中原油田至开封的天然气输送管道，必须经过黄河。黄河水流湍急，泥沙较多，河床经常被冲刷，两岸漫滩坍塌严重。主河槽南北方向摇摆不定，摆动范围约1.7km。在这样急湍、常年无封冻期的大型河流上采取截流、顶管、沉管、水下爆破等施工方法搞管道穿越，不仅难度大、工期长、投资昂贵，而且有的根本无法实施。1985年，石油工业部管道局从美国引进了一套R & B-5型水平定向钻机(见图 1), 1986年正式用于黄河穿越(输送管道采用ϕ377钢管)。与两年前水下爆破气举法穿越黄河相比，难度小、工期短、投资少，把握性也比较大(详见表)。

图  1  水平定向钻机

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用水平定向钻穿越黄河，管段全长1 300m, 直径为ϕ406, 实际工期用了31d, 其中钻机安装、调试15d, 钻导向孔及下冲洗管14d, 回拖42h。回拖管线的防腐、补口、探伤、试压等工作是在钻导向孔的同时进行，实际纯工作时间只有175h。这次黄河穿越的工程质量是全优的，各项技术指标均符合原设计和施工要求，排除了一般穿越法可能出现的覆盖层被河水冲刷、管段漂浮甚至被洪水冲断的隐患。这种穿越方法在我国其它类似的河流上也是可行的。它适宜于在粘土、亚粘土、砂层等中软地层以及直径较小、卵石砾石层较薄的地层; 如在航运繁忙不能中断交通的江河和不允许破坏生态的地区就更具有独特的优越性和经济效益; 如事先做好穿越管道内外防腐和焊接可长期不用维护和维修。在安全可靠、管理简单等方面超过其它施工方法。水平定向钻穿越黄河取得成功是我国穿越河流技术的较大突破。

一.   水平定向钻施工程序及要求

1   施工程序(见图 2)

图  2 

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(1) 按设计要求规定的入土角(8°~20°) 钻一导向孔。

(2) 下冲洗管(套管), 在地下起扶正钻杆减少钻杆弯曲, 坚固井壁, 开辟通道的作用。有时冲洗管是和钻杆交替连接下到井筒的, 冲洗管也是回拖管子的主要牵引工具。

(3) 钻头破土穿出河流彼岸后, 导向孔即算完成。

(4) 冲洗管穿出地面后，在地下形成一个金属弯曲孔道，然后将钻杆、钻头抽出地面。

(5) 预扩孔，将冲洗管末端接上切割刀，切割刀周围有许多喷嘴和合金钢牙齿，可以喷射出2.1MPa (300psi) 以上的泥浆, 同牙齿一样对岩层起破碎作用。钻机回拖冲洗管，切割刀边旋转边前进，将导向孔扩大。所扩的孔径大小，视回拖管子的外径大小而定，一般切割刀的外径要比回拖管外径大150mm。

(6) 扩孔完毕, 井简内充满泥浆, 将切刀取出地面。

(7) 回拖, 将冲洗管连接上麻花钻杆切割刀两端周围有喷射高压泥浆的嘴子、扩孔器单向旋转接头，再用耳环连接上回拖管线，用钻机将管线回拖至人口端。

(8) 卸掉冲洗管、扩孔器、切割刀等全部钻具, 整个穿越过程结束。

2   要求

保证上述各个施工程序顺利进行的主要环节是做好开钻前的地质勘侧资料的分析和穿越曲线的设计。

(1) 根据河流穿越段的地质情况确定钻孔深度和间隔距离。

(2) 根据岩心取样分析结果，绘制剖面图。

(3) 确定入土角(8°~20°) 和出土角(4°~26°)

(4) 确定穿越曲线的曲率半径, 一般按下式计算:

式中  R——曲率半径;

E——管材的弹性模量;

r——管子半径;

SMYS——管子规定的最小屈服强度。

现场施工人员从实际经验中得出: 曲率半径不得小于300m。

二.   值得注意的几个问题

如前所述，水平定向钻穿越技术有许多优点，但也有一些问题需要进一步探讨。例如穿越长度、管径极限及穿越中允许卵石厚度、粒度、含量等都是影响提高水平定向钻技术经济效益的因素。从一些统计资料得知，穿越长度和管径成反比关系，即在相同地质条件下，大管径穿越距离短，小管径穿越距离长。国外有的专家认为穿越大口径短距离比穿越小口径长距离少担风险。以中开线黄河穿越为例，设计阶段我方技术人员希望穿越长度为1 350m(ϕ377管径)，美方技术人员就不同意，还坚持穿越地段的卵石含量不得超过20%，卵石直径应小于10cm，卵石层厚度应小于5 m。这些所谓“禁区”是否可以逾越，值得今后进一步研究。

1984年美国Kelly & Pessier指出钻速是比水马力的指数函数，还建议对软、中、硬地层分别采取三种不同的水马力指数(f)。f指数同d (钻井的钻压指数)、e (转速指数)一样，也表示地层的某种自然属性。这种属性称为地层对水马力的敏感性，即地层的水力可钻性。由此可以认为，不仅钻压和转速是地层岩石的破碎参数，提高钻进时的水力因素，对硬地层来说也将是提高破碎效率、增加进尺的关键。

要充分发挥钻井进尺中的水力作用，还要研究泥浆的技术问题。新的泥浆体系应适应三条原则: 适合地层需要保证安全钻进; 有利于提高钻进速度; 成本相对比较低。因此，水马力的选择十分重要，过低会引起泥包(钻头)，过高将多耗能源增加成本。看来合理匹配水马力是十分重要的。下列公式是钻井科研人员通过对试验数据和已取得的钻进资料用统计回归方法得出的。

式中  N_C匹配——钻头(匹配) 比水马力，马力/英寸²(1马力/英寸²=114W/cm²)；

B——泥浆比重, g/cm³;

f——水马力指数, 无因次;

W——钻压, t;

R——转速, r/min;

D_H——钻头直径, 英寸(1英寸=2.54cm)。

由此可见, 水平定向钻在钻进过程中, 只考虑泥浆的粘度和排量是不够的。还要考虑润滑冷却钻头; 携带岩屑返出地面; 支撑孔眼周围井壁防止塌陷; 驱动地下马达旋转带动钻头旋转钻进; 从钻头水眼(或切割刀、扩孔器喷嘴) 产生射流水力冲刺等五个方面。

现汤的实际经验还得出, 泥浆在环形空间携带岩屑返出地面有一控制标准, 即岩屑与泥将体积比不应超过2 %, 或者控制泥浆进出口(指入井筒) 的比重差在0.06g/cm³以内, 即ρ_{o u t}-ρ_{i n}≤0.06。如控制不得当, 会造成不经济或施工不平御现象。

三.   关于穿越长江的设想

1975年建鲁宁输油管道时就曾考虑过管道过江问题，但至今也没有确切的方案。自1980年管道投产以来, 由于末解决管道过长江, 近8年时间使价值1.28亿元约16万t的轻质油白白浪费掉。

水平定向钻穿越黄河成功无疑给长江穿越方案提出了启示。当然穿越长江的难度比穿越黄河大的多。长江自然条件比较复杂, 沿江两岸工程设施密布, 江上运输繁忙。主要地层为第四纪冲积层, 新第三纪雨花台组仅见于北岸。

选择三江口为长江穿越段比较理想。该处枯水季节河宽仅1 420m, 最大水深43m, 断面较对称, 且相对稳定。根据以上条件提出如下方案供参考。

1. 穿两根ϕ273×8的管子, 代替一根ϕ529×8的管子, 钻完导向孔后, 进行预扩孔和回拖扩孔。由于横截面较小，预扩孔回拖和泥浆均较容易控制。

2. 在三江口北岸拟穿孔部位, 先用油田打斜井的钻机打一个倾斜15°~20°直径为1 168mm (46英寸) 深30~40m的导向孔，并下1 016mm (40英寸) 的导管(导管和砾石、卵石层之间用水泥浆灌注固定), 将北岸十几米厚的卵石、砾石层隔开屏蔽起来, 然后再用水平定向钻机按设计要求钻导向孔通向南岸。用ϕ720的切割刀进行预扩孔, 为管线的回拖扫清通道, 之后进行管线回拖。

如有条件, 可在长江穿越前选择一段含一定卵石、砾石的地层进行试验，提高R & B-5型钻机的机械和水力攻坚能力。