定向钻技术研究与应用

2022-09-10

一、定向钻技术的背景

水平定向钻技术最在70年代就被利用在传统的公路打孔和油田定向钻井, 并广受欢迎, 不仅可用在输送石油、天然气、石化产品、水、污水等物质和电力、光缆各类管道穿越河流和水道的施工, 同时还在高速公路、铁路、机场、海岸、岛屿以及密布建筑物、管道密集区的施工中广泛应用。近几年, 定向钻穿越技术在世界各国及各个行业得到了广泛的应用, 其优势主要体现在环保和市政管网改扩建项目及大型管道穿越江河工程项目上。定向钻是通过计算机控制进行导向和探测, 先钻出一个与设计曲线相同的导向孔, 然后再将导向孔扩大, 把产品管线回拖到扩大了的导向孔中, 完成管线穿越的施工过程。

二、定向钻技术的优点

1. 定向钻穿越施工不会阻碍交通, 不会破坏绿地, 植被, 不会影响商店, 医院, 学校和居民的正常生活和工作秩序。

2. 在大型河流穿越时, 管线埋在地层以下9—18m, 对周围环境没有影响, 不破坏地貌和环境, 适应环保要求。

3. 采用水平定向钻机穿越施工时, 不影响江河通航, 不损坏江河两侧堤坝及河床结构。

4. 近现代化的穿越设备的穿越精度高, 易于调整敷设方向和埋深。

5. 定向钻的施工比较灵活, 进出场地速度快, 施工场地可以根据场地调整, 特别是在城市施工时可以充分显示出其优越性。

三、定向钻的施工工艺

使用定向钻机进行管线穿越施工, 一般分为三个步骤:

1. 钻导向孔

开钻前做好钻机的安装和调试等一切准备工作, 确定系统运转正常、钻杆和钻头清扫完毕后严格按照设计图纸和施工验收规范进行试钻, 钻进1-2根钻杆后检查各部位运行情况, 各种参数正常后按次序钻进。

导向孔的钻进是整个定向钻施工的关键, 导向孔的钻进可分为三个阶段, 入土端倾斜段、水平段和出土端倾斜段。针对导向孔钻进过程的三个阶段的特点采取不同的泥浆控制措施。在入土端倾斜段, 随着钻头的钻进, 穿越地层由浅入深, 在这一阶段, 泥浆的排量要尽可能选择大的泥浆挡位, 一般要求泥浆排量不小于0.2m3/min。采用较大的泥浆排量是利用泥浆的快速返回携带出钻碎的土屑, 防止土屑堆积在孔内造成孔内淤积堵塞, 使钻进后的孔路畅通, 保证孔内泥浆有返回到地面的通路。另一方面, 大的泥浆排量可以利用泥浆产生的冲击力对地层起到切削的作用, 扩大导向孔的内径尺寸, 增大泥浆返回通道的流通空间, 也就减少了穿越段地面泥浆压力, 同时减少了穿越段沿线地面跑、冒泥浆的可能。

由于入土端倾斜阶段是穿越轨迹的造斜阶段, 钻杆需要在不旋转的情况下直接推进造斜, 因此钻杆推进阶段形成的环行内孔比旋转钻杆形成的环行内孔直径要小, 这就造成内孔时大时小, 产生“瓶颈”现象, 减小了泥浆返回地面的容流空间。为了克服这一现象, 建议控向与司钻密切配合, 在倾斜段造斜的过程中, 每根钻杆钻进完成后调整的倾斜角度比预定要求的大, 待钻杆钻进到底的后, 将该根钻杆全部抽出, 通过旋转钻进的方法使得倾斜角下降到要求的角度。

2. 预扩孔

一般情况下, 使用小型钻机时, 直经大于200毫米时, 就要进行予扩孔, 使用大型钻机时, 当产品管线直径大于DN350mm时, 就需进行预扩孔, 预扩孔的直径和次数, 视具体的钻机型号和地质情况而定。扩孔阶段中, 根据扩孔旋转扭矩、回拖力大小的实际情况, 决定是否进行洗孔作业。在这个阶段要求结合实际, 尤其是要总结前一阶段的扩孔效果, 随时修正扩孔方案, 扩孔级数可跳级进行。施工前都认真对钻杆、钻具进行检查, 防止因钻杆和钻具的质量缺陷发生断裂事故。

3. 回拖需安装管线

回拖是定向穿越的最后一步, 也是最为关键的一步。管线回拖前回拖牵引头的焊接应符合有关规定, 并且必须满焊。仔细检查各部位是否联接牢固, 保证回拖顺利且不伤及管线防腐层。扩孔器直径宜比回拖管线直径大300mm, 目的是减少拉拖力, 保护防腐层。在回拖作业时, 增加高润滑泥浆, 使泥浆像薄膜一样附着于防腐层表面, 保护防腐层。必要时, 管线外垫胶皮, 并抹上黄油, 增加回拖过程中的润滑。

管线回拖时, 由于整个孔洞内充满了泥浆, 管线进入后势必对孔内的泥浆造成挤压作用, 给地层造成压力, 因此回拖的速度不要太快, 当管线回拖过河后, 可根据回拖拉力情况适当的增加回拖速度。在回拖时应连续作业, 避免因停工造成塌孔导致阻力增大。

四、定向钻技术在埕港管线中的应用

输油、气两条管线沿途同沟敷设, 输油管线自埕海一号平台至大港油田原油储运库, 输气管线自埕海一号平台至大港油田首站。本输油管线全长约44km, 输气管线全长约48km。在敷设管线的过程中, 沿途多为虾池鱼塘等, 途经张巨河、歧口镇、老石碑河、新马棚口等, 穿越捷地碱河、歧口二桥、歧口一桥、北排河、泄洪闸桥、子牙新河、青静黄河。在进行定向钻穿越施工时, 在回拖产品管线阶段, 应用了捆绑式拖管技术:在光缆套管中穿入一根钢丝 (以便套管回拖完以后用钢丝拉过光缆) , 然后将光缆套管与油管线套管捆绑在一起进行回拖。这个施工方案在我们大港油田首次尝试使用, 并且取得了成功。通过使用这个方案, 既缩短了工期, 也降低了定向钻穿越总成本。

摘要：本文主要介绍了定向钻技术的背景、技术优势和施工特点, 并通过其在埕港管线工程中的应用对定向钻技术的优点进行论述。

关键词：定向钻,导向钻,预扩孔,回拖