大口径管道定向钻对穿工程设计优化与施工

西气东输二线泾阳泾河穿越是目前我国管径最大的管道长距离定向钻对穿工程,穿越地层主要为卵石层、粉砂层及粉质黏土层。在φ1219大口径钢管穿越设计中采用"大开挖深基坑埋管+长距离夯套管+定向钻对穿"的组合穿越方案,并在施工中实现了优化扩孔器组合、调整泥浆性能、使用推管机协助管道回拖等多种技术创新,成功解决了两岸厚卵砾石层穿越,河床高硬塑性粉质粘土层扩孔时卡钻、抱钻以及管道回拖卡管等施工技术难题,可供类似管径定向钻穿越工程参考。     

水平定向钻管道穿越技术的最新发展

为了实现更大管径、更长距离的管道穿越,提高我国水平定向钻的穿越施工能力和装备水平,对国内外水平定向钻管道穿越技术的最新发展情况进行分析,总结了近几年国内外大型水平定向钻穿越工程和采用的新工艺、新装备,目前水平定向钻管道穿越技术开始向大型工程、大型钻机和大型钻具的方向发展。研制开发了最大回拖力高达1 500 t的水平定向钻机,壁厚为一般钻杆厚度两倍的厚壁钻杆,杆体直径为244 mm的钻杆,机动灵活的模块化钻机,用于硬岩地层的PDC钻头和PDC扩孔器牙轮等水平定向钻新装备。此外,水平定向钻正向扩孔技术也得到越来越多的应用。这些最新发展对于促进我国水平定向钻施工技术与装备水平的提高和业务发展具有重要的指导意义。     

岩层定向钻穿越泥浆携带能力的提高

水平定向钻施工过程中,卡钻时有发生,既影响了施工进度,又造成经济损失。分析得出泥浆是影响卡钻的主要因素,其中泥浆的携带能力是泥浆的三大作用之一,论述了影响泥浆携带能力的5个主要因素,并确定了其选取范围。通过控制环空返速,提高钻具转速,调整合适的泥浆密度,提高泥浆流变性能及黏度等措施,提高了岩石地层定向钻泥浆的携带能力,降低了卡钻概率,为今后类似工程的设计、施工积累了经验。通过实验室实验,确定了适用于岩层定向钻穿越的泥浆配方,并应用于生产中,取得了良好的经济技术效益。(图1,表5,参11)     

管道定向钻穿越河流施工风险控制

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。结合某天然气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。（图1,表1,参6）     

地质条件对定向钻穿越的影响与应对措施

在长输油气管道工程设计中经常遇到黄土塬、游荡性大型河流、山体等不同地形地貌,如砾砂、卵石层、溶蚀性地层等多种地层条件及其组合。针对不同地形、地貌条件,对穿越曲线设计和泥浆工艺设计进行分析,结果表明:穿越曲线设计是定向钻穿越成功的基础;结合地形、地貌,设计具有针对性的穿越曲线是实现穿越工艺方案的关键;根据定向钻穿越地层的不同地层结构岩性,设计具有针对性的泥浆配比工艺参数,可以有效降低卡钻、抱钻及回拖阻力过大等风险;定向钻穿越时,灵活应用定向钻的单边钻、对向钻、水平钻穿越组合技术手段可解决传统技术手段难以解决的问题。     

管道回拖钻杆回弹原因及解决措施

管道回拖过程中,水平定向钻机卸钻杆后,其钻杆回弹的距离超越水平定向钻机钻机装卸钳的范围,必须增加过渡钻铤以实现二次回拖,增加了施工风险,降低了施工效率。分析得出钻杆回弹的原因为:钻杆在较大回拖力下的弹性变形以及多次扩孔后孔洞直径远大于理论扩孔直径。结合试验和现场施工经验,提出防止钻杆回弹的常规方法和措施:选用合理的吊篮高度,合理配重,开挖发送沟,提高泥浆润滑,提高扩孔质量等。此外,采用推管机助力回拖,能够降低水平定向钻机对钻杆的拉力;安装防止钻杆回弹的钻杆止回专用装置,避免二次回拖,有利于提高施工效率。     

水平定向钻施工数据采集及处理系统

目前水平定向钻施工中的数据长期依赖人工记录,容易出现人为误差、漏记现象,造成所记录的数据不能直观反映施工状况,不能科学高效地指导下一级扩孔施工.水平定向钻施工数据采集及处理系统通过压力变送器将扩孔扭矩、拉力、泥浆压力等施工数据进行实时采集,并将数据进行处理,提取出每根钻杆的最大扭矩、最大拉力、扩孔有效时间等参数,同时自动将这些数据绘制成对比曲线,直观反映定向钻穿越施工情况,科学预测下级扩孔可能出现的问题,从而提前制定预防措施.该系统的应用可降低施工风险,提高施工效率.     

基于ABAQUS的定向钻穿越钻具受力分析

定向钻导向孔钻进和扩孔过程中,钻杆经常由于疲劳损伤而断裂.在缺少相关规范要求的情况下,对于某超长距离定向钻穿越工程,运用大型有限元软件ABAQUS,建立了钻柱-孔洞全孔模型,综合考虑钻柱服役环境、岩土对钻柱的摩擦碰撞及泥浆的浮力等作用,分别对导向孔钻进、扩孔钻进两种工况下的受力情况进行了有限元分析,对钻杆寿命进行了安全性评价.模拟结果表明:超长定向钻导向孔钻进宜采用对穿;在导向及扩孔过程中,钻杆使用时间超过288 h后,宜更换钻杆.采取有限元法对钻杆受力进行分析,可以有效指导定向钻穿越施工.     

长距离复杂地层水平定向钻穿越管道施工技术

外钓岛—册子岛水平定向钻穿越管道工程穿越曲线超长,地质条件极为复杂,施工难度很大。通过对穿越管道工程特点及施工难点的分析,在导向孔钻进、扩孔工艺及泥浆控制等方面采取技术措施,解决了超长距离导向孔施工钻杆的失稳问题,以及长距离管道回拖中存在的钻机推力过大、管道易损坏等施工难题,实现了外钓岛—册子岛海底管道的定向钻穿越。     

大口径管道定向钻穿越复杂地层的设计与施工

西气东输二线举水定向钻穿越工程中,采用原定向钻单穿设计方案施工时,管道拖至覆盖层与岩层交界面处时受阻致使回拖失败。按照顺气流方向向右平移10m后重新进行穿越,实施对穿方案,并在原设计方案的出土端采用开挖、夯套管及注浆加固处理松软覆盖层的方法,最终成功穿越。分析首次穿越失败原因:未加固覆盖层、穿越管径过大以及扩孔器较重等因素共同作用导致扩孔时出土端覆盖层下沉,覆盖层与岩石交界面处形成台阶,使管道回拖卡阻。总结施工经验,在大管径定向钻穿越软硬交错复杂地层的设计与施工中,务必加固上部覆盖层,且扩孔、修孔、洗孔、回拖过程应连续进行,在特殊情况下,停止回拖时间不宜超过4h。     

齐青管道定向钻穿越铁路的方案设计与施工

介绍了齐鲁石化-青岛输气管道首次应用水平定向钻施工技术穿越蓝烟铁路的概况,论述了蓝烟铁路水平定向钻穿越方案的设计和实施过程,给出了穿越段钢套管的选用和管道防腐等程序,对定向钻穿越铁路的施工安全性进行了评估.     

定向钻穿越引发的环境地质问题机理分析

定向钻穿越技术自20世纪80年代引进以来，在管道穿越方面得到了广泛采用，到目前为止，已成功穿越大小河流上百条。随着大口径长输管道的兴建，定向钻穿越在某些特殊的工程地质和水文地质条件下，有引发塌陷坑、地面沉降和管涌等环境地质问题的潜势，为此，对可能产生这些环境地质问题的机理进行了分析。     

管道水平定向钻穿越技术的特征分析

简述了驻马店-信阳天然气输气管道淮河水平定向穿越施工的地质条件和设备的配置,介绍了管道水平钻进的入射角、出口角、曲率半径和深度等设计要素的确定方法,分析了导向钻孔、扩孔、回拖受力的特点和计算方法,并针对施工技术难点提出了相应的解决方案.     

大口径管道在水网地区的施工方法

介绍了西气东输管道工程在水网地区采用大口径管道施工的特点及方法。对施工便道修筑和作业带加固、河流和水塘及道路的穿越、管材运输等进行了论述，为今后类似的管道施工建设积累了一定的经验。     

水平导向对接技术在赣江穿越中的应用

赣江定向钻穿越是丰城-鹰潭段输气管道的控制性工程之一,工程包括河床和滩地两次穿越,管径大,距离长,穿越地层地质复杂。为了解决复杂地质条件河流的穿越问题,基于定向钻技术现有经验,对钻进工艺参数和泥浆系统参数进行了深入计算、分析和研究,基于两种非开挖技术夯套管隔离卵石和水平导向孔对接技术的各自特点,将二者结合应用,成功实现穿越。     

输气管道挖泥船水下成沟法河流穿越

以西气东输管道工程江南水网段的现场施工为例,介绍了输气管道水网地区采用挖泥船水下成沟法进行河流穿越的施工过程,对这种施工方法提出了具体方案和施工要求.     

盾构法隧道工程施工的定向测量

介绍了在红花套长江穿越盾构隧道施工中所采用的泥水加压平衡式盾构法施工工艺.针对盾构法施工的特点,进行了测量贯通误差分析,通过对各种测量方案的比选,提出了采用联系三角形定向测量法进行竖井定向测量的技术方案,为今后类似工程提供了科学依据.