超長距離硬巖層水平定向鉆擴孔工藝研究與應用

劉啟華 李剛 陳翔 朱智 杜學龍(中石化江漢油建工程有限公司，湖北 潛江 433124)

0 引言

水平定向鉆技術在國內經過幾十年的發展，技術已趨于成熟。特別是近三年，設計水平定向鉆長度超過3000m的已呈常態化。但超長距離的水平定向鉆的設計地層，還主要集中在非巖石層，如淤泥、粉質黏土等。如中石油管道局2015年施工的西氣東輸如東-海門-崇明島輸氣管道長江穿越粉砂地層，穿越長度3500m；中石化中原油建2017年施工的浙江甬臺溫成品油管道工程飛云江特大型定向鉆穿越淤泥層，管徑φ323.9mm，穿越長度3360m等。對于超長距離硬巖層的水平定向鉆穿越工程還不多見。在此，以新疆煤制氣潛江-韶關管道工程長江穿越工程為例，探討超長距離硬巖層水平定向鉆擴孔工藝的研究與應用。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本工程長江主定向鉆穿越長度為3120m，穿越管道為Φ406.4×12.7mm X60Q 無縫鋼管，設計壓力10MPa。相對入土點最大埋深55m，穿越水平段設計管底高程為-28.0m，穿越層位為中風化泥質、砂質板巖。要求在一個長江非汛期內必須完工，且為整個新氣管道工程的最重要控制性工程。

長江定向鉆穿越地層主要為中-微風化泥質、微風化泥質砂質板巖和石英巖脈。中風化泥質砂質板巖：灰色、淺灰色、灰黑色，泥晶結構板狀、片狀構造，層理發育輕敲易碎，棱角處手掰可斷，層面光滑，手摸有滑膩感，指甲能刻劃，巖心破碎，多短柱狀、半柱狀、碎片狀；垂直層理發育，含有石英細脈、方解細脈和石英團塊。微風化泥質砂質板巖：深灰色，泥晶結構，板狀構造，巖質較脆，巖心呈短柱狀、長柱狀，少量呈碎塊狀，巖體較完整，屬較硬巖，較完整。石英巖脈(團塊)：白色，呈團塊狀、細脈狀。石英團塊局部密集，含量高，多分布于中風化泥質砂質板巖中上部；石英巖脈多沿層理面發育，多發育在中風化泥質砂質板巖下部和微風化泥質砂質板巖內，分布規律性差。在石英團塊內發育有方解石細脈，微風化泥質砂質板巖中也有方解石細脈發育。穿越各類巖層占比如表1所示。

表1 穿越各類巖層占比統計

1.2 工程特點

(1)巖石硬度大，裂隙發育，地層復雜。將鉆屑、巖塊送至中國地質大學(武漢)進行巖石力學測試，結果顯示，穿越巖石平均硬度達到60MPa，且石英含量高，巖體的可鉆性等級Ⅵ～Ⅶ級，鉆進時效在目前我國非開挖水平定向鉆進技術條件下≤2.5m/h。巖層研磨性很強，對鉆頭磨損嚴重。

(2)本工程穿越實際長度3120m，是國內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2900m。

(3)施工工期受長江汛期影響，必須在一個非汛期內(10月-來年5月)完成，對施工工藝、施工效率提出較高要求。

2 技術難點

2.1 本工程穿越距離長

如果采用常規擴孔工藝，即單臺鉆機拉擴，傳遞至擴孔器的有效扭矩小，擴孔效率低下。根據施工經驗，穿越長度3120m、60MPa巖石穿越需保證鉆機輸出扭矩70kN·m,而消耗在3120m鉆桿(168mm)的扭矩為50～55kN·m(不考慮大量巖屑包裹鉆桿所消耗的扭矩)，傳遞到擴孔器的扭矩只有15kN·m，擴孔效率極其低下，工期難以保證。

2.2 巖石硬度大

需要切削巖石的扭矩大，大扭矩必須要求有大鉆機和大鉆桿，而目前國內普遍使用的大噸位鉆機為600t，最大極限負荷輸出扭矩150kN·m，一般正常工作輸出扭矩50～100kN·m，80kN·m以上不宜長時間負荷，否則容易導致旋轉馬達發熱，有時溫度可達120℃。而常用的鉆桿與石油鉆井鉆桿相同，大鉆桿有140mm、168mm和194mm三種類型，承受的最大扭矩分別為80kN·m、100kN·m和120kN·m，且194mm鉆桿只少量用于水平定向鉆施工，需廠家專門定制。所以，從鉆桿和鉆機匹配上考慮，鉆機扭矩輸出和鉆桿承受的扭矩均有限，施加在擴孔器的扭矩變小，擴孔效率將大幅降低。

2.3 對泥漿性能要求較高

由于地層裂隙、破碎發育，鉆屑顆粒大、數量多，為保證泥漿盡可能多的攜帶孔內鉆屑，防止形成鉆屑床，進而造成鉆具卡鉆等井下事故，對泥漿性能要求較高。

3 擴孔工藝的制定

3.1 擴孔工藝的風險分析及技術目標

結合工程技術難點、工期要求以及以往推擴經驗，技術團隊達成以下意見：

(1)采用常規拉擴，效率低，在規定的工期內根本無法完成施工。

(2)結合國內已有的鉆具、鉆機情況，只有采用同時推擴，才能基本保證在規定的工期內完成。

(3)雖然推擴有風險，但可以通過精密的計劃，把潛在風險降到最低甚至消除。

(4)通過短距離推擴的實驗，摸清鉆具磨損情況，真實扭矩的消耗及傳遞、合適的推力以及進尺數據等。

(5)改進鉆具。包括鉆桿的配置、短節的選用以及擴孔器的結構改進等。

(6)泥漿性能的要求。因地層破碎，孔洞中巖屑直徑較大，而且單側返漿距離超過1500m，泥漿的攜帶性能必須達到一定要求，盡可能帶出孔洞中的巖屑。

總體技術目標是在傳統定向鉆擴孔工藝上進行突破性的改變，把以往傳統的拉擴方式，通過鉆具改進、泥漿性能改善等，改為超大鉆頭、兩側同時推擴和套管助推等工藝，降低風險，節約工期，從根本上解決目前最大鉆桿、最大鉆具扭矩無法超長距離傳遞、擴孔效率低下的問題。通過改善泥漿性能，盡可能多的超長距離攜帶孔洞中的巖屑，降低回拖風險?？梢試L試推擴方案，但主要措施的目的是消除或降低井下風險，不允許出現井下事故，如掉牙輪、擴孔器或斷鉆桿事故。

3.2 擴孔工藝關鍵技術及工藝流程的制定

針對現階段工程工期緊、任務重、難度大的特點，采取措施，在保證井下安全的情況下，從如何提高施工效率，節約工期、降低成本等方面考慮。制定摸索一套適合超長距離、硬巖層水平定向鉆擴孔施工鉆具組合及施工工藝流程。

(1)采用大功率螺桿鉆具，配備超大三牙輪鉆頭進行導向孔施工常規水平定向鉆導向孔施工，一般鉆頭采用8-1/2英寸、9-1/2英寸、10-1/2英寸，現在國內大功率螺桿馬達技術已非常成熟，其配備超大鉆頭已完全可行。長江定向鉆穿越工程導向孔施工采用對穿工藝，鉆頭采用12-1/4英寸鉆頭，大鉆頭的導向孔環空直徑，可以為第一級擴孔降低難度。

(2)采用助推套管，使推力和扭矩有效傳遞

國內水平定向鉆使用的常規鉆桿為5-1/2英寸(140mm)，導向孔施工中，因鉆桿的韌性，鉆機推力在大于20噸后就容易發生彎曲，特別是在長度超過1200m后，鉆機的推力難以傳遞至鉆頭，造成進尺緩慢。長江定向鉆穿越兩側各有約120m長的軟地層，為保證導向孔以及正向(推)擴孔推力和扭矩的有效傳遞至最前端的鉆頭或擴孔器處，需在兩側軟地層，夯(推)入Φ508×10mm的套管，隔離鉆桿與軟地層，減少鉆桿因地層承載力不夠導致鉆桿彎曲，減少推力損耗，使推力傳遞順暢；另外，控制鉆桿的彎曲量在最小范圍內，減少鉆桿彎曲，防止鉆桿折斷。

(3)采用兩側同時推擴技術，改進擴孔器結構形式，防止井下事故，提高施工效率兩側推擴解決了超長距離扭矩傳輸問題，但也存在風險，其一是擴孔器在工作狀況下，假如擴孔姿態沒有拉擴好，存在與已有孔洞不同心的問題，會導致擴孔器各牙輪受力不均，牙掌折斷的風險；其二是每種擴孔器有其使用壽命，在該地層及工況下，擴孔器的使用壽命是多長時間，即不提前退出，也不存在因磨損過度導致掉牙輪的風險。以上兩個問題，通過改進擴孔器的結構形式，消除井下風險。

(4)摸索調整泥漿配方，提高泥漿長距離攜帶能力

在3120m的超長距離巖石穿越，單邊泥漿攜帶能力超過1500m，2m3/min的泥漿排量，在Φ450mm的孔洞中，擴孔器處攜帶巖屑的泥漿，要很長時間才能返出地面。另外采用大鉆頭、大牙輪擴孔，巖屑顆粒直徑較大，就需更好的泥漿流動性、攜帶性能等。

(5)工藝流程的制定

根據以上的風險分析，制定以下工藝流程：

大鉆頭導向孔施工(對穿)→夯助推套管→導向孔對接→兩側同時推擴施工→拉擴中間部分→清孔→回拖。

根據鉆桿的受力情況以及以往推擴經驗，單邊推擴距離為1200m左右，距離更長的話，鉆桿的彎曲變形局勢增大，鉆桿斷裂風險增高，鉆桿和鉆機的力量傳遞減小，推擴效率降低。

推擴采用2級擴孔，450mm和600mm。岳陽側根據地層情況，大概推擴1100-1200m；監利側推擴1200-1300m；最后中間剩余500m，采用監利側拉擴方式。其中，兩側推擴分別采用2-3個擴孔器，中間拉擴使用1個擴孔器。

4 擴孔工藝的實施

4.1 導向孔施工

監利側使用600T奧格主鉆機，岳陽側使用220T奧格輔助鉆機。導向孔施工鉆具組合如下：

(監利側)12-1/4英寸鉆頭+197mm型螺桿鉆具(1.75°)+無磁鉆鋌(導向儀器)+140mm鉆桿(1000m)+168mm鉆桿(400m)。

(岳陽側)12-1/4英寸鉆頭+螺桿鉆具(1.75°)+無磁鉆鋌(導向儀器)+140mm鉆桿(1000m)+168mm鉆桿(700m)。

岳陽側導向孔鉆進過程中，共使用4個鉆頭+197型螺桿鉆具，第一個鉆頭使用中，泥漿排量為1.2～1.3m3/min，總共用時82.5h后退出；第二個鉆頭泥漿排量為1.3～1.5m3/min，總共用時104.7h后退出；第三個鉆頭，泥漿排量1.5～1.7m3/min，總共用時102.9h，導向孔對接成功。導向過程鉆進參數及數據如表2所示。

表2 岳陽側導向孔鉆進參數統計表

監利側導向孔鉆頭更換情況：岳陽側共使用2個鉆頭+197型螺桿鉆具，第一個鉆頭使用中，泥漿排量為1.2～1.3m3/min，總共時間96.6h后退出；第2個鉆頭泥漿排量為1.3～1.5m3/min，總共時間84.7h，等待與岳陽側導向孔對接。監利側導向孔鉆進參數如表3所示。

表3 監利側導向孔鉆進參數統計表

2017年12月10日完成導向孔對穿的對接，見圖1。

4.2 安裝助推套管

導向孔施工完畢后，兩側分別撤出一定數量的鉆桿，然后接上22英寸(560mm)普通擴孔器，分別推擴兩側120m的土層，直至巖石層，再退出擴孔器。然后用鉆機輔助推入Φ508×10mm的套管，前段頂在基巖上。再退出所有鉆桿。安裝助推套管見圖2。

4.3 擴孔施工

套管安裝完畢后，完全撤出孔洞中的鉆桿，兩側同時推擴18英寸擴孔器。

圖1 導向孔鉆進和對穿

圖2 安裝助推套管

圖3 擴孔下鉆

改進推擴擴孔器，見圖4。必須對常規擴孔器結構進行必要的改進和解決推擴時擴孔器井下姿態問題。拉擴時，擴孔器受力方向應在需切削巖面的方向，擴孔器在孔下姿態較好，應基本與導向孔方向一致；而推擴時，擴孔器受到來自地面鉆桿的推力以及擴孔器自重的問題，如果不采取措施，姿態總體是在導向孔向下的。擴孔器前段加前引導頭，最大直徑比導向孔孔徑略小，約285mm，如果直徑太小，起不到引導作用，太大會消耗擴孔扭矩(特別是導向孔中如果有巖屑堆積)，且會阻礙泥漿回流攜帶巖屑。引導頭前端設置一個水眼。引導頭不能完全設置成柱體，否則會堵塞泥漿返回通道。前引導頭的主要目的是保證在推擴中，擴孔器保持一個與導向孔基本同心的姿態。

因而必須解決擴孔器與導向孔不同心的問題，比如采取擴孔器前導引或扶正方式。這是解決推擴的重要環節。

圖4 擴孔器和扶正器

擴孔中，防止井下事故，其中重要的數據控制是在不同地層、不同的推擴階段，必須嚴格控制扭矩和推力，才能保證最大的功效。擴孔下鉆見圖3 。

4.3.1 岳陽側擴孔

第一個擴孔器開始正向推擴后，扭矩控制在20000N.m以內，推力控制在15T以內，擴孔48根，單根鉆桿擴孔平均時間103min，總時長57.8h后，為減小擴孔器井下風險，退出擴孔器。退出后，擴孔器牙輪完好，無晃動。擴孔參數見表4。

第二個擴孔器安裝后繼續擴孔，扭矩和推力的控制如第一個擴孔相同，擴孔23根，但隨著擴孔器距離鉆機側的距離增長，鉆桿彎曲趨勢加大，擴孔效率稍有降低。擴孔參數見表5。

第三個擴孔器，為保證前端鉆具的安全，將靠近擴孔器側的鉆桿更換為194mm鉆桿，共計更換25根，重新擴孔，平均鉆進效率較低至2.58m/h，最大扭矩31709N.m。岳陽側累計推擴96根，推擴完成后，置換成拉擴，擴孔器前后分別安裝25根、35根的194mm鉆桿。

未安裝擴孔器前，整體鉆桿鏈空轉扭矩41276N.m，拉力18T，安裝擴孔器后扭矩為51576N.m，拉力19T，對比得出未擴孔時消耗在擴孔器的扭矩約為10000N.m以上。導向孔完成后，將所有鉆桿置換168mm鉆桿，空轉3120m，鉆桿扭矩為41000N.m

4.3.2 監利側擴孔

監利側擴孔(見圖5)方式與岳陽側基本相同，共計更換擴孔器3套，累計擴孔進尺989m，擴孔中最大扭矩23364N.m，最大推力31.6T，平均鉆進效率4.65m/h，相對于岳陽側，監理側巖石硬度低，巖層破碎，鉆進效率也相對較高。

4.3.3 第二級擴孔

第二級擴孔比第一級擴孔直徑大6英寸，采取與第一級相同的操作方法，正常擴孔扭矩41845N.m，最大扭矩47685N.m，鉆進效率2.56m/h。

4.4 擴孔泥漿方案及情況

長江穿越相對地表最大埋深55m，最長攜帶距離超過1500m，以Φ450mm孔洞為例，從擴孔器水眼排出的泥漿，理論上計算，需要至少90min才能攜帶出地面。這個距離和高差的孔洞，對現有泥漿技術問題不大，水平定向鉆有埋深110m高差的成功經驗。

表4 岳陽側擴孔參數統計表

表5 岳陽側擴孔參數統計表

圖5 監利側擴孔

長江穿越采用大牙輪、大鉆頭，切削下的巖屑顆粒就更大，結合地勘情況，可能最大有10cm的巖屑顆粒，在現有成熟泥漿性能上，并聯泥漿泵，加大泥漿排量，提高泥漿性能，比如流動性、結構、動塑比等等，盡可能多的攜帶巖屑。

另外巖屑的攜帶，可以通過工藝流程，退擴孔器、推鉆桿過程中或是增加清孔特別方案等等，即只要有往洞中注漿的機會，就可以考慮通過泥漿攜帶巖屑。

根據穿越地層的特點，在實驗室內進行了泥漿試驗配比試驗，確定新配泥漿性能參數如表6所示。

在施工過程中，每2h對返出泥漿進行試驗測定，根據泥漿性能調整，下面列舉一組所測數據，如表7所示。

在對返漿測定后，為保持泥漿適度較高的靜切力、動切力和適當的潤滑性，以提高泥漿的懸浮能力和攜帶能力，降低鉆具的磨損，降低鉆具摩阻力。應加入適當的添加劑，改變泥漿性能，調整后的泥漿性能參數如表8所示 。

擴孔過程中，根據地層的變化，適當調整泥漿的性能，全鉆進過程中，泥漿的攜帶性能都較好，未出現鉆屑堆積、卡鉆以及扭矩異常大的現象。擴孔器攜帶出的鉆屑如圖6所示，固控系統過濾的鉆屑如圖7所示。

5 管道回拖

2018年4月28日0時，長江定向鉆開始回拖，管道采用“二接一”方式。管道起步拉力80t，管道進洞后，拉力穩定在70～75t。4月29日18時，第一段回拖完畢，進行焊接。4月30日11時58分，管道回拖完畢，總共用時58h，管道回拖一直穩定在90t內。在建設方規定的長江汛期前完工。根據數據分析，孔洞成型較好，孔洞中巖屑基本攜帶出，情況較好，對管道回拖基本無影響。

表6 泥漿配比試驗參數

表7 回收漿泥漿參數

表8 調整后泥漿參數

圖6 擴孔器攜帶出的鉆屑

圖7 固控系統過濾的鉆屑

6 結語

長江定向鉆穿越距離長，巖石硬度高，施工難度大，如果采用常規擴孔工藝，由于距離長，鉆機扭矩傳輸有限，施加在擴孔器的扭矩變小，擴孔效率將大幅降低，施工工期將大大增加，為創新施工工藝，多次召開技術研討會，嚴控井下鉆具風險，通過多次嘗試，已基本掌握了長距離正向擴孔施工工藝，成功創新了超長距離硬巖石正向擴孔工藝技術。