对长距离天然气管道定向钻穿越岩石层施工工艺的探讨

孙琦 李明

摘 要：随着经济和科学技术水平越来越高，我国各方面得到了快速的发展，在保证经济稳定发展的同时，人们对环境保护的关注度越来越高。天然气是一种高效、低能耗、污染小的清洁能源，我国近些年非常重视天然气应用的发展，天然气管道项目建设越来越多，施工难度不一，而长距离天然气管道定向钻穿越岩石层是施工项目中必要的环节，技术难度很大。本文以某项工程为例结合相关技术资料对此进行了分析研究，希望能为我国天然气行业的发展提供一定的借鉴作用。

关键词：长距离;天然气管道;定向钻穿越;岩石层;施工工艺;分析

中图分类号：TE973.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）14-0110-02

近些年定向钻穿越技术得到了越来越多建设项目的应用，定向钻穿越技术的关键是需要把好控向关，主要操作方法是在导向孔钻进过程中使用无线控向系统，在出入土点两侧位置处的中心线布置地面信标系统，钻杆内可以通过信号反应钻具的位置，控向室可以通过钻具显示的位置进行操作调整，通过地面信标系统找到准确的方向，还可以减少外来磁场的干扰。长距离天然气管道定向钻穿越岩石层，非常需要这一技术的支持，并且此项技术具有安全度高、操作便捷的优点，十分适合在长距离天然气管道定向钻穿越岩石层施工中应用。

1 工程概述

本文主要选择了某石化天然气公司的某项工程的一个分支，施工环境相对复杂，施工难度较大，岩石层的抗压强度基本在70～120MPa之间。该段管道需要穿越岩石层，所以需要采用水平定向钻穿越施工技术。此段施工设计共计需要穿越的线路总长为1400米，实际需要的长度为1350米，施工时穿越的入土角度约10度，出土位置处的角度约为6度，穿越时选择使用φ508×8.7mm规格的管道，为避免回拖阻力过大，穿越管道曲率半径定为1500D，穿越深度需要达到至少20米，选择材质为直缝埋弧焊钢管。

2 工程定向钻穿越的地质条件

本次铺设天然气管道的工程路段处的岩层主要由风化泥质粉砂岩和砾岩构成，硬度较大，岩层的单轴极限抗压强度在70-120MPa之间。穿越点四周的底层由粉质粘土、粉砂以及砾石组成，并且硬度不一，河面较宽。

3 工程施工特点与施工工艺技术难点

3.1 工程施工特征

本次工程施工主要有三方面的特征，第一，需要通过定向钻穿越施工的路段距离较长，达到了1400米;第二，施工地段的地理环境复杂，岩层较硬且软硬度不一，存在已经逐渐风化的花岗岩、泥质粉砂岩层等，这对施工设备的安全性和质量要求较高;第三，由于施工距离以及施工难度的影响，施工工期会较长，并且容易出现各类难以预料到的情况，对工程的整体把控性要求较高。

3.2 施工工艺技术难点

前期已经对施工特征进行了描述，那么通过对工程施工特征的了解，可以明确的分析出进行长距离天然气管道定向钻穿越岩石层施工技术中的难点，具体如下。

第一，控向难度较大。由于受施工地段地理环境以及地质特征的影响，并且岩石层单轴极限抗压度均值较大，需要穿越的深度也比较深，所以增加了操作人员的控向难度。当地理环境越复杂时，电磁磁场越不稳定，所以增加了施工人员对施工地段数据信息收集的难度，当信息不准确时难以发出正确的指令，不能及时监督施工的进度并加以正确引导，同样增加了控向难度。

第二，扩孔难度较大。施工地段的岩石层硬度非常高，抗压强度最高值已经超过115MPa，这对地层扩孔技术的要求很高，并且在施工过程中还要避免出现“沉降”、“塌孔”一类的问题。

第三，对泥浆工艺的要求较高。由于施工地段的地质构成比较复杂，在施工中需要定向钻穿越不同的岩层面，这对泥浆工艺要求较高，因为在施工过程中需要运用泥浆将管道固定在岩石层中，不同的岩石层对泥浆的要求不同，并且需要泥浆具有良好的附着性、固壁性以及携屑力，避免出现“泥浆漏失”、“塌孔”等现象并将钻屑等杂物排除出来。

第四，容易发生钻杆变形甚至折断、管道损坏等问题。本次施工地段的整体工线较长，并且入土端的土层较软，荷载力不高，在施工的过程中会随着施工的位置的不断深入，推力逐步增大，这使得钻杆承受的压力越来越大，钻杆会逐渐变形，严重的情况就可能会折断。在实行回拖时，由于受到管道重量、线路长度以及管道与岩石面摩擦产生的阻力的影响，非常容易使管道磨损，发生损坏。

4 施工设计方案与施工工艺调整

通过上述内容对工程特征以及技术难点的说明，结合施工工程人员对施工地段数据信息的收集以及实地勘测，对需要进行施工的地段制定了科学的方案，并针对施工中的遇到的技术难点做了调整。

4.1 定向钻穿越施工中导向孔施工设计

在进行导向孔施工建设前，需要由专业的技术人员做好定向钻穿越曲线设计，并且根据实际需要选好定向钻穿越需要的设备，可以从以下几个方面进行操作。

第一，需要选用专业的技术人员，将实际勘测的结果以及相关政策相结合，综合考虑进行定向钻穿越曲线的施工设计，要考虑到地理环境以及其它因素对施工的影响，对出入土角度、穿越管道的深度等进行明确的分析、确认，进行多次演练，为之后进行施工做好基础。

第二，对于定向钻穿越施工过程中需要选择的设备方面，可以由工作人员根据相关资料的指导进行选择，寻找多个厂家，将各个厂家的设备进行质量、价格上的对比，选择性价比最高的，在节约成本的同时做到科学合理。在选择钻机的时候，要满足施工过程中对拖力、扭转力的需求，并且可以多选择一些钻头，用来满足不同情况时对设备的要求。要选择合适的控向系统，并要根据施工位置的其它参数选则合适的钻杆、扩孔器等设备工具。

第三，通过对定向钻穿越技术中导向孔施工中存在的难点进行分析，施工单位还可以采用一些适当的方式，提升导向孔施工的速度和效率。首先，可以选择一些适用的钻井液，减少施工工具尤其是钻具和孔壁之间的摩擦阻力，减少摩擦对钻头造成的损害;其次，可以利用一些信号数据捕捉设备的运行情况，比如使用信号设备固定在定向钻穿越中心线的地磁方向角处建立自有磁場，更加清楚直接、快捷的收集数据信息，提升钻孔作业的准确性;最后，选择可靠的泥浆马达来对导向孔进行处理，防止对导向孔造成伤害。

4.2 定向钻穿越施工中扩孔施工工艺

4.2.1 钻进工艺技术

由于此次施工工线长、岩石层较长且地质复杂，为了提升施工效率，保障施工安全，特地选用了“双钻机同步复式扩孔工艺”对钻进作业进行施工操作。这打破了传统的仅仅进行“反向扩孔”操作的局限性，提升了施工的整体效率，缩短了一定时间的工期，并且对施工过程的连续性有促进作用，一定程度上减少了施工过程中的成本。在实施过程中，首先，应该根据前期收集到的一些地质勘探的数据进行计算分析，找到合理的位置，并对岩石层进行科学合理的切割;其次，通过正反向相结合，提升作业效率，根据施工过程中的情况，及时对机器设备运转的角度、钻头的强度速度等进行调整，通过对施工位置的了解，把握好方向，做好岩石孔的维护工作;最后，要避免“卡钻”现象的出现，及时对施工力度、角度进行控制调整，使施工能顺利进行。

4.2.2 泥浆施工工艺技术

进行泥浆施工时，需要注意的是泥浆的调配问题，以本地段工程为例，需要将工业专用土和水进行科学混合，可以按照8%-10%的比例配置出基浆，然后放入3%-9%占比的增粘剂、清屑剂、护壁剂等制剂，改善泥浆的性能，使其能够满足施工作业的需求。

4.2.3 回拖施工工艺技术

在进行回拖施工操作时，可以通过控制一些施工步骤的操作情况，提升施工质量，比如利用回拖速度与旋转速度对土层和岩石的接触面进行打磨，利用泥浆于岩石面产生的摩擦力、泥浆自身的重量等因素对管线的连接进行处理，调整回拖产生的摩擦阻力，进一步提高施工质量和效率。

5 结语

综上所述，本文主要以某石化天然气公司的某项工程的一个分支建设为实例，通过其对长距离天然气管道定向钻穿越岩石施工技术的分析探讨，包括工程特征、施工技术难点、机械设备的选择等方面，提出了施工设计方案与施工工艺调整改进方案，从定向钻穿越施工中导向孔和扩孔施工设计的角度出发，提出了科学合理化建议，为长距离天然气管道定向钻穿越岩石层技术的发展提供了借鉴意义，为我国管道建设类发展事业做出了贡献。

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