朱传清

陕西化建工程有限责任公司 陕西杨凌 712100

随着陕北区域石油天然气地面集输管网的快速发展，集输管道建设长度不断增长，穿跨越工程越来越多，而定向钻穿越方式在工期、经济等方面的优点也越来越明显，穿越长度不断创新记录。因此，确保定向钻穿越工程的质量，降低施工过程中的风险就变得尤为重要。

1 工程概况

郝3 定向钻穿越工程属于延安气田延899 井区地面集输工程，管道规格为1 根φ114.3mm×7mm 采气管道、1 根φ26.9mm×4.5mm 注醇管道，均为无缝钢管。采气管道设计压力为4MPa，注醇管道设计压力为35MPa。由浅及深穿越地层为：素填土、粉砂、中风化砂岩。最大穿越深度为182m，最小穿越深度20m；设计入土角为10°，出土角12°。

2 施工要素分析

2.1 钻具

本次定向钻距离长。一般距离越长，靠近钻头的钻杆承受扭矩越大，且由于穿越深度非均质性极差，变异性极强（20～182m）。所以钻柱中性点位置变化极其频繁，导致钻杆非常容易在拉力、扭力、压力的综合作用下产生疲劳破坏，从而使钻杆断裂、脱扣的潜在风险增大。

2.2 导向

定向钻钻进前，需要根据地质勘察报告对地层的物性进行详细了解，并对钻进轨迹进行设计。钻进过程中如果由于人为因素或者设备因素偏离设计轨迹，或者增斜角小于钻杆允许的最小曲率半径[1]，在不能及时进行纠偏时，会导致卡钻、孔壁坍塌、回拖卡管甚至钻孔报废等严重问题。故司钻的技术水平、责任意识和设备的精度对定向钻成功与否至关重要。

2.3 泥浆

由于穿越的地层岩性较多，穿越深度极其不均质（上覆地层压力变化幅度大）。其中延河段穿越深度极浅，且处于此次定向钻最低点，泥浆的静液柱压力很容易在此段和其他穿越深度较小的地方发生漏浆、冒浆事故。所以，需要根据钻进过程中的返屑，严格控制泥浆的粘度、密度，以减少漏浆和冒浆发生的几率。

3 施工机具选用

3.1 钻机选用

钻机选用必须以最大回拖力为基础[2]。由于郝3 定向钻与一般定向钻穿越工程在高差上有较大差别，入土端直线段长1068m，底部直线段长734m，出土端直线段长193m。所以对GB 50424- 2015《油气输送管道穿越工程施工规范》中管道回拖力计算方法[3]进行分解，将穿越管道分为三段进行受力计算，即入土端直线段、底部水平段和出土端直线段。

由于本次预选钻柱组合在连接穿越管道后，回拖前的拉力小于穿越管道在钻孔内的拉力，故以后者来计算最大回拖力，计算结果为186.83kN。由于该结果未考虑安全裕量，故依照规范要求需乘以安全系数，安全系数取1.5～3，得到最大回拖力应介于280.25～560.49kN 之间，故选择XZ1000A 钻机（最大推拉力1000kN，最大扭矩45）。

3.2 钻头选用

目前国内常用的钻头有三牙轮钻头和PDC 金刚石钻头。三牙轮常用于硬度小的软地层，PDC 金刚石钻头常用于硬度大、进尺速度慢的地层[4]。由于本次定向钻距离较长，高差较大，采用了分段多开次钻进方法，故选择更经济的牙轮钻头（9in，10.5in，12.2in），提高了经济效益。

3.3 钻柱选用

考虑到钻进过程中性点的位置变化较大，与一般定向钻钻柱不同，特增加加重钻杆确保中性点落于钻铤或加重钻杆，保证钻杆服役条件，避免发生钻杆断裂事故。钻柱组成：1 根无磁钻铤（NC3850，φ127mm，9.15m/根）+2 根 加 重 钻 杆 （ZH- JZ50- NC50- Ⅱ ，φ127mm,13.5m/ 根）+ 若干根钻杆（E 级，屈服强度1970kN，φ127mm，9.5m/ 根）。

4 泥浆配制

由于穿越地层大部分是中风化砂岩，孔隙度和渗透率较大，岩层胶结强度小，部分孔段穿越深度过小。考虑到需穿越村庄，为了减少泥浆漏失和对周围地层的污染，故采用水基泥浆，配料为食用纯碱、润滑剂、有机膨润土，以及少量固壁剂和降失水剂，进行充分混合制成粘度为70s 的高粘泥浆。该泥浆在孔壁上形成的泥饼能有效减少滤失，泥饼成型好、不松散，很好地起到固壁作用，并且表面光滑，回拖时可有效减小对穿越管道3PE 防腐层的破坏。

5 施工工艺

5.1 分段多开次钻进方法

因考虑到入出钻点高差大、易卡钻的不利因素，提出分段多开钻进，即每开次钻进300m，抽回9inPDC 钻头，换用10.5 英寸PDC 钻头正扩，加大孔径至300m；再抽回钻头，连接12.2 英寸PDC 钻头正扩至300m 处，抽回钻头，重复此流程直至钻通。正扩孔的目的是给后续导向钻具留有足够的安全环形空间，避免岩屑包裹钻具造成卡钻。

5.2 预扩孔和清孔

预扩孔用扩孔器+ 扶正器组合使用，可加快扩孔速度和提升孔壁的圆滑度，对孔径内的岩块和颗粒进行充分挤压，加强孔壁的坚固性和孔内纯洁性，便于拖管施工，减小扩孔扭矩和拖管阻力，提升泥浆的流动性。本次采用一级扩孔、一级清孔，扩孔用Φ350mm 扩孔器+Φ350mm 扶正器，清孔用Φ350mm 挤扩器。

5.3 管道回拖

3 根回拖管焊接、探伤、补口补伤等工序完成后，在每根管的前部分别焊一个拖拉头。拖拉头能承受的最小拖拉力不得小于计算的最大回拖力，用相配备的U 型环分别与分动器相连，把回拖管全部架设在发送滚轮架上，避免回拖过程有刮、碰、划等现象出现。回拖时连接顺序为：钻机→钻杆→挤扩器→分动器→U 型环→软连接→回拖管[5]。

6 结论

本工程最终历时103d 成功钻通并拖管完成。此次定向钻施工过程中成功应用了部分石油天然气钻井工程相关理念，并得到以下结论：

（1）对于稳斜段（入土直线段或出土直线段）长的定向钻穿越工程，通过分段分析管道受力来准确进行钻机选型，可以防止未经计算选择过大的钻机造成经济效益降低，或套用规范中的公式未分段分析受力直接计算使得选用钻机选型过小。

（2）类似此次高差大、穿越深度变化大的定向钻穿越工程，需控制泥浆的性能参数，根据地质岩层情况添加化学剂，确保钻孔内泥饼固壁性和防滤失性良好，并且泥浆的密度不应过大。还要严格控制重晶石剂量的使用，避免在最低点因为静液柱压力过大而出现冒浆事故。

（3）为了避免因岩性频繁变化使井壁坍塌造成返工甚至卡钻事故，首次在长距离定向钻工程中使用分段多开次钻进方法。即每钻进300m 进行两次扩孔，有效提高了孔壁成型质量，优化了钻杆的受力条件，可在类似过程中推广运用。

（4）在施工中为避免泥浆在中途冒浆污染水源，影响居民日常工作生活，设计钻进轨迹走向在岩层较厚及空阔地带，避免了埋深浅处冒浆的发生，减少了环境污染，节省了施工成本。