第４期 ２０１４年８月 非开挖技术 Ｃｈｉｎａ Ｔｒｅｎｃｌｄｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．，２０１４ ７ 水平定向钻穿越松散地层中水泥固化技术研究 黄志 （江西省天然气有限公司，江西南昌） 摘要：本文围绕江西省天然气管道水平定向穿越施工实例，对水平定向钻穿越卵砾石层（不稳定地层） 进行固孔、防止坍塌问题进行了试验和研究。结合油田钻井工艺，借鉴钻井工程中的固井工艺，通过采取水泥 注浆工艺解决了卵砾石地层扩孔时孔洞不成孔、坍塌的难题，为以后类似工程建设提供了一定的参考依据。 关键词：水平定向、穿越、水泥固化 １引言 水平定向钻穿越施工工艺，在国内经过十多年 的工程实践，在一般土层穿越、高密实度砂层穿越、 中软岩石穿越、长距离穿越、大口径管道穿越等领 段。水泥浆配比试验、针对不同松散地层特点的参 数选择、水泥浆凝固速度的控制、水泥浆扩散半径 的控制等方面。 通过水平方向随钻灌注水泥浆的技术，将松散 地层固化成为适宜水平定向钻穿越的岩性均匀、强 度度较小、成孑Ｌ稳定的地层。在水平定向钻穿越施 工导向孔、扩孔过程中，保证水泥浆灌注固化处理 后的地层区域为软岩石区，达到将松散地层固化成 成孑Ｌ良好的较稳定地层。 域内技术工艺已经发展较快，日臻成熟。但在部分 地层条件下依然处于试验、探索阶段，这其中包括 象卵砾石层、低密实度中细砂层等松散地层条件下 水平定向钻穿越工艺。目前通常的做法是套管隔离 法，即将松散地层穿越段用一个可以通过扩孔器和 穿越回拖管的钢管隔开，成孔并回拖。这种工艺仅 适用浅表或中层的松散地层，针对深层松散地层具 定向钻穿越工程地质条件： 场地地层主要由：①卵石、②微风化泥质砂岩 组成，各岩石层特征自上而化分别描述如下： 有较大的局限性和不确定性。 地质改良技术是现在研究的一个方向。具体 为：通过随钻或地面区域注浆的方式，在水平定向 钻穿越曲线经过的区域中，松散不易成孔的地层通 过加注水泥浆硬化的方式，将该地层改良成岩性均 匀、硬度适中、渗透区域满足扩孔及回拖要求的地 层。这种工艺可适用于中深层松散地层的穿越工 ①卵石：灰黄色，中密一密实，亚圆形、圆形，石 英质，粒径一般２ｅｒａ～２０ｃｍ，最大可达３０ｅｒａ以上， 含量约５０％～７０％，其余为中粗砂，局部为粘性土。 厚度：１．７０ｍ一１２．９０ｍ；层底标高：１５．１０ｍ～２３．６０ｍ； 主要物理力学指标平均值：Ｎ ＝１６．６击。土石等级 为Ⅲ级。 程，但是水泥浆性能、灌注工艺、扩散半径等没有成 熟的技术和工艺。 ②微风化泥质粉砂岩：砖红色为主，局部棕红 色，岩芯较为完整，呈长柱状、短柱状，局部碎块状。 岩质较软，锤击声哑，易击碎。揭露厚度：１０．１０ｍ ３１．６０ｍ，顶板标高：１５．１Ｏｒｅ～２３．６０ｍ，该层未揭穿。主 要物理力学指标平均值：天然状态单轴抗压强度 ２松散地层水平定向穿越水泥固化技 术基本方法 该工艺主要借鉴于油田钻井工程中的固井工 艺，分实验室浆液配比试验及现场施工验证两个阶 Ｒｔ＝１６．１ＭＰａ，饱和状态单轴抗压强度Ｒｂ＝１３．１ＭＰａ。 土石等级为Ｖ级。 根据地质报告显示，①卵石层中填充物为中粗 第４期 黄志：水平定向钻穿越松散地层中水泥固化技术研究 ９ 阻卡。 ｃ、按实验数据要求，确定水泥用量、用水量、替 浆量、外加剂等。 ｄ、灌注水泥浆前对施工设备进行全面认真检 查、维护、保养、确保施工连续性。 ｅ－，灌注水泥浆工艺要求 （１）灌注水泥浆钻具下至设计井深，充分循环 直至振动筛无岩屑，钻井液性能均匀稳定后，才能 进行注水泥施工。 （２）根据水泥塞深度和施工时间做好水泥浆试 验。依据试验结果确定水泥添加剂送进量，并现场 混拌均匀后方可进行下一步施工。 （３）灌注水泥浆程序：注前置液２ｍ３￣４ｍ ；注后 置液ｌ ｍ３ ２ｍ，，按设计注入水泥浆量，水泥浆密度符 合设计要求，按预计灌注量计算替浆量。 （４）灌注水泥浆施工过程中，应上下活动钻具， 范围大于３ｍ，并间断活动转盘。 （５）顶替钻井液的计量准确，采用循环罐和时 间同时计量。 （６）钻具起出预计的水泥面以上，充分循环钻 井液两周以上。循环过程中，应上下活动钻具并转 动转盘。井口应安排专人观察钻井液返出情况，如 有水泥浆返出应及时排放掉。 （７）水泥塞侯凝时间＞２４ｈ； ２．２．３现场水泥浆固化试验 水泥浆灌注设计如下： 第１＃钻杆一第５＃钻杆采用水泥浆配比方 案ａ； 第 钻杆一第１】撑钻杆采用水泥浆配比方案 ｂ。注浆时按照设计的单根钻杆注浆量均匀回撤注 浆，利用钻杆内环空来进行水泥浆的灌注，边注浆 边往外拨出钻杆，单根钻杆注浆时间５ｒａｉｎ，中问间 隔１５ｍｉｎ，累计注浆时间６ｈ，共计注浆７２ｍ 。设计初 凝时间６ｈ，终凝时间２４ｈ，终凝强度１０ＭＰａ。实际终 凝时间３６ｈ后开始施工。 入土侧共注浆１００ｍ。．，注浆压力为１ＭＰａ，注浆 的速度为０．７ ．８ ｍ３／ｍｉｎ，孔洞封堵速度为 ３．２ｍ／ａｒｉｎ。每封堵一根钻杆的长度孔洞后，停止施工 １５ｍｉｎ，以保证水泥浆在重力作用下填充满整个孔 洞，水泥浆灌注６小时后，水泥浆已经初凝，３６小时 后，水泥浆终凝，其终凝强度在１４ＭＰａ。 ３管道穿越 ３．１导向孔钻进 导向孔钻进ｌ一１２钻杆出固化层，最大给进力 ３４Ｔ，扭矩摆幅在２０００Ｎｍ内，单根钻杆最大角度变 化为０．９。，根据经验可知：固化陈层１一ｌ２根钻杆区 与软岩层导向孔钻进数据相当。 ３．２拟敷设管道直径６１ ０ｍｍ 最大扩孔直径：９５０ｍｍ，按照６”的级差制定扩 孔工艺为九级扩孔：ｑ￣１８”、‘Ｐ２４”、‘Ｐ３０”、‘Ｐ３６”、‘Ｐ４２”、 ｑｏ４８ 、ｑ￣５４＂‘ｐ６０”、‘ｐ６４”。 ２０１１年３月２７日开始扩孔，７月１１日，‘ｐ１８”、 ｑＤ２４”、‘Ｐ３０”、‘Ｐ３６”、‘ｐ４２”、‘Ｐ４８”、‘ｐ５４”、‘Ｐ６０”、‘ｐ６４”九级 扩孔完成。 分析固化去每级扩孔数据可知： （１）最后一级‘ｐ６４ 扩孔通过固化区的钻杆最大 拉力为１３０Ｔ； （２）在固化区域内，九级扩孔扭矩摆幅少数几 根钻杆都控制在１００００Ｎｍ以内，且固化区钻杆绝大 多数扭矩摆幅都很小；在岩石穿越工程中，这种扭 矩变化证明该地层是岩性比较均匀地层，成孔效果 较好。 ３．３回拖 管道回拖力计算公式： 管道直径： ＝１０１６ｍｍ 壁厚；８＝１６．９０ｍｍ 管道长度：Ｌ＝７３４．３ｍ（管道实长） 其中： Ｆ＝ 孕一（半 ＋ｎＤ Ｆ一计算回拖力； Ｌ一穿越长度，为７３４．３ｍ， Ｄ～管道外径（包括防腐层厚度，防腐层厚度取 ３ｍｍ），１．０２２ｍ； Ｄ 一钢管外径，１．０１６ｍ； ｄ 一钢管内径；０．９７２ｍ； ８一钢管壁厚，０．０２２ｍ； 钢管容重，７．８５×１０４ Ｎ； ＾ｙ ～泥浆重度，取１２ｋＮ／ｍ３； 非开挖技术 Ｃｈｉｎａ Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２０１４年８月 ｆ一摩擦系数，一般在０．１ Ｏ．３之间，取Ｏ＿２； 孑Ｌ或成孔困难地层水平定向钻穿越施工，为拓展水 ｋ一粘滞系数，一般在０．０ｌ～０．０３之间，取 ０．０２。 平定向钻施工领域、降低施工风险提供了一定的技 术保障。达到向松散不易成孔的地层（如卵砾石层、 砂层）中加压灌注油井水泥，在较短的时间内使其 凝固成软岩地层，采用岩石穿越工艺进行水平定向 钻穿越施工的一种新工艺。 经计算：回拖力Ｆ＝２１２Ｔ。 实际回拖力为１３５Ｔ，扭矩摆幅小于５０００Ｎｍ。 根据工程试验验证，水平定向钻穿越工程穿越 松散地层采用水泥浆固化技术是可行的。 松散地层水平定向水泥固化技术推广应用到 其他地层，如：局部破碎岩地层、承载力很低的流砂 ５结论及建议 通过本项目的研究试验，顺利完成了松散不成 层或淤泥土层等其他复杂不易成孔地层。极大的拓 展水平定向钻施工领域。 本期刊登广告厂商目录 封面：江苏德航工程机械装备有限公司 封面拉折：河北衡水鸿非开挖机械工程有限公司 封底：美国ＤＣＩ公司 封二：美国ＤＣＩ公司 仪征市黎明电器设备有限公司 徐州徐工基础工程机械有限公司 廊坊雷克工程机械有限公司 德威土行孙工程机械（北京）有限公司 后页： 封三：廊坊钻王科技深远穿越工程设备有限公司 前页： 美国ＤＣＩ公司 天津立林石油机械有限公司 桂林市华力重工机械有限公司 深圳市钻通工程机械股份有限公司 衡阳中地装备探矿工程机械有限公司 南京地龙非开挖工程技术有限公司 中国地质科学院勘探技术研究所 美国十方国际公司 连云港黄海机械厂有限公司 威猛（北京）商贸有限公司 扬州广鑫重型设备有限公司 廊坊穿山甲钻具有限公司 福建省鑫勇通非开挖工程技术有限公司 山东运通市政工程有限公司 中国石油天然气管道局穿越公司 上海钟仓机械设备有限公司（日本ＲＡＳＡ工业公司）