水平定向钻穿越施工及其风险控制措施探讨刘盛兵　向启贵　刘　坤(中国石油西南油气田公司天然气研究院) 摘　要　通过对水平定向钻施工工艺的简述,对定向钻的危险有害因素进行了分析,并提出了风险控制措施,特别是对前期地质勘探调查、定向钻路由设计进行了强调,为定向钻的施工提供有益的帮助。

关键词　定向钻穿越　危险有害因素　风险控制 作为一项新兴的管道非开挖施工技术,水平定向钻穿越(HDD)以其导向准确,成功率高;对河床表面没有干扰,不影响河床底部的状况和结构;对周围环境及生态影响小;施工时不影响江河通航,不损坏江河两侧堤坝,施工不受季节限制,施工周期短;管道埋的深度大,能够避免因船只抛锚造成破坏管道的可能性和被流水冲刷发生裸露管现象的可能,确保所敷设管道安全;施工占地少、工时短、社会效率高、综合成本低等众多优势,具有其他穿越无法比拟的优点,尤其是忠武管道48处定向钻穿越、西气东输管道工程多处使用定向钻后,在天然气、石油等相关行业管道工程穿越中得到越来越广泛的应用。

水平定向钻与大开挖施工相比,因对设备、钻具较强的依赖性和地下钻进、导向孔、扩孔、回拖的不可见性,如遇到弱风化砂岩,钻具磨损大,难以通过;在卵石(砾石)地层中,如果卵石直径、含量超过一定数值后也难以成孔,使水平定向钻穿越具有较大的风险。

同时,工程管径大、设计压力高、管壁厚、安全性要求高等特点,使定向钻穿越技术的应用面临更大的风险和挑战。

为了把定向钻穿越施工的风险降低到最小,就要求在施工中采取一定的风险控制措施。

同时定向钻施工动用的机械设备、车辆、油料及材料较多,如大型钻机、大功率泥浆泵、挖掘机、焊管机和配套发电机等。

工程施工中又包括钻导向孔、拉拖管线、泥浆处理、电气焊、气割、管线防腐、管线试压等主要的较危险的技术环节与内容。

特别是在野外潮湿的环境中,接触电、易燃、易爆、有毒有害物品,施工技术等级和复杂程度又要求较高的特殊作业,安全工作更是重中之重,尤其要强调按规定审批和现场监护,制订安全作业指导书。

因此,必须分析研究定向钻技术施工中的危险有害因素,才能采取科学、合理、有效的风险控制措施。

1　定向钻穿越工程的施工工艺定向钻穿越施工,主要包括7大工艺步骤[1-3]。

1.1　场地选择、布管施工场地包括设备场地和布管场地。

HDD所需的工作场地最小,完全不同于传统铺设管线方法。

工作场地大小取决于钻进长度、管线直径和所钻地层,必须因地制宜,综合考虑入土点、钻机、场地周边环境等因素。

设备场地:多数情况下,50m×50m的设备工作场地是足够的,对于小直径管线的施工,20m×30m便可以,而直径非常大的管线铺设则需要大约70m×100m的场地。

布管场地:通常的水平定向钻进穿越出口处的工作场地大约需要20m×30m,而大直径的管线铺设场地要达到30m×50m。

管线的工作场地一般要离开出口处30m,且应有约10～15m的宽度。

1.2　施工前检验主要包括钻机调试、焊接检验、防腐检验、试压、清管等,此步骤对穿越管道施工和今后的安全运行至关重要,具体实施要求按相关技术规范执行。

353 石油与天然气化工　第37卷　第4期 CHE M I C AL EN G I N EER I N G O F O I L&GAS1.3　钻导向孔按设计轨迹钻进导向孔。

导向孔可用泥浆马达和钻头或仅用喷射钻头钻进。

为了控制钻进方向,安装了测量定位系统,通过测量定位系统可连续地检测和控制钻孔方向。

由于钻进中导向钻杆在跟进管的里面并被支撑着,所以防止了导向钻杆周围孔壁的坍塌,并为导向钻具提供了返回的通道。

钻导向孔是检验穿越曲线能否成功的主要环节,若出现异常,可以及时分析调整穿越曲线,降低工程风险,因此必须保证导向曲线的合理可靠。

1.4　扩　孔扩孔能使钻屑(土壤)和钻进液(泥浆等)充分混合,并形成合适的空间,降低阻力,便于管道回拖。

因此,须根据穿越管径、穿越地质、回拖阻力等情况,合理确定扩孔孔径和扩孔次数。

扩孔孔径按穿越管径逐步增大,每次扩孔增加100～150mm为宜,并选择合适的扩孔器。

1.5　管道回拖管道回拖是穿越工程最关键的一步,施工时必须连续作业,根据回拖阻力和导向曲线,合理控制泥浆,精确控向。

1.6　施工后复验为了检验回拖后管道的强度和密封性,并为穿越单项工程的竣工验收提供依据,复验是目前保证管道安全的最后一道检验措施。

主要包括强度试验、严密性试验、清管、干燥等。

1.7　场地复原当回拉和最后的试验完成后,布管场地和设备场地应复原,包括清除入口和出口泥浆坑的泥浆及泥浆坑的充填。

定向钻施工过程图见1,钻机及扩孔器见图2。

2　定向钻穿越工程的主要危险有害因素[1-2]2.1　设计阶段(1)工程施工前没有对地质情况进行详细调查,从而导致穿越失败事故。

如穿越过程中遇大尺寸卵石或飘石可能致使穿越失败。

(2)设计时选用的泥浆性能不符合相关地质地层要求,可能导致钻进失败。

2.2　施工阶段(1)钻机锚固不稳定,可能导致钻进和回拖失败,甚至造成设备损坏和人员伤亡。

(2)定向钻穿越施工如预扩孔的次数过多、过大或回拖的速度过快,容易造成堤坝的塌陷或崩裂。

(3)穿越段曲率半径相对较小,管段自重较重,如出现孔壁成形不好、塌孔、缩径、回拖万向节或U 形环失效、设备故障、钻机锚固不牢、回拖中途因故停滞时间过长等情况,都可能导致回拖失败。

(4)在钻导向孔过程中,如果出土点纵向、横向偏差和实际穿越曲线与设计穿越曲线偏差较大,或出现急弯、死折等;或由于扩孔后孔洞不规则,使管道与扩孔器以及钻杆轴线形成夹角,均有可能造成钻杆承受弯矩过大,从而导致钻杆发生断裂。

(5)穿越中如采用预扩孔方式,如穿越段地下地质不均匀,探孔偏少,可能发生卡钻、泥包钻或扩孔器不能前进的现象;地下泥浆渗漏可能引起塌孔、堵孔。

这些都可能造成预扩孔失败。

(6)管道下沟时如果不采取适宜的方法,可能导致吊管机倾翻,预扩孔或回拖过程中如果设备出现故障,停工时间过长可能造成卡钻或回拖失败。

(7)在粉砂或流砂地质条件下穿越地上河,可能在堤脚产生管涌。

如不及时处理或处理不当,可能引起溃堤。

453水平定向钻穿越施工及其风险控制措施探讨 2008　2.3　管理方面(1)穿越施工中存在的高空、半高空作业和装卸作业,缺少围栏、防滑措施不到位、捆绑不牢、操作不当都可能造成人、物坠落。

(2)除钻机本身采用全液压力头之外,其它动力和现场照明常由系统配套的发电机提供。

整个电力系统包括发电机、控制柜、配电箱、电缆、电线和灯具。

如果不采取有效的保护措施,电力短路可能引起火灾、人员伤亡或设备损毁。

(3)水平导向钻进在钻机的进入点和钻杆的出口点均涉及回转的设备。

员工在过于接近回转设备的条件下工作可能导致被卷入,受到严重的伤害甚至死亡。

(4)油罐区内柴油遇明火而发生火灾、爆炸事故。

(5)距居民较近的钻机场地,夜间作业的设备噪声可能影响居民的正常休息。

(6)地上冒浆、跑浆可能造成耕地、水域污染;设备、油料储罐的封盖不严、密封不好,或未采取有效的隔离措施会造成作业场地污染。

3　定向钻穿越工程的典型案例分析3.1　西南成品油管道鉴江定向钻穿越工程[4]3.1.1　事故概述西南成品油管道鉴江定向钻穿越工程经过三次改线才完成管道穿越。

管道在第一次开始挂管回拖至第22根钻杆时发生了浮管事件,第一次穿越宣告失败。

首次穿越失败后,设计单位重新布置了穿越曲线,并进行地质勘探,但在第二次穿越钻进过程中遇到坚硬岩层,钻机无法继续钻进,被迫撤回钻杆而导致失败;再次重新进行地质补探后,决定穿越轴线向上游侧偏移一定距离。

导向孔钻进中发生塌方事故,发现钻杆顶出江面而导致第三次穿越失败;最后建设各方根据补探的地质资料,认为穿越失败的主要原因是定向钻进位于鉴江西岸,而鉴江东岸为埋深较浅的坚硬岩层,当钻杆到达出土侧时遇到坚硬岩层,由于钻杆长度已经超过200m,穿越能力下降,并且江面覆盖层较浅,压重不足,在钻机推力作用下,极易出现顶杆事件。

因此最后决定穿越轴线向上游侧平移150m,在薄覆盖层处采取压重措施,并在鉴江东岸采用另外一台小钻机钻进导向孔,穿越鉴江后牵引大钻机钻杆过江的措施。

3.1.2　事故原因分析针对工程中出现的一些问题,认为此次定向钻进穿越施工失败有以下原因:(1)采用本次定向钻进穿越方案施工,没有对河床现状和地层情况进行实地调查校核,而是采用3年前测量的河床断面和地质水文资料;(2)本工程采用的钻机不适合钻进弱风化岩层;(3)工程施工前没有对设计图纸进行现场校核,因而发生了穿越浮管事件。

3.2　西气东输管道郑州黄河北岸定向钻第2次穿越工程[5]3.2.1　事故概述西气东输郑州黄河北岸滩地设计3次定向钻穿越。

2002年8月,在总长1102m的定向钻第2次穿越施工中,当D1016mm管道由北向南回拖至36m 时,钻具扭断脱落,退出,经扩孔处理后进行第2次回拖,拖入17根管时又被扭断,又退出,第3次拖至522m时钻具再一次扭断脱落,部分扩孔工具也断在井中,回拖工作无法进行。

3.2.2　事故原因事故发生的主要原因有以下几方面:(1)没有充分考虑钻井技术参数,如顶力、转速、排量对穿越的影响;(2)没能很好地掌握泥浆的配制;(3)欠缺对钻具进行优化组合的经验;(4)没有钻具管理维护及检测的标准;(5)上卸扣钳的扭矩不能定量控制,使钻杆在钻进时惯性上扣,造成胀扣、粘扣;(6)定向控制系统不完善等。

4　定向钻穿越工程的风险控制措施探讨[2-3]4.1　设计阶段的风险控制设计的风险来源于基础资料的准确性、设计方案的合理性、关键设计技术措施是否到位等。

特别553 石油与天然气化工　第37卷　第4期 CHE M I C AL EN G I N EER I N G O F O I L&GAS是地质资料的准确性、管材和防腐材料的选择、泥浆类型和设计方案的多方案比选等。

4.2　施工阶段的风险控制(1)管道拉伤、防腐层破坏的风险控制措施。

水平定向钻穿越管段一般埋深比较深,在回拖过程中很容易造成拉伤,管道防腐层易被破坏。

对此,应严格控制焊接工序,保证焊接质量,并严格执行100%的射线探伤和100%的超声波探伤;管道焊口的热收缩套防腐层尽量采用和管体同样的防腐材料,增强防磨性能。

(2)堤坝塌陷或崩裂的风险控制措施。

对堤坝塌陷或崩裂可采取的主要控制措施是确定和采用合理的施工工艺,保证出入土点离堤坝的安全距离,并在穿越过程中指定专人加强巡查;配备足量的应急工具和材料。

(3)设备故障的风险控制措施。

设备故障的主要控制措施是因地制宜地制定管道下沟方案、开工前认真检修和维护设备、作业间隙认真进行设备保养,同时配备足够的备品备件以应急需。

对设备做到勤维护、勤保养,发现问题及时抢修。