关于六股河穿越工程失败原因分析与总结

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摘要： 我公司在承接秦沈线六股河穿越工程期间，完成了光缆套管的施工任务，在进行主管线施工过程中虽然经过6次导向孔施工的尝试后，成功完成了导向孔施工，但是在进行扩孔阶段，由于地质等原因最终未能完成施工任务。通过这次的失败教训，使我单位在强风化、砾石层等复杂高强度地层的定向钻施工上获得了大量的宝贵施工经验，为以后的施工给予了极高的参考价值。

关键词：φ1016*21mm、复杂地质、导向孔、扩孔

中图分类号： F407 文献标识码： A

1.0工程概况

秦沈线六股河穿越工程穿越长度为739m，管径φ1016*21mm和φ114mm光缆套管，穿越两端为12m深的卵石层，12m以下地质为强风化、中风化、微风化花岗岩，局部含有安山岩，最高抗压强度100MPa，平均抗压强度60Mpa。

六股河是辽宁省兴城市与缓中县界河，河道以北属兴城市辖区，以南属绥中县辖区。河流两侧均有乡村公路可通行至穿越段两岸附近村庄，大部分为水泥路面。穿越处从小的地貌单元来看，属冲洪积平原区，河道两侧修筑有土质大堤，右侧大堤迎水面有毛石砌护。河漫滩宽阔，河道外侧均为林地，左侧地形较平坦，右侧地形略有起伏。

设计地勘情况主要为穿越两端有12m深圆砾、卵石层，以下为全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩和微风化花岗岩组成。

国家环保总局在对大开挖初设方案进行环评时，不同意采用大开挖穿越六股河，而后改为定向钻穿越施工。定向钻穿越长度为739m，管径φ1016*21m和φ114光缆套管，穿越两端为12m深的卵石层，其中入土端顶进66mφ2000钢套管处理卵石层，出土端卵石层采用大开挖120m置换为粘土进行处理，定向钻穿越最大深度27m。

2.0施工过程

鉴于工程的施工难度较高，我公司特派出技术骨干参与该项目，我方首先在入土端顶进φ2000钢套管45m和φ1750钢套管75m处理卵石层，历时2个月钢套管施工完毕，然后进行主管线的导向孔施工，导向孔历时15天，穿越深度为27~28m，导向经过中风化及微风化花岗岩的长度共计530m左右，期间由于地层较硬，更换2次钻头和泥浆马。

由于出土点正进行开挖，无法进行扩孔，为了加快施工进度，进行了逆向扩孔，其中中微风化地层完成扩孔200m， 出土端开挖完成后抽出扩孔器进行正向Φ420mm扩孔，扩孔器取出时，磨损严重，轮齿掉入孔内，鉴于以下几点原因我方认为此孔继续进行施工成功的可能性较小：

1)穿越地层岩石硬度高，施工工期长；

2)导向曲线有一处方位角变化为2°，不满足施工要求；

3)扩孔过程中牙轮掉入孔内，经过2次打捞但没有成功；

为此，我单位决定重新钻孔，并且减小钻孔深度，在强、中风化层中通过以降低施工难度、提高穿越成功率。经过EPC、项目部、油建一公司开会讨论后，把此孔做为光缆套管穿越，并且将主管线穿越方案中入土端顶管处理卵石层改为大开挖处理卵石层。然后将钻机向右平移20m重新进行主管线穿越施工，导向孔共钻进了6次，最长距离是420m，最短距离是120m，施工情况如下：

第5次导向钻进了420m，深度为15.1m，在330m附近、350m附近及380m附近处都碰到了卵砾石，钻杆跳动的比较厉害，倾角及方位角精度无法控制，导致导向失败。

之后进行了第6次钻进，导向共钻进了180多米，深度为16m，在120m到180m之间，方位角的最大夹角为4.8°严重超出标准要求的0.8°。

根据6次导向的数据分析，120m到180m之间，地层软硬变化频繁，倾角及方位角变化难以精确控制。都存在正常钻进没有调向的情况下单根钻杆偏差达到1°以上的现象。

第5次钻进和第6次钻进深度虽相差只有1m，但两次钻进速度相差2倍以上，将来在扩孔直径达到φ1000mm以上的时候，软硬变化如此大很容易形成孔内台阶，使回拖的风险变得非常大。

根据图纸，卵石深度为12m左右，但在实际钻进过程中，局部的卵石深度达到15m（导向32根钻杆处），河中间的导向深度必须打到17m以下才能保证安全，根据6次导向的情况分析，16m深以下基本为中风化花岗岩层，硬度较高。这样给实际导向曲线所留有的空间很小，对导向技术要求极高，浅一些容易碰的卵石，深一些硬度大，使导向处于两难的处境。

六股河主管线导向孔第二阶段施工开钻，在施工过程中，入土端造斜段穿越12m厚圆砾、卵石层，穿越所经长度为100m，卵石含量约50%~60%，造斜效果不好，先后7次钻进都不能按预定设计曲线深度和角度进入岩石层，通过控向技术人员耐心的对工具面的调整、入土角度的调整，历经3天的努力，最终成功克服了该层成孔质量、造斜不好的难题，按预定深度和角度到达岩石层，期间更换了1次钻头和2次螺杆马达。

进入岩石层后，前几根钻杆每根钻进时间在3个小时左右，钻进至河堤下方时，此时深度已经达到19.5m，每根钻杆钻进时间达到6~8个小时，而且工具面调到180°推进并结合旋转，钻头仍然不断向上走，最终深度达到15.5m后进入水平段。此时钻进曲线形成波浪型，并且钻头经过河道下方时，有半根钻杆的长度钻杆扭矩增加，怀疑钻头接触到卵石层。继续钻进后扭矩恢复正常。

当方位角接近预定的方位角时钻头已经距离出岩石进入出土端操作坑还有150m的距离，方位角的实际偏差和钻头的偏差很难进行调整。钻头最终偏右6m出岩石层进入操作坑。坑宽55m，深9m。这对探头出土造成很大的难度，在导向孔进尺达到623m时，探头进入卵石层，倾角很难控制，角度变化大，进尺达到642m后，探头已经到达坑底，由于坑中都是水，无磁钻挺、螺杆马达进入坑中后坠落坑底并沿坑行进，直到顶到操作坑的另一端，依靠挖掘机挖出钻头。

导向孔完成后进行第一级扩孔，扩孔前计划对出土端的操作坑进行降水后将剩余的卵石层开挖出来，即在现有的基础上仍需进一步向前扩大15m和加深4m，才能完全清除卵石。如果进行扩大和加深，根据目前的渗水量分析，降水难度特别大，需要大量的大功率排水泵。

在降水过程中由于连降数日大雨，六股河和王宝河发水，入土点进场路经过王宝河小桥被洪水淹没。出土点位于六股河河套内也被全部淹没，因此我施工机组撤出现场。水位下降后，重新进行降水作业，采用10台潜污泵，每小时1500m3的排量，连续数天，降水效果不好，并且此时也不断下雨，如果继续增加降水设备，大开挖，拉运土来置换卵石层或下套管作业，需要大量的时间，工期很难保证，且实施困难，因此我公司研究确定带水进行扩孔作业。

第一次φ400mm扩孔时，回扩时钻机扭矩非常大，而且泵压大，出现憋泵现象，反复抽拔，进行清理钻杆和扩孔器水眼。第二次扩孔时，扭矩还是很大，平均2500PSI而且存在波动，当扩孔器入洞2根钻杆时，扩孔器前钻杆断裂，且断掉的钻杆后一根也出现弯曲。

经过两天的处理，将洞中的钻杆及断掉的扩孔器推出地面重新进行连接。再次进行扩孔作业，扩孔过程中前200m岩石段平均扩孔时间为4.5小时每根钻杆。现在扩孔距离在岩石中达到250m后，扩孔扭矩超过钻机设定值，而且还未钻到导向孔最硬处，分析原因，怀疑是由于卵石孔壁坍塌，将扩孔器抱死，经过司钻不断努力，仍无结果，最终宣告六股河定向钻穿越失败。

3.0施工总结

3.1如何规避导向孔施工风险：

1)对地勘质料认真分析，详细剖析导向孔记录，确定穿越曲线和穿越深度；

2)购买新扩孔器，其中滚刀扩孔器采用美国进口轮齿，牙轮扩孔器的牙轮必须是江汉生产；

3)钻导向孔时，严格控制钻进速度和转数，尽量保持在软硬交错处匀速钻进，防止角度变化过大；

4)入土端的卵石层先不进行开挖，待导向孔完成后再开挖，防止钻杆失稳。如果钻进过程中扭矩增加，进行下φ273套管施工保证卵石层不塌孔。

3.2岩石地质穿越的工期和费用与岩石的抗压强度密切相关

秦沈线六股河穿越导向孔钻进阶段最长的单根钻杆施工时间为6小时，扩孔时最长的单根钻杆施工时间达到8小时，可见微风化岩石对于工程的工期有很大影响。尤其是长距离的岩石地质穿越，长时间的工作，对于钻机、钻具的磨损也是相当大，钻具因长时间工作而磨损、更换也同样占用很多时间。因此岩石的抗压强度对工程的工期和费用均有较大的影响，建议将岩石的单轴抗压强度作为工程报价的重要因素之一予以考虑。

3.3软硬交错地质对定向钻施工的影响

穿越复杂地质时，造斜段地层往往开始是由软地层过度到硬地层，最终由硬地层过度到软地层，而之间的水平段可能存在局部的软硬交替部分。当钻头和扩孔器在软硬交替层间钻进时极易造成曲线成型不好的后果。因此，要尽量避开在软硬交替地层中穿越：

1)从设计角度上要避免在软硬交错地层中穿越。

2)施工时司钻和控向要仔细分析图纸，在接近软硬交错地层时，司钻要与控向紧密沟通，及时发现地层的变化，防止角度变化过大。

3)详细记录地层的变化。

4)一旦产生了大折角或孔内的“台阶”时，要及时采取有效的措施进行修孔，防止出现事故造成损失。

作者简介：张皓添（1987-），男，汉族，辽宁盘锦人，助理工程师，2011年毕业于辽宁石油化工大学，现油田地面设施建设工作。