管道定向钻穿越河流施工风险控制

　　【摘要】由于施工条件复杂，导向孔钻进、管道扩孔及回拖过程存在不可见性，定向钻穿越施工时经常出现冒浆、卡管、钻机故障等作业风险，一旦控制措施失当，会对整个工程施工产生较大的负面影响。结合某成品油管道定向钻穿越河流施工，讨论了影响定向钻施工的各种风险因素，并针对潜在的风险源，制定了详尽的风险控制措施：主要包括：优化施工工序，优选钻具组合，确定与其地质条件相适应的泥浆参数，严格进行钻进轨迹控向，采取卡管风险削减措施等，成功穿越了地下粗砂层，避免了钻机推拉力不足、抱管及大面积冒浆等现象的发生，保证了定向钻施工作业的顺利实施，为今后类似工程的施工提供了参考。
　　【关键词】管道；定向钻；穿越；施工；风险控制
　　水平定向钻穿越是管道穿越河流、公路等障碍物时采用的一种施工工艺，由于其具有对地表条件要求低、对地面环境影响小、施工速度快等优势，近年得到广泛应用。然而，与大开挖施工相比，水平定向钻穿越施工对设备、钻具具有较强的依赖性，且地下钻进过程、管道回拖过程、导向孔和扩孔存在不可见性，因此水平定向钻穿越施工具有较高的作业风险〔1〕。为了将定向钻穿越施工的风险降低到最小，要求在施工中采取一定的风险控制措施。
　　一、工程概况
　　某成品油管道规格D6608。7mm，设计压力8MPa，在天津市武清区穿越北运河，穿越段管道规格为D66012。7mm，穿越管道地基以下依次是粉质黏土（1。0～5。5m）、粉土（3。2～9。0m）、粉砂（9。1～23。1m）、粉质黏土（21。8～35。0m）。根据设计方案，穿越管道出、入土点距离为992m，穿越最大深度26。5m，入土角10，出土角8，光缆套管与主管道平行穿越，间距10m。
　　二、风险因素
　　（一）钻机风险
　　钻机是定向钻施工的核心设备之一，选择钻机时应根据地质情况、工程用管等，计算管道最大回拖力，保证最大推拉力能够满足回拖需求。若钻机选型出现偏差，可能会导致导向孔钻进困难、回拖时抱管等现象发生。另外，钻机的发动机、液压泵、液压马达等部件由于承受较大的压力，出现故障的概率较高。一旦发生故障，会出现钻进中断、回拖中断的情况，若中断时间过长，发生孔壁坍塌和抱管的概率会大幅增加。
　　（二）钻具风险
　　随着使用频次的不断增加，钻杆及扩孔器、卸扣、万向节、牵引头等钻具的抗扭、抗拉强度不断降低，特别是对于大口径、长距离的定向钻，由于钻杆钻具组合承受的应力较大，出现各种风险的可能性更高。比较常见的钻具风险有：钻杆断裂、脱扣、回拖万向节断裂和牵引头断裂。
　　（三）控向风险
　　导向孔钻进过程中，因控向设备故障或人为因素影响，可能出现实际穿越曲线与设计穿越曲线偏差较大（脱离原设计地层），或者穿越轨迹存在急弯、死折等局部曲率半径不足的情况，如果得不到及时纠偏、修孔，可能导致管道埋深不足、导向孔钻进困难、管道回拖卡管或钻杆断裂等问题。
　　（四）施工工艺风险
　　扩孔级数、泥浆性能、管道发送方式等都是影响定向钻施工顺利进行的关键因素。扩孔级数过少，可能会因扩孔级差的增大而产生过高的钻进扭矩，对钻杆和钻具带来不利影响；扩孔级数过多，反过来会增加施工成本，延长施工时间，增大孔壁坍塌风险。泥浆在定向钻施工过程中起护壁、携砂、润滑、控温的作用，若泥浆性能物性低劣，将直接影响定向钻成孔的效果，增大钻进难度与管道回拖阻力。管道回拖时，管道发送方式选择不当，不仅会对管道防腐层造成较大的破坏，还会增大管道回拖力，给管道回拖带来额外的风险【2】。
　　三、风险控制措施
　　（一）设备及施工工序控制
　　水平定向钻回拖时的最大回拖力计算公式：
　　Fp为计算拉力，L为穿越管段曲线长度（m），f为摩擦系数，D为管子直径（m），m为泥浆重度，1为管子壁厚，s：管道容重，Wb为定向钻回拖过程中单位长度配重（KNm），kv为粘滞系数。
　　最大回拖力是定向钻施工选择钻机时需要考虑的主要因素之一。但式（1）主要考虑穿越管道与孔壁间的摩擦力和泥浆对管道的粘阻力，未考虑其他因素，根据实际施工经验，其计算结果一般偏小，因此水平定向钻钻机应根据其计算值的1。5～3倍确定。
　　根据计算得到的最大回拖力约为261。4kN，回拖时还需考虑扩孔器、钻杆等产生的摩擦力及自身重力等因素，且钻孔内实际工况可能与理论工況存在偏差，最终确定选用GD350型钻机。
　　根据穿越点地质条件，确定施工程序为：钻导向孔（219）一级扩孔（400）二级扩孔（600）三级扩孔（800）四级扩孔（1000）洗孔（1000），只有洗孔过程扭矩和推拉力都正常，才能进行管道回拖。施工时采用不同的钻具组合。钻导向孔：泥浆马达三牙轮钻头5S135钻杆；扩孔：桶式扩孔器5S135钻杆；洗孔：挤压式洗孔器5S135钻杆；回拖：主管道万向节桶式扩孔器5S135钻杆（125。4mm）。
　　（二）泥浆性能控制
　　该工程定向钻穿越地层大部分为地下粉土层，成孔性较好，钻进难度小，但存在局部砂质地层，成孔性一般，须使用高粘度泥浆才能形成稳定性好的孔壁，因此采用泥浆复合配方配制工艺，并对各施工阶段泥浆性能进行适当调整。
　　（三）钻进轨迹控制
　　钻进轨迹控制难点：保证钻进轨迹满足管道最小曲率半径要求；避免钻进轨迹局部产生急弯、死折等现象。采用P地磁导向仪对穿越过程进行准确跟踪定位，保证每根钻杆最大折角不超过0。7，连续4根钻杆累加折角不超过2。一旦出现方向偏差，要通过调整钻头造斜面及时进行纠偏，直至钻头位置回到设计轨迹。若纠偏难度较大，则将钻杆抽回重新调整钻进轨迹。
　　（四）防止冒浆的控制措施
　　导向孔钻进的前半段采取较大的泥浆压力和排量，以便泥浆携带切削的泥土，使孔路畅通；后半段，由于从入土点反浆的难度加大，因此要适当控制泥浆压力，避免孔壁坍塌。
　　要根据泥浆回返情况，钻头深度和泵压变化等分析，判断并控制泥浆排量，防止泥浆的跑冒；井泥浆必须是优质泥浆，要测试性能参数，并详细记录，重点是有充足的人力，保证能连续配浆。并加强孔口监测，随时掌握变化。确保合理的粘度，和静切值，提高悬浮能力。
　　（五）卡管风险控制
　　采用发送沟注水工艺进行管道回拖，不仅能够减少管道防腐层的破坏，还可有效降低钻机的回拖力。开挖发送沟时，其中心线要与穿越轴线重合，且发送沟内不得有石块、铁丝等硬物，沟内注水深度至少应保证将管道从地面浮起。认真检查钻杆、扩孔器、卸扣、万向节等钻具，清洗丝扣，确保内部无损伤，回拖前还要检查并确保扩孔器的水眼畅通，卸扣无变形、锁销完好。时间越短，钻孔坍塌的可能性越小，因此，更换扩孔器、连接回拖管道时应在保证连接质量的前提下，尽量缩短操作时间。人员、设备及材料等方面要确保满足施工需要，不能影响施工进度、延误工期。
　　四、结论
　　在定向钻施工前必须充分分析潜在的作业风险，找出切实可行的风险控制对策。从定向钻施工工艺、施工设备、地质条件等方面出发，深入分析影响定向钻穿越施工的风险因素，找出施工过程潜在的风险源，对于合理制定风险控制措施具有较强的指导意义。同时为降低环境污染风险，使用的泥浆材料都要求是无毒害的，同时供货厂商的资质情况是经有关部门审查批准。
　　【参考文献】
　　【1】刘盛兵，向启贵，刘坤。水平定向钻穿越施工及其风险控制措施探讨〔J〕。石油与天然气化工，2008，37（4）：353356。
　　【2】刘刚，徐舟。定向钻穿越回拖管道径向变形原因分析〔J〕。油气储运，2008，27（2）：6061。