水平定向钻穿越长距离含姜石软塑胶粘土层技术研究

水平定向钻穿越长距离含姜石软塑胶粘土层技术研究

作者：王丙奎

来源：《科技创新导报》2013年第06期

摘要：结合中石化重点工程日照一仪征原油管道工程水平定向钻穿越京杭运河胶粘土层的工程实例，重点说明新的泥浆体系对此类地层穿越的作用，具体阐述了保证施工顺利进行采取的措施。

关键词：水平定向钻胶粘土泥浆

中图分类号：P634.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）02（c）-00-02

虽然近几年水平定向钻穿越技术发展迅速，穿越纪录不断被打破，但穿越长距离含姜石软塑胶粘土地层，其成孔困难、易坍塌、扭矩压力大、钻具磨损严重等问题一直无法得到有效解决。在此类地层中进行水平定向钻穿越风险极大，难度极高。该文结合中石化日照至仪征原油管道工程淮安Ⅲ段京杭大运河定向钻穿越工程施工经验，介绍该地层下穿越施工技术。其穿越主要地层为含20%姜石（粒径1～3 cm）软塑的胶粘土层。

1 工程概况

1.1 工程简介

淮安Ⅲ段京杭大运河定向钻穿越工程穿越管径Ф914×15.9，管线水平长度911.2 m，定向

钻穿越实长913.5 m，穿越段管线的最大埋深为20.9 m。施工选用DD-1100 500T定向钻机及

配套设备。

1.2 地质概述

据地质报告显示，穿越段地层只有约5 m多的土层，5 m以下均为含20%姜石（粒径1～3 cm）软塑的胶粘土层，此类地层穿越长度约为816 m。

2 施工特点

2.1 含姜石软塑胶粘土层的工程地质特性

胶粘土俗称橡皮土，是含水量过多的粘土因土中的孔隙水不能排出形成软塑状土层的现象。其形态与嚼过的口香糖类似，附在物体表面后难以剥离，遇水粘烂，土性软粘易回弹。姜

石也是定向钻穿越施工中的一种复杂地质类型，为钙质结核，是沉积岩中与围岩成分有明显区别的某种矿物质团块，其形态有球状、卵状及不规则状等。

该类型地质是定向钻穿越施工中的难点，通常出现在河床底部。

2.2 定向钻在含姜石软塑胶粘土地层中作业存在的问题

（1）在该地层条件下成孔，会遇到被切削下来的钻屑未能有效地被带出孔洞或离散在泥浆里，导向孔无法达到光滑而形成“烂孔”，不利于后续工序的进行。

（2）粘附在钻具和钻杆上的胶粘土若不及时处理，粘豁效应越来越强，严重时会结成厚厚的包裹层，大量消耗扭矩，造成无法成孔甚至停工。

（3）地层中含有姜石，在钻导向孔的过程中，由于姜石质地坚硬，故而对钻具的消耗较大，顶进过程艰难，导向钻头特别容易偏离设计的方向。

3 施工中遇到问题

（1）导向孔穿越施工至最后约100 m准备出土时，钻杆几近粘住，此时钻机已达最大旋转压力，而钻杆几乎不转，推进力无限接近钻杆最大承受力。后采取回抽数根钻杆，每根费时45 min到1 h，尽管通过再次钻进侥幸打通导向孔，但长时间、高负荷运转给设备造成了极大损耗。究其原因是施工中切削的粘土遇水膨胀，泥浆粘度大幅增加，降低了泥浆流速，致使孔道内钻屑未能及时带出孔洞，并粘附在钻具和钻杆上，粘豁效应越来越强，严重时结成厚厚的包裹层，大量消耗扭矩，甚至导致卡钻。

（2）32英寸切扩器经过胶粘土（含20%粒径1～3 cm姜石）地层时，钻机扭矩压力一直居高不下，造成钻杆、钻具多次被“抱死”。当32英寸切扩器扩孔至约380 m处时，钻机扭矩压力最大达到4500 Psi，拉力最大到350 t时，钻杆卡钻，无法前进和后退。卡钻后立即停止钻机的运转，防止损伤设备。

制定应急方案，解决钻杆卡钻问题：

①入土侧使用DD-1100 500T定向钻机钻机套洗钻杆2次，出土侧调用280T钻机进场套洗钻杆。

②修筑钢管混凝土地锚，利用动滑轮组与卷扬机回拉被卡钻杆、钻具。

虽然利用卡钻应急保障措施，成功的解救出被卡于地层内的钻杆、钻具，避免了重大损失。但是，因为地质性质，同样的工程问题，还会再次出现。在扩孔、洗孔施工环节，所遭遇的工程问题有。

①钻机扭矩压力过大（约2000 ～

4000 Psi）。

②地面钻杆无法正常卸扣。

③地下钻杆、钻具多次被“抱死”，直至卡钻。

④扩孔器磨损严重。

⑤回流的泥浆量小。

（3）扩孔器卡钻的原因

①胶粘土形成的粘豁效应，消耗了大量的扭矩能量。

②通过对回拖出孔洞的32英寸扩孔器观察，发现其携带的物质为胶粘土包裹着姜石，并且主要堆集在扩孔器的前面，从而使钻机的扭矩压力过大，造成卡钻。

4 改进泥浆体系

考虑胶粘土遇水膨胀，水敏性强的特点，认为如何使泥浆能很好的抑制胶粘土分散，避免土层自身造浆，是当前面临的最大困难。应对胶粘土，考虑其遇水容易膨胀的特性，要求配置泥浆时保持中低粘度，以增强泥浆流变性，易于钻进，并将沿途碎屑导出孔外并在孔壁上形成泥皮，稳定孔壁，以便回扩。但针对含量20%的姜石，中低粘度的泥浆不能满足使破碎的姜石悬浮并带出孔洞的要求，这本身就与姜石地质定向钻穿越配制高粘度泥浆自相矛盾，那么如何保证泥浆的中低粘度的同时，又能很好的携带钻屑（含姜石），成为京杭大运河定向钻穿越成败的关键所在。

4.1 制定适宜含姜石胶粘土地层的泥浆配比方案

结合前期的施工经验，总结出与含姜石软塑胶粘土地层相适宜的泥浆体系应具备如下功能。

（1）抑制钻屑（胶粘土）分散，控制泥浆粘度，避免钻杆“抱死”。

（2）优异的流变性，便于及时携带出钻屑。

（3）胶粘度强，具备碎屑的支撑、悬浮和运载能力。

（4）支持钻头切削时粘土分散及造壁颗粒形成。

（5）滤失量低，泥饼薄且坚韧、光滑，避免缩孔、塌方。

结合此段穿越地层胶粘土水敏性强、地层本身造浆严重的特点，决定放弃以往泥浆以水中加膨润土的配比方法，采用以水为分散介质，辅以化学泥浆添加剂的泥浆配比方案。

根据泥浆功能要求，决定采用以强力包被剂COATER为主，辅以纯碱（Na2CO3）、正电胶（MMH）、羧甲基纤维素（CMC）及润滑剂（HL-1）等为辅助处理剂的泥浆

体系。

各辅助处理剂在新的泥浆体系中所起到的主要作用。

⑴强力包被剂（COATER）：抑制钻屑分散，控制坂土含量，吸附钻屑。

⑵碳酸钠（Na2CO3）：支持粘土分散以提供造壁颗粒。

⑶正电胶（MMH）：固-液双重性及稳定孔壁。

⑷羧甲基纤维素（CMC）：降低滤失量，提高携带能力。

⑸润滑剂（HL-1）：吸附在孔壁和钻具表面，提高泥浆的润滑效果。

新的泥浆体系正是在各辅助处理剂的有机结合下，有效的解决了胶粘土和姜石对于泥浆性能（粘度）要求不同的矛盾，从综合功效上满足了含姜石软塑胶粘土地层的要求。采用高粘羧甲基纤维素（CMC）来提高泥浆的粘、切性，从而改善泥浆携带姜石的能力，同时作为降低泥浆滤失量的主要处理剂。因为采用强力包被剂（COATER）作为包被剂，降低钻屑分散程度，使泥浆的粘土含量很低，确保泥浆具有优异的流变性，达到及时携带出钻屑的功能。

考虑胶粘土地层水敏性较强，依靠碳酸钠（Na2CO3）提供造壁颗粒，依托正电胶（MMH）稳定孔壁的特性，有效的防止了孔壁的坍塌或变形。参考前阶段扩孔期间钻杆多次出现“抱死”现象，通过添加润滑剂（HL-1），降低钻杆被“抱死”概率。

4.2 现场处理要点

这套泥浆体系的关键就是泥浆预处理，预处理的成功与否是以后顺利维护泥浆性能的基础。

（1）预处理前的泥浆密度必须控制在1.1g/cm3 以内。

（2）泥浆中的强力包被剂（COATER）含量以0.3%为好。另外根据实际需要加入足够量的降滤失、提粘、防塌、润滑等辅助处理剂。