涩宁兰复线黄河水平定向钻穿越施工技术

涩宁兰复线黄河水平定向钻穿越施工技术

（中国石油天然气管道局穿越公司，河北廊坊，065001）

摘要：涩宁兰复线黄河穿越工程于2009 年1 月13 日回拖成功，创造了国内大型河流、山体、铁路三连穿的先河，在国内大型河流定向钻穿越中率先尝试了断裂带地质、破碎岩层的穿越，穿越深度达到84 米，在国内外定向钻穿越工程中实属罕见。 关键词：导向孔、扩孔、回拖、破碎带

2009 年1 月13 日，中国石油天然气管道局穿越分公司在甘肃兰州完成了集河流、山体、铁路三位一体的涩宁兰复线八盘峡黄河穿越工程，穿越破碎岩石层及断裂带，克服出土点高出入土点18 米引起的泥浆空洞及出土点侧穿越段管线预制场地起伏不平且水平弯多的不利条件等，成功完成全线控制性工程，在穿越技术上取得了新的突破。

图1 回拖成功

1 工程概况

涩宁兰复线工程起自青海省柴达木盆地涩北一号气田涩宁兰一线涩北首站，东至兰州市河口末站，线路长度921.4km。干线管径φ660mm，材质L450,设计压力6.3MPa。八盘峡黄河穿越位于甘肃省兰州市西固区河口镇八盘村北，已建涩- 宁- 兰输气管道黄河跨越上游约200m 处。本工程采用定向钻穿越黄河、兰青铁路和青石咀山体。同时并排穿越2 条管道，分别为φ660×11.9 输气管道和φ114×4.5 硅管套管，其间距10m。定向钻穿越水平长度1309m，穿越入土角16°，出土角9°，河床处最大埋深40 m，穿越主要地质为岩石层。

2 施工过程

先穿光缆套管，后穿主管。

2.1 光缆套管穿越

2009 年8 月2 日，黄河光缆管导向孔开钻，8月14 日完成导向孔作业。但由于出土点焊接作业带没有全部下来，场地受限，采用100 米一段回拖方式，直到8 月24 日完成光缆套管回拖。

2.2 主管穿越

2.2.1 导向孔

2009 年8 月30 日黄河主管导向孔开钻，9 月9日完成导向孔作业。

2.2.2 扩孔、洗孔

第一级扩孔采用22″镶齿牙轮岩石扩孔器进行作业，前后共更换过4 套牙轮，牙轮镶齿磨损均不严重。在扩孔过程中，速度缓慢，扭矩波动小。其中第106、107、108、109、110 根钻杆（从出土点入洞为第1 根）出现严重卡钻现象，第106 根用时3 小时5 分钟，第107 根用时5 小时27 分钟，第108 根用时3 小时43 分钟，第109 根用时4 小时，第110根用时2 小时58 分钟，经过反复洗孔，2009 年10月17 日完成第一级扩孔。第二级扩孔采用20″中心定位器＋30″岩石扩孔器。前72 根钻杆采用铣齿牙轮，扩孔速度有所改善；后68 根采用镶齿牙轮，速度依然缓慢，扭矩波动明显加大，在第114、115 根处出现卡钻现象， 2009 年11 月1 日完成第二级扩孔作业。然后采用24″桶式扩孔器进行洗孔，除了在第71、96、109 根钻杆处发生卡钻情况外，其他钻杆数据正常。第三级扩孔2009 年11 月8 日开始，采用28″中心定位器＋38″岩石扩孔器。前52 根钻杆采用铣齿牙轮，后88 根钻杆采用镶齿牙轮，共更换了3套镶齿牙轮。在此次扩孔作业中，卡钻现象频繁发生。进行到第70 根时，扭矩最大摆动到60000N·M，用时将近6 个小时。随即决定退出牙轮，发现中心 定位器磨损严重，但牙轮磨损不大。然后更换掉28″中心定位器及牙轮，改用26″中心定位器继续作业，扩进速度有所改进，但平均耗时3 个小时左右。卡钻现象最严重发生在第109 根钻杆和110 跟钻杆前3 米。第109 跟钻杆用时11 小时21 分钟，第110 根钻杆前3 米用时3 小时，扭矩波动无法控制。12 月5 日完成第三级扩孔，随后采用33″桶式扩孔器进行洗孔，第109、110、114 根钻杆处卡钻现象严重，经过多次重复洗孔，2009 年12 月9 日完成洗孔。

2.2.3 第一次回拖

2009 年12 月9 日开始回拖，因场地受限，穿越段管线采用“二接一”。第一段管起步拉力为60 吨，回拖过程中为55 吨左右。12 月10 日下午开始回拖第二段管，起步拉力为105 吨，回拖过程中为87 吨左右。前108 根钻杆回拖数据一切正常，第109 根时拉力增加到100 吨，速度减缓下来；到第110 根时，起步120 吨拉力管子不动，随后逐渐增加拉力到150 吨、180 吨、200 吨、220 吨，管子一共走了将近7 米，当再次增加拉力至240 吨时，拉力骤降，钻机操作室出现异响，钻机继续往后拖1 米，但管子不动，初步判断钻杆断裂。随后决定继续回拖钻杆，注入泥浆后发现泥浆压力正常；钻机旋转时，扭矩表有波动，证明扩孔器仍与钻杆连接。钻杆回拖结束时，发现拖头的拖板发生断裂。

立即启动应急预案，并于12 月13 日两套解卡装置600 吨滑轮组和2000 吨夯管锤分别运抵施工现场，12 月13 日16 时解卡工作正式开始，当滑轮组拉力达到250 吨时，钢管缓慢均匀移动，标志着解卡成功，12 月16 日将拖入洞内的1030 米钢管全部拖出。

2.2.4 第二次回拖

2009 年12 月17 日，组织专家论证会，对黄河回拖失利的原因进行了科学分析，制定了解决方案。

2009 年12 月20 日—2010 年1 月6 日进行了一次30″、两次34″洗孔，洗孔过程中对第105～120 根钻杆进行了多次反复洗孔，确保畅通无阻，最后在全程洗孔正常的情况下进行了试回拖。试回拖成功后，再次进行34″洗孔。

2010 年1 月12 日，主管回拖再次进行，整个回拖于1 月13 日取得成功。除了在第109、110 根钻杆回拖力突然增加20～30 吨，达到125 吨，前108根钻杆回拖拉力基本在100 吨以内，110 根钻杆以后回拖力基本在100～110 吨之间。

3 施工中出现的问题及解决措施

3.1 第一级22″扩孔速度缓慢

第一级扩孔开始后速度始终较慢，其主要原因是钻具选择不合理，泥浆排量偏小、设备老化维修时间长、泥浆池太小不能实现连续作业等。针对上述分析原因，采取相应措施解决之。

措施1：尽快征用出土点的大坑作为泥浆池，保证设备正常的情况下连续作业。

措施2：对钻具进行优化，比较软的泥岩和砂岩层采用铣齿牙轮，进入较硬的砂岩层后采用镶齿牙轮。

措施3：在原有入土点只有两台泥浆泵、1 台泥浆回收装置的的基础上增加一台水化装置，

提高配浆能力和泥浆排量。同时，在出土点新增2 台泥浆泵和一台泥浆回收装置，实现两侧对注，增加泥浆排量，提高泥浆的回收利用率。

措施4：增加有经验的设备维修人员，并与专业厂家积极联系，备足设备配件，保证设备的正常连续运转，从而保证穿越施工连续进行。通过采取以上措施，第二级扩孔速度明显加快，取得了预期的效果。

3.2 地质断裂带附近扩孔困难

黄河主河床下存在多条地质断裂带，岩石层十分破碎，RQD 值只有25-50%。实际施工过程中，在该穿越段加深了近20 米，试图穿越较完整的岩层，即使如此，穿越过程中在断裂带附近100 米范围内，仍是本工程最难施工的一段。在此穿越段钻进速度十分缓慢、扩孔扭矩难以控制、洗孔过程出现卡钻、首次回拖拉力突涨等。

针对这种情况，我们在施工中采取了以下措施：

措施1：加大泥浆排量，始终保持泥浆排量在每分钟1.8 立方以上。

措施2：提高泥浆粘度，控制在不低于100 秒。

措施3：限制扩孔扭矩，以免扭矩过大、切削的钻屑颗粒太大，泥浆不易携带。 措施4：尽量提高钻机扩孔转速，加快扩孔切削速度。

措施5：控制扩孔拉力，保证钻机快速均匀施工。

3.3 出土点比入土点高达18.8 米产生的长达248米的空洞问题泥浆空洞过长，在回拖过程中容易对主管防腐层造成破坏。为此，采用了以下两个措施：

措施1：对设计曲线进行了调整。在原穿越深度基础上，在入土角不变的前提下，入土点一侧穿越加深10 米，出土角从5°39′ 调整为9°，出土点一则穿越加深25-30 米，延长穿越水平段的长度，使泥浆空洞长度从248 米减少到135 米，而这135米基本上是泥岩层，对防腐层的影响较小。

措施2：在回拖过程中，在出土点一侧注入高粘度泥浆，保持泥浆液位，以减少空洞长度，减少摩擦阻力，保护防腐层。

3.4 第一次回拖过程中拖拉板断裂

在第一次回拖过程中，前108 根回拖力和回拖速度正常，但进入第109 根后，拉力虽然只增加10吨，但回拖速度明显减缓；到第110 根时，逐渐增加拉力到240 吨时，发生了拖拉板断裂。发生拉力突增的地点恰恰处于地质断裂带附近，在此处扩孔和洗孔都曾出下过卡钻现象，虽然经过反复洗孔趋于正常，地质破碎仍使此处淤积了过多的切削物，从而使拉

力突然增加。这是发生拖拉板断裂的主要原因。针对出现的问题和分析产生问题的原因，主要采取了以下措施：

立即启动应急预案，紧急调运滑轮组和夯管锤，力争尽早拖出入洞钢管。仅用6 天时间就将1030 米钢管从洞中全部拖出。为了确保孔洞内的钻屑尽可能多排出，先进行了一次30″洗孔，在30″洗孔通畅后进行34″洗孔。在34″洗孔通畅的情况下，用50-90 米钢管试 回拖。

试回拖成功后再次进行34″洗孔，然后进行主管回拖。

根据第一次回拖失利的情况分析，泥浆是保证孔洞畅通的最主要因素。因此，洗孔中在进入破碎带后，使用正电胶泥浆体系，泥浆粘度不低于120秒，泥浆排量每分钟达到2 立方以上，增加泥浆的携带钻屑能力，最大限度的带出孔内的钻屑。实践证明，以上措施十分有效。

4 工程取得的经验和教训

我们对该项穿越工程，进行了认真的分析和总结，总结经验、吸取教训，指导以后的穿越施工。

（1）对于具有断裂带且地质比较破碎的岩层穿

越，导向孔穿越一般比较正常，但并不意味着扩孔、洗孔和回拖没有问题，特别是长距离、大口径穿越工程。

（2）对于泥岩与砂岩交互层，在单轴抗压强度低于20MPa 的情况下，采用铣齿牙轮扩孔速度明显优于镶齿牙轮。

（3）在条件允许的情况下，无论是穿越导向孔还是扩孔阶段，都应尽量增大泥浆排量，提高泥浆粘度。

（4）在穿越入、出土点必须配备泥浆回收和配浆装置，提高泥浆回收率，有利于保证泥浆的排量和性能。

（5）对于复杂地质的定向钻穿越，必须有应急预案。

（6）对于复杂地质的控制性穿越工程，在洗孔正常的情况下试回拖，在试回拖成功的基础上再进行主管回拖是十分必要的。

5 结论

涩宁兰复线黄河穿越创造了国内大型河流、山体、铁路三连穿的先河，在国内大型河流定向钻穿越中率先尝试了断裂带地质、破碎岩层的穿越，穿越深度达到84 米，穿越入出土

点高差大，在国内外定向钻穿越工程中实属罕见。我们将认真分析总结，进一步提高穿越破碎岩层的成功率，在水平定向钻穿越领域再创辉煌。

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