1、避免大口径管道定向钻回拖失败的措施来源：非开挖技术 作者：罗 明 日期：2009 年 08 月 19 日 访问次数： 911 前言在西气东输管道工程水平定向钻穿越施工中，江汉油建穿越处从 2002 年4 月到 2003 年 8 月，历经 16 个月，圆满完成了锡澄运河、锡北运河、太湖夹浦口等大小河流共计 16 处穿越工程，穿越管径范围：DN800DN1000，穿越长度范围：450 米750 米，穿越管道壁厚范围： 1226，穿越管道重量范围：320 吨510 吨。在施工过程中，我们由不成熟到熟练，走过了一条摸索改进提高成熟的过程之路，每一步都取得了阶段性的成绩；这充分证明了我们在水平定向钻施工
2、中对扭矩和推拉力的控制已经达到了国内、国际先进水平，在配套钻具的研制、使用方面也取得了明显的成绩。对于大口径管道定向钻施工，由于管道口径大、壁厚大、刚性大、重量大，因此而导致的施工风险相应大得多，为避免回拖失败，根据我们的施工成功的经验和失败的教训，在此总结出应着重注意的如下几方面的施工措施。2 导向孔曲线应满足设计要求导向孔是以后各级预扩孔和回拖管道的基础。控向员严格按图纸设计要求进行控向，控制单根钻杆的折角变化，保证穿越曲率半径、管底最大埋深、入土角及出土角均能达到相应设计规范的要求。要确保导向孔的成形质量，控制出土点的精度，导向孔曲线要光滑并达到管道弹性半径要求。西气东输主管线的穿越一般
3、来说，要求单根钻杆的折角不大于 0.5-0.6 度，曲率半径尽量达到大于或等于 1500 米。另外，在打导向孔的过程中，如果由于地层地质的不均匀或磁干扰而导致导向孔的偏移，那么在纠偏的时候，应尽量做到水平“一次造斜”打到出土点，而应避免“S”型来回造斜打到出土点。所谓“一次造斜”，是指一个连续均匀且同方向的造斜过程，其曲率半径满足管道的要求；“S”型造斜则指出现了至少两个以上方向相反的造斜过程。3 合理的扩孔工艺扩孔过程是成功完成穿越工程的关键，扩孔的作用是扩大钻孔，使孔道能容纳回拖的管道，扩孔的主要目的是混合钻屑和泥浆，以制成泥浆来排出孔外，使回拖的管道有进入的空间。扩孔工艺包括扩孔器系列的
4、组合、扩孔次数的确定、扩孔速度的选择等。31 扩孔器及扩孔次数的选择合理组合扩孔器系列，采用板式扩孔器和桶式扩孔器同时搭配使用，确保了孔道成形质量。预扩孔时，如发现某次扩孔的扭矩过大或摆动幅度过大，可适当增加扩孔次数，用相同尺寸的扩孔器重新扩孔 12 次。对于不塌方的地层，如稳定均匀的粘土层、板结连续的砂层等，孔道主要依靠扩孔器的回扩切削成形，切削下来的钻屑由泥浆擕带排出孔外。这种情形下，通常对于扩孔直径为 1.5D 的须外排钻屑量达到 50%，对于扩孔直径为 1.35D 的须外排钻屑量达到 60%，这样才能满足管道回拖的要求；这说明对于不塌方的地层，泥浆擕带能力有限固定的情况下，扩孔直径愈大
5、愈好。对于易塌方的地层，如流沙、淤泥以及疏松的粘质粉土和粉质粘土等，“孔道”与周围地层没有严格的界限，由“孔道”的中心线向四周分布为泥浆与钻屑混合的流塑状态物，在垂直于轴线方向上分布范围的大小取决于泥浆压力与地层压力差以及地层的含水情况等，泥浆的悬浮能力保证了“孔道”的稳定。当然，这种情形下，并不排除在采用桶式扩孔器时，局部地段会间或出现由于泥浆滤饼的构成而形成孔道，但这时的滤饼环空尽管充满泥浆，却依然很脆弱容易垮塌，最终还是以边界模糊的“孔道”占主导地位。唐河穿越的成功实践经验证明，这种“ 稳定”的受泥浆保护的 “孔道” 也是定向钻孔道的一种；在这样的地层中，要想形成满足管道顺利回拖的条件，
6、十分关键的一点就是在扩孔时要提高泥浆排量、增加扩孔次数、加大扩孔直径从而在尽量大的范围内构建“孔道”。对于介于上述二者之间的地层，如可塑的粘土、粘质粉土、粉质粘土、粉土以及含量少于 10%的卵砾石地层，除上述切削和泥浆护壁成孔外，同时，挤扩成孔是十分有效的成孔手段。在这样的地层中，有时出现局部的塌方，钻屑不能有效的外排，但经过桶式扩孔器的挤扩孔壁以及对孔壁的旋转“抹光”作用，可以有效清除孔内钻屑而形成光滑的孔道。在实际运用中，我们所采用的桶式扩孔器挤扩成孔和双桶扩孔器清孔、修孔的工艺是非常有效的；而在保证孔道曲线的“平顺性” （即：横向成形、纵向连续圆滑）方面，在两个相差一个扩孔级差（级差因钻
7、机能力大小有所变化，通常在 612 英寸）的桶式扩孔器之间安装一根刚性良好的麻花钻铤进行扩孔，这一技术的有效而成功的应用属国内独创、处于世界先进水平。飞旋式扩孔器的角度十分陡直，切割刀口的长度非常短，因此其阻力和旋转所需的能量小，但切削能力较强。由于这种形式的扩孔器不挤压土层，所以在车道、人行道以及担心会破裂的街道底下进行钻进工程时，是理想的选择。它比较适用于不塌方且不易泥包的地层。板式扩孔器具有较好的切削能力，同时又能极好的混合钻屑和泥浆，并且能让泥浆自由流过，但对于大直径扩孔，由于自身重量过于重而导致扩孔时扩孔器有逐渐下沉的趋势，从而恶化孔道成形情况，所以大尺寸扩孔时，应与桶式扩孔器同时配
8、套使用，此时桶式扩孔器起到扶正器的作用。桶式扩孔器对地层的挤压作用使其十分适用于易塌方和可塑地层，同时它具有良好的清孔能力，因而应用十分广泛。32 扩孔速度成功扩孔不仅需要使用适当的钻进泥浆，同时也要使用足量的泥浆以便在孔内形成可流动的泥浆，确定合理的扩孔速度，使泥浆和钻屑比例达到不小于1：1，从而降低回拖力和扭矩，扩孔的速度须按这个原则确定。例如：如果泥浆泵的排量为 300gpm，在进行 DN52”扩孔时，每扩孔 1 Ft 的长度所需要的泥浆量为：5252/24.5 110 gal/Ft，这样才能维持 1：1 比例的钻进液和钻屑。那么一分钟所能扩孔的长度为：300/1102.73Ft/min
9、。对于要扩完 31 Ft 长的钻杆长度则所需要的时间为：31/2.73 11.5 min。在这个例子中，如果扩孔的速度大于 2.73 Ft/min，也就是说如果一根标准的 5” API 钻杆的扩孔时间少于 11.5 min，则孔内就会出现干燥的而且混合不良的钻屑，这时就没有泥浆返出孔外，钻屑将停留在孔内，给工程造成隐患，所以在实际施工中，泥浆返出孔外是一个好现象，表明所使用的泥浆量是足够的，同时也说明成孔良好。施工中，凡是返浆良好的孔，其回拖力一般都很正常。另外，对于易塌方的地层，尽管不会返浆，但是扩孔的速度也依然要按上述原则进行确定，其道理就是要保证钻屑与泥浆充分混合。 4 优化泥浆配方性能
10、好的泥浆能起到悬浮岩屑、携带岩屑及稳定井壁的作用。注意观察井眼泥浆返回情况，每小时取样一次，并做好记录，以便准确判断钻进及回拖过程中不同穿越地层的地质情况，优化泥浆配方，调节泥浆性能，确保孔洞的稳定及成孔的进行。在回拖过程中，提高泥浆的润滑性，保证降低摩阻，增强携岩效果。具体详细内容参见泥浆有关章节。5 发送沟及入孔槽的开挖发送沟的开挖要达到设计要求，发送沟上口开挖宽度为 2.5m，底宽 1.3m，深度 1.5m，中心线要和穿越轴线重合。发送沟内不得有石块、树根和硬物等，沟内注水，确保将管线浮起，以避免管线底部与地层磨擦，划伤防腐层，并降低钻机回拖力。由于大口径管道的刚性大，开挖的入孔槽深度和
11、长度应能满足管道入孔洞时的曲率半径要求，其深度和长度可依据出土角和管道的直径计算而得；对于直径 1016 毫米的管道，其入孔槽深度通常不小于 4 米。合适的入孔槽可以保证管道顺利回拖如孔洞而不至于产生蹩劲或增加回拖力。西气东输定向钻施工中，就有因为入孔槽开挖的不到位而回拖失利的情形发生。6 锚固箱的加固在钻机前用 C25 混凝土及钢管排加固锚固箱。锚固箱的合理加固能使钻机充分发挥出自身的性能，增强钻机的抗风险能力。7 钻具的检查在开钻施工前认真检查钻杆、麻花钻杆、扩孔器、卸扣、万向节等钻具，清洗丝扣并进行无损检测，确保内部无损伤，在扩孔、回拖前还要检查并确保扩孔器的水眼畅通，卸扣无变形、锁销完
12、好，万向节丝扣润滑，对钻杆、麻花钻杆要进行严格的选择。8 助力在回拖过程中，如果发现回拖力迅速增大、钻机回拖困难，就采取助力的措施。具体做法是：在回拖管道尾部的左右对称地分别焊上一个拉环，在两边用单斗、推土机、吊管机等设备通过钢丝绳拉住拉环，协同钻机回拖助力。在漕港河的定向钻施工中，穿越长度为 480 米，当回拖至 300 米时，拉力升为 92.6 吨，扭矩摆动剧烈；不加力旋转，扭矩则转为正常，因此判断回拖万向节轴承破碎。由于事先准备了助力手段，因此，迅速在管道尾部挂上助力设备协同钻机回拖；同时，为缓解扭矩的剧烈摆动，钻机转速由原来的 38rpm 逐渐降到了 0 5rpm。管道缓慢而艰难地前进，前进速度由 80m/h 逐渐降到 310m/h。回拖至 400 米时，回拖力已渐升为 140 吨，然后回拖力又缓慢下降到450 米时的 131 吨，接着回拖力又逐渐攀升直到管道回拖出土时的 147 吨。在此工程中，由于回拖万向节失去旋转功能，致使回拖力迅速上升直到最后到达147 吨（本工程所用钻机为 DD330，其最大回拖力为 150 吨），如果不是采取助力手段，回拖绝不会成功！9 缩短施工周期时间越短，孔道塌方的可能性就越小。要及时更换扩孔器、连接回拖管道等。在人员、设备及材料等生产组织方面要确保能满足施工需要，不能影响施工进度、延误工期。
