长距离复杂地层水平定向钻穿越管道施工技术

内容摘要：穿越管道工程穿越曲线超长, 地质条件极为复杂, 施工难度很大。通过对穿越管道工程特点及施工难点的分析, 在导向孔钻进、扩孔工艺及泥浆控制等方面采取技术措施, 解决了超长距离导向孔施工钻杆的失稳问题, 以及长距离管道回拖中存在的钻机推力过大、管道易损坏等施工

一、管道工程概况
岙山镇海进口原油输送管道是中国石化集团公司为保障上海和南京地区石化企业进出口原油装卸与运输而投资建设的一条主干管道。外钓岛 册子岛海底管道定向穿越是整个岙山镇海管道工程的关键部分。管道起点位于外钓岛西北侧海塘上,止点位于册子岛珠丝门。管道穿越工程曲线长度为2 350 m, 管径为610 mm, 壁厚为15. 9 mm, 穿越深度为80. 67 m。管道入土角为12 , 入土点标高为2. 50 m; 出土角为9 , 出土点标高为1. 08 m。

穿越管道路由最大水深达66 m, 最低点位于水平面以下80 m, 海底坡度最大达14 。穿越段海底地质条件十分复杂, 外钓岛端为含砾瘦粘土, 册子岛端为岩石地基, 其中岩石部分的硬度为140 MPa。

1、 工程特点
( 1) 水平穿越距离与管径的乘积( 长为2 210. 1m, 管径为610 mm) 已经超过了2002 年创造的钱塘江穿越长度2 308 m、管径237 mm 的吉尼斯世界纪录。
( 2) 穿越深度达80. 67 m, 这在世界水平定向钻穿越史上是极为罕见的。
( 3) 穿越地质极为复杂, 穿越地层位于两岛之间, 地质变化极大, 包括中风化流纹斑岩、微风化碎裂状石英岩、强风化岩等。尤其需要穿越册子岛侧长达370 m 的高硬度岩石段( 岩石的最高硬度达到140 MPa) , 穿越长度和岩石硬度都是国内之最, 这对工艺提出了更高的要求。
( 4) 浙江沿海一带属台风多发区, 可能给穿越施工带来难以预测的影响。
( 5) 工程施工地点接近军事管制区, 协调难度大。

( 6) 册子岛人烟稀少, 远离大城镇, 外钓岛是一座荒岛, 社会依托较差。

2、 技术难点
外钓岛册子岛穿越工程要求和地质条件苛刻, 对控向、钻杆、扩孔、回拖和泥浆技术都提出了新的要求。
( 1) 控向难度大钻孔轨迹的实时测量是进行管道穿越施工的关键技术之一。由于外钓 册子岛管道穿越施工条件恶劣, 地质地理条件复杂, 而且穿越距离超长, 穿越深度较大, 致使准确控向难度很大。

( 2) 钻杆变形问题 外钓岛 册子岛定向钻穿越曲线长度为2 350 m, 有1 900 m 处在粘土层中,特别是最后的500 m 为塑性粘土。在进行长距离定向钻施工时, 钻杆会发生一定程度的变形, 当推力负荷增大, 孔壁内钻杆的∀ 边缘荷载# 也相应增加。在较软的粘土层施工时, 钻杆将不受限制的继续变形, 出现失稳, 钻头失去控制等问题。此外, 由于钻进输出的旋转力会使钻杆折断, 因此, 采用传统的施工方法( 即一台钻机钻孔) , 无法满足钻杆强度与稳定性的要求。

( 3) 扩孔难题多􀀁 册子岛侧有长度约370 m 的岩石段, 岩石的最高硬度为140 MPa, 在这种地层扩孔极为困难, 目前在国内尚无先例。在施工过程中,岩石层与粘土层扩孔难易度相差很大, 容易在岩石和粘土段的结合面产生一定程度的沉降, 导致整个孔产生台阶, 影响管道回拖。由于穿越距离较长, 管道的管径偏大, 并且穿越路由要通过淤泥层, 扩孔施工中很可能出现∀ 抱杆#、塌孔等危险∃1%。

( 4) 回拖易造成管道损坏 外钓岛 册子岛海底管道定向钻穿越曲线长度达2 350 m, 如此长距离的管道回拖, 在国内外穿越史上尚无先例。主要存在的问题是, 回拖时, 管道长度很长, 自身的重量较大, 管道与孔壁之间的摩阻增大, 所需的推力很大∃2%, 回拖过程易造成管道损坏。同时, 钻机基础可能出现滑移、失稳等现象。

( 5) 泥浆工艺要求高􀀁 泥浆是水平定向穿越的血液。外钓岛册子岛海底管道穿越工程由于钻进距离长, 地质条件非常复杂, 穿越地层既有粘土、粉土, 又有高硬岩石、碎石, 甚至还有淤泥、砂层。因此, 要求泥浆具有良好的流变性, 保证有较强的携带钻屑能力; 有较低的摩擦系数, 良好的润滑性能; 有较强的护壁作用, 能在孔壁形成一定力学强度的泥皮, 维护孔壁稳定, 防止泥浆漏失。

三、施工要点
1. 控向纠偏系统
在外钓岛 册子岛穿越工程中, 华元机电工程有限公司专门研制了DX 型水平定向钻机导向系统。该系统较好地解决了外钓岛􀀂 册子岛超长距离穿越导向孔钻进中的精确控向问题。操作者可以通过计算机直观地了解探头的详细情况, 并且没有深度限制, 系统配有专业的定向系统软件。

DX 型水平定向钻机导向系统的主要功能有,穿越轨迹计算机辅助设计( CAD) ; 轨迹测量自动报警; 实际钻孔轨迹实时测量; 抗强磁场干扰软件; 轨迹纠偏参数计算; 完整的历史数据处理和报表打印图形化人机界面; 轨迹测量自动滤波; 轨迹测量自动纠错等。

2、 导向孔双钻机同步对接施工工艺
采用了国际先进的导向孔双钻机同步对接施工工艺, 首次成功地实施了在出土点、入土点两端双钻机同步协调作业, 解决了长距离穿越导向孔施工中钻杆失稳和强度不足等难题。外钓岛􀀂 册子岛穿越工程导向孔双钻机同步对接施工工艺设计如下。
( 1) 将电磁线圈布置到外钓岛浅滩上, 册子岛侧钻机保持低速旋转, 利用控向系统将钻头向出土点钻进约2 200 m, 等待与出土点的辅钻机向入土点钻进的钻头进行对接。
( 2) 将专用打捞钩安装到外钓岛一侧的钻机上,在控向系统的引导下将打捞钩钻入指定位置。

( 3) 外钓岛和册子岛钻机保持旋转, 打捞钩打捞到外钓岛侧钻杆后, 册子岛侧钻机停止转动, 将钻头牵引出地面。偏差的测量主要是依据两钻机的导向传感器相对测得的, 根据传感器测量的参数, 计算出偏差的方位和两钻杆的相对距离, 逐渐调整, 消除偏差, 达到两钻头对接打捞。
( 4) 根据设计好的穿越曲线对外钓岛侧导向孔进行调整( 即修孔) , 从而完成整个导向孔的施工。

3、 扩孔施工工艺
( 1) 双钻进协调作业 在出入土点各设一台钻机, 一台提供扭距, 一台提供拉力, 避免了钻杆过长造成的扩孔器失控问题, 降低了扩孔施工的风险, 提高了扩孔速度。
( 2) 高硬度岩石扩孔 在导向孔施工完成后首先进行了370 m 硬岩石段的扩孔, 应用改造的高硬度岩石扩孔工艺, 在岩石段采用掌式密置牙轮扩孔器进行多次预扩孔。
( 3) 钻杆换向 岩石段扩孔完毕后, 退出岩石扩孔器, 将岩石扩孔时的钻杆从出土点拖出, 上后续钻杆时将钻杆方向更换, 进行粘土段扩孔。
( 4) 多次扩孔􀀁 扩孔施工中, 泥浆长距离返排携带泥沙, 流动阻力较大, 清孔或洗孔的效果不理想,造成地下环形孔的有效尺寸相对减小。采用多次扩孔, 切割刀每次切割下来的土壤化岩屑相对于循环着的泥浆而言, 所需要的返排量减少, 这样就不会造成孔洞淤塞, 环形空间的有效尺寸得到了充分保障。具体施工中, 在岩石段和粘土段共进行了7 次扩孔,有效减小了扩孔器阻力, 缩短了扩孔周期。
( 5) 洗孔 在每一遍扩孔施工结束后, 都应使用绞笼进行洗孔, 如果一次洗孔不能取得满意的效果,要进行2~ 3 次洗孔, 以彻底清理出孔内的碎石和杂质。

4、 回拖施工
( 1) 钻机基础的加强和加固􀀁 对钻机基础进行了验算和设计, 确保回拖过程钻机基础的稳定性和可靠性。
( 2) 管道试拉􀀁 为试验管道回拖的阻力, 验证各横、立辊轮支撑的合理性和可靠性, 在管道正式回拖前, 对管道进行预拖动。试拖的长度为100 m, 试拖时速度要控制在0. 3~ 0. 5 m/ min 之间。
( 3) 岩石段回拖􀀁 在外钓岛采用HY 􀀂 3000 钻机实施回拖, 记录钻机的扭矩、拖力、泥浆排量等参数。在回拖过程中保证一定的回拖速度, 一般控制在1~ 2 m/ min 之间。
( 4) “二接一”施工 在回拖过程中采取了管道“ 二接一”施工工艺, 即回拖时先拖2 080 m 管段, 拖入洞中约220 m 后, 后部与270 m 管段对接。

( 5) 粘土段回拖���“二接一”施工结束后, 立即启动钻机继续进行粘土段回拖, 在进行粘土段回拖时速度要快, 控制在2. 5 m/ min 左右, 防止发生抱管现象。
图1 是现场测得的外钓岛􀀂 册子岛穿越工程回拖力曲线图。

从图1 中可以看出, 在整个回拖过程中, 回拖力最大值达到267 t , 但随着回拖速度的逐渐增大, 回拖力又逐步下降。这是由于册子岛附近地势高, 弯曲段多, 造成回拖阻力较大, 当在粘土段进行回拖时, 导向孔相对比较平滑, 钻机回拖速度增大, 使得管道在孔中移动畅通, 降低了管壁在孔内的粘滞阻力, 因而回拖力开始变小。

5、 泥浆工艺
( 1) 泥浆性能调整外钓岛􀀂 册子岛海底管道定向钻穿越工程中,钻导向孔、预扩孔和回拖阶段均需保证良好的成孔以及有效的携砂性能和润滑性能。根据地层条件的
变化, 各施工过程泥浆性能调整要求如下。

1. 导向孔斜孔段􀀁 为保证钻屑携带和孔眼清洁, 控制泥浆的失水, 防止塌孔, 需增大固壁剂和增粘剂含量。

2. 导向孔水平孔段􀀁 要及时提高清屑剂和润滑剂含量, 适当降低粘度和切力, 保证泥浆的流变性能良好, 使钻屑顺利返出地面, 增强泥浆的润滑性, 减小钻机旋转及推进阻力。
3. 扩孔段􀀁 为增强泥浆的造壁性能, 防止孔壁塌陷、缩径, 需增大固壁剂和增粘剂含量。

4.回拖段􀀁 为提高泥浆的润滑性, 降低摩擦阻力, 增强携屑效果, 需提高清屑剂和润滑剂含量。泥浆的粘度控制应根据穿越段地层情况, 在钻导向孔阶段, 泥浆粘度控制在60~ 65 S 范围内; 在预扩孔和回拖阶段泥浆粘度提高5~ 10 S, 即达到65~ 75 S。

( 2) 专用泥浆研制
外钓岛􀀂 册子岛海底管道穿越工程地质条件极为复杂, 泥浆性能要求高, 在施工中, 必须根据实际地层条件配制合乎要求的、优质高性能的专用泥浆。
采取的主要措施如下。
1.按照事先确定的泥浆配比, 用一级膨润土加上泥浆添加剂, 配出符合要求的泥浆。使用DRISPC 剂、滤饼剂、液体润滑剂等泥浆添加剂。
2.在粘土段导向孔钻进和扩孔时添加1%滤饼剂, 在孔壁形成质地优良的泥饼, 可防止冒浆。
3.扩孔完成后进行洗孔时, 添加5% 护壁剂, 提高泥浆粘度, 在含砾粘土层中起到护壁、固壁的作用。
4.在岩石层施工中, 泥浆中添加5% 的悬浮携砂剂, 提高泥浆的岩屑携带能力。控制泥浆密度在1. 1~ 1. 2 g/ cm3 之间, 泥浆粘度不低于60 S。

四、结􀀁 论
( 1) 针对外钓岛􀀂 册子岛海底管道穿越地质状况极为复杂, 施工难度很大的特点进行了深入研究,在导向孔钻进、扩孔工艺及泥浆控制等方面实现了突破, 解决了复杂地层特别是复杂海洋地质条件下的定向钻穿越问题, 对今后海上定向钻穿越具有重大的指导意义。
( 2) 外钓岛􀀂 册子岛海底管道定向钻穿越工程在导向孔施工过程中, 首次采用两台钻机两端联合作业, 实现了长距离导向孔钻进的对接施工, 解决了超长距离导向孔施工钻杆的失稳问题。
( 3) 长距离、高硬度岩石层的穿越及扩孔开拓了定向钻穿越施工中岩石的钻进及扩孔工艺, 为水平定向钻穿越岩石等恶劣地质积累了宝贵的施工经验。
( 4) 根据不同的地质段情况和不同的扩孔尺寸,结合施工经验, 采用与之相适应的泥浆参数, 配置外钓岛􀀂 册子岛海底穿越专用泥浆, 较好地实现了复杂地层穿越泥浆应具有的流变性、高携砂性、固壁和润滑性能。
( 5) 在回拖过程中采用∀ 二接一#施工法, 减小了回拖过程的摩阻力, 解决了长距离管道回拖中存在的钻机推力过大、管道易损坏等施工难题。