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长沙东朋工程机械有限公司 / 技术交流/正文复杂地质结构下超长距离定向钻穿越关键技术探讨

复杂地质结构下超长距离定向钻穿越关键技术探讨

作者:   发布时间:13-03-07, 07:41 AM 

湖南成品油管道工程,是中石化已建成投用的江苏仪征——湖南长岭炼油厂原油管道配套工程,全长271公里,总投资9亿元,起点为长岭站,沿线途经岳阳、汨罗、长沙、湘潭和株洲,末站为株洲815油库。

汨罗江定向钻穿越是整个湖南成品油管道工程中距离最长的穿越,管道穿越水平长度为1809.35米,管径406毫米。国内管道专家和定向钻穿越界的专家先后四次汇集长沙,对汨罗江采用水平定向钻穿越是否可行进行分析论证。专家们认为汨罗江使用定向钻技术,进行如此长距离的卵石层、粗砂层和砂岩层穿越,在国内乃至国际上都是非常困难的,施工风险极大。中原石油勘探局工程建设总公司管道穿越工程处经过七十六个昼夜的艰苦奋战,终于于2007年2月5日获得了成功。

1. 工程概况

汨罗江穿越河段位于汨罗市老铁路桥沿汨罗江下游3.2km,河左岸为屈原垸,穿堤地点位于屈原农场六分场大洲沟,右岸为楚塘垸,穿堤位置位于翁家桥附近的宋家园。穿越采用水平定向钻方式,入土点位于河左岸大堤内侧堤脚外217m,入土角度为10°0′,坡度176‰。离入土点69m至175m间为水平穿越与入土端的弧形连接,其弹性弯曲半径Re=610m,弧度α=10°0′,切线长T=53.37m,弧长L=106.47m,外矢距E=2.33m。内堤脚处管道穿越深度为20.4m。水平穿越段1410m,于河道深泓处的高程为7.5m,深泓处的管道埋深为15.7m。出土点位于河右岸堤内侧堤脚外268m,出土角8°,坡度141‰。离出土点95m至207m间为水平穿越与出土端的弧形连接,其弹性弯曲半径Re=400m,弧度α=8°0′,切线长T=1.14m,弧长L=2.27m,外矢距E=0.04m,内堤脚处管道穿越深度为22.8m。河床管道向两岸爬升起始点距堤内脚左岸在63.2m外,右岸在59.0m外。入土点到出土点管道水平长为1809m,管道实长1813m,左岸管道与大堤呈50°夹角接入,埋深1.5m,右岸管道与大堤呈80°夹角接入,埋深1.5m。为工程系统内部通信需要,需同孔穿越一条通信光缆,其穿越的路线与成品油管道相同。

穿越管道管材为直缝电焊钢管,规格为:Φ406.4×9.5 L415,采用三层PE防腐;光缆套管规格为:Φ121×8 20#无缝钢管。

穿越钻机选用德国产海瑞克HK-250T轮式水平定向钻机,该钻机最大工作拉力为250吨,最大工作扭距105000N·m。

2. 复杂的地质情况

管道穿越主要地层为中风化砂岩层、粗砂层和卵石层。

1层,素填土:灰黄色,由卵砾石组成,位于河床底部,为挖砂后堆积而成,松散。厚度7.80~11.00m;

2层,中砂:灰黄色,由石英长石组成,分选性较好,含粘性土10-15%,局部含砾粒,松散,湿。厚度:0.30-3.30m,平均1.09m;

3层,中粗砂:灰黄色,主要成分为石英、长石及少量云母,含粘性土5-10%,局部含卵砾石,松散,很湿。厚度:0.80-5.50m,平均2.48m。

4层,卵石:灰白色,含少量粘性土及中粗砂,局部为圆砾,卵石含量≥60%,磨圆度较好,粒径一般为3~20厘米,最大可达30厘米,松散~稍密,很湿。厚度1.80-8.90m,平均5.64m。

5层,粗砾砂:灰白色,分选性较好,主要成分为长石、石英,含10-20%的粘性土及少量卵石,中密~密实,很湿,厚度:1.80-8.00m,平均5.61m。

6层,中风化砂岩:灰黄色-灰白色,结构、构造清晰,裂隙未发育,岩芯呈短柱状,柱长7~25厘米,矿物成分主要为石英、长石及云母,岩石单轴极限抗压强度7.4-37.4MPa,揭露厚度6.00-20.50米。

7层,粗砾砂:灰白色,分选性较差,主要成分为长石、石英,含少量卵石,中密~密实,很湿,局部半胶结状,上部颗粒稍细。厚度:2.50-9.60m,平均5.36m 。

8层,粘土:棕红~褐黄色,光滑,干强度高及韧性高,可塑~硬塑,厚度:1.40-3.00m,平均2.30m。

9层,粗砾砂:灰白色,主要成分为石英、长石,含少量卵石及粘性土,分选性差,中密~密实。该层未穿透。

3. 穿越难点

第一,穿越总距离长。汨罗江穿越工程是长沙-株州-湘潭成品油管道工程单次穿越距离最长的世界级工程,穿越水平长度1809米,为中石化管道建设历史上单次穿越距离最长的水平定向钻穿越,被誉为"中石化水平定向钻第一穿"。砂岩层穿越长度700米,岩石硬度为7.4-37.4MPa;出、入侧造斜段需穿越卵石层长度共计200米。

第二,地质情况异常复杂。河床下,分布着硬质粘土、细砂、中砂,卵石地层,长度为840米,卵石含量达60%以上。穿越地层的主要特点是地层软硬频变,地质条件非常恶劣,尤其是岩石层和卵石地层的穿越施工,给钻进工艺和泥浆技术提出了极大的挑战。

4. 难点解决措施及技术创新

4.1卵石层穿越措施――钻机联动正向扩孔顶套管法

按照常规夯管或顶管的方法安装套管隔离易塌孔的卵石层,施工周期长,成本高昂,且顶进过程需随时纠正顶进的角度。我公司经过技术攻关与创新,利用钻机自身的特点,发明了钻机联动正向扩孔顶套管法:按预定角度将钻头钻至卵石层,钻具连接方式为:钻机→钻杆→无磁钻铤→弯短接→牙轮钻头。钻透卵石层进入较为稳定的砂岩层后,继续钻进,导向孔钻进长度为200米,拔出100米钻杆,使钻进轨迹内保持100米钻杆,然后直接安装1米扩孔器,正向扩孔,扩孔长度为80米,如图2所示。

图2 正向扩孔准备安装套管

扩孔完成后,卸下扩孔器,立即利用钻机的推力将规格为820mm×10mm钢套管沿钻杆顶入地表的土层,如图3所示。

图3 钻机联动顶进套管

套管之间的连接形式为焊接。撤出钻具,将钻具形式更换为螺旋钻杆(俗称蛟龙),利用钻机驱动 "绞龙",取出套管内的卵石、砾石等钻屑。直至套管达到预定安装位置。如图4、5所示。

图4 安装蛟龙

图5 蛟龙清理卵石效果

4.2复杂地层的钻进方案

根据设计入土点、出土点,严格按控向系统调校程序进行调校,根据设计蓝图要求的穿越轨迹,造斜段所穿越的第四层是卵、砾石层;第五地层为粗砾砂层,第六地层为中风化砂岩层。穿越所经过地质结构为"软-硬-软-硬-软"。根据以上地质条件,优选导向钻头。

导向钻头选用目前国际上最先进的能量平衡牙轮钻头。该钻头切削结构中,切削齿优化设计成不同的形状,尤其适应在复杂频变的软硬地层中钻进,齿面均敷焊有耐磨材料,增强了耐磨性能。轴承结构中,为了使钻头能承受高钻压,采用高精度配合的径向滑动、两道止椎轴承牙爪大轴颈和二止面焊有耐磨合金、牙轮大孔和二止面镶嵌特殊合金,牙轮内孔镀银,增加轴承副的耐磨性和抗咬合能力。为了使钻头适应较高转速钻进,采用径向滚动轴承,小轴装有减少磨损、延长轴承寿命的特殊衬套。钢球锁紧牙轮,优化牙爪和牙轮R槽尺寸和钢球配合间隙,把钻进过程中掉牙轮事故几率降到最低。同时,为了确保万无一失,在钻头水利结构方面,选择2型喷嘴偏置型,这种结构的喷嘴的主要目标是清洗牙轮外排齿及其附近区域,并同时清洗牙轮的背面,主要的喷射能量都集中在钻头的切削结构上,保证了钻头切削效率,并有效防止了钻头泥包。如图6所示。

图6 导向孔钻进采用的能量平衡牙轮钻头

所有设备安装调试好并在泥浆配制好后启动钻机进行试钻,检查钻头水眼是否堵塞。如果没有堵塞则可以继续钻进。

本次穿越采用的钻具主要有:钻杆采用5″API标准S135内部加厚型钻杆,钻具组合为:9-1/2″能量平衡牙轮钻头+Φ165单弯螺杆泥浆马达(1°45′)+Φ165无磁造斜短节及钻梃 +6 1/4″无磁钻梃(11m)+5″API标准S135内部加厚型钻杆+5″加重钻杆。

控向系统采用Tru-Trucker system实时跟踪系统和MGS系统进行跟踪定位,可以确保出土位置准确。

穿越施工钻导向孔是一关键工序。采取有线导向为主,无线导向为辅的导向施工工艺,根据设计曲线钻导向孔,并根据管径大小确定每根钻杆的折角,实时跟踪测量,并做好记录,在穿越曲线上每隔9.5m设数据控制点,每钻进1m记录钻头位置参数,以此控制导向孔的钻进。为保证控向信号准确传递,选择绝缘层强度高、耐磨性能更好的双层信号线;合理加大线卡设置密度;改进接线用热收缩套安装工艺。

①根据设计施工图和相关资料进行穿越现场勘测,确定入土点和出土点。

②了解地表、地质和水文情况,在没有磁干扰的穿越中心线上测量方位角。方位角的测量应在入土侧和出土侧分别进行。使用泥浆马达时,应与信号棒同时测量。

③确定实际入土点并测量地表变化情况,标注在控向穿越图中。控向图的比例为100:1。

④只要具备布置信标框的条件,就应该布置地面信标。若具备使用地面信标条件而未布信标框,控向出现较大偏差时,控向应对此负责。

⑤测量实际入土点与出土点之间的距离及高差,确定实际入土角的角度。开钻后能及时且准确定位初始入土点。

⑥当实际穿越线偏离设计曲线:由于地层原因连续三根钻杆左右偏差超过1米,且有进一步加大偏差时应停钻;连续三根钻杆高低偏差超过1米,且有加大趋势时应停钻;连续三根钻杆平均曲率半径小于600m;以上三种情况在确定原因后方可重新开钻。

⑦控向记录要求完整、准确和有效。在导向孔钻进过程中,出现任何异常和停钻都应记录。

⑧注意观察泥浆压差和泥浆变化,为判断泥浆马达工作情况提供依据;注意观察推进压力变化情况,为更换钻具提供依据。

⑨穿越控向图中的标注应规范,对穿越情况和运行设置应有详尽的描述。

⑩在进行导向孔钻进时,应严格控制钻孔方向,保证钻孔曲线与设计穿越曲线吻合。因此,在导向孔钻进时应对控向系统进行测试,主要测试内容包括:1、测试钻工控制台,在测试过程中,如果钻工控制台表盘显示数字为"88888888"时,证明司钻控制台存在问题,需要进行故障排除。2、测试数据接口装置,接口装置是数据传输到计算机的通道,如果接口装置出现故障,将会在计算机显示屏上显示故障类别,需要技术人员进行故障排除。3、探头诊断,包括探头校正检查、数据连续获取检测。

所有测试并调校完后,进行正常钻进。

在导向孔钻进过程中,应严格按设计给出的穿越曲率半径进行,穿越曲率半径为1500D。

在钻进过程中,还应注意每根钻杆的折角,折角不宜过大。钻杆折角应符合下表的要求。

钻杆折角

孔径Φ(mm)

每根钻杆最大折角( °)

4根钻杆累加折角( °)

406

0.5

2.0

导向孔钻完成后实际出土点与设计出土点的误差不大于2m。

钻孔施工同时采用人工磁场校验法,布置地面信标系统,其控向原理是:无磁钻挺内的探头中的加速度计和磁力计,对影响它的磁场的磁通量、磁场强度进行采集和分析,从而计算探头的位置,一般的控向系统,是把地球磁场作为采集与分析的对象,由于地球磁场的微弱性、不稳定性、易干扰性,导致加速度计与磁力计采集的数据存在一定的误差和波动,因此,我公司采取人工磁场干扰的方式准确判断钻头方位,从而大大提高控向的精度,以满足设计的要求。

首先,采用进口消磁仪对无磁钻挺进行无磁化处理,防止无磁钻挺被地球磁场磁化,影响控向的精确度。

其次,优化数学模型,采用精确度最高的最小曲率法作为控向的数学模型,力争在相同的数据采集基础上,得到较高的计算精度,从而提高控向的精度。

导向孔钻成后,卸掉钻头、无磁钻铤及控向系统,安装同时适合软硬地层的复合扩孔器进行预扩孔。复合扩孔器是我公司综合国内外先进成熟经验,经过多次试验而发明的新式扩孔器,可同时应对软硬地层的扩孔需要。扩孔时钻具组合顺序为钻杆+切割刀+复合扩孔器+钻杆,根据地层资料及钻进时的地质情况,确定预扩孔的级别和次数,扩孔分别采用16″、24″、28″。

图7 复合扩孔器

为了避免塌孔现象发生,在扩孔过程中应根据地层地质情况,严格控制泥浆压力、泥浆粘度和泥浆排量,易塌孔地段适当增大粘度。

由于穿越距离长,在回拖管段的前端可能发生塌孔,如果发生塌孔,应增大泥浆泵送量,适当降低泥浆粘度,将塌孔部位泥浆置换出去。

预扩前,应试喷泥浆,检查切割刀和扩孔器水咀是否通畅,泥浆压力是否正常。

在扩孔的时候,根据扩孔孔径大小情况。二、三级扩孔使用扶正器扶正钻具。防止钻具因自重发生下沉。

扩孔时应严格控制回扩速度,扩孔速度应根据不同的地质条件确定相应的回扩速度。

管道回拖前,在回拖管线前端焊接牵引头,焊接应符合相关标准的规定,并且必须满焊,焊接完后进行X射线照片探伤检测,合格后才能进行管道的回拖。

管道回拖时,管段与钻具连接应符合下列要求:

1)检查切割刀和扩孔器内各通道及各泥浆喷嘴是否畅通,确认合格后才能连接;

2)连接顺序为钻杆+麻花钻杆+切割刀+扩孔器+250T旋转接头+U型环+管道。

3)切割刀直径宜比扩孔器直径大150mm,扩孔器直径宜比穿越管道直径大150mm,目的是减小拖拉力,保护防腐层;全部连接完后应送泥浆冲洗,检查各泥浆喷嘴是否正常,合格后进行回拖施工。

为了确保管线防腐层的质量,在回拖过程中,在套管管口附近布置两台大功率的挖掘机,悬挂10吨吊带,给主管线一个稳定的支撑点,配合主管回拖。

管道回拖施工应连续进行,除发生不可抗拒的原因外,严禁在施工中无故停拖。

4.3复杂地层的泥浆配制方案

水平定向钻施工材料主要为膨润土,并且泥浆的配比情况对穿越成功与否起决定性作用。泥浆的配置取决于钻孔时所面临的土石状况。通常将土壤分为粗土和细土,粗土一般没有吸水性,可以使水自由流过颗粒,它一般包括砂土和砾石,细土一般包括粘土和页岩,它可阻止水渗透到地层,吸水膨胀。但是,实际施工时所面临的土质界限并不明显,可能变化很大或多种土质混合出现,因此,没有哪一种泥浆在任何土质中都是最好的,只能根据地质实际情况配置。大致的原则是,在粗土中使用膨润土,在细土中使用聚合物。随地层的变化随时调整泥浆配置参数。

膨润土混合配比表

地质情况

产品

用量

(每1,000升)

马氏漏斗

粘度(s)

一般地层

砂层

HL(混合添加剂)

(15-20公斤)

45-50

砾石层

钠基-CMC+纯碱

(25-35公斤/

6-8公斤)

50-55

复杂地层

卵砾石层

钠基-CMC+纯碱

(30-42公斤/

1.2-2.4公斤)

70-90

 

泥浆配方:

①入土侧砂层:提前24小时配置好基浆,充分熟化,HL-润滑剂+ HL(混合添加剂),关注固孔、携砂性。

②入土侧弧线段、出土侧弧线段卵石层:80~90s,钠基-CMC+纯碱+ HL-润滑剂,加强携砂、润滑、固孔,降低钻杆的阻力。

③粉质粘土、粗砾砂层(主要穿越层):60~70s+HL-润滑剂+ HL(混合添加剂),关注携砂性、固孔性。

④出土侧:60-65s+ HL(混合添加剂),关注携砂性层。

软地层适当降低泥浆的粘度,保持在55~60s+HL-润滑剂,保证其流动性较好;坚硬地层回拖泥浆粘度≤80s,同时加HL-润滑剂。

1.   结束语

汨罗江定向钻穿越的成功,主要依靠以先进的套管施工工艺成功隔离了卵石层;同时,恰当的钻进和泥浆配制方案,保证了导向孔钻进地顺利进行和多级扩孔的成孔完好,为在复杂地质结构下的水平定向钻穿越施工开辟了全新的思路。

 

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