水平定向钻穿越砂层技术浅析

摘 要：定向钻进技术作为一种非开挖穿越技术，穿越不同的地层，难易程度不同，砂层在定向钻施工中是比较难穿越的地层。穿越砂层时经常会遇到塌孔、抱钻、导向抬头困难等各种困难。在榆林-济南输气管线工程榆补路定向钻穿越施工中，我们成功穿越了砂层，顺利完成该工程,积累了丰富的经验。

关键词：砂层、塌孔、导向

Abstract: directional drilling technology as a kind of trenchlesstechnology through, across different strata, in varying degrees of difficulty, the sand is difficult through the strata in directional drilling construction. Through the sand often encountered indrilling, hole collapse, hold guide up difficulties difficulties. In Yulin - Ji'nan gas pipeline engineering Elm Road repair directional drilling construction, we successfully crossed the sand, the completion of the project, has accumulated rich experience.

Keywords: sand, collapse of hole, guide

中图分类号：TQ639.2文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

1工程概况

榆补路定向钻穿越工程位于陕西省榆林市芹河乡马家峁村南侧。管线设计压力10.0MPa，穿越工程等级为小型。穿越主管为Φ711×16 X65直缝埋弧焊钢管 三层PE加强级外防腐，设计穿越管段实际水平长度346米。穿越光缆管为Φ114×8 20# 无缝钢管，设计穿越管段实际水平长度346米。

场地所处位置在地貌属岗沙漠化丘陵地貌单元,场地地势有起伏，多为沙柳林地。穿越点工程地质根据野外地质勘探提供资料及搜集资料分析，在勘察深度范围内，穿越段地层全为砂层。该穿越设计最深穿越深度约为12米。

2工程地质和水文地质条件

本工程施工涉及地层为砂层, 以中砂为主, 少量粗、细砂。表观呈浅黄色、质纯、颗粒多为棱角~ 次棱角状、无任何胶结物、具机械压实现象, 感观密度较大、遇水松散坍塌。两侧泥浆坑开挖后, 坑内地下水深度在2-3m 左右, 属地表潜水。施工地段的工程地质与水文地质条件均不利于非开挖定向钻施工。

3施工过程

榆补路定向钻穿越工程，2010年09月03日设备进场,2010年09月04日开工，2010年09月15完成管线回拖。施工穿越一条公路和一条天然气管线。由于场地条件限制，使用的钻机设备为SD-1200，钻机最大回拖力120吨，附近有高压电网，导向系统用的有线导向，导向钻头使用的是鸭嘴形钻头，扩孔器使用的是流道式挤压扩孔器。

4施工工艺流程及存在困难

一般非开挖定向钻铺管施工工艺流程为: 导向钻进、回扩孔、回拖管就位。根据工艺流程, 本工程存在的主要困难有：

(1) 砂层中导向钻孔施工过程造斜难、纠斜难, 特别是本工程导向钻孔全在砂层中长度达到346m, 对于非开挖定向钻施工来说尤其困难;

(2) 砂层松散易塌, 回扩难以成孔, 特别是本工程铺设DN711mm钢 管, 在砂层中回扩孔径将达到1000mm, 保持砂层中孔壁的稳定是极为困难的;

(3) 砂层吸附力强，在砂层中回拖管摩阻力特别大, 特别是本工程受场地限制只能采用中型非开挖设备, 设备回拖力相对有限, 但拟铺设的DN711mm钢管长度达346m, 仅管材自重就达274.22吨。若采用常规工艺, 仅凭中型非开挖钻机的生产能力在砂层中回拖如此大口径、长度的钢管难度极大。

5施工中各关键环节采取的主要技术控制措施

⑴导向钻进施工

导向孔轨迹的控制至关重要。一般要求导向轨迹要平缓、渐进、轨迹平滑, 才有利于管道的回拖。在砂层中进行导向钻进时, 鸭嘴式导向钻头尖端部分有一束泥浆射流射入砂层。此时,松散的砂层受冲刷后呈现流砂状态, 稳定性减弱。鸭嘴式导向钻头前端具有造斜和纠斜功能的斜掌从砂层中得到的反作用力也随着减弱, 造成导向孔钻进施工时造斜和纠斜困难。为解决这一问题, 我们把导向钻头的斜掌加宽, 由原来的0.2m 宽加宽到0.25m 宽, 以此增加导向钻头和流砂的接触面, 改善和提高斜掌造斜和纠斜的能力, 从而达到导向钻头能在砂层中沿预定的钻孔设计轨迹延伸, 保证导向精度。

⑵回扩孔施工

由于该程拟铺设管道直径为711mm, 根据扩孔直径的计算公式: D= KD0 , 本工程中取: K= 1.4， D0 = ,711mm,计算可知: 最佳终孔直径D= 1000mm 方能满足铺管要求。要想实现在砂层中将孔洞从ø210mm( 导向钻孔孔径) 扩大到ø1000mm( 终孔孔径) , 且扩大后的孔洞成为一个长达346m( 实际铺管段和两侧造斜段之和) 的理想的空心孔柱是极为困难的, 由于孔内砂层的坍塌而引起孔壁的失稳也是不可避免的。因此, 如何保持孔壁的稳定性成为决定本工程成功与否的关键。为此, 为了实现在砂层中成功的回扩孔施工, 我们对施工过程中的几个关键环节作了优化调整。

①回扩孔孔径级配的确定

本工程扩孔级配为: ø480mm 、ø 699mm、 ø 826mm 、ø 923mm、 ø1003mm, 共分5级回扩孔。

②优化泥浆工艺

a、泥浆配置

砂层中施工时要求所配置的泥浆具有良好的造壁性、护壁性及性。本工程严格按照每升泥浆中含60g 的膨润土、3 g 的Na2CO3( 俗称烧碱) 、0. 04% 的水解聚丙烯酰胺 (PHP) 及0.06%的羧甲基纤维素钠 (CMC)的配合比进行泥浆配置, 加水充分搅拌后配置成粘度为60s,滤失量为15.6ml, PH 值为8, 密度为1.15g / cm3 的泥浆。为了进一步增强泥浆造壁、护壁的效果, 对于配置好的泥浆用规格1.5mm×1.5mm 的铁丝网过滤去杂质, 陈放膨化后投入使用。实践证明, 配制的泥浆能够使孔内的钻屑和泥浆胶合在一起悬浮起来, 共同支撑钻孔, 从而有效的减缓了孔内塌孔现象, 同时通过泥浆的流动能够携带出大量的钻屑，取得了很好的扩孔效果。

b、泥浆用量大小的计算

除了泥浆的配置外, 泥浆用量的大小也直接影响着泥浆功效的发挥。施工过程中应保证孔内始终充满足够的泥浆。依据计算泥浆用量的经验公式: V= n×( π× D² / 4)×L式中: V-工程所需泥浆量, m³; n-一般取2~ 4 倍( 取值随地层失水性的增加而增大) ; D-终孔直径, m; L-穿越长度, m。本工程中, 取n= 4( 砂层) , D= 1m, L= 346m, 代入式中可得: V= 1086.44m³。本工程共五级扩孔，在实际施工中，根据每次扩孔完成后记录的数据我们调整下一级别的泥浆用量，最终泥浆总用量在1120 m³。

c、孔内泥浆压力的监测

在回扩孔施工中, 注意做好泥浆压力的监测工作, 发现问题及时调节, 使得孔内泥浆压力始终保持接近最优值。最为直观有效的办法是通过观测出入、钻点泥浆量的变化和孔口返浆的情况来判断孔内泥浆压力情况。一般来说, 应始终保持出入、钻点泥浆液面漫过孔口顶部, 以确保孔内充满泥浆, 此时孔内泥浆压力最接近于最佳值。若发现工作坑内泥浆液面突然下降或上升, 则可能是由于孔内泥浆压力不足或过大造成的, 应及时调整泥浆泵量和回扩转速, 如: 加大泥浆泵量、减缓回扩转速或减少泥浆泵量、加快回扩转速, 使得孔内泥浆压力及时恢复。

d、扩孔器的优化设计

砂层松散易塌陷，所以要选择挤压扩孔器，扩孔时能够通过挤压孔壁而加固孔洞。另外，砂遇水后，吸附性很强，很容易抱钻头，所以选择流道式扩孔器。流道式扩孔器属于挤压扩孔器的改进型，即有挤压扩孔器的特点，又能通过设计的流道及时排出钻屑，减少砂层对扩孔器的吸附。

③回扩孔速度

由于本工程施工地段是松散易塌的砂层, 因此在回扩孔时，根据现场情况调整速度。 一般穿越砂层采取“快扩”，从而减少回扩孔对砂层的扰动时间和减小造成钻孔弯曲的时间, 达到减低孔壁失稳的危险和保持钻孔轨迹的平直的目的。

⑶、回拖管就位

回拖管就位是非开挖铺管施工的最后一道工序, 也是实现非开挖铺管目标的最后关键步骤。回拖管工序的实施原则上要求在最后一次的扩孔( 清孔) 完成后即刻进行。考虑到本工程是在砂层中施工, 更要控制好两道工序衔接的时间, 力求做到扩孔( 清孔) 与回拖铺管一气呵成。

首先, 由于砂层松散易塌, 因此回拖管施工的连续性很重要。考虑到施工现场出土侧为开阔沙地, 场地较为理想, 我们采用一次性回拖的方案, 避免了回拖管时中途的停顿, 尽量减少回拖管施工时对砂层的扰动时间。

6.结论

本工程的成功, 不仅创造了我公司首例利用非开挖设备穿越砂层大口径管道施工记录,而且取得了巨大的经济效益和社会效益。同时, 也使得我们摸索出了一套如何应用非开挖定向钻技术长距离穿越砂层铺设大口径管道的施工经验。

通过此次施工我们总结出:在实际施工中, 人们无法改变砂的物理力学性质, 但通过对泥浆粘度的调配和泥浆压力的调整可以达到稳定孔壁的要求。

参考文献：

[ 1] 王海, 乌效鸣.非开挖铺管施工中扩孔直径的优化设计与计算[ A] .武汉: 探矿工程, 2007 4