定向钻进技术论文：王宝河定向钻扩孔过程中的施工难点及处理措施

1、.定向钻进技术论文：王宝河定向钻扩孔过程中的施工难点及处理措施摘要：定向钻进技术用于非开挖铺设管线在我国得到了极大的推广应用，施工设备和技术日臻完善，已达到较为先进的水平。但实际施工过程中的风险还是比较大的，主观因素和客观原因共同主宰着施工的成败。文章阐述了大港油建王宝河定向钻扩孔过程中出现的难点和处理措施。关键词：定向钻进技术；牙轮磨损；钻屑清理；后续扩扎；卵石层处理定向钻扩孔施工过程中随着施工的进展，地质条件、泥浆配比、泥浆泵的排量和压力、钻进的速度以及清孔效果都需要我们在施工过程中进行严格控制。下面就浅谈一下我们在这几个方面的教训和经验。一、工程概况王宝河主要穿越地层划分为4层：粉质粘土

2、；圆砾；卵石；-1全风化粉砂岩；-2强风化粉砂岩；-3中等风化粉砂岩。本工程共穿越两条管线：输气管线 1016×21mm和光缆套管20#无缝钢管114×6.4mm，采用定向钻方式敷设。入土角8°，出土角6°，穿越水平长度755.6m，穿越管底设计标高为-12m处。根据入土点高程计算，穿越深度约为30m（距离入土点深度），实际深度24m。出入土两侧均存在卵石层地质结构，出土点卵石层厚12m，入土侧卵石层厚14m。二、出、入土端的卵石层的处理为了避免出、入土端卵石段塌方造成卡钻事故，采用在入土端打斜套管和在出土端采用开挖卵石层换土这两种方式避开卵石段。入土端

3、套管顶进过程中，首先顶进2032mm×30mm的钢套管，当顶进至约35m左右，顶推力过大（达到360t），我们估算如果按照设计要求，即使推力达800t，也未必能完成剩下的套管顶进。为此，我们通过向建设单位以及设计单位等申请，于原2032mm×30mm内顶进一根1650mm×20mm的钢套管作为主支撑套管以有效的减小顶进力，从而保证施工的顺利完成。但由于两种套管间隙较大，在1650mm×20mm的顶进过程中出现了顶推力突然加大的现象，我们分析主要为在顶进过程中两层套管之间间隙返入个别较大的卵石造成的这种情况，为此我公司也有针对性的对泥浆、顶推力以及绞龙掏挖

4、长度等参数进行了及时的调整。当新顶进套管的底部已经触及岩层时，套管上部依然处于卵石层中，仍有卵石不断塌落，使得后续施工无法正常进行，而且此处含水量大，人员机械无法下到管头作业。为此，我们采用了“帽檐”法稳定套管上方的卵石层，从而保证缺口处卵石层有效支护。但在后来施工过程中由于帽檐翻转卡扩孔器，最后改为开挖处理，以至于后期出、入土点都有一个巨大的泥浆坑。不过在这个工程中得到的卵石处理经验，也为我们今后进行类似的工程施工提供了宝贵的技术支持。三、泥浆的问题泥浆是定向穿越中的关键因素，被视为定向钻的“血液”，其主要作用是携带和悬浮钻屑并排到地表、稳定孔壁和降低钻进时所需的扭矩和推拉力、冷却和冲洗孔底

5、钻具。但在此工程施工过程中却出现了以下几个问题：一是开挖坑内有自由水会返到孔洞内，对泥浆性能造成破坏，导致岩屑沉淀在孔洞内，出现复杂情况；二是泥浆不能实现流动净化,泥浆的净化装置不配套合理；三是泥浆泵排量与扩孔速度不配套，需要加大泥浆供给量，提高泥浆泵压和流量；四是泥浆性能不能满足要求，泥浆添加剂添加种类和数量需要调整。针对以上问题，现论述原因及解决措施如下：1自由水中的ca2+、mg2+渗透到泥浆中后产生了化学反应，降低了泥浆的粘结力，使得泥浆的粘度降低，造成泥浆的携砂能力下降，这也是造成孔内岩屑大量堆积，形成岩屑床的原因。在坑内水多，泥浆量少的情况下，我们采取在坑内下污水泵，把水抽走，边返

6、泥浆边抽水，待泥浆全部占满开挖坑（泥浆或抽走或循环使用）。随着泥浆返出的越来越多，自由水进洞就可以得到逆转，经过长期观察，原来从泥浆坑内抽水配置泥浆，后来就逐渐抽不动了，自由水已经不能流动，从现在的情况来看，我们下坑的污水泵，抽出的全是废泥浆，粘度在45秒以上，从此可以判断现在坑内不存在自由水的问题。这个现象从理论上也可以解释清楚，在扩孔过程中开挖坑内的泥浆越来越多，页面已经上涨了三米左右，目前已经形成了正的压差，泥浆在正压差的作用下，整个泥浆坑会形成密实的泥饼，泥饼会阻止地下水渗透到地层表面，同时泥浆的自由水会形成反渗透，这个反渗透就是所说的泥浆的失水，钻井泥浆的理论也是通过泥饼的阻止作用阻

7、止地下水渗透到井眼内的，这个过程是个平衡过程，如果现在清理泥浆，压差变小，平衡破坏，地下自由水会重新渗透到地层表面。2由于前期扩孔过程中产生的岩屑砂砾量非常大，泥浆携砂新能不高，有大量的砂和泥，这样为以后的扩孔和管线回拖工作留下了相当大的隐患。为此我们在穿越西侧再准备泥浆池，抽动开挖坑内泥浆，实现泥浆流动性能；为进一步改善泥浆净化装置，更好的利用回收泥浆，我们采用能处理泥浆中0.4毫米以上岩屑，每小时处理泥浆量为200方的黑旋风除砂器和除泥器。3成功的扩孔不仅需要使用适当的钻进泥浆，同时也要使用足量的泥浆以便在孔内形成可流动的泥浆，确定合理的扩孔速度，使泥浆和钻屑比例达到不小于11，从而降低回

8、拖力和扭矩，扩孔的速度须按照这个原则确定。例如：如果泥浆泵的排量为3m3/min，在1350扩孔的过程中，每扩1米长度所需要的泥浆量为*1.352/4=1.43m3/m，这样才能维持1:1比例的钻进液和钻屑。那么对于一个3m3/min泥浆泵每分钟能扩孔的长度为3/1.43=2.1m。我们根据上述计算方法判断出之前的扩孔速度较快，泵压和流量跟不上，孔内出现干燥的而且混合不良的钻屑，这时候就没有泥浆返出孔外，钻屑将停留在孔内，给工程造成隐患。为保证在回退扩孔器过程中的速度以及降低由于大孔洞情况下推钻杆造成钻具的折断等情况的发生，同时加大清孔力度，我们分别于出入土两侧停放两台钻机设备以及两套泥浆系统

9、。我们采用一台每分钟3m3和一台每分钟2.25m3方的泥浆泵，提高泥浆的压力和排量。4性能好的泥浆能起到悬浮岩屑、携带岩屑及稳定井壁的作用。根据前期泥浆携带岩屑能力不强，造成岩屑富集，扩孔后孔内残留钻屑较多的情况，以及自由水破坏坑内泥浆性能的现状。我们后期加大了膨润土和泥浆添加剂（正电胶粉、纯碱、大分子聚合物、滤失剂等）的投入，目的是保证泥浆在具备一定粘稠度的情况下，提高泥浆的流动性和泥浆动静切力，增强泥浆的携带型。后期泥浆的粘度基本保持在55s以上，且根据返浆情况来看，钻屑的携带量有了明显的提高。同时我们增加级间的洗孔次数，尽量清理孔内岩屑。四、牙轮磨损和钻屑清理问题在施工过程中，地质条件复

10、杂，主要体现在：地质为破碎性中砂岩含有石英砂和长石，软硬变化大。当进行400mm扩孔时，扩进非常困难，主要表现为扭矩大，钻具磨损严重，扩进速度非常慢，牙轮合金头磨损不是很明显，但是扩孔器外围、包括牙轮的侧壁、后背磨损严重，磨掉6个牙轮。并且在550掉两个牙轮，800掉一个牙轮（可能是帽檐翻转卡在边沿上掰断的）、930掉四个牙轮，1050掉三牙轮，每级扩孔都是从两头扩孔完成的。每级扩孔完毕后都需要使用打捞筒（内置磁铁）结合小绞龙进行打捞，浪费了大量的人力、物力和财力，并且严重拖延了施工工期。对于原因，我们判断为该段中砂岩岩体硬度并不是很高（大部分30mpa左右，个别4050mpa），但是其研磨性

11、非常大。而且地层中的砂岩为破碎性中砂岩，扩孔时易破碎，岩屑量大，泥浆很难携带出来，从而在孔洞中堆积，形成岩屑床，随着孔径的扩大，更不易携带出来，这些岩屑对扩孔相当不利。就是这些岩屑严重磨损了扩孔器的牙轮，使得牙轮从背部折断。为了加快施工进度，我们尝试了截齿和钢齿两种钻头所制成的扩孔器进行扩孔。发现扩孔效率大大提高，但是相对此地层，此两种扩孔器的耐用度也非常短，截齿扩孔器在扩进7根钻杆左右，合金齿全部磨光，钢齿扩孔器扩进12根左右，后背磨损严重，钢齿全部磨光，此两种扩孔器均不适应此种地层。在经历过掉牙轮的严重事故之后，最终我们打算在1050级扩孔时，增加了扩孔器的投入，决定每级扩孔准备三个扩孔器

12、，根据之前的扩孔参数及扩孔记录，多更换扩孔器，以保证不掉牙轮。另外，改进扩孔器的结构、工艺，提高扩孔器质量；购置结构合理新的扩孔器，比如上海钻一机械有限公司的牙轮式扩孔器和天津博伟中天有限钻具公司的滚刀式扩孔器（耐磨、效率低）。但是在采用滚刀式扩孔器对1050进行扩孔过程中，滚刀式扩孔器效率非常低，每小时约扩进1米，而且呈越扩越慢趋势，根据此速度，无法完成扩孔，随即决定更换扩孔器，扩孔器在退至套管头时，由于扩孔器自身重，而且后部无导向部分，扩孔器卡死在套管头部，由早晨5点至上午11点反复进退、旋转仍无法退出，经过研究分析，根据实际加设中心支撑架，经过一周打捞，将扩孔器救出。为此，扩孔器仍选用牙

13、轮式扩孔器，同时决定将套管头部段开挖掉。扩孔的同时，我们也自制了开口式清孔器进行清孔，清孔时使用新泥浆进行填充，直到看到开挖处有明显泥浆流出。清孔工作每级至少3遍。回拖前的清孔工作，我们采用绞龙组合式清孔器，清孔时速度和泥浆量要严格控制，泥浆量要增加，一方面，可以搅动孔洞中的钻屑，随泥浆流出，另一方面孔洞中的大钻屑被绞龙绞入清孔器内，随清孔器带出，清孔次数要依据钻机的参数和孔洞中的情况，保证回拖的顺利进行和防腐层不被破坏。五、卡钻现象我们在前期扩孔过程中，无明显征兆，扭矩突然增大，扩孔器迅速卡死，造成停工。因为地质是破碎性中砂岩，而且空洞内形成了岩屑床，所以我们分析卡钻主要是坍塌卡钻或岩屑床卡

14、钻。在没有有效办法克服卡钻的前提下，我们采用两台钻机相连，一方面在频繁更换扩孔器时回退迅速以及可以两头扩孔和避免一侧推钻杆造成钻具的折断，另一方面在出现卡钻现象时可以两台钻机一起解卡。但是如果采用硬力进行解卡，也会造成牙轮掰断的现象，给后来施工造成很大的困难。例如：在扩800孔时发生卡钻，卡钻后用另一台钻机解卡，结果造成牙轮掰断，经过2次打捞均未捞出，后采取绞龙清孔，将掰折牙轮清至软岩地层。在扩930孔的过程中，情况更为严重，扩孔至29根处，扩孔器卡死，使用任何单台钻机无法将扩孔器解卡，后使用两台钻机同时使力，方才解卡，待扩孔器退出后，扩孔器有3个牙轮掰折，后采用另一端扩孔，更换2个扩孔器，才

15、将930孔扩通。扩通后，用打捞器打捞牙轮，经过两级清孔器，才将930孔内杂物清理干净。同时我们也采取一些防止卡钻的预防措施，例如：添加正电胶粉等添加剂，提高泥浆密度（1.3g/cm3）及粘度(55秒)，使得钻屑更好的随钻井液带出孔；根据具体地质情况，降低钻进速度等。六、后续扩孔由于采用两头扩孔的方法，孔的曲线不能保证平滑，我们怀疑这种方式可能会产生台阶。果然在1050扩孔时，出现钻机扭矩正常，但是扩孔器空转不前进的情况。我们立即制作了锥形的扶正器，然后采用：钻机+钻杆+扶正器+扩孔器+钻杆+钻机的方式才顺利完成此级扩孔。为了在下级的扩孔中保证孔曲线的平滑，我们在1200、1350二级改进了设备的连接方式为：钻机+钻杆+扶正器（前一级扩孔器）+加重钻杆+扩孔器+加重钻杆+扶正器+钻杆+钻机。这样也起到了修孔的作