軌跡設計不合理以及打導向孔沒能按設計要求進行控制，造成回拖管線時鉆具斷裂、管線變形以及回拖不成功半途而廢的案例并非罕見。為此采取的預防措施是，首先要根據地質條件和穿越現場地形、地貌選擇合適的控向方案，目前使用的控向技術有2種，一種為無線控向技術，一種為有線控向技術。

無線控向技術比較直觀，準確度高，但是能夠探測的深度有限，很容易受高大建筑物、高壓線、地面水等諸多環境因素對接收信號的影響，造成導向孔不規則或者不能按設計要求進行有效控制，所以無線控向技術使用范圍十分有限。為了預防因為導向軌跡不規則而發生的復雜和工程事故，我們建議在穿越公路、鐵路和一些水面較窄的河流，地勢較平坦并且穿越深度在15 m 以上時，才能使用無線導向系統。大

港油建穿越公司在穿越港棗線西圍堤路、大港區南環路、王穩莊天然氣改造穿越工程中成功使用了無線控向系統。

有線控向系統的優點是不受地面條件的影響，在穿越深度超過20 m 的湖泊、池塘、河流時被廣泛應用，但有線控向系統易受到地下金屬管道及電纜等的影響，精度比較低。為了克服這些不利因素造成的影響，一般采用有線控向加地面信標(人工磁場)相結合的施工措施。有線控向的原理是：在無磁鉆鋌內的探頭中安裝加速度計和磁力計，對影響它磁場的磁通量、磁場強度進行采集、分析，從而計算出探頭的位置，通過有線信號傳遞給計算機。一般的控向系統操作，是把地球磁場作為采集分析的對象，由于地球磁場的微弱性、不穩定性和易干擾性，導致加速度計、磁力計采集數據的準確性波動很大造成誤差。因此增加磁場強度和磁通量，可以明顯提高加速度計、磁力計采集數據的準確性，從而提高控向的精度。根據上述原理，在地面合適的位置布置地面信標(人工磁場)，來改善和提高影響加速度計、磁力計的磁場強度和磁通量，從而使采集的數據具有準確性和可控性，以達到防止定向鉆在打導向孔時與設計的穿越曲線的偏差。在川氣東輸符河穿越施工時成功采用了地面布置人工磁場的方法，出土點成功中靶，經過預擴孔等施工工序回拖一次成功。在永唐秦還鄉河穿越過程中，由于地面和空間環境沒有地下管道和高壓線影響，采用了以地球磁場為收集對象的控向措施(沒有添加人工磁場)，在控向技術員和司鉆密切配合下，導向孔的軌跡完全實現了設計要求[1]。

2 打導向孔過程中幾個常見問題的處理

2.1 導向孔軌跡的控制

為保證穿越工程安全，導向孔軌跡一定要按正確的設計進行控制，保證導向孔規則、光滑，保證每根鉆桿的折角不能超過一定的控制范圍。每根鉆桿的折角是由穿越的管徑、曲率半徑及鉆桿的長度來決定的，設計曲率半徑一般為1500 D。

在打導向孔的施工過程中，由于所鉆遇的地層不盡相同，對每一根鉆桿角度的控制需要司鉆根據不同的地層情況，采取鉆進和推進方式來實現，如果司鉆沒有積累大量的經驗，就很難實現控向技術員發出的指令目標。為了實現每根鉆桿折角控制在合理范圍，鉆工往往反復進行操作，但由于技術水平差，其結果破壞了原始地層結構，不僅不能正確控制鉆桿折角，還可能導致導向孔重新施鉆。在施工中如果出現某一根鉆桿折角不能滿足設計要求，是否必須反復操作控向，要看具體情況而定。因為穿越管道是無縫鋼管，其彈性模量允許曲率半徑為1000 D，也就是說穿越鋼管在自然彎曲1000 D的情況下其剛性結構、使用效果不會發生變化。為了保險起見，把穿越的曲率半徑設計為1500 D，一般情況下不能小于1200 D。如果由于控制不當，其控制角度沒有在曲率半徑的設計范圍，但是通過計算仍在1000 D范圍之內，這種情況就不要反復操作，關鍵在于不能連續2根鉆桿都是這種情況；如果出現大于1000 D的單根折角，就視為定向失敗而必須重新定向。

判定穿越曲線的規則程度時除考查每根鉆桿的折角外，還要看連續3根的折角之和。永唐秦還鄉河輸氣管道穿越，設計曲率半徑為1524 m，通過計算每根鉆桿的折角≤0.37°，則3根鉆桿的連續折角不能超過1.11°。如果其中一根鉆桿的折角達0.54°，且通過計算小于1000 D單根折角，可以繼續施鉆，但后面3根鉆桿的折角累計不能超過0.57°，即必須滿足3根鉆桿的折角不大于1.11°。

2.2 在信號傳輸中常見的問題及處理對策

信號線的連接及連接完成后的緊線固定操作，是鉆工的一項重要工作，操作難度不大，但是非常重要。信號線是控向儀與電腦及顯示器連接的唯一通道，也是一個容易出現問題的薄弱環節。如果在打導向孔施工過程中，信號突然中斷，導向技術員就失去了眼睛，司鉆的操作也會是盲目操作，補救的辦法只能是重新開始，從而造成很大的資源浪費。信號線經常出現的問題有[2]：

①信號線連接時壓線不緊，造成斷線，導致信號消失。

②信號線緊線不及時、固定不牢，出現松動，由于泥漿泵大排量的沖刷，松動的信號線堆積在導向儀探管一端，發生纏繞造成斷線或絕緣膠皮損壞，發生斷路或者短路。

③由于信號線本身存在質量問題，特別是絕緣膠皮是由再生塑料制作的，絕緣膠皮厚度不夠、不均勻、脆皮等，在泥漿的沖刷和與鉆桿的磨擦下破壞絕緣層發生短路。

在永唐秦穿越過程中由于信號線不合格曾多次發生斷路造成很大損失。由于管理和操作人員在信號線連接上不夠重視，也曾發生在導向儀探管端纏繞信號線發生短路導致信號消失等現象。

根據在施工中信號線發生斷路或者短路的情況，應該采取以下措施：操作人員必須認真做好接線工作，夾線鉗和電加熱器必須滿足施工要求，接線時在保證壓緊的情況下，選用優質厚壁銅管和質量好的熱收縮套。要求信號線的供應商必須保證供貨質量，在必要時自己選購定做厚皮的信號線。在長距離穿越施工中，信號線很難被拉直，要每隔200～300 m 加信號線固定卡。

在永唐秦還鄉河光纜管穿越打導向孔的過程中，在穿越到距離出土點還有36 m 時信號中斷，此時如果拔出鉆桿重新連接信號線會造成很大的經濟損失，于是根據平時有信號時在動力頭記刻下的信號標志，即將動力頭旋轉到什么角度和導向儀顯示器顯示的鉆頭角度進行對照刻記，在最后36 m 成功進行了盲鉆，出土點位置在靶心范圍之內，符合設計要求。

有時信號線破壞不嚴重，各種數據正常，可以繼續使用，在特殊情況下也可以盲鉆，但在大管徑穿越時不能輕易盲鉆，否則會導致施工失敗。

3 穿越管道回拖常見問題的處理

3.1 孔眼不潔凈造成回拖困難或回拖卡管

管線回拖是穿越的最后一道工序，也是工程成敗的關鍵，由于孔眼不潔凈造成工程失敗的例子很多。造成孔眼不潔的主要原因有：

①泥漿粘度、切力等性能達不到要求，造成泥漿沒有足夠的懸浮能力和攜砂能力，使泥漿在孔眼流動途中形成巖床沉淀。

②泥漿泵的排量不夠，泥漿在孔眼內流動速度慢，使大量鉆屑滯留在孔眼內，造成孔眼不潔。

③地質情況復雜，泥漿沒有足夠的護壁性能和防塌能力，造成孔眼塌方，產生大量巖屑。

以上每一種情況出現都會造成回拖困難或回拖卡管現象，解決辦法是：在回拖前最后一次擴孔或洗孔時要調試好泥漿性能，在地層條件好的情況下，泥漿粘度在55 s 以上，如果是粉砂或細砂地層泥漿粘度應在75 s以上。為使泥漿有一定的切力，具有一定的護壁防塌能力，可在泥漿中添加適當的降失水劑控制失水，添加一定量的潤滑劑減小摩擦阻力。在中途停鉆開泵循環泥漿時，要根據泵壓確定泥漿排量，如果泵壓過高，應該先小排量循環，根據返漿情況，逐漸增大泥漿排量，否則會造成壓力激動，使孔眼垮塌或冒漿；還要根據返漿的密度調整擴孔速度，如果泥漿粘度有一定保證，返漿密度過高超過了1.10說明擴孔速度過快，如果返漿的密度在1.07以下，說明擴孔速度太慢應適當提高擴孔速度；如擴孔速度已經很慢，泥漿的粘度也在設計范圍之內，返漿密度仍然較高，在1.10以上，說明泥漿的排量太小，泥漿在孔眼中的流速太低，應提高泥漿排量，如泥漿泵排量已經達到極限值，說明泥漿泵能力過低，應增加泥漿泵或者更換更大能力的泥漿泵。在調整擴孔速度時也應該密切注意扭矩的變化，扭矩太高適當減小鉆機拉力，否則會造成卸扣困難。

3.2 管線發送方法和入洞角度不當造成回拖失敗

穿越管線的發送往往是被人忽視的環節，只是注意保護管線防腐層的問題，在實際工作中由于發送方法不合理和入土角度不正確造成工程事故屢屢發生才逐漸被人所重視。在管線開始回拖時要克服很大的凈摩擦阻力，此時如果鉆具某些部位有薄弱環節很有可能發生鉆具斷裂，如川氣東輸符河穿越拖管啟動阻力達100 t 左右，是正常回拖力的2倍以上。故建議在長距離大管徑回拖時采用漂管法，漂管條件不具備時應該采用機械設備配合發送[4]。

在管道入土時由于高差的原因如果入土角處理不好，斷鉆具的事故也很多。永唐秦還鄉河穿越時在出土點位置，沿著出土角的方向開挖管溝，形成1個長30 m 與出土角一致自然平滑的發送溝，其他發送溝采用灌水漂管，形成與出土角一致的30 m 長的發送溝，避免進水漂管，從而成功避免了管線入洞時由于浮力向上浮管與鉆具自身重力沉降形成的高差，使鉆機的拉力與管線進洞的走向在一條直線上，也由于開挖了30 m 與出土角一致的管溝，相當于降低了管線的支撐高度，保證了回拖管線的自然入土[4]。

4 大型定向鉆穿越發生冒漿的原因及預防

水平定向鉆在施工過程中，在滲漏和微滲漏地層條件下，經常遇到泥漿跑冒現象，對穿越的池塘、河流、道路、建筑物、住宅等造成很大污染，索賠額巨大。基于保證施工質量、合理規避冒漿風險、做好施工現場環境保護等要求，水平定向鉆淺層泥漿堵漏技術是施工中急需解決的技術課題。

4.1 冒漿的原因分析

在定向鉆施工中，泥漿的密度和壓力必須滿足一定的要求，其上限應以防止壓裂地層為度，下限是要足以控制地層壓力和支撐井壁。在進行導向孔作業時，孔洞較小，孔洞與鉆挺及鉆頭形成一個環形空間，在泥漿泵不停注入泥漿的情況下，空間局部處于高壓狀態，環孔壓力釋放速度小于泥漿泵的注入速度，環孔壓力就會越積越高超過上限，過大張應力將引起地層破裂，從而發生泥漿漏失，冒漿即為泥漿漏失的一種表現，同時泥漿的嚴重漏失，還可引發井壁坍塌；而泥漿的密度和壓力低于下限時，將產生由于剪切破壞引起的井塌[5]。

4.2 冒漿的預防措施

4.2.1 工藝措施

在進行導向孔作業時，要使用相對尺寸較大的鉆頭，這樣鉆鋌與鉆頭形成環空較大，泥漿返漿暢通，減小局部空間壓力積累。在導向孔定向作業中需要不停地進行鉆進和推進，也造成了導向孔環形空間不規則，很容易形成封閉的空間，增大冒漿機率。因此操作過程中在完成一根鉆桿以后，應該旋轉回抽一段距離然后再旋轉鉆進，這樣可以加大環孔疏通泥漿流道降低環孔壓力，避免冒漿。

4.2.2 泥漿配比

在滲漏和微滲漏地層添加堵漏材料，采用高效膨潤土增加添加劑的用量，配置泥漿性能：粘度55 s，密度1.03～1.05，pH 值9～11，切力2～4/4～8，返出泥漿密度在1.07～1.09。

4.2.3 擴孔作業

在擴孔作業時，如果泥漿壓力突然增大時，應減小泥漿排量，同時略微回退一下擴孔器，增大環形空間。地層結構是粉沙層和細沙層，擴孔器的水嘴要適量增加，并且要加大泥漿排量，泥漿粘度在75 s以上，保持返漿正常，盡量保持孔眼干凈，防止沉沙沉淀堵塞流道，造成憋壓冒漿。

4.2.4 其他方面

增加臨時漏漿點，減輕泥漿對地層的壓力，防止穿越河流、蝦池、湖泊時污染水域，在出土點和入土點前各50 m 左右開挖泥漿導流溝或儲漿池，收集不可避免冒出的泥漿。長距離穿越項目返漿情況往往不正常，特別是入土點一側，在距離入土點40 m 左右由于穿越軌跡拐點處經常造成返漿不正常，發生冒漿，可采取下套管的方法保持流道暢通。

5 結語

本文根據查閱的相關資料和書籍，并結合港棗線、永唐秦還鄉河定向穿越以及川氣東輸府河穿越中一些工程實踐體會和認識，驗證所述方法在處理復雜情況方面是有效的。然而我們必須認識到預防和處理大口徑穿越工程復雜問題永遠是個難題，應持續加強學習，下大力氣進行研究探討。對于泥漿返漿堵塞問題、鉆頭的運行軌跡研究和鉆具組合，不同地層條件下鉆頭和擴孔器所采用金屬材質，以及配套的工藝措施還亟待深入研究。