长距离岩石水平定向钻进中的难点分析1

长距离岩石水平定向钻进中的难点分析1

• 摘要：在长距离岩石水平定向钻进施工中，许多在短距离穿越中的施工技术和以往的施工经验，往往已经不能完全符合实际施工情况，本文从定向钻穿越中导向孔钻进，扩孔，管道回拖这三个阶段分析了长距离岩石水平定向钻进的难点，并根据以往的施工经验和对相关资料的总结，对这些难点提出了相应的解决方案，这对实际施工具有一定的指导意义。
• 　　关键词：水平定向钻进、长距离钻进、岩石钻进
• 1前言
• 　　从水平定向钻技术发明至今，经过几十年的发展，定向钻穿越从最初只能进行小河流作业到现在可以穿越大江大河，钻孔口径越来越大，从200mm到1500mm，甚至可以达到2000mm，钻进长度从最初的几十米到现在的几千米，钻进地层从砂土层即第四纪覆盖土层，愈来愈倾向于岩石地层。
• 　　一般穿越长度超过2000m的钻进，我们称之为长距离水平定向钻进。在长距离岩石水平定向钻进施工中，许多在短距离穿越中的施工技术和以往的施工经验，往往已经不能完全符合实际施工情况。所以对长距离岩石水平定向钻进的施工技术研究是十分有必要的，这对实际施工也具有十分重要的指导意义。
• 　　水平定向钻进安装地下管线答题可以分为三个阶段，即钻导向孔，扩孔，管道回拖。在长距离岩石水平定向钻进中，这三个阶段许多的施工工序及方法较之短距离钻进都有了一定的变化，以下从这三个阶段分别对长距离岩石水平定向钻进进行分析。
• 2导向孔钻进阶段
• 2.1长距离岩石水平定向钻中导向孔钻进的难点在岩石层中进行导向孔施工，一般采用泥浆马达，即动力钻具作为动力源，其工作原理是使用高压泥浆驱动泥浆马达中的涡轮高速旋转，进而带动钻头旋转破碎岩石。经过对实际施工经验和相关资料的总结，在长距离岩石层中进行导向孔钻进，所遇到的难点主要有以下几点：
• 　　（1）长距离岩石钻进地层变化大，造成地层情况复杂，钻进过程困难。水平定向钻进的岩石层主要为河流相沉积岩，主要是砂岩、砂砾岩、泥岩、页岩等地层，由于多数岩层都会经过多次的地壳运动，河流变迁，风化等地质作用，导致地层出现褶皱，断层，裂隙，层间角度不整合等地质构造，地层情况复杂多变，这就给水平定向钻进造成了许多困难，主要表现为：
• ①在细砂岩，中粗砂岩等风化程度比较小的坚硬岩石中钻进，由于此类岩石抗压强度大，且切削下来的岩屑对钻具的磨损比较大，导致钻进功效比较低。
• ②较软岩层中，如破碎风化程度比较大的岩层钻进，由于钻具本身自重比较大，钻头会趋向于重力方向钻进，导致钻进角度比较难调整。
• ③软硬交互地层，钻进趋势会趋向于软岩层，造成钻进曲线偏离设计曲线。
• ④裂隙、断层岩层中钻进，主要是钻井液的漏失，导致钻井液无法满足施工，钻进功效降低。
• 　　（2）钻井液对复杂地层的适应性不足。由于钻进距离长，可能经过的地层比较多，钻井液原则上需要根据不同的地层采取不同的配方，如切削的岩屑比较大的地层，主要考虑钻井液的携带能力。但是由于实际施工需要同时保证施工质量和进度，还要控制施工成本，如果单纯从钻井液要符合地层情况角度考虑，则付出的成本过高，且不利于施工进度。
• 　　（3）钻进距离长，作用于钻头上的压力不易控制。由于钻进距离长，孔中钻杆发生多次弯曲变化，钻杆应力及所受外力十分复杂，钻机操作台上的读数可能与实际情况相差比较大，这对司钻人员的施工造成了一定的困难。
• 　　（4）其他困难：①钻进距越长，孔内钻杆弯曲越多，马达工具面角越难调整。②钻杆内信号线每隔几十根钻杆需要上一个线夹进行固定，线夹越多越阻碍钻井液的通行，造成憋压。
• 2.2长距离岩石水平定向钻中导向孔钻进难点解决方案
• 　　针对以上提出的在长距离岩石水平定向钻导向孔钻进中遇到的困难，通过对实际施工经验的总结以及查阅相关资料，特提出以下解决方案：
• 　　（1）地层问题解决方案
• 　　针对复杂地层，首先要根据勘察资料，详细分析地层情况，主要从钻进岩石的岩性，强度，破碎程度等方面入手研究分析岩石的可钻性，主要从以下几个方面采取应对方案：
• ①坚硬地层解决方案
• 　　在水平定向钻进中，一般认为抗压强度达到60MPa以上的岩石属于坚硬岩石。在实际钻进施工中，经常遇到的坚硬岩层一般是风化程度比较小的细砂岩，中粗砂岩，石灰岩等岩层，此类地层钻头压入岩石困难，导致钻进十分困难，且砂岩地层在破碎后岩屑对钻具磨损十分严重。针对此类地层解决方案是：1)首先考虑使用硬质合金镶齿牙轮钻头，此类钻头的耐磨性和韧性都可以较好的适应坚硬岩石地层。2)对于微风化且石英质含量较高的砂岩层，由于其硬度较高，岩屑耐磨性高，使用牙轮钻头可能磨损较快，使用寿命较短，此类地层可以考虑使用金刚石钻头，此类钻头抗压强度高，抗磨损能力强，但也有一定的脆性，抗弯能力不足，且成本相对较高，使用时应当综合考虑。
• ②软岩地层解决方案
• 　　此类地层往往破碎程度比较大，风化程度较高，裂隙较多，且岩石中粘、粉含量较多，往往强度很低，甚至于比土层承载力都要小。在这样的岩层中钻进，由于钻具自身重量较大，钻进曲线会逐步向下弯曲，偏离设计曲线，主要解决方法是：（1）采用小直径钻头，使马达工具面角向上，快速向上顶进；（2）采用弯度较大的泥浆马达，快速向上顶进；（3）如果以上两个方案无法解决问题，可以考虑在软岩地层中快速顶进，使钻进曲线尽量靠近设计曲线，等穿过此地层后，再进行角度的调整。或者在未钻进软岩层时，先将钻进曲线调高，以对冲在软岩地层中下掉的角度，此方法由于未知软岩地层的可钻性情况，采用时应慎重考虑。
• ③软硬交互地层解决方案
• 　　根据软硬地层的交互情况，以及岩层的岩性，在尽量接近设计曲线的原则下，采用以下方法：若软岩层抗压强度达到10MPa以上，可以考虑在软岩层中钻进。若软岩层抗压强度太小，则尽量在硬岩层中钻进。
• ④裂隙、断层地层解决方案此类地层主要问题是钻井液的漏失比较严重，可以在钻井液中加入一定量的堵漏剂进行堵漏，以解决钻井液漏失问题。
• 　　（2）钻井液问题解决方案
• 　　钻井液是水平定向钻进的“血液”，具有十分重要的地位，而钻井液是否符合地层情况，在很大程度上也决定了钻进的成功与否。根据以往施工经验和相关资料，同时考虑在长距离岩石中钻进施工，主要从以下几个方面考虑：
• ①在砾岩、石灰岩等经过切削后产生较大块碎屑（粒径一般大于20mm）的岩层中钻进，此时钻井液的携带能力成为最主要的考虑方面，主要是提高钻井液的动塑比，静切力等指标，以使得钻井液具有较大的携带能力。
• ②在砂岩等破碎后岩屑（粒径一般小于2mm）比较小的岩层中钻进，钻井液的携带能力不再是主要的考虑方面，而对钻具降温则成为主要的考虑方面，这时需要适当的降低钻井液粘度，增强其流动性，使钻井液可以更好的循环。
• ③在泥岩、页岩等粘粉类成分较多的岩层中钻进，由于此类岩石易遇水软化，出现“泥包钻”现象，而页岩又有吸水膨胀现象，在此类岩石中钻进尤其要特别注意钻井液的配制，要特别注意以下两点：1)尽量降低钻井液的滤失量，使钻井液滤失的水量尽量小，减少泥岩的水化程度。2)在页岩中钻进，可加入适量KCl，可有效抑制页岩膨胀。
• ④钻井液中的固相含量在一定程度上影响着钻进速度，一般情况下钻石随着固相含量升高而下降，所以要除去固相。在以往短距离水平定向钻施工中，一般只采用回收系统进行钻井液的回收，但是在长距离岩石钻进中，由于钻井液经过地层较多且用量比较大，考虑到更换新钻井液的成本比较大的问题，可以增加离心机除固相设备，可以较好的除去钻井液中的固相成分，提高钻速以及钻井液的携带能力。
• ⑤由于钻井液配制成本比较高，在长距离岩石钻进中使用量比较大，如果单纯为了与地层相适应，频繁的更换钻井液，则钻进成本会大幅度提高，并且会增大工期。在长距离岩石钻进中可以考虑针对主要地层确定钻井液配方，在特别重要且对钻井液要求比较高的地层（如页岩层）中钻进要专门配制与之相适应的钻井液。
• 　　（3）钻压问题解决方案
• 　　由于对水平定向钻进中的实际钻进压力的理论计算尚未十分成熟，在粗略计算的基础上，司钻技工可以根据以往施工经验和实际地层情况，适时调整钻进压力，以保证钻进功效。一般认为钻井液携带出的岩石碎屑较多，则成孔性较好，实际钻压接近压力表上的读数，反之，则差别较大，应适当增大钻压，以保证钻速。
• 未完待续。。。。