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長距離巖層拖拉管重點難點

作者: 發布于:2019-7-28 18:51:48 點擊量:

       定向鉆施工包括:導向,擴孔,托管三個階段。在長距離巖石施工中,這三個階段施工工藝和短距離巖石施工有所不同,以下從這三個階段對長距離巖石水平定向鉆施工進行分析。

1導向孔鉆進階段

1.1長距離巖石水平定向鉆中導向孔鉆進的難點在巖石層中進行導向孔施工,一般采用泥漿馬達,即動力鉆具作為動力源,其工作原理是使用高壓泥漿驅動泥漿馬達中的轉子高速旋轉,進而帶動鉆頭旋轉破碎巖石。經過對實際施工經驗和相關資料的總結,在長距離巖石層中進行導向孔鉆進,所遇到的難點主要有以下幾點:

(1)長距離巖石鉆進地層變化大,造成地層情況復雜,鉆進過程困難。水平定向鉆進的巖石層主要為河流相沉積巖,主要是砂巖、砂礫巖、泥巖、頁巖等地層,由于多數巖層都會經過多次的地殼運動,河流變遷,風化等地質作用,導致地層出現褶皺,斷層,裂隙,層間角度不整合等地質構造,地層情況復雜多變,這就給水平定向鉆進造成了許多困難,主要表現為:

①在細砂巖,中粗砂巖等風化程度比較小的堅硬巖石中鉆進,由于此類巖石抗壓強度大,且切削下來的巖屑對鉆具的磨損比較大,導致鉆進功效比較低。

②較軟巖層中,如破碎風化程度比較大的巖層鉆進,由于鉆具本身自重比較大,鉆頭會趨向于重力方向鉆進,導致鉆進角度比較難調整。

③軟硬交互地層,鉆進趨勢會趨向于軟巖層,造成鉆進曲線偏離設計曲線。

④裂隙、斷層巖層中鉆進,主要是鉆井液的漏失,導致鉆井液無法滿足施工,鉆進功效降低。

(2)泥漿對復雜地層的適應性不足。由于鉆進距離長,可能經過的地層比較多,泥漿原則上需要根據不同的地層采取不同的配方,如切削的巖屑比較大的地層,主要考慮泥漿的攜帶能力。但是由于實際施工需要同時保證施工質量和進度,還要控制施工成本,如果單純從泥漿要符合地層情況角度考慮,則付出的成本過高,且不利于施工進度。

(3)鉆進距離長,作用于鉆頭上的壓力不易控制。由于鉆進距離長,孔中鉆桿發生多次彎曲變化,鉆桿應力及所受外力十分復雜,鉆機操作臺上的讀數可能與實際情況相差比較大,這對司鉆人員的施工造成了一定的困難。

(4)其他困難:①鉆進距越長,孔內鉆桿彎曲越多,馬達工具面角越難調整。②鉆桿內信號線每隔幾十根鉆桿需要上一個線夾進行固定,線夾越多越阻礙泥漿的通行,造成憋壓。

1.2長距離巖石水平定向鉆中導向孔鉆進難點解決方案

針對以上提出的在長距離巖石水平定向鉆導向孔鉆進中遇到的困難,通過對實際施工經驗的總結以及查閱相關資料,特提出以下解決方案:

(1)地層問題解決方案

針對復雜地層,首先要根據勘察資料,詳細分析地層情況,主要從鉆進巖石的巖性,強度,破碎程度等方面入手研究分析巖石的可鉆性,主要從以下幾個方面采取應對方案:

①堅硬地層解決方案

在水平定向鉆進中,一般認為抗壓強度達到60MPa以上的巖石屬于堅硬巖石。在實際鉆進施工中,經常遇到的堅硬巖層一般是風化程度比較小的細砂巖,中粗砂巖,石灰巖等巖層,此類地層鉆頭壓入巖石困難,導致鉆進十分困難,且砂巖地層在破碎后巖屑對鉆具磨損十分嚴重。針對此類地層解決方案是:1)首先考慮使用硬質合金鑲齒牙輪鉆頭,此類鉆頭的耐磨性和韌性都可以較好的適應堅硬巖石地層。2)對于微風化且石英質含量較高的砂巖層,由于其硬度較高,巖屑耐磨性高,使用牙輪鉆頭可能磨損較快,使用壽命較短,此類地層可以考慮使用金剛石鉆頭,此類鉆頭抗壓強度高,抗磨損能力強,但也有一定的脆性,抗彎能力不足,且成本相對較高,使用時應當綜合考慮。

②軟巖地層解決方案

此類地層往往破碎程度比較大,風化程度較高,裂隙較多,且巖石中粘、粉含量較多,往往強度很低,甚至于比土層承載力都要小。在這樣的巖層中鉆進,由于鉆具自身重量較大,鉆進曲線會逐步向下彎曲,偏離設計曲線,主要解決方法是:(1)采用小直徑鉆頭,使馬達工具面角向上,快速向上頂進;(2)采用彎度較大的泥漿馬達,快速向上頂進;(3)如果以上兩個方案無法解決問題,可以考慮在軟巖地層中快速頂進,使鉆進曲線盡量靠近設計曲線,等穿過此地層后,再進行角度的調整;蛘咴谖淬@進軟巖層時,先將鉆進曲線調高,以對沖在軟巖地層中下掉的角度,此方法由于未知軟巖地層的可鉆性情況,采用時應慎重考慮。

③軟硬交互地層解決方案

根據軟硬地層的交互情況,以及巖層的巖性,在盡量接近設計曲線的原則下,采用以下方法:若軟巖層抗壓強度達到10MPa以上,可以考慮在軟巖層中鉆進。若軟巖層抗壓強度太小,則盡量在硬巖層中鉆進。

④裂隙、斷層地層解決方案此類地層主要問題是泥漿的漏失比較嚴重,可以在鉆井液中加入一定量的堵漏劑進行堵漏,以解決泥漿漏失問題。

(2)泥漿題解決方案

泥漿是水平定向鉆進的“血液”,具有十分重要的地位,而泥漿是否符合地層情況,在很大程度上也決定了鉆進的成功與否。根據以往施工經驗和相關資料,同時考慮在長距離巖石中鉆進施工,主要從以下幾個方面考慮:

①在礫巖、石灰巖等經過切削后產生較大塊碎屑(粒徑一般大于20mm)的巖層中鉆進,此時泥漿的攜帶能力成為最主要的考慮方面,主要是提高泥漿的動塑比,靜切力等指標,以使得鉆井液具有較大的攜帶能力。

②在砂巖等破碎后巖屑(粒徑一般小于2mm)比較小的巖層中鉆進,鉆井液的攜帶能力不再是主要的考慮方面,而對鉆具降溫則成為主要的考慮方面,這時需要適當的降低泥漿粘度,增強其流動性,使泥漿可以更好的循環。

③在泥巖、頁巖等粘粉類成分較多的巖層中鉆進,由于此類巖石易遇水軟化,出現“泥包鉆”現象,而頁巖又有吸水膨脹現象,在此類巖石中鉆進尤其要特別注意泥漿的配制,要特別注意以下兩點:1)盡量降低泥漿的濾失量,使泥漿濾失的水量盡量小,減少泥巖的水化程度。2)在頁巖中鉆進,可加入適量KCl,可有效抑制頁巖膨脹。

④泥漿中的固相含量在一定程度上影響著鉆進速度,一般情況下鉆石隨著固相含量升高而下降,所以要除去固相。在以往短距離水平定向鉆施工中,一般只采用回收系統進行泥漿的回收,但是在長距離巖石鉆進中,由于泥漿經過地層較多且用量比較大,考慮到更換新泥漿的成本比較大的問題,可以增加離心機除固相設備,可以較好的除去鉆井液中的固相成分,提高鉆速以及泥漿的攜帶能力。

⑤由于泥漿配制成本比較高,在長距離巖石鉆進中使用量比較大,如果單純為了與地層相適應,頻繁的更換鉆井液,則鉆進成本會大幅度提高,并且會增大工期。在長距離巖石鉆進中可以考慮針對主要地層確定鉆井液配方,在特別重要且對泥漿要求比較高的地層(如頁巖層)中鉆進要專門配制與之相適應的鉆井液。

(3)鉆壓問題解決方案

由于對水平定向鉆進中的實際鉆進壓力的理論計算尚未十分成熟,在粗略計算的基礎上,司鉆技工可以根據以往施工經驗和實際地層情況,適時調整鉆進壓力,以保證鉆進功效。一般認為鉆井液攜帶出的巖石碎屑較多,則成孔性較好,實際鉆壓接近壓力表上的讀數,反之,則差別較大,應適當增大鉆壓,以保證鉆速。

(4)其它問題解決方案

①鉆進距離越長,孔中鉆桿彎曲情況越復雜,馬達的工具面角越難調整,這時需要司鉆人員根據施工經驗多次調整,盡量將工具面角調整至需要的角度,如果鉆進角度偏差大,則立即查找原因,排除問題。

②線夾過多導致憋壓問題,可以適當減少線夾數量,也可以采用鏤空比較大的線夾,盡量保持泥漿流通順暢,減少憋壓程度。

2擴孔階段

2.1長距離巖石擴孔難點長距離巖石水平定向鉆進擴孔階段所遇到的問題比打導向孔更多更難,以往在短距離巖石擴孔中的一些技術在長距離擴孔施工中將不再適用,甚至會導致比較嚴重的后果。通過對實際施工經驗和相關資料的總結,在長距離巖石水平定向鉆進擴孔施工中主要有以下幾個難點:

(1)地層問題

現在地下輸油輸氣管道直徑越來越大,相應的穿越成孔的直徑也越來越大,長距離巖石擴孔中遇到的地層問題比短距離擴孔要復雜得多,主要有以下幾個難點:

①在細砂巖,中粗砂巖等風化程度比較小的堅硬巖石中擴孔鉆進,由于此類巖石抗壓強度大,而擴孔是靠鉆機拉著擴孔器頂入巖石然后旋轉切削巖石,所以比較難鉆進,且切削下來的巖屑對鉆具的磨損比較大,導致鉆進功效比較低。

②較軟巖層中,如破碎風化程度比較大的巖層鉆進,由于鉆具本身自重比較大,擴孔器會沿著重力方向逐步掉落,導致在軟巖中形成比較大的陡坡或擴孔“鍵槽”,這對下一級擴孔和回拖管道都不利。

③一般情況下,在穿越的兩岸都有土層和巖石層的交接處,當從土層擴孔進入巖石層時,由于巖石層擴孔時間長,會導致在土層和巖石層的交接處形成一個比較大的陡坎,這對下一級擴孔會造成一定困難,回拖時管道從陡坎進入巖石孔洞也是十分困難的。

④在裂隙、斷層巖層中鉆進,主要是鉆井液的漏失,導致鉆井液無法滿足施工,鉆進功效降低,成本增加。

(2)泥漿問題

泥漿在擴孔施工中具有極其重要的地位,孔中的巖石碎屑需要由泥漿攜帶出,在長距離巖石擴孔中,泥漿方面的問題主要有以下幾點:

①由于擴孔鉆進距離長,高壓泥漿在返流一定距離后,流速將逐步降低,導致距離擴孔器比較遠的孔中的巖屑比較難以攜帶出,因而孔中碎屑會逐漸堆積,形成滯留層等現象,導致擴孔器退出和進入孔洞困難,對下一級擴孔和管道回拖也不利。

②泥漿對復雜地層的適應性不足。擴孔鉆進可能經過的地層比較多,泥漿原則上需要根據不同的地層采取不同的配方,如切削的巖屑比較大的地層,主要考慮泥漿的攜帶能力。但是由于實際施工需要同時保證施工質量和進度,還要控制施工成本,如果單純從泥漿要符合地層情況角度考慮,則付出的成本過高,且不利于施工進度。

(3)擴孔工序問題

在以往短距離鉆進擴孔過程中,一般情況下只采用一臺鉆機進行擴孔,在推出換擴孔器的工序時,直接采用鉆機推鉆桿,將擴孔器推出孔后更換新擴孔器,然后進行下一次擴孔。而在長距離巖石擴孔過程中,由于擴孔距離特別長,在推擴孔器的過程中,由于擴孔器自重比較大,鉆桿受力過程十分復雜,鉆桿在受到推力和扭力之后,會發生旋轉和彎曲,距離越長,孔中鉆桿變形彎曲越復雜,鉆桿所受應力越復雜,對此種情況下鉆桿應力的計算雖然有一些學者有了一定的研究,但還不能完全符合實際情況,所以說在長距離巖石擴孔中如果采用鉆機將擴孔器推出的方法,則孔中鉆桿在復雜應力作用下,有可能經過長期的疲勞破壞,產生塑性形變或者是發生斷裂的嚴重后果。

2.2長距離巖石水平定向鉆中擴孔難點解決方案針對以上提出的在長距離巖石擴孔鉆進中遇到的困難,通過對實際施工經驗的總結以及查閱相關資料,特提出以下解決方案:

(1)地層問題解決方案

針對復雜地層,首先要根據勘察資料,詳細分析地層情況,主要從鉆進巖石的巖性,強度,破碎程度等方面入手研究分析巖石的可鉆性,同時根據導向孔鉆進過程的記錄和經驗總結,仔細分析地層情況,確定擴孔方案,主要從以下幾個方面采取應對方案:

①堅硬地層解決方案

在實際擴孔施工中,會沿著導向孔的軌跡進行擴孔,經常遇到的堅硬巖層一般是風化程度比較小的細砂巖,中粗砂巖,石灰巖等巖層,此類地層牙輪壓入巖石困難,導致鉆進十分困難,且砂巖地層在破碎后巖屑對鉆具磨損十分嚴重,極大地降低了擴孔器的使用壽命。針對此類地層解決方案是:(1)首先考慮使用金屬密封牙輪擴孔器,(專業巖石鉆具:牙輪鉆頭,牙輪擴孔器,泥漿馬達。電話15131758158李蒙)此類擴孔器的耐磨性和韌性都可以較好的適應堅硬巖石地層。

(2)對于微風化且石英質含量較高的砂巖層,由于其硬度較高,巖屑耐磨性高,使用牙輪鉆頭可能磨損較快,使用壽命較短,此類地層可以考慮使用含金剛石的擴孔器,但是制成的擴孔器成本相對較高,使用時應當綜合考慮。

②軟巖地層解決方案

破碎程度比較大,風化程度較大,裂隙較多,且巖石中粘、粉含量較多的地層,往往強度比較下,甚至于比土層承載力都要小,在這樣的巖層中鉆進,由于擴孔器自身重量較大,擴孔器會在導向孔的底部擴成較大的空洞,形成擴孔“鍵槽”,這對下一級擴孔和管道回拖都不利,主要解決方法是:(1)擴孔過程中,加大回拖力,增加牙輪的“吃入”巖石程度,增加單次旋轉切削量。(2)適當降低轉速,防止出現較大的擴孔“鍵槽”。(3)適當降低鉆井液排量,防止由于高壓泥漿的作用使孔洞出現部分坍塌。

③土層和巖石層的交接處解決方案

在土層和巖石層的交接處,由于擴孔形成的陡坎會對對下一級擴孔會造成一定困難,回拖時管道從陡坎進入巖石孔洞也是十分困難的,許多次管道無法正;赝暇褪怯蛇@種陡坎所造成的,所以對土層和巖石層的交接處的處理一定要特別重視,主要有以下幾點方案:(1)如果有條件在穿越兩岸進行夯套管作業,將松散土層隔離開,則采用這種最有效的方法。(2)如果無法在兩岸都進行套管作業,則進行擴孔作業時,一般可以從有套管的一側進行擴孔,從而使得在擴孔器可以從巖石層擴入土層,降低在土層中的作業時間,減小陡坎的嚴重程度。(3)如果穿越兩岸都無法進行夯套管作業,則可以在打導向孔的過程中調整馬達的工具面角,使得與巖石交界處土層中鉆孔曲線的曲率半徑小于巖石孔的曲率半徑,即人為的在導向孔作業時在土層中做一個梯形的“陡臺”,從而在擴孔作業中可以對沖掉可能會形成的“陡坎”,但是此種方法必須計算好土層中導向孔的曲率半徑,如果無法計算應該以多大的角度進行鉆進,則對此方法要慎重使用。

④裂隙、斷層地層解決方案

此類地層主要問題是鉆井液的漏失比較嚴重,可以在泥漿中加入一定量的堵漏劑進行堵漏,以解決泥漿漏失問題。

(2)泥漿問題解決方案

泥漿是水平定向鉆進的“血液”,在擴孔作業中具有十分重要的地位,可以說泥漿是否符合地層情況,在很大程度上直接決定了擴孔作業的成功與否。根據以往施工經驗和相關資料,同時考慮在長距離巖石中擴孔施工,主要從以下幾個方面考慮:

①針對由于泥漿流速不夠導致孔中碎屑堆積,形成滯留層的現象,可以通過以下方法解決:(1)在不憋壓的情況下,適當加大泥漿的輸出壓力,增大其起始流速。(2)每個幾十根鉆桿安裝一個噴漿短接,使得孔中泥漿可以實現二次加速,可以使整個孔中都可以較快返漿。

②在礫巖、石灰巖等經過切削后產生較大塊碎屑的巖層中鉆進,此時泥漿的攜帶能力成為最主要的考慮方面,主要是提高鉆井液的動塑比使得泥漿在行進過程中具有較大的攜帶能力,同時要適當增大泥漿的靜切力,使得泥漿在不流動時,其所攜帶的鉆屑可以懸浮在其中,保證泥漿的攜帶量。

③在砂巖等破碎后巖屑比較小的巖層中鉆進,主要的考慮對鉆具降溫,這時需要適當的降低泥漿粘度,增強其流動性,使鉆井液可以更好的循環。

④在泥巖、頁巖等粘粉類成分較多的巖層中鉆進,由于此類巖石易遇水軟化,出現“泥包鉆”現象,而頁巖又有吸水膨脹現象,在此類巖石中擴孔鉆進尤其要特別注意泥漿的配制,可以采取以下兩點:(1)盡量降低泥漿的濾失量,使泥漿濾失的水量盡量小,減少泥巖的水化程度。(2)在頁巖中鉆進,可加入適量Kcl,可有效抑制頁巖膨脹。

⑤泥漿中的固相含量在一定程度上影響著鉆進速度,一般情況下鉆石隨著固相含量升高而下降,所以要除去固相,這一點在擴孔作業中尤為明顯,在以往短距離水平定向鉆施工中,一般只采用回收系統進行回收泥漿,但是在長距離巖石鉆進中,由于泥漿經過地層較多且用量比較大,考慮到更換新泥漿的成本比較大的問題,可以考慮增加離心機除固相設備,可以較好的除去泥漿中的固相成分,提高鉆速以及泥漿的攜帶能力。

⑥由于泥漿配制成本比較高,在長距離巖石擴孔中使用量比較大,如果單純為了與地層相適應,頻繁的更換泥漿,則鉆進成本會大幅度提高,并且會增大工期,擴孔距離越長,更換泥漿時間越長。在長距離巖石擴孔鉆進中可以考慮針對主要地層確定泥漿配方,在特別重要且對泥漿要求比較高的地層(如頁巖層)中鉆進要專門配制與之相適應的泥漿。

 。3)擴孔工序問題解決方案

  在長距離巖石擴孔過程中,如果采用鉆機直接將擴孔器推出的方式,則由于鉆桿受力過程十分復雜,孔中鉆桿在復雜應力作用下,有可能經過長期的疲勞破壞,產生塑性形變或者是發生斷裂的嚴重后果。所以針對這種情況,最有效的解決方法就是在進擴孔器的一側也安裝一臺鉆機,輔助鉆進。此鉆機的主要作用就是負責將擴孔器拉出,而鉆桿的抗拉強度比較高,作業過程相對于推鉆桿這一過程將會安全的多。

 

3管道回拖階段

3.1長距離巖石水平定向鉆進管道回拖難點管道回拖階段一般情況下只有幾十個小時,相對于打導向孔和擴孔來說十分短暫,但卻是十分重要的階段,是定向鉆穿越的收尾,成敗的關鍵。在長距離巖石水平定向鉆進中,管道回拖的難點有:

(1)管道回拖力相對于短距離管道回拖力要大的多。

(2)回拖距離長,鉆孔中情況復雜多變,出現異常情況的概率大。

3.2長距離巖石定向鉆進中管道回拖難點解決方案

(1)對于管道回拖力大的問題,可以在管道回拖前,采用管道發射溝,滾輪架等方法降低管道回拖的起始回拖力,使得管道順利進入孔洞中。在鉆孔中回拖時,可以在泥漿中加入潤滑劑,降低管道與孔壁的摩擦力。如果孔洞過大,可以采用注水降浮的方式,使得管道不卡在孔壁上部,進一步降低摩擦力,進而降低回拖力。

(2)管道回拖距離長,孔中情況復雜多變,易出現巖屑堆積導致回拖不順的現象,可以加大鉆井液排量,將巖屑帶出孔中,孔中碎屑越少回拖越順利。

實際上,管道回拖階段的最主要的工作在導向孔和擴孔階段,導向孔鉆進的曲線平滑,擴孔過程順利且孔中巖屑比較少,則管道回拖相應會比較順利。

4結論與討論

本文通過對長距離巖石水平定向鉆進中三個階段的分析,總結出了各個階段中所遇到的施工難點,并提出了相應的解決方案。主要結論有以下幾點:

(1)導向孔階段,在長距離巖石導向孔鉆進過程中地層情況復雜多變,不同的地層要采取不同的鉆進方法和鉆具,泥漿與地層的相適應性也是十分重要的,同時要考慮鉆進成本。

(2)擴孔階段是水平定向鉆進中用時最長也是最重要的階段,一定要仔細研究巖石的可鉆性,綜合考慮制定最優的鉆進參數組合。泥漿在巖石擴孔中具有十分重要的地位,要根據地層情況制定最優的鉆井液配制方案。

(3)回拖階段是十分關鍵的階段,要采用挖發射溝,架滾輪架,注水降浮,加潤滑劑等方法降低回拖力,使得回拖順利進行。

(4)水平定向鉆進施工是一個大型的綜合性系統工程,各個階段環環相扣,緊密聯接,需要每個階段都要精細施工,各工種緊密配合,尤其在長距離巖石鉆進中更是如此。

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