中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司 河北沧州 062550
摘要：随着管道建设业的迅速发展，管径在不断增大，目前D1422管径的管道在国内也进入了尝试、起步阶段，甚至更大管径管道也将逐渐实施、建设。在国外D1422管径管道的定向钻已经有实施成功的案例。定向钻穿越技术在国内外已经非常成熟，随着大口径管道的发展，大口径超长距离定向钻的应用也将非常广泛，本文针对大口径长距离定向钻穿越施工难点进行分析并提出解决措施。
关键词：定向钻穿越；大管径；长距离
1 大口径长距离定向钻技术国内外发展现状
水平定向钻穿越对环境影响小。不破坏穿越的障碍物，尤其是采用水平定向钻机穿越水域河流时，没有水上、水下作业，不影响江河通航，不损坏江河两侧堤坝及河床结构。施工周期短、成功率高、安全可靠。并且随着施工技术的进步，定向钻穿越方式可以顺利穿越的地层越来越多，如粘性土、粉土、砂土和岩石层等。随着管道建设业的迅速发展，管径在不断增大，目前D1422管径的管道在国内也进入了尝试、起步阶段。在国外D1422管径管道的定向钻已经有实施成功的案例。随着管道建设的发展，管道设计施工中遇到超长距离定向钻穿越的可能性却越来越多，因此如何准确、经济、有效的解决大口径超长距离定向钻穿越技术，已逐渐成为管道建设的重要难题。
2 大口径超长距离定向钻的设备、机具选择
2.1 钻机的选择
大口径超长距离定向钻穿越管道自重较重，并且大口径的扩孔器与地层之间产生的摩阻较大，需要足够大的扭矩和回拖力才能完成逐级扩孔和最终的管线回拖。合理选择钻机的关键是应准确计算穿越所需回拖力，选择符合要求的钻机。
穿越管段回拖时的拉力按下式计算：
2.2 钻具的选择
钻杆：在定向钻施工中，钻杆应有足够的强度，以免扭折、拉断，又要有足够的柔性，才能钻出弯曲的孔道。同时长距离大管径管道定向钻穿越，钻杆在孔中需要克服的摩擦阻力大，推盘所需的推拉力大，因此选配适当直径的钻杆很重要，一般来说，选用的钻杆是达到API标准的S-135以外加厚钻杆，直径为5″以上，刚性好，不易弯曲。为减少钻杆连接次数，节省钻进时间，提高效率，应优先使用较长的钻杆，国际标准长为30英尺。
钻铤及钻头：跟钻头连接的无磁钻铤直径在7″以上，一般选择大钻头，直径在10″以上，同时根据不同的地质条件选择不同的钻头，在较软的粘土中一般选择相对较大尺寸的钻头，在较硬的钙质地层中，选用相对较小的钻头，对于承载力较高的地层可选择镶齿或铣齿牙轮钻头，在硬岩中钻进则选择特殊的岩石钻头例如选用金刚石钻头，而对于承载力较低的地层可选择牙板钻头以便调整角度。
3 大口径超长距离定向钻施工难点分析及解决措施
3.1 导向孔钻进时阻力大钻进困难
由于管径大，管线自重、钻杆、钻具的重量较大，钻杆在进行导向孔施工过程中，受到穿越地层对钻头及钻杆的阻力及阻力矩随穿越距离的增大而增大，且在超过一定距离后，阻力和阻力矩增加很快，继续钻进非常困难。同时长距离穿越中导向孔方向控制较难。目前解决这一施工难点主要采取的措施是采用导向孔对穿技术，使用两台钻机首先在入土点和出土点两侧分别进行导向孔作业，两侧钻头按照预定轨迹到达对接区域时，通过导向系统完成两侧钻头定位和导向孔对接，进而出土点侧钻杆从导向孔中退出，同时入土点侧钻杆进入出土点导向孔，此时钻杆所受到的阻力和阻力矩就会大大减小，而且出土点位置可以准确确定。导向孔对穿工艺不但能避免长距离阻力大钻进困难的问题，还能通过对穿准确连头控制出土点偏差。
3.2 扩孔时由于重力作用易形成上窄下宽的鸭梨形孔洞
大口径超长距离定向钻穿越扩孔阶段，由于需要扩孔至1.3-1.5倍孔径，需要分级扩孔。扩孔过程中，由于扩孔器和钻杆钻具的重力作用使扩孔器下沉，随着扩孔器旋转，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。在经过多级扩孔后孔洞的截面成上窄下宽的鸭梨形。为避免扩孔产生鸭梨形孔洞，主要采取如下措施：（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，可有效的减少下沉距离。（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）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。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。
3.3 钻杆易断裂
通过总结定向钻穿越施工的经验，一般情况下大口径定向钻钻杆主要因为承受的弯矩过大而造成钻杆断裂。在钻导向孔过程中，如果实际曲线与理论曲线偏差较大，或出现急弯、死折等，都可能使钻杆产生过大弯矩而断裂。为避免钻杆断裂，有如下预防措施：（1）确保导向孔的质量，通常采用对钻的方式，同时提高控向水平，使对钻时能准确对接。（2）通过减少扩孔级数和合理配置扩孔钻具，避免扩孔阶段形成逐渐下削的孔洞。（3）合理使用钻杆，例如麻花钻杆较普通钻杆有着更高的强度和钢度，其抗弯和抗变形能力更强，因而其变形能力较普通钻杆差，避免选择麻花钻杆。
4 结束语
大管径长距离定向钻穿越存在以上施工难点，在设计及施工过程中应注意这些施工难点，并采取相应措施避免造成施工失败。随着定向钻施工技术的进步，大口径长距离定向钻的记录会被迅速刷新。
参考文献
[1]大口径管道定向钻对穿工程设计优化与施工-曾志华 2011年
论文作者:许立娟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/22
标签：钻杆论文; 钻头论文; 管道论文; 大口径论文; 导向论文; 阻力论文; 孔洞论文; 《建筑学研究前沿》2017年第16期论文;