水平定向鉆穿越長(zhǎng)距離含姜石軟塑膠粘土層技術(shù)研究

王丙奎

摘 要：結(jié)合中石化重點(diǎn)工程日照一儀征原油管道工程水平定向鉆穿越京杭運(yùn)河膠粘土層的工程實(shí)例，重點(diǎn)說(shuō)明新的泥漿體系對(duì)此類地層穿越的作用，具體闡述了保證施工順利進(jìn)行采取的措施。

關(guān)鍵詞：水平定向鉆 膠粘土 泥漿

中圖分類號(hào)：P634.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）02（c）-00-02

雖然近幾年水平定向鉆穿越技術(shù)發(fā)展迅速，穿越紀(jì)錄不斷被打破，但穿越長(zhǎng)距離含姜石軟塑膠粘土地層，其成孔困難、易坍塌、扭矩壓力大、鉆具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題一直無(wú)法得到有效解決。在此類地層中進(jìn)行水平定向鉆穿越風(fēng)險(xiǎn)極大，難度極高。該文結(jié)合中石化日照至儀征原油管道工程淮安Ⅲ段京杭大運(yùn)河定向鉆穿越工程施工經(jīng)驗(yàn)，介紹該地層下穿越施工技術(shù)。其穿越主要地層為含20%姜石（粒徑1～3 cm）軟塑的膠粘土層。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

淮安Ⅲ段京杭大運(yùn)河定向鉆穿越工程穿越管徑Ф914×15.9，管線水平長(zhǎng)度911.2 m，定向鉆穿越實(shí)長(zhǎng)913.5 m，穿越段管線的最大埋深為20.9 m。施工選用DD-1100 500T定向鉆機(jī)及配套設(shè)備。

1.2 地質(zhì)概述

據(jù)地質(zhì)報(bào)告顯示，穿越段地層只有約5 m多的土層，5 m以下均為含20%姜石（粒徑1～3 cm）軟塑的膠粘土層，此類地層穿越長(zhǎng)度約為816 m。

2 施工特點(diǎn)

2.1 含姜石軟塑膠粘土層的工程地質(zhì)特性

膠粘土俗稱橡皮土，是含水量過(guò)多的粘土因土中的孔隙水不能排出形成軟塑狀土層的現(xiàn)象。其形態(tài)與嚼過(guò)的口香糖類似，附在物體表面后難以剝離，遇水粘爛，土性軟粘易回彈。姜石也是定向鉆穿越施工中的一種復(fù)雜地質(zhì)類型，為鈣質(zhì)結(jié)核，是沉積巖中與圍巖成分有明顯區(qū)別的某種礦物質(zhì)團(tuán)塊，其形態(tài)有球狀、卵狀及不規(guī)則狀等。

該類型地質(zhì)是定向鉆穿越施工中的難點(diǎn)，通常出現(xiàn)在河床底部。

2.2 定向鉆在含姜石軟塑膠粘土地層中作業(yè)存在的問(wèn)題

（1）在該地層條件下成孔，會(huì)遇到被切削下來(lái)的鉆屑未能有效地被帶出孔洞或離散在泥漿里，導(dǎo)向孔無(wú)法達(dá)到光滑而形成“爛孔”，不利于后續(xù)工序的進(jìn)行。

（2）粘附在鉆具和鉆桿上的膠粘土若不及時(shí)處理，粘豁效應(yīng)越來(lái)越強(qiáng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)結(jié)成厚厚的包裹層，大量消耗扭矩，造成無(wú)法成孔甚至停工。

（3）地層中含有姜石，在鉆導(dǎo)向孔的過(guò)程中，由于姜石質(zhì)地堅(jiān)硬，故而對(duì)鉆具的消耗較大，頂進(jìn)過(guò)程艱難，導(dǎo)向鉆頭特別容易偏離設(shè)計(jì)的方向。

3 施工中遇到問(wèn)題

（1）導(dǎo)向孔穿越施工至最后約100 m準(zhǔn)備出土?xí)r，鉆桿幾近粘住，此時(shí)鉆機(jī)已達(dá)最大旋轉(zhuǎn)壓力，而鉆桿幾乎不轉(zhuǎn)，推進(jìn)力無(wú)限接近鉆桿最大承受力。后采取回抽數(shù)根鉆桿，每根費(fèi)時(shí)45 min到1 h，盡管通過(guò)再次鉆進(jìn)僥幸打通導(dǎo)向孔，但長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)給設(shè)備造成了極大損耗。究其原因是施工中切削的粘土遇水膨脹，泥漿粘度大幅增加，降低了泥漿流速，致使孔道內(nèi)鉆屑未能及時(shí)帶出孔洞，并粘附在鉆具和鉆桿上，粘豁效應(yīng)越來(lái)越強(qiáng)，嚴(yán)重時(shí)結(jié)成厚厚的包裹層，大量消耗扭矩，甚至導(dǎo)致卡鉆。

（2）32英寸切擴(kuò)器經(jīng)過(guò)膠粘土（含20%粒徑1～3 cm姜石）地層時(shí)，鉆機(jī)扭矩壓力一直居高不下，造成鉆桿、鉆具多次被“抱死”。當(dāng)32英寸切擴(kuò)器擴(kuò)孔至約380 m處時(shí)，鉆機(jī)扭矩壓力最大達(dá)到4500 Psi，拉力最大到350 t時(shí)，鉆桿卡鉆，無(wú)法前進(jìn)和后退?？ㄣ@后立即停止鉆機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，防止損傷設(shè)備。

制定應(yīng)急方案，解決鉆桿卡鉆問(wèn)題：

①入土側(cè)使用DD-1100 500T定向鉆機(jī)鉆機(jī)套洗鉆桿2次，出土側(cè)調(diào)用280T鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)套洗鉆桿。

②修筑鋼管混凝土地錨，利用動(dòng)滑輪組與卷?yè)P(yáng)機(jī)回拉被卡鉆桿、鉆具。

雖然利用卡鉆應(yīng)急保障措施，成功的解救出被卡于地層內(nèi)的鉆桿、鉆具，避免了重大損失。但是，因?yàn)榈刭|(zhì)性質(zhì)，同樣的工程問(wèn)題，還會(huì)再次出現(xiàn)。在擴(kuò)孔、洗孔施工環(huán)節(jié)，所遭遇的工程問(wèn)題有。

①鉆機(jī)扭矩壓力過(guò)大（約2000 ～

4000 Psi）。

②地面鉆桿無(wú)法正常卸扣。

③地下鉆桿、鉆具多次被“抱死”，直至卡鉆。

④擴(kuò)孔器磨損嚴(yán)重。

⑤回流的泥漿量小。

（3）擴(kuò)孔器卡鉆的原因

①膠粘土形成的粘豁效應(yīng)，消耗了大量的扭矩能量。

②通過(guò)對(duì)回拖出孔洞的32英寸擴(kuò)孔器觀察，發(fā)現(xiàn)其攜帶的物質(zhì)為膠粘土包裹著姜石，并且主要堆集在擴(kuò)孔器的前面，從而使鉆機(jī)的扭矩壓力過(guò)大，造成卡鉆。

4 改進(jìn)泥漿體系

考慮膠粘土遇水膨脹，水敏性強(qiáng)的特點(diǎn)，認(rèn)為如何使泥漿能很好的抑制膠粘土分散，避免土層自身造漿，是當(dāng)前面臨的最大困難。應(yīng)對(duì)膠粘土，考慮其遇水容易膨脹的特性，要求配置泥漿時(shí)保持中低粘度，以增強(qiáng)泥漿流變性，易于鉆進(jìn)，并將沿途碎屑導(dǎo)出孔外并在孔壁上形成泥皮，穩(wěn)定孔壁，以便回?cái)U(kuò)。但針對(duì)含量20%的姜石，中低粘度的泥漿不能滿足使破碎的姜石懸浮并帶出孔洞的要求，這本身就與姜石地質(zhì)定向鉆穿越配制高粘度泥漿自相矛盾，那么如何保證泥漿的中低粘度的同時(shí)，又能很好的攜帶鉆屑（含姜石），成為京杭大運(yùn)河定向鉆穿越成敗的關(guān)鍵所在。

4.1 制定適宜含姜石膠粘土地層的泥漿配比方案

結(jié)合前期的施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出與含姜石軟塑膠粘土地層相適宜的泥漿體系應(yīng)具備如下功能。

（1）抑制鉆屑（膠粘土）分散，控制泥漿粘度，避免鉆桿“抱死”。

（2）優(yōu)異的流變性，便于及時(shí)攜帶出鉆屑。

（3）膠粘度強(qiáng)，具備碎屑的支撐、懸浮和運(yùn)載能力。

（4）支持鉆頭切削時(shí)粘土分散及造壁顆粒形成。

（5）濾失量低，泥餅薄且堅(jiān)韌、光滑，避免縮孔、塌方。

結(jié)合此段穿越地層膠粘土水敏性強(qiáng)、地層本身造漿嚴(yán)重的特點(diǎn)，決定放棄以往泥漿以水中加膨潤(rùn)土的配比方法，采用以水為分散介質(zhì)，輔以化學(xué)泥漿添加劑的泥漿配比方案。

根據(jù)泥漿功能要求，決定采用以強(qiáng)力包被劑COATER為主，輔以純堿（Na2CO3）、正電膠（MMH）、羧甲基纖維素（CMC）及潤(rùn)滑劑（HL-1）等為輔助處理劑的泥漿

體系。

各輔助處理劑在新的泥漿體系中所起到的主要作用。

⑴強(qiáng)力包被劑（COATER）：抑制鉆屑分散，控制坂土含量，吸附鉆屑。

⑵碳酸鈉（Na2CO3）：支持粘土分散以提供造壁顆粒。

⑶ 正電膠（MMH）：固-液雙重性及穩(wěn)定孔壁。

⑷羧甲基纖維素（CMC）：降低濾失量，提高攜帶能力。

⑸潤(rùn)滑劑（HL-1）：吸附在孔壁和鉆具表面，提高泥漿的潤(rùn)滑效果。

新的泥漿體系正是在各輔助處理劑的有機(jī)結(jié)合下，有效的解決了膠粘土和姜石對(duì)于泥漿性能（粘度）要求不同的矛盾，從綜合功效上滿足了含姜石軟塑膠粘土地層的要求。采用高粘羧甲基纖維素（CMC）來(lái)提高泥漿的粘、切性，從而改善泥漿攜帶姜石的能力，同時(shí)作為降低泥漿濾失量的主要處理劑。因?yàn)椴捎脧?qiáng)力包被劑（COATER）作為包被劑，降低鉆屑分散程度，使泥漿的粘土含量很低，確保泥漿具有優(yōu)異的流變性，達(dá)到及時(shí)攜帶出鉆屑的功能。

考慮膠粘土地層水敏性較強(qiáng)，依靠碳酸鈉（Na2CO3）提供造壁顆粒，依托正電膠（MMH）穩(wěn)定孔壁的特性，有效的防止了孔壁的坍塌或變形。參考前階段擴(kuò)孔期間鉆桿多次出現(xiàn)“抱死”現(xiàn)象，通過(guò)添加潤(rùn)滑劑（HL-1），降低鉆桿被“抱死”概率。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)處理要點(diǎn)

這套泥漿體系的關(guān)鍵就是泥漿預(yù)處理，預(yù)處理的成功與否是以后順利維護(hù)泥漿性能的基礎(chǔ)。

（1）預(yù)處理前的泥漿密度必須控制在1.1g/cm3 以內(nèi)。

（2）泥漿中的強(qiáng)力包被劑（COATER）含量以0.3%為好。另外根據(jù)實(shí)際需要加入足夠量的降濾失、提粘、防塌、潤(rùn)滑等輔助處理劑。

（3）隨時(shí)檢測(cè)泥漿中的強(qiáng)力包被劑含量，始終保證泥漿濾液中至少含有0.1%的強(qiáng)力包被劑。

（4）一般以1 kg/m的量進(jìn)行維護(hù)，視地層的造漿性可適當(dāng)增減。

4.3 隨時(shí)檢測(cè)泥漿濾液中的強(qiáng)力包被劑（COATER）含量的重要性

該泥漿體系維護(hù)起來(lái)最重要的一點(diǎn)是：隨時(shí)檢測(cè)泥漿濾液中的強(qiáng)力包被劑的含量。因?yàn)閺?qiáng)力包被劑對(duì)粘土具有非常強(qiáng)的吸附作用，正是如此強(qiáng)的吸附作用才使強(qiáng)力包被劑產(chǎn)生了非常理想的包被作用，這種包被作用的結(jié)果是使被鉆頭破碎的鉆屑基本保持原始狀態(tài)被泥漿攜帶到地面而被有效地清除掉，從而保持泥漿性能的穩(wěn)定，使以往的被動(dòng)性調(diào)整泥漿變?yōu)橹鲃?dòng)處理，這也是這套泥漿體系的性能控制主線。

正是強(qiáng)力包被劑的這種作用，所以它是不斷地被消耗掉的，因?yàn)槟z粘土地層中蒙脫石的含量越高，地層的造漿性越強(qiáng)，強(qiáng)力包被劑被消耗的速度越快，所以要保障不斷地進(jìn)行補(bǔ)充和維護(hù)。

理論上講，只要泥漿濾液中存在強(qiáng)力包被劑，就證明泥漿中的鉆屑是被強(qiáng)力包被劑進(jìn)行了飽和性包被的，否則濾液中就不會(huì)有強(qiáng)力包被劑的存在。

4.4 新泥漿體系應(yīng)用記錄

2010年12月11日，淮安Ⅲ段京杭大運(yùn)河定向鉆穿越工程擴(kuò)孔環(huán)節(jié)恢復(fù)進(jìn)程，采用鉆桿帶噴漿頭進(jìn)行孔洞內(nèi)泥漿置換，新的泥漿體系正式投入應(yīng)用。

擴(kuò)孔過(guò)程中，時(shí)刻觀察返漿情況。動(dòng)塑比高，泥漿粘度低，性能穩(wěn)定，濾失量得到較好控制。泥餅質(zhì)量好，泥漿中固相含量低，且鉆機(jī)扭矩壓力有明顯下降，在最大一級(jí)（54英寸）擴(kuò)孔過(guò)程中，扭矩壓力最大僅為3200 Psi，從而證明新的泥漿體系發(fā)揮了功效，解決了含姜石軟塑膠粘土地層的施工難題，保證了穿越工程的順利

進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

在施工中，面對(duì)穿越介質(zhì)含姜石軟塑膠粘土層的特殊工程地質(zhì)性質(zhì)，在無(wú)任何工程經(jīng)驗(yàn)可借鑒的前提下，針對(duì)各個(gè)施工環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)地層特性、施工設(shè)備本身、技術(shù)工藝進(jìn)行科學(xué)分析，開(kāi)發(fā)并成功應(yīng)用適應(yīng)含姜石軟塑膠粘土層的泥漿體系是保障工程順利進(jìn)行的關(guān)鍵所在。在施工中，逐漸了解并掌握了含姜石軟塑膠粘土層的特性，形成了水平定向鉆穿越含姜石軟塑膠粘土層的技術(shù)體系，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的技術(shù)空白。日儀原油管道工程建設(shè)中，與京杭大運(yùn)河定向鉆穿越地質(zhì)相同的淮沭河（東、西）及蘇北灌溉總渠穿越施工過(guò)程中，借鑒京杭大運(yùn)河穿越成功經(jīng)驗(yàn)，施工過(guò)程中應(yīng)用新的泥漿體系，有效的加快施工進(jìn)度，同時(shí)在保證穿越施工質(zhì)量的前提下，順利完成定向鉆穿越施工任務(wù)，大大縮短了施工周期，節(jié)約了工程投資，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉雷.卵石地層中水平定向鉆進(jìn)施工技術(shù).非開(kāi)挖技術(shù)[J].2011（6）：21-

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