马国武，马　军，龙志宏中国石油天然气股份有限公司冀东油田分公司，河北唐山063200



纳潮河定向钻施工中的瓶颈问题及解决措施

马国武，马军，龙志宏
中国石油天然气股份有限公司冀东油田分公司，河北唐山063200

摘要：纳潮河定向钻穿越具有穿越管道数量多，穿越长度长，工期短，现场不具备施工条件地质多为砂层等特点。由于在工程施工中采用一孔三管回拖、大吨位进口定向钻机施钻以及提前做好定向钻解卡应急预案等技术措施，工程从开钻到完钻共用21 d的时间就完成了施工任务。介绍了工程施工前与施工过程中存在的问题、解决措施及其实施过程等。工程实践表明：该工法相对于传统的定向钻施工具有周期短、见效快、适用于场地狭窄受限场所等优点，但也存在风险较高，一次性投资较高的问题，有待进一步完善。

关键词：油气集输管道；定向钻穿越；一孔三管回拖；施工

纳潮河定向钻穿越是南堡3号构造油气集输干线工程能否顺利完工的关键，冀东油田自成立以来，首次采用一孔三管回拖定向钻技术成功穿越了纳潮河，从开钻到完钻时间共计21 d，开创了穿越长度最长，一次穿越管道数量最多，地质条件和周围环境较复杂，施工周期最短的定向钻穿越先例。施工过程中创新技术的应用是穿越成功的关键。

1　施工前的瓶颈问题及解决措施

1.1开工前准备阶段存在的困难

（1）穿越管道数量多，穿越长度长，施工工期短，穿越难度较大。在工程伊始的现场踏勘和设计交底时，对该工程的总体认识是施工难度较大：一是纳潮河水面宽（穿越处约为1 000 m），实际穿越长度为1 361 m，不利于定向钻施工；二是需要穿越1条 φ323.9 mm×8 mm的3PE防腐输气管道，1条φ273 mm×8 mm的黄夹克防腐输油管道，1条φ114 mm×4 mm的3PE防腐通信光缆钢套管，在同一个区域、同一时期穿越管道数量较多；三是整个工程的工期为45 d，按照常规的油气管道穿越至少分别需要15 d，加上光缆钢套管的施工时间为7 d，其中不包括设备转场时间，相对于30 d的纳潮河定向钻工期要求来说，时间相当紧。

（2）施工现场不具备定向钻施工的条件。根据图纸设计和曹妃甸管委会规划的要求，新建的φ323.9 mm×8 mm输气管道穿越入土点坐标（单位为m）为X = 4 324 868.758、Y = 497 757.665，出土点坐标为X = 4 323 766.365、Y = 498 556.021，其中入土点在已建LNG管道的东侧约10 m位置。沿线需要与已建LNG管道交叉穿越一次，交叉点的坐标为X = 4 324 775.836、Y = 497 824.96，距入土点的距离为112 m。已建LNG管道管径为1 016 mm，采用定向钻施工穿越，穿越交叉点的深度为14 m，交叉穿越的垂直距离一般保证2 m以上，112 m长度之内穿越深度在16 m以上，且要安全穿越已建管道，施工的风险较大。新建的φ273 mm×8 mm的输油管道穿越入土点坐标为X = 4 324 864.072、Y = 497 751.181，出土点坐标为X = 4 323 761.673、Y = 498 549.541，其中入土点在已建的LNG管道和中石化φ813 mm输油管道之间（分别与两个已建管道间距约为5 m）。φ114 mm×4 mm通信光缆钢套管的入土点坐标为X = 4 324 864.072、Y = 497 751.187，出土点坐标为X = 4 323 738.563、Y = 498 517.631，出入土点距已建的曹南铁路桥仅有10 m左右。综合三条管道的出入土点位置可以看出：一是管道穿越位置位于曹南铁路桥东侧30 m之内，伴行铁路桥铺设，距离电气化铁路较近，而已建两条管道为外加电流保护，会产生磁场，综合起来对于定向钻信号干扰性较大。二是管道的入土点均与已建管道位置较近，不利于场地铺垫和钻机位置的选择。三是穿越管道交叉点的频次较多，穿越风险较大。四是在φ273 mm×8 mm输油管道和φ114 mm ×4 mm通信光缆钢套管之间有一条φ813 mm管道伴行穿越，两穿越同时开钻的相互扰动和干扰较大。纳潮河穿越现场示意见图1。

图1　纳潮河穿越现场示意

（3）地质多为砂层，不利于定向钻施工。纳潮河的地质情况为：

第①层粉质黏土：深度为地上4 m至0 m，灰色，软塑，土质不均，切面较光滑，韧性和干强度中等，含有机质。

第②层粉砂：深度为地下2 m以上，灰色，中密状态，饱和，主要矿物成分为长石、石英，含云母，砂质不纯，颗粒均匀，磨圆度中等，局部夹粉土薄层，贝壳碎屑。

第③层粉质黏土：深度为地下2～8 m，灰色，软塑-流塑，土质不均，切面较光滑，韧性和干强度中等，局部夹粉土薄层，贝壳碎片。

第④层粉砂：深度为8～16 m，灰色，中密状态，饱和，主要矿物成分为长石、石英，含云母，砂质不纯，颗粒均匀，磨圆度中等，局部夹粉土薄层。

第⑤层粉质黏土：深度为16～25 m，深度为灰褐色，可塑，土质不均，切面较光滑，韧性和干强度中等，局部夹粉土薄层。

第⑥- 1层粉砂：地下26 m以下，黄褐色，密实状态，饱和，主要矿物成分为长石、石英，含云母，砂质不纯，颗粒均匀，磨圆度中等。

由上述地勘报告可以得出：不利于定向钻施工的粉砂层厚度大，穿越范围广，成孔条件差，图纸设计最深的穿越深度为25 m，正好处于粉质黏土和粉砂的边缘地带，穿越长度长，造成导向偏差大，塌孔成型差，极易导致管道回拖过程中的爆死或卡钻现象发生，施工的风险加大。

1.2问题的解决措施

（1）大胆尝试一孔三管回拖方法。为了保证穿越的成功率，降低风险，一是甲方、监理方、设计方、定向钻施工单位一同与中石化和已建LNG管道的相关人员一起进行现场多次踏勘，进一步了解已建管道的走向和具体情况，索要施工时的记录和资料。二是组织人员用雷迪检测仪器和RTK仪器现场测量已建两条管道（LNG管道和中石化φ813 mm管道）的埋深和坐标，并做好标记，特别是交叉点（坐标为X = 4 324 775.836、Y = 497 824.960，埋深为14.3 m）。三是考虑纳潮河定向钻的重要性，在确认工程施工难度较大后，定向钻施工单位与各个专家沟通和协商，并结合多年的施工经验，决定采用一孔三管回拖方法进行施工，出入土点的坐标与输气管道的相同（入土点坐标为X=4 324 868.758、Y = 497 757.665，出土点坐标为X = 4 323 766.365、Y = 498 556.021）。采取一孔三管回拖方案的对比论证情况见表1。

（2）选用大吨位进口定向钻机进行施工，奠定了穿越一次成功的基础。定向钻钻机能力应满足穿越管段回拖时的最大回拖力要求，回拖力计算公式如下：

表1　两种穿越方式的对比

式中：F为穿越管段回拖力，kN；L为穿越管段长度，m，取1 361；D为穿越管段的管身外径（包括保温层、防腐层的厚度），m；Ds为穿越管段的钢管外径，m；ds为穿越管段的钢管内径，m；δ为钢管壁厚，m；γs为钢材重度，kN/m3，取78.5；γ1为泥浆重度，kN/m3，取12；f为摩擦系数，一般取0.1～0.3，本工程取0.2；K为黏滞系数，一般取0.1 ～0.3，本工程取0.3。

经过计算，φ323.9 mm×8 mm输气管道单拖的回拖拉力为781 kN，φ273 mm×8 mm输油管道单拖的回拖拉力为642 kN，φ114 mm硅管的回拖拉力为149 kN，合计为1 572 kN。根据上述分析，为确保工程顺利实施，选用美国奥格水平定向钻机（最大回拖力为2 630 kN）进行施工［1］，钻机的性能见表2。

表2　奥格水平定向钻机的性能参数

另外，为了保证一次穿越成功，应提前做好应急预案，开工前要求施工方准备好定向钻卡钻时的解救设备，并编制具体的专项施工预案。

2　施工过程中发生的问题及解决措施

2.1施工过程中遇到的问题

（1）钻机采用沉箱前地锚的方式固定，但钻机就位调试后，发现地锚下土质较软，承载力和摩擦力较小，存在沉箱下沉和钻机可能滑动的现象。

（2）在导向施工过程中信号干扰较强，地质比较硬，导向进展缓慢，在导向到980 m时，无信号，地质较硬，导向设备纠偏很困难，尝试抽回钻杆后，多次重新导向效果不明显。若导向失败，那就意味着定向钻施工失败，因而准确的导向非常重要。

（3）定向钻扩孔过程中遇较厚土质砂层，扩孔速度较慢，两侧的泥浆坑返浆不明显，当扩孔到1 080 m位置时，扭力特别大，扩孔非常困难。

（4）在冀东油田第一次应用一孔三管回拖技术［2］，如何保证3根管道的同心度和牢靠度，且在回拖过程中避免发生缠绕，是当时急需解决的难题之一。

（5）由于回拖管道较长，质量较大，回拖区域复杂（预制管道穿越的道路有4条、池塘1个、山皮石铺设区域460m），回拖过程中在保护管道防腐层的同时，如何减少回拖过程中的接触面积，减少钻机的回拖力，也是需要解决的问题之一。

2.2解决措施

（1）为了加大摩擦力和承载力，决定将沉箱取出后下面用毛石换填处理，而后采用锚固固定墩预埋地脚螺栓，配合打钢管桩进行地锚加固，增加了锚固力，确保钻机在加大拉力和扭力的情况下不滑动，具体见图2。

图2　钻机固定锚加固示意

（2）为了减少周围环境磁场的干扰，一是铺设交流磁信号电缆，即沿穿越中心线，铺设交流磁信号电缆，该电缆在穿越过程中将作为导向孔穿越Paratrack II控向系统的磁信号源。二是使用磁靶进行铺设，磁靶的特点是用一个点的强磁场进行导向控制，一般在中心线上。对前后3根钻杆进行定向，一般每70～80 m挪一下磁靶，以确保人工磁场覆盖大部分穿越区域。同时为了保证数据的准确，在穿越轴线的不同位置测取数据，且每个位置至少测3次，而后做好记录，取其有效值的平均值作为控向Line Az值。在以上两种措施的协同作用下，导向信号强度和稳定性明显加强，终于导向成功，最终出土点向东偏移了1 m，处于设计允许的范围之内。铺设交流磁信号电缆示意见图3。

图3　铺设交流磁信号电缆示意

（3）经过多次尝试，扭矩还是比较大，扩孔进展缓慢。经过分析和判断发现，两侧返浆不明显，这说明成孔不好或者存在冒浆区域，经过巡查，未发现严重的冒浆现象。在扩孔无法向前进展的情况下，决定将扩孔器反推到出土点，查看扩孔器的状况，反推过程中发现推力和扭矩较小，判断成孔效果还好，但扩孔器四周磨损较严重，因此决定更换新的、更加耐磨的扩孔器重新扩孔，最终完成φ600 mm孔的扩孔任务。

（4）为保证三条管道的同心度，减少缠绕的几率，进行了大胆创新，采用φ711 mm的管道做母盘，内焊接30 mm厚的钢板盘，将三条管道固定焊接在板盘上，一起回拖。

（5）为了减少钻机的回拖拉力，具体采取了如下措施：一是在管道上水试压完毕后，采用通球的方法，将管道内部清理干净，减少重量；二是针对不同的地段采取不同的方法，前700 m采用开挖传送沟后放水的方式，池塘段采用漂管的方式，后460 m段的过路部分采用涵洞方式（即在开挖道路，铺设沙袋和沙土后，在上面铺设管排和钢板以保证车辆顺利通过），其余段采用滚轮方式（即每隔10 m设置一个由4个橡胶滚轮组成的滚轮支架，以减少管道与地面的着力面积，同时可很好地保护防腐层）来解决上述问题；三是在管道的入洞点前30 m位置人为设置斜坡，即用沙土架起管道，使管道在敷设时产生弹性变形形成的角度正好符合出土角的要求，增加了管道顺直程度，减少了阻碍力，从而实现了管道的自然回拖［3］。

3　结束语

纳潮河定向钻穿越是冀东油田自成立以来首次采用一孔三管回拖技术进行穿越施工的工程，其穿越长度最长，一次性穿越周期最短，所采用的钻机型号最大。该工法相对于传统的定向钻施工具有周期短、见效快、适用于场地狭窄受限场所等优点，但也存在风险较高，一次性投资较高的问题，在今后的施工中还需不断地完善。

参考文献

［1］赵帅.油气管道定向钻穿越技术［J］.石油工程建设，2009，35 （2）：37- 40.

［2］黄洋.一孔多管无约束自由回拖定向钻施工技术研究与应用［J］.石油知识，2009（6）：32- 33.

［3］蔡亮学.水平定向钻管道穿越回拖过程动态力学特性研究［D］.青岛：中国石油大学（华东），2011.

Bottleneck Problem and Countermeasures in Nachao River Directional Drilling Construction

MAGuowu，MAJun，LONG Zhihong
PetroChina Jidong Oilfield Company，Tangshan 063200，China

Abstra ct：Nachao River directional drilling project has following features：several crossing pipelines，long crossing distance，short construction period，difficult construction site conditions and sand stratums. In engineering construction，the method of“three pipelines back- pulled in one hole”was tried，the imported heavy directional drilling machine was used，and the contingency plan for drill bit stuck was worked out，so the whole construction task from starting drilling to finishing drilling was fulfilled in 21 days. The practice shows that the construction countermeasures have the advantages such as short work period，fast effect and good adaptability to narrow site. But problems such as high risk and high one- time investment still exist and need solving.

Keywords：oil and gas gathering and transportation pipelines；directional drilling crossing；three pipelines back- pulled in one hole；construction

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.015

作者简介：

马国武（1982-），男，河北廊坊人，工程师，2004年毕业于河北石油职业技术学院焊接科学及设备自动化专业，主要从事油田地面工程建设工作。Email：565866608@qq.com

收稿日期：2015- 10- 21