定向钻穿越教材

第九小组组长：谢元强组员：吴长松罗大胜杨帆贺英挺庞蕾刘娇周军某河段鹅卵石段定向钻穿越2024/3/27分工情况穿越设计：包括地质前期勘探、测绘、选址、施工工艺、施工时间、设备选用（杨帆贺英挺）定向钻管道穿越：系统组成（不同地层钻机选用以及相关技术要求），各控制系统设计（包括动力、电力、通信）（吴长松罗大胜）施工难点解决预案：包括施工设备的优化、卡钻事故、塌方、底层偏移、泥浆泄露、信号传输故障等事故预案（庞蕾刘娇）施工难点：套管施工中的上移问题，定向钻在钻孔时呈现S形定向钻的精确对接,塌方，卡钻等事故。2024/3/27定向钻敷管穿越

概述：某公司将在河南建设洛阳至驻马店建设成品油管道，其管道全长为425km。该成品油，管道在洛阳东南穿越黄河，需要穿越超过30m厚的卵石，越处管道规格为D355.6mm×9.5mm。在经过定向钻、跨越、盾构、顶管等多方案比选之后，选择了安全性、工期、维护量、经济性较好的定向钻穿越。2024/3/27二、工程分析：穿越卵石层一直是定向钻应用的难题，根据广泛的调研，国内定向钻穿越卵石层最厚为10m左右，且采用了入土端下套管，出土端大开挖的穿越方式。国内也有对定向钻穿越不超过10m

厚的卵石采用灌浆固结的方法，实施效果不太好，仍旧有较大规模的塌孔（可能由于灌浆施工单位施工原因或者砂卵石中胶结程度的不均匀，造成高压水泥浆不能到达预期的注浆区域）。工程分析2024/3/27工程分析本次穿越在出、入土点的卵石层厚度均超过30m，埋深超过40m。卵石层的通过方式是穿越成功的关键，对于30m厚卵石层.一、本穿越采用大角度出、入土并加设套管的方案；二、水平段避开了卵石层，在较深的地层中穿越；三、由于两侧卵石层都很厚，需要采用定向钻河底对接的技术。2024/3/27穿越设计三、穿越设计1、 地质情况：勘探显示，在勘察场地内地基土（岩）共分6层。①～③层为第四系全新统冲洪积形成的砂性土和碎石土，④层为第四系上更新统冲洪积形成的碎石土，⑤～⑥层为上第三系洛阳组沉积形成的粉砂岩、粉细砂岩。现自上而下分述如下：①粉土（Q4al＋pl）。浅黄色。局部夹粉细砂薄层，孔隙不甚发育，稍湿～饱和，松散。该层层厚1.40～8.50m，层底标高106.14～112.55m。②中细砂（Q4al＋pl）。褐黄色、灰黄色。矿物成分以石英、长石、云母为主，含有少量砾石。局部夹粉质黏土薄层，2024/3/27穿越设计饱和，松散～稍密。该层层厚0.50～8.80m，层底标高99.45～109.78m。③卵石（Q4al＋pl）。杂色。物质成分以石英岩、石英砂岩为主，次为安山岩、玄武岩等，磨圆较好，多呈亚圆形。一般粒径30～70mm，大者90～140mm，含零星漂石，卵石含量55%～60%，个别70%～80%。充填物为砂、小砾石及少量黏性土。饱和，中密。局部夹有砾石薄层。钻进中多有塌孔、漏浆现象。该层层厚16.70～32.80m，层底标高73.30～86.20m，在勘察区域内普遍分布。④卵石（Q3al＋pl）。杂色。物质成分以石英岩、石英砂岩为主，安山岩、玄武岩次之，磨圆较好，多呈亚圆形。一般粒径20～60mm，大者70～80mm，28第35卷第4期含零星漂石，2024/3/27穿越设计卵石一般含量55%～65%。充填物为砂、小砾石及少量黏性土。饱和，中密～密实。局部夹有砾石薄层。钻进较困难。该层钻孔揭穿部分层厚5.80～19.2m，层底标高63.15～74.79m，该层普遍分布。⑤粉砂岩（N）。浅黄色、褐黄色。矿物成分以石英、长石为主，含有灰绿色条带及黑色锰质成分。钙泥质微胶结，胶结较差，岩芯呈短柱状及散砂状，强度低，易风化碎裂。2024/3/27穿越设计局部夹泥岩薄层。该层层厚0.90～7.70m，层底标高56.71～70.05m，该层（含亚层）普遍分布。⑥粉细砂岩（N）。浅黄色、棕黄色。矿物成分以石英、长石为主，含有灰绿色条带及黑色锰质成分。钙泥质胶结，胶结一般，强度较低，局部胶结较好，强度较高，岩芯多呈短柱状及散砂状，局部夹有泥岩薄层。该层未揭穿，揭露厚度为2.5～16.8m，层顶标高为54.70～68.05m。2024/3/27定向钻系统组成钻机系统控向与造斜系统钻具泥浆系统回拖系统动力系统辅助系统2024/3/27钻机系统底座钻机架活动卡盘控制室2024/3/27底座其上有行程齿条轨道、人行道、扶手栏杆等。底座后底部有支撑腿，其上端与底座铰链联结，下端与钢垫块相连，垫块座落在地面上或固定在专用拖车上。后支撑腿高度可调，从而可以改变入土角度2024/3/27控制室有各种控制仪表、显示仪表和计算机系统，用以控制钻机架和转盘的速度与方向，远程控制泥浆泵，远程操作管钳（卡盘）。可对钻机推拉力、转盘扭矩和泥浆泵的压力排量进行调节。2024/3/27控向与造斜系统有线控向和无线控向无线控向只适用于短距离、浅层穿越，配合中小钻机使用，其特点是控向方便，准确，但受穿越深度和地形的限制，一般使用较少。有线控向适用于长距离、深层穿越，配合大型钻机使用。2024/3/27有线控向有线控向系统主要包括三部分：探头、控向软件和联接转换设备。探头用于测量磁方位角和井斜角。探头结构主要由一个三轴磁强计、一个三轴重力加速计、数模转换器和计算电路部分组成。三轴磁强计用于测量磁场矢量，三轴重力加速计用于测量重力场矢量。控向软件用于计算探头所在位置的里程、高程和左右偏差值。控向软件依据磁场矢量算出磁方位角，依据磁场矢量和重力场矢量算出井斜角。联接转换设备是将探头在井下测量的数据传输到地面，提供给计算机中的控向软件。2024/3/27动力与辅助系统柴油机、液压泵和发电机主要作用是为钻机、泥浆泵提供高压油，以驱动各部分的液压马达，同时为计算机、照明和空调设备提供电源。主要辅助设备有：起重机、单斗挖掘机、推土机和管道施工设备等。2024/3/27施工占地与施工准备1）施工占地①定向钻施工占地包括钻机场地、管线场地、蓄水池及泥浆池占地、管线焊接占地。②钻机安装场地的大小根据钻机型号而定。泥浆池和蓄水池占地根据管径的大小、场地及地质情况而定，尽量节约用地。③在出土点一端，应根据管道中心轴线、占地宽度和长度（为穿越设计曲线管道长度加50m），本着节约用地的原则，放出管道场地、泥浆池占地及管道焊接占地边界线，并标出拖管车出入场地路线和地点。④管道预制应在穿越中心线上，如地形不允许，从出土点起200m后方可弯曲，弯曲半径应不小于1500D（D为管子结构外径尺寸）。2024/3/27示意图2024/3/27示意图2024/3/27施工准备修筑施工便道平整场地仪器设备的检查维护施工辅助用料的准备钻机锚固系统2024/3/27修筑施工便道根据穿越地点的地理环境，在施工场地（入土点与出土点）与公路主干线之间修筑施工便道，施工便道的承载能力应不低于最重车辆或设备的重量，并在适当位置找一开阔地平整压实，以方便车辆调头进入钻机场地。2024/3/27平整场地在入土点，以穿越中心线为中线，平整场地，安放钻机、泥浆系统、钻杆和泥浆池等；在出土点平整作业场地，安放钻杆、钻具、挖掘机和泥浆池，设置合适大小的管线预制作业带。在合适位置开挖泥浆池、废浆池等收集废弃泥浆。根据穿越地段的地质情况及管径长度，配备一定数量的泥浆罐，准备好泥浆用料，并妥善保管好各类泥浆用料和油品，防止污染施工工地及水源。2024/3/27测量放线按照设计确定出的管道穿越中心线、入土点、出土点，在入土点侧测出钻机安放位置、地锚箱、泥浆池、占地边界等；在出土点侧测出焊接管道中心线及泥浆池位置、占地边界等；现场测量完成后，技术人员要及时编写施工计划、方案及措施，并向施工人员进行技术交底。2024/3/27安装钻机1）钻机一般应安装在入土点和出土点的连线上。钻机导轨与水平面的夹角与设计的入土角相等。2）钻机应安装牢固、平稳，经检验合格后进行试运转。3）应对控向系统进行准确调校，调校的基准参数应存入计算机内。2024/3/27操作要点1）液压起重机将钻杆吊上钻台，固定在能在钻台上移动的活动卡盘上，钻杆的前端连接钻头，后端与泥浆管路连通。开动泥浆泵后，泥浆推动钻头向前钻进，活动卡盘和钻头同步向前移动。2）当活动卡盘移动到钻台前部的固定卡具时，卸开钻杆接头向后移动活动卡盘，能放上一根钻杆（9.5m）时，吊上另一根钻杆，进行接加钻杆，接头安装卸开均靠前端卡具固定钻杆，活动卡盘的正反转动来完成，然后继续钻进2024/3/27操作要点3）钻头的入土角为7°～13°，出土角为4°～9°。特殊情况下，沿管线出、入土点的地面管道中心线，增设支撑管线曲率变化的滚动发送架，管线的最大入土角可以达到25°；管线穿越的水平长度不变，增大钻头的出、入土角和减小管线穿越的曲率半径（国外的管线穿越曲率半径最小达到80DN管径），可以有效地增加管线的穿越深度；增加管线的穿越深度，有利于防止跑浆造成地面塌陷，并增加了管线穿越优良地层的机会。入土角和出土角确定后，在曲线上确定若干点X、Y、Z三维坐标，此坐标返回控制盘上，控制各点坐标沿设计曲线向前推进。2024/3/27操作要点4）导向孔实际穿越曲线与设计穿越曲线的偏移量不应大于2m。出土点沿设计轴线的纵向偏差应不大于穿越长度的1%，且不大于12m；横向偏差应不大于穿越长度的0.5%，且不大于6m；5）钻杆和钻头在施工前应进行清扫，严禁有杂物，防止钻杆内有杂物堵住钻头水嘴造成事故。2024/3/27扩孔工艺1）扩孔器及扩孔次数的选择合理组合扩孔器系列，采用板式扩孔器和桶式扩孔器搭配使用，可确保孔道成形质量。预扩孔时，如发现某次扩孔的扭矩过大或摆动幅度过大，可适当增加扩孔次数，用相同尺寸的扩孔器重新扩孔1～2次。2024/3/27易塌方的地层流沙、淤泥以及疏松的粘质粉土和粉质粘土等地层，“孔道”与周围地层没有严格的界限，由“孔道”的中心线向四周分布为泥浆与钻屑混合的流塑状态物，在垂直于轴线方向上分布范围的大小取决于泥浆压力与地层压力差以及地层的含水情况等，泥浆的悬浮能力保证了“孔道”的稳定这种情形下，并不排除在采用桶式扩孔器时，局部地段会出现由于泥浆滤饼而形成孔道，但这时的滤饼环空尽管充满泥浆，却依然很脆弱，容易垮塌，最终还是以边界模糊的“孔道”占主导地位。这种“稳定”的受泥浆保护的“孔道”也是定向钻孔道的一种；在这样的地层中，要想满足管道顺利回拖的条件，十分关键的一点就是在扩孔时要提高泥浆排量、增加扩孔次数、加大扩孔直径从而在尽量大的范围内构建“孔道”。2024/3/27防洪措施2、 防洪要求按照洛阳—驻马店成品油管道穿黄工程防洪影响评价报告提供的数据，穿越断面处属于黄河游荡性河道河势及河床断面冲淤变化的复杂区域，1985年以来穿越断面处历年主流摆动达550m，预计今后一定时期内各种洪水条件下黄河主槽摆动范围可达1500m，主槽摆动范围内最大冲刷深度均为18m。主河槽管道必须位于冲刷线以下。2024/3/27管段与钻具连接1）检查切割刀和扩孔器内各通道及各泥浆喷嘴是否畅通，确认合格后方可连接；2）连接顺序宜为钻杆、麻花钻杆、切割刀、扩孔器、旋转接头、“U”型环、管道；3）切割刀直径宜比扩孔器直径大150mm，扩孔器直径宜比穿越管道直径大150mm，目的是减小拖拉力，保护防腐层；全部连接完后应泵送泥浆冲洗，检查各泥浆喷嘴是否正常，合格后方可进行回拖施工。管道回拖施工应连续进行，除发生不可抗拒的原因外，严禁在施工中无故停拖。2024/3/27保证定向钻的精确对接必须保证定向钻的精确对接在入土段和出土段均需要采取安装套管的方法穿过卵石层，由于定向钻穿越使用的导向系统是靠地磁来确