赵 杰

(廊坊中油朗威工程项目管理有限公司，河北廊坊 065000)

1 项目概况

陕京四线输气管道工程已于2017年11月顺利投产，并平稳运行至今。其中控制性工程黄河定向钻穿越工程，其长度、管径、工作压力、管材强度等指标均居定向钻穿越工程前列(管径1219 mm X80(L555)，3PE外防腐层厚3.7 mm，设计压力12 MPa，壁厚26.4 mm，穿越水平长2680.4 m)，主管道采用2次连续定向钻+基坑连头方式穿越黄河，与主管道并行10 m位置穿越1条通讯光缆套管，套管直径168 mm。

本文以陕京四线输气管道工程黄河定向钻穿越(图1)为例，同时结合其他项目定向钻穿越的管理经验，从定向钻穿越设计、钻具创新选择、钻杆的管理、泥浆系统研究和工艺卡的建立、管段回拖存在的主要问题和应对措施以及应急管理等方面进行探讨，以解决长距离、大口径管道定向钻施工中可能存在的难题，提高穿越成功率。

图1 陕京四线输气管道工程黄河定向钻穿越Fig.1 Directional drilling crossing of gas transmission pipeline project Yellow River on Shaanxi-Beijing fourth line

2 穿越施工管理要点

2.1 施工方案设计

初期的地质勘察资料是编制定向钻施工方案中的钻具组合、泥浆配制、穿越地层选择等关键控制点的基础依据。要做好此项工作，应选择高素质的勘察单位，提高物探的准确性。依据物探地质勘察资料，对断层、破碎带等不良地层进行加密地质钻探孔数，以便对其状况和范围进行进一步确认。

为保证管线防腐层的质量，在管线回拖过程中应采取降浮措施(如在回拖管段内增加配重)，减少因管段上浮与孔壁摩擦，降低回拖力，同时也保证管体防腐层的完整性。

设计人员与施工单位技术人员相结合，有效地提高穿越设计方案的可行性。例如，俄罗斯管道设计院就设有专业的施工部来负责编制如何在施工中落实设计方案。设计人员与定向钻施工技术人员相结合，能有效提高设计的深度和合理性。设计文件应依据不同的地质条件，对穿越入土端是否加装隔离套管，钻孔泥浆的推荐配方，扩孔级数，回拖管线时是否加内管降浮，管线回拖力，泥浆处理，管线穿越岩石地质层是否加装光固化保护层等方面，提出技术要求和说明，有利于施工过程控制。

2.2 钻具创新选择

随着定向钻穿越管线的口径达到1422 mm，研制新的钻具组合，已成为刻不容缓的事情。如2010年，XX项目渭河定向钻穿越，当扩孔尺寸到1422 mm 时，钻杆断裂，前功尽弃。在定向钻扩孔作业中，为带动扩孔器前行，钻杆承受拉、扭复合受力，当扩孔孔径增大时，孔壁对钻杆的约束度逐步减小，扩孔器前端的钻杆发生“绳甩”，产生频繁的交变应力。为减轻这种现象，在扩孔器前端加装“过渡中心扶正器”，是一个较好的解决办法，但是，目前的扶正器质量2～3 t，为了降低扭矩、减少钻杆断裂的几率，扩孔器和扶正器均应轻量化，见图2。

扩孔器要多样化，根据地质条件，设计、采用不同形式的扩孔器及组合形式。在岩石地层，扩孔器要保证既能切削岩石，又要防止掉牙轮；在粉砂、黏土等软地层，扩孔器要轻量化，以利用“浮筒效应”，既要能切削，又能减轻扩孔的“梨形”孔洞。

经调研，目前国内定向钻使用的基本上石油钻井用钻杆，最大口径为168 mm。应研制适合于管道定向钻的专用大口径钻杆，以减小输送泥浆的阻力，并可承受较大的扭矩和拉力，同时减少钻进中的摩擦阻力。

图2 安装扶正器后扩孔器前段钻杆变形示意图Fig.2 Schematic diagram of drill pipe deformation in front section of reamer after installing centralizer

2.3 钻杆的管理

为每根钻杆建立档案，使其具有可追踪性，以防有缺陷的钻杆混入钻进作业中。此外，有了钻杆档案，可在施工中依据扭矩和拉应力的不同，在不同的位置轮换使用。建立小型的、流动性强的钻杆检测专业队伍，在定向钻施工现场定期对钻杆进行无损检测，减少运输成本，提高钻杆可靠性。

2.4 泥浆系统

复杂地层的定向钻施工，如果没有使用合适的泥浆配方和正确的泥浆排量计算，几乎不可能成功完成施工任务。定向钻的泥浆理论与钻进中的相互影响与石油钻井有很大差别，需要搜集、积累各类定向钻施工的成功和失败的案例，研究它们的泥浆配方、携钻屑量及相对应的转速、拉力、扭矩等基本参数，建立一套适用定向钻施工的泥浆和钻进理论及公式。

目前，我国定向钻大多使用石油钻井用的高压泥浆泵(p=25 MPa，q=1 m3/min)，压力大而流量小，不太适宜定向钻使用，定向钻施工泥浆最大泵压8 MPa，流量3 m3/min较为合适。在管段回拖前，对返流出的泥浆进行分析，检查携砂量及清孔是否顺利，润滑剂要由专人负责，泥浆的含砂量在5%以下。回拖时要实时监测泥浆返流状况，当发现泥浆含砂量突然增大或泥浆返流量减少，以及管道回拖力突然增大时，要考虑孔道是否出现坍塌并采取相应措施。

在定向钻施工现场应建设立较完备的泥浆实验室，建立现场泥浆检测频次、范围的制度，保证能及时掌握泥浆的携钻屑量、泥浆的黏度、密度、稳定性等基本参数，以保证复杂地层的定向钻施工得以顺利完成。

2.5 施工工艺

每个工程在开工之前都应编写包含有技术和经济两方面内容的方案，但是要推行全员、全过程的精细化管理，较高效率地实现工期、质量、成本、HSE控制目标。在工程技术管理上，仅有施工方案是不够的，还应对一些关键工序编制施工工艺卡，使施工现场的每个员工知道自己的工作范围、责任及操作要点。如定向钻施工从导向孔、每级扩孔到管线回拖都应编制相应的工艺卡，规定出最大扭矩、转速、拉力、泥浆的各项参数等工艺规范，供操作人员遵照执行。管线回拖的工艺卡要附有计算，说明管线在坡道的下滑力、起重设备的能力、作业时所站的位置吊具的规格、安全、环保等操作事项。

3 管线回拖主要问题及应对措施

回拖管段前必须采取包括但不限于以下4个方面的重要技术措施：①回拖管道前孔道清洗(洗孔)；②采用静态或动态注水平衡技术降低管段浮力；③控制管段入土时的角度(图3)；④系统进行回拖组合钻具及其结构件的工程设计，并校核其强度、刚度，对回拖组合钻具及其结构件进行质量检验检测。

图3 回拖时控制管段入土角度的方式Fig.3 How to control the embedment angle of pipe section when dragging back

下面重点对采用静态或动态注水平衡技术降低管段浮力的技术措施进行说明。

3.1 注水平衡技术的作用

由于管段浮力与其管段直径的平方成正比，伴随管段直径增加管段浮力将显著增大，管段浮力计算外径1230 mm时管段在泥浆中单位长度浮力达到15.1 kN/m，管段自重7.7 kN/m，管段在泥浆中的净浮力达到7.4 kN/m，1230 m长管段总浮力将达到9604 kN。要保证回拖管段作业的顺利实施，采取静态或动态注水平衡技术降低管段浮力的技术措施尤其重要。

管段回拖时，由于泥浆的浮力作用，会将管段浮在井孔的上部，并与井孔顶部紧密贴合，产生较大的摩擦力。在扩孔过程中，扩孔器自重大，有不断下沉的趋势，经多级扩孔后的井孔形状呈现为上小下大的“鸭梨状”(图4)，且下部存积的泥砂石子比较多。管段被浮入井孔上部后，存在三角卡固及防腐层破坏的风险，而井孔下部又有存积的泥砂石子堵塞。针对上述问题，必须采用静态或动态注水平衡技术进行配重降浮，克服泥浆的上浮力，使之平衡处于井孔泥浆的中部位置，降低回拖力，同时还有利于保护防腐层在整个回拖过程中不被划伤。

图4 多级扩孔后的井孔形状示意图Fig.4 Schematic diagram of borehole shape after multi-stage reaming

3.2 静态注水平衡技术

静态注水平衡技术是在需要穿越的管段中放置小管(一般用PE管)，在回拖过程中将水注入小管(小管直径要根据泥浆密度产生的泥浆浮力、减去管段自重后计算所需要充水量，再结合PE管的直径模数，按照接近零浮力的原则计算确定)或将水直接注入管段(此时小管为空管)，利用注水的方式增加穿越管段的浮力，克服泥浆的一部分上浮力，降低回拖力，见图5。如果采用小管中空，仅在管段中注水的方式，可以将小管置入欲穿越的管段中，将小管的前端封闭，并固定在管道前端的穿越拖拉头上。当管段回拖作业开始时，按照要求进行注水作业。

图5 回拖时静态注水平衡技术示意图Fig.5 Schematic diagram of static water injection balance technology when dragging back

如果采用小管注水，管段中空的方式。安装小管方式如上述，但小管前端应留一个注水口，并在管段中安装一个注水管，按回拖时要求的注水量从小管前端注水，此注水的方式可以精确控制注水量。

3.3 动态注水平衡技术

动态注水平衡技术是指在管段回拖作业中直接从管段后端注水。

3.4 注水的注意事项

静态注水平衡技术和动态平衡技术在管段回拖作业中，都可以有效地平衡管段的浮力。但在应用动态注水平衡技术时，注水时间与注水流量的控制是关键。

3.4.1 注水时间和流量控制

(1)注水时间的控制。注水时间应选择在管段已进入水平段后，不能过早注入。过早注入后，管段前端自重大，垂直向下的分力大，造成下扎的现象，会破坏管段入土侧的井孔，使管段入孔口坍塌，形成卡管和由于泥浆返流通道堵死造成憋压。

(2)注水流量的控制。根据孔段情况计算并控制好注水量，量过小时无法控制管段的浮力，过大会导致管段下沉使管段与孔底产生摩擦，由于孔底有大量的钻屑淤积，也有可能形成砂桥，致使卡管。为了精确控制注水量，管段上要标记长度，每段长度与相应的注水量要记录在表格上，以便于在回拖过程中根据表格中的数据调整回拖速度和控制注水量。

3.4.2 注水时其他注意事项

注水时要注意将水注在管段入土一侧，在发送道和辊道的管段不能有水，否则影响管段的发送或将发送辊道损坏。

静态注水平衡技术特别是小管注水方式可以精确控制浮力，在难度较大的工程上可以预先安排，以保证回拖的成功率。动态注水平衡技术不仅可以作为一项技术措施，而且可以用于处理工程事故，当回拖管段发生卡管时，可及时注水解卡。工程实践表明，动态注水平衡技术是一个较为有效可行的方法，但应注意注水时机。

在扩孔完成后，如果地质情况不理想，可采取较短的一段管段进行模拟回拖，借以对孔道进一步整形，待模拟管段顺利回拖后，可进入正式的回拖作业。

4 应急管理

定向钻回拖作业的成败直接决定着整个定向钻工程的成败，在管道回拖前或在管道回拖过程中，孔洞、设备的状况不好(如孔壁坍塌、缩孔时)会出现回拖力不足、卡钻现象，尤其是在大口径管道的回拖过程中，更容易出现卡钻情况，因此必须在回拖前做好管道卡钻的应急措施准备(落实并准备推管机、夯管机、换轮组)。施工应单位认真分析定向钻回拖风险，及时制定并落实应急措施，一旦发生紧急情况能及时采取措施，避免延误抢救时机。

如遇到卡钻时，首先与对岸取得联系后再进行解卡作业，解卡时首先在不旋转的情况下用钻机助力进行点动(推力不宜超过150 kN)，在推之前要求对岸人员仔细观察钻杆位置，确定两边的钻杆是否同步运动，如入土点钻杆推动超过安全范围而出土点钻杆无反应时应立即停止点动，把钻杆拉回到原来位置，防止钻杆在孔内发生扭曲折断。

在点动无效时，操作人员可进行反转解卡。在反转之前与对岸人员联系观察钻杆是否转动，反转的扭矩不能超过卡钻的扭矩，注意转数不应过多以防脱扣。如对岸看到钻杆反转立即通知司钻停止反转让司钻人员开始正转，以确认是否解卡，重复进行，直至退出卡点。当再接近卡点时控制好速度，如扭矩还是过大可原地旋转，当扭矩恢复正常后再进行扩孔作业。每次解卡时间不宜过长(30 min以内)，停止15 min，再进行解卡操作，以免发生钻杆疲劳发生折断。如通过多次推送、正转反转无法解卡，应停止解卡操作，在出土点增加一台钻机，配合解卡，将扩孔器退出至出土端。

若施工过程中发生钻杆断裂，首先将断裂的钻杆拉出孔外，根据钻杆断裂情况，制定相应的打捞方案，采用公锥或母锥对断裂钻杆进行打捞。

在管道回拖时，如遇到回拖力增加至超出预计的最大安全拉力时，可判断为管道在孔洞中遭遇孔壁坍塌，导致抱管现象产生。出现此种情况时，可立即在管尾安装夯管锤进行锤击，使管道受到夯管锤的振击后，摆脱穿越孔洞对其的束缚，使回拖作业得以继续进行，见图6。若采用夯管锤振击后，回拖仍然不能继续进行，则可判断穿越孔洞内坍塌现象严重。对此，应及时采用动滑轮组或夯管锤与滑轮组的组合方式将管道从孔洞中拽出，避免管道存留时间过长而导致更大的解卡阻力。

图6 滑轮组与夯管锤结合使用解卡示意图Fig.6 Schematic diagram of releasing card when pulley block and pipe rammer are used together

5 结语

定向钻穿越是否能成功，受设备、地质、人员、技术以及应急措施等影响。对于大口径、地质复杂条件下的定向钻穿越应从设计、施工组织编制、论证、技术措施的严格落实以及应急处理措施的准备及实施上做足功课，以使定向钻回拖一次成功。