水平定向鉆穿越長距離含姜石軟塑膠粘土層技術(shù)研究

1、水平定向鉆穿越長距離含姜石軟塑膠粘土層技術(shù)研究 摘 要：結(jié)合中石化重點工程日照一儀征原油管道工程水平定向鉆穿越京杭運河膠粘土層的工程實例，重點說明新的泥漿體系對此類地層穿越的作用，具體闡述了保證施工順利進行采取的措施。 關(guān)鍵詞：水平定向鉆 膠粘土 泥漿 中圖分類號：p634.5 文獻標(biāo)識碼：a 文章編號：1674-098x（2013）02（c）-00-02 雖然近幾年水平定向鉆穿越技術(shù)發(fā)展迅速，穿越紀錄不斷被打破，但穿越長距離含姜石軟塑膠粘土地層，其成孔困難、易坍塌、扭矩壓力大、鉆具磨損嚴重等問題一直無法得到有效解決。在此類地層中進行水平定向鉆穿越風(fēng)險極大，難度極高。該文結(jié)合中石化日照至儀征原

2、油管道工程淮安段京杭大運河定向鉆穿越工程施工經(jīng)驗，介紹該地層下穿越施工技術(shù)。其穿越主要地層為含20%姜石（粒徑13 cm）軟塑的膠粘土層。 1 工程概況 1.1 工程簡介 淮安段京杭大運河定向鉆穿越工程穿越管徑91415.9，管線水平長度911.2 m，定向鉆穿越實長913.5 m，穿越段管線的最大埋深為20.9 m。施工選用dd-1100 500t定向鉆機及配套設(shè)備。 1.2 地質(zhì)概述 據(jù)地質(zhì)報告顯示，穿越段地層只有約5 m多的土層，5 m以下均為含20%姜石（粒徑13 cm）軟塑的膠粘土層，此類地層穿越長度約為816 m。 2 施工特點 2.1 含姜石軟塑膠粘土層的工程地質(zhì)特性 膠粘土俗稱

3、橡皮土，是含水量過多的粘土因土中的孔隙水不能排出形成軟塑狀土層的現(xiàn)象。其形態(tài)與嚼過的口香糖類似，附在物體表面后難以剝離，遇水粘爛，土性軟粘易回彈。姜石也是定向鉆穿越施工中的一種復(fù)雜地質(zhì)類型，為鈣質(zhì)結(jié)核，是沉積巖中與圍巖成分有明顯區(qū)別的某種礦物質(zhì)團塊，其形態(tài)有球狀、卵狀及不規(guī)則狀等。 該類型地質(zhì)是定向鉆穿越施工中的難點，通常出現(xiàn)在河床底部。 2.2 定向鉆在含姜石軟塑膠粘土地層中作業(yè)存在的問題 （1）在該地層條件下成孔，會遇到被切削下來的鉆屑未能有效地被帶出孔洞或離散在泥漿里，導(dǎo)向孔無法達到光滑而形成“爛孔”，不利于后續(xù)工序的進行。 （2）粘附在鉆具和鉆桿上的膠粘土若不及時處理，粘豁效應(yīng)越來越強

4、，嚴重時會結(jié)成厚厚的包裹層，大量消耗扭矩，造成無法成孔甚至停工。 （3）地層中含有姜石，在鉆導(dǎo)向孔的過程中，由于姜石質(zhì)地堅硬，故而對鉆具的消耗較大，頂進過程艱難，導(dǎo)向鉆頭特別容易偏離設(shè)計的方向。 3 施工中遇到問題 （1）導(dǎo)向孔穿越施工至最后約100 m準備出土?xí)r，鉆桿幾近粘住，此時鉆機已達最大旋轉(zhuǎn)壓力，而鉆桿幾乎不轉(zhuǎn)，推進力無限接近鉆桿最大承受力。后采取回抽數(shù)根鉆桿，每根費時45 min到1 h，盡管通過再次鉆進僥幸打通導(dǎo)向孔，但長時間、高負荷運轉(zhuǎn)給設(shè)備造成了極大損耗。究其原因是施工中切削的粘土遇水膨脹，泥漿粘度大幅增加，降低了泥漿流速，致使孔道內(nèi)鉆屑未能及時帶出孔洞，并粘附在鉆具和鉆桿上，

5、粘豁效應(yīng)越來越強，嚴重時結(jié)成厚厚的包裹層，大量消耗扭矩，甚至導(dǎo)致卡鉆。 （2）32英寸切擴器經(jīng)過膠粘土（含20%粒徑13 cm姜石）地層時，鉆機扭矩壓力一直居高不下，造成鉆桿、鉆具多次被“抱死”。當(dāng)32英寸切擴器擴孔至約380 m處時，鉆機扭矩壓力最大達到4500 psi，拉力最大到350 t時，鉆桿卡鉆，無法前進和后退?？ㄣ@后立即停止鉆機的運轉(zhuǎn)，防止損傷設(shè)備。 制定應(yīng)急方案，解決鉆桿卡鉆問題： 入土側(cè)使用dd-1100 500t定向鉆機鉆機套洗鉆桿2次，出土側(cè)調(diào)用280t鉆機進場套洗鉆桿。 修筑鋼管混凝土地錨，利用動滑輪組與卷揚機回拉被卡鉆桿、鉆具。 雖然利用卡鉆應(yīng)急保障措施，成功的解救出被

6、卡于地層內(nèi)的鉆桿、鉆具，避免了重大損失。但是，因為地質(zhì)性質(zhì)，同樣的工程問題，還會再次出現(xiàn)。在擴孔、洗孔施工環(huán)節(jié)，所遭遇的工程問題有。 鉆機扭矩壓力過大（約2000 4000 psi）。 地面鉆桿無法正常卸扣。 地下鉆桿、鉆具多次被“抱死”，直至卡鉆。 擴孔器磨損嚴重。 回流的泥漿量小。 （3）擴孔器卡鉆的原因 膠粘土形成的粘豁效應(yīng)，消耗了大量的扭矩能量。 通過對回拖出孔洞的32英寸擴孔器觀察，發(fā)現(xiàn)其攜帶的物質(zhì)為膠粘土包裹著姜石，并且主要堆集在擴孔器的前面，從而使鉆機的扭矩壓力過大，造成卡鉆。 4 改進泥漿體系 考慮膠粘土遇水膨脹，水敏性強的特點，認為如何使泥漿能很好的抑制膠粘土分散，避免土層自

7、身造漿，是當(dāng)前面臨的最大困難。應(yīng)對膠粘土，考慮其遇水容易膨脹的特性，要求配置泥漿時保持中低粘度，以增強泥漿流變性，易于鉆進，并將沿途碎屑導(dǎo)出孔外并在孔壁上形成泥皮，穩(wěn)定孔壁，以便回擴。但針對含量20%的姜石，中低粘度的泥漿不能滿足使破碎的姜石懸浮并帶出孔洞的要求，這本身就與姜石地質(zhì)定向鉆穿越配制高粘度泥漿自相矛盾，那么如何保證泥漿的中低粘度的同時，又能很好的攜帶鉆屑（含姜石），成為京杭大運河定向鉆穿越成敗的關(guān)鍵所在。 4.1 制定適宜含姜石膠粘土地層的泥漿配比方案 結(jié)合前期的施工經(jīng)驗，總結(jié)出與含姜石軟塑膠粘土地層相適宜的泥漿體系應(yīng)具備如下功能。 （1）抑制鉆屑（膠粘土）分散，控制泥漿粘度，避免

8、鉆桿“抱死”。 （2）優(yōu)異的流變性，便于及時攜帶出鉆屑。 （3）膠粘度強，具備碎屑的支撐、懸浮和運載能力。 （4）支持鉆頭切削時粘土分散及造壁顆粒形成。 （5）濾失量低，泥餅薄且堅韌、光滑，避免縮孔、塌方。 結(jié)合此段穿越地層膠粘土水敏性強、地層本身造漿嚴重的特點，決定放棄以往泥漿以水中加膨潤土的配比方法，采用以水為分散介質(zhì)，輔以化學(xué)泥漿添加劑的泥漿配比方案。 根據(jù)泥漿功能要求，決定采用以強力包被劑coater為主，輔以純堿（na2co3）、正電膠（mmh）、羧甲基纖維素（cmc）及潤滑劑（hl-1）等為輔助處理劑的泥漿 體系。 各輔助處理劑在新的泥漿體系中所起到的主要作用。 強力包被劑（coa

9、ter）：抑制鉆屑分散，控制坂土含量，吸附鉆屑。 碳酸鈉（na2co3）：支持粘土分散以提供造壁顆粒。 正電膠（mmh）：固-液雙重性及穩(wěn)定孔壁。 羧甲基纖維素（cmc）：降低濾失量，提高攜帶能力。 潤滑劑（hl-1）：吸附在孔壁和鉆具表面，提高泥漿的潤滑效果。 新的泥漿體系正是在各輔助處理劑的有機結(jié)合下，有效的解決了膠粘土和姜石對于泥漿性能（粘度）要求不同的矛盾，從綜合功效上滿足了含姜石軟塑膠粘土地層的要求。采用高粘羧甲基纖維素（cmc）來提高泥漿的粘、切性，從而改善泥漿攜帶姜石的能力，同時作為降低泥漿濾失量的主要處理劑。因為采用強力包被劑（coater）作為包被劑，降低鉆屑分散程度，使泥漿

10、的粘土含量很低，確保泥漿具有優(yōu)異的流變性，達到及時攜帶出鉆屑的功能。 考慮膠粘土地層水敏性較強，依靠碳酸鈉（na2co3）提供造壁顆粒，依托正電膠（mmh）穩(wěn)定孔壁的特性，有效的防止了孔壁的坍塌或變形。參考前階段擴孔期間鉆桿多次出現(xiàn)“抱死”現(xiàn)象，通過添加潤滑劑（hl-1），降低鉆桿被“抱死”概率。 4.2 現(xiàn)場處理要點 這套泥漿體系的關(guān)鍵就是泥漿預(yù)處理，預(yù)處理的成功與否是以后順利維護泥漿性能的基礎(chǔ)。 （1）預(yù)處理前的泥漿密度必須控制在1.1g/cm3 以內(nèi)。 （2）泥漿中的強力包被劑（coater）含量以0.3%為好。另外根據(jù)實際需要加入足夠量的降濾失、提粘、防塌、潤滑等輔助處理劑。 （3）隨

11、時檢測泥漿中的強力包被劑含量，始終保證泥漿濾液中至少含有0.1%的強力包被劑。 （4）一般以1 kg/m的量進行維護，視地層的造漿性可適當(dāng)增減。 4.3 隨時檢測泥漿濾液中的強力包被劑（coater）含量的重要性 該泥漿體系維護起來最重要的一點是：隨時檢測泥漿濾液中的強力包被劑的含量。因為強力包被劑對粘土具有非常強的吸附作用，正是如此強的吸附作用才使強力包被劑產(chǎn)生了非常理想的包被作用，這種包被作用的結(jié)果是使被鉆頭破碎的鉆屑基本保持原始狀態(tài)被泥漿攜帶到地面而被有效地清除掉，從而保持泥漿性能的穩(wěn)定，使以往的被動性調(diào)整泥漿變?yōu)橹鲃犹幚?，這也是這套泥漿體系的性能控制主線。 正是強力包被劑的這種作用，所

12、以它是不斷地被消耗掉的，因為膠粘土地層中蒙脫石的含量越高，地層的造漿性越強，強力包被劑被消耗的速度越快，所以要保障不斷地進行補充和維護。 理論上講，只要泥漿濾液中存在強力包被劑，就證明泥漿中的鉆屑是被強力包被劑進行了飽和性包被的，否則濾液中就不會有強力包被劑的存在。 4.4 新泥漿體系應(yīng)用記錄 2010年12月11日，淮安段京杭大運河定向鉆穿越工程擴孔環(huán)節(jié)恢復(fù)進程，采用鉆桿帶噴漿頭進行孔洞內(nèi)泥漿置換，新的泥漿體系正式投入應(yīng)用。 擴孔過程中，時刻觀察返漿情況。動塑比高，泥漿粘度低，性能穩(wěn)定，濾失量得到較好控制。泥餅質(zhì)量好，泥漿中固相含量低，且鉆機扭矩壓力有明顯下降，在最大一級（54英寸）擴孔過程中，扭矩壓力最大僅為3200 psi，從而證明新的泥漿體系發(fā)揮了功效，解決了含姜石軟塑膠粘土地層的施工難題，保證了穿越工程的順利 進行。 5 結(jié)語 在施工中，面對穿越介質(zhì)含姜石軟塑膠粘土層的特殊工程地質(zhì)性質(zhì)，在無任何工程經(jīng)驗可借鑒的前提下，針對各個施工環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的問題，對地層特性、施工設(shè)備本身、技術(shù)工藝進行科學(xué)分析，開發(fā)并成功應(yīng)用適應(yīng)含姜石軟塑膠粘土層的泥漿體系是保障工程順利進行的關(guān)鍵所在。在施工中，逐漸了解并掌握了含姜石軟塑膠粘土層的特性，形成了水平定向鉆穿越含姜石軟塑膠粘土層的技術(shù)體系，填補了國內(nèi)在該領(lǐng)域的技術(shù)空白。日儀原油管