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大口径管道定向钻穿越扩孔施工的技术探讨来源：非开挖技术 作者：楼岱莹 日期：2009年09月25日 访问次数： 170随着国民经济不断的增长及对能源需求的增加，现阶段国内外输油气施工管道的口径也越来越 大。以我国已建和在建的施工管道为例，已建的西 气东输一线40 英寸施工管径，在建的中亚输气管 道的42 英寸施工管径和西气东输二线的48 英寸 施工管径。而管道施工中，作为一种经济、快捷且地 貌破坏很小的河流穿越方式水平定向钻穿越， 在进行大口径管道的定向钻施工时，需要进行多级 的扩孔施工，而扩孔器和钻杆钻具的重力作用使扩 孔器下沉现象尤为严重，造成工期和材料消耗的增 加，且大口径的孔壁稳定性也有所下降，施工难度 增大。本文就目前的水平定向钻穿越扩孔施工进行 分析，并寻求降低扩孔器下沉现象的措施。以48 英寸管道定向钻施工为例，在进行常规 的扩孔作业时，需进行18 英寸（视实际情况可省 略）、24 英寸、30 英寸、36 英寸、42 英寸、48 英寸、52 英寸、56 英寸、60 英寸、64 英寸共9 至10 级扩孔， 在进行36 英寸以上级别扩孔时，由于扩孔器及与 扩孔器连接的钻杆的自重，使得扩孔器在工作期间 一直对孔壁下沿地层有压力作用，而随着扩孔器的旋转，使切割后的孔洞有下沉趋势，随着级数的增 大，扩孔器重量也越重，孔洞下沉的趋势也越严重。 图1 为经过多级扩孔后孔洞的截面的示意图。在经 过多级的扩孔之后，孔洞的横截面成上窄下宽的鸭 梨形。以中石油管道局穿越公司在印度东气西输 Purna 河进行48 英寸输气管道的定向钻穿越施工为例，施工管径1219mm，壁厚为20.7mm，实际穿 越长度为670m，主要穿越地质层位硬塑粉质粘土。 在该工程实际施工中，共经历了18 英寸、24 英寸、 30 英寸、36 英寸、42 英寸、48 英寸、52 英寸、56 英 寸、60 英寸、64 英寸共10 级扩孔工艺，孔洞经历了 多次扩孔后，变成了长圆状，如图2 所示。从孔洞截 面可以看出，在扩孔过程中，钻杆的位置有最初的 导向孔中心下沉了至少3 米，因此我们可以得知， 该工程的扩孔施工做了大量的不必要的切削工作， 以36 英寸已扩完孔至42 英寸进行切割刀扩孔为 例，扩孔时截面示意图如图3 所示，标有45剖面 线的区域为理想状态下的切削区域，标有135剖 面线的区域为实际切削区域。经计算，理想状态下在36 英寸已扩孔的基础 上进行42 英寸扩孔，所需切削的面积为0.154m2， 而考虑到扩孔器下沉后再进行扩孔的因素，则所需 切削的面积增加到了0.579m2，该切削面积为理想 状态时的3.7 倍，而42 英寸盲孔的横截面积为 0.893m2，由此可知扩孔器下沉导致了所需切削面积 为扩42 英寸盲孔的一半以上。因此，如果我们能够采取有效措施，减少扩孔 时扩孔器的下沉所带来的不利影响，则可在工程中 减少扩孔阶段无谓的切削量、减少投入的人力、物力以及工期的损耗。笔者认为，可以通过以下几个途径来实现：（1）在泥浆的性能和排量满足携带需求的前提 下，尽量减少扩孔和洗孔的次数，可有效地减小下 沉的距离。根据以往的工程施工可知，在适当的司 钻操作下，除非特殊地质层如硬塑粘土层等会导致 扩孔扭矩大增之外，一般常规的扩孔不会有大的扭 矩产生，在国外已经有人进行导向孔之后，成功地 一次性扩孔并将管道回拖就位的实例。中石油管道 局穿越公司在中亚天然气管道伊犁河进行42 英寸 管道的定向钻穿越的工程中，在伊犁河进行42 英 寸双管穿越，穿越的管道规格为X70 钢，管径1067mm，壁厚为28.6mm，穿越长度为1057m，施 工地质层多为中密密实中细砂，为保险起见， 在A 管的穿越过程中，采用了24 英寸、30 英寸、36 英寸、42 英寸、48 英寸、52 英寸、56 英寸七级扩孔 工艺，并在扩孔期间和回拖前，穿插进行的30 英 寸、42 英寸、52 英寸共三遍洗孔工艺；而在B 管的 穿越过程中，只采用了24 英寸、36 英寸、48 英寸、 54 英寸四级扩孔工艺和30 英寸、42 英寸、52 英寸 共三遍洗孔工艺，最终A 管和B 管都回拖成功，但 相比较后，B 管比A 管少扩孔了3 次，缩短了8 天的工期和少用了大约5000m3 的泥浆量，同时也大幅降低了设备和钻具以及燃料等损耗。（2）在满足扩孔施工力学性能的前提下，优化 扩孔器等钻具的结构和重量，如采用高强度的钢材 原料；在加强筋板等部位上开设工艺孔，尽量减少 扩孔器所需的材料以减轻总重量。（3）充分运用空腔产生的浮力，桶式扩孔器内 自带空腔，起到了很好的平衡扩孔器自身重力的作 用，而针对板式的切割刀或者飞旋切割刀，可在扩 孔器后方附加一个钢制浮筒，通过浮力抵消部分重力，切割刀后方加浮筒的示意图如图4 所示。（4）针对岩石层的扩孔施工，在进行大尺寸扩 孔时，由于岩石扩孔器、扶正器的重量也很大，在这 种情况下，首先要保证足够的泥浆排量和性能，防 止岩屑床堆积，因岩屑堆积会造成扩孔器等钻具的 不良磨损，并且使其在孔洞内的阻力大增。，另外在 钻具组合上，可以采用多个扶正器的方式，尽量使岩石扩孔器两端的钻杆处于水平状态，并且还能降低扩孔时下沉的位移量。以领孔为40 英寸，需扩孔 至48 英寸的岩石扩孔为例，多个扶正器与扩孔器 的组合示意如图5 所示,在扩孔器前方安装一个38 英寸的扶正器，而在其后方则安装一个46 英寸和 一个38 英寸共两个扶正器，采用这种钻具组合的 扩孔期间，有扩孔器两侧的扶正器支撑起扩孔器的大部分重量，可以大幅降低扩孔器的下沉现象。结语：在大口径管道的扩孔作业中，扩孔级数 的确定、泥浆的性能和排量、扩孔器的结构形式及 重量以及与其他钻具