【干货】非开挖管道定向钻穿越的工程地质特点

一、定向钻穿越地层的特点

非开挖管道采用定向钻穿越地层较为复杂，有卵石层、粘土层、粉砂层、淤泥层、流砂层，岩性多为疏松、含水饱和度高的沙、泥及混合物，属未成岩地层，易塌、易窜漏、少数地区含姜结石，部分穿越泥岩、沙岩和花岗岩等，强度可达200Mpa。穿越深度一般为25m以内，可达80m以上，这是非开挖管道定向钻穿越的地质特点。

非开挖管道定向钻穿越的有关泥浆工艺的工程特点表现在：泥浆在井孔内流量小；环空间隙大；连续配浆作业，由于时间的局限，泥浆配制过程水化不易充分。主要涉及的泥浆关键技术是泥浆润滑技术、未成岩地层防塌技术、特大井孔超低流速下泥浆携砂技术以及岩石地层的防漏和冷却技术。

二、主要存在的技术难题

主要技术难题机理分析如下：

1、特大井孔、超低流速、高岩屑浓度下的携砂。

由于穿越井孔用9½英寸钻头钻导向孔，按6英寸的扩孔级别逐级增加到48英寸或52英寸，而钻杆为5英寸，环空间隙特大；扩眼速度较快，约1~2m/s，产生的钻屑量大；泥浆泵排量小，仅16~20L/s，这必将形成特大井孔、超低流速、高岩屑浓度下的携砂难题。

表 4—1  不同井眼下环空泥浆流速和岩屑浓度

备注:表中数据均为理论计算，计算出口泥浆密度可能比实际偏高。

由于所钻地层一部分为地表浮土或沙泥岩地层，未成岩，大部分钻屑呈细粒状分散在泥浆中，很少呈大颗粒（姜结石）状。从岩屑在环空受力来看，因重力的作用，岩屑靠向下井壁的趋势始终存在，故下井壁方岩屑浓度大于上井壁方岩屑浓度。大粒岩屑很容易到达环空的底边，逐步堆积起来形成“岩屑床”或砂桥，导致孔眼上方泥浆易流动，下方泥浆因固相含量高，流动阻力大，难流动。扩眼过程中因其井孔大，环空泥浆流速很低，造成因砂桥或粘附阻力的加大，造成回拖的扩孔器或管道被卡。只有要求泥浆具有强的悬浮能力，弱凝胶强度，易流动，才能使环空泥浆及钻屑混合物整体缓慢向外输送。

2、未成岩地层的防塌和防窜漏问题

穿越地层大部为地表15~25米深浮土层，主要岩性为沙、泥岩地层，疏松，未成岩，一旦钻开，钻孔周围失去支撑，很容易导致塌孔和泥浆窜漏，要求泥浆具有良好的封堵胶结能力，提高近井壁强度。部分钻孔在岩石中，由于岩石的裂隙，可能造成泥浆的漏失。

3、润滑问题

环空间隙大，回拖管段时受拖拉力作用，管段与井壁接触面积小，有发生粘附卡钻的可能性。又由于泥浆中固相含量大，切割刀在切屑过程中受拉、挤、扭、切割力的作用，若泥浆润滑系数偏大，会导致拖拉力大。因此，要求泥浆具有良好的润滑性是相当必要的。

４、钻头、钻柱的冷却润滑问题

在钻井过程中，钻头和钻具与砂层与岩石地层摩擦产生大量的热，对于钻头和钻杆柱的摩擦损失较大，为了延长钻头与钻杆柱的使用寿命，要求泥浆有良好的冷却与润滑作用。

针对非开挖管道定向钻穿越携砂、防塌、润滑等技术难题，主要要解决“强悬浮、弱凝胶，严封堵及良好的配浆性”的问题。

强悬浮、弱凝胶——足够的悬浮能力(较高的静切力)，有效控制形成岩屑床，减少截面上、下密度差；弱的凝胶特性，确保泥浆在低流速下，有良好的整体流动性能。

严封堵——泥浆封堵能力要强，减少泥浆及泥浆滤液进入地层，在近井壁形成严密的“屏蔽带”（内泥饼），从而提高近井壁强度，不仅起到了支撑井壁的作用，也防止了泥浆的窜漏。

良好的配浆性——无论在低温（冬天），还是在较高温度（夏天）下，所选用的泥浆配方均易于配制。无论加入添加剂的顺序怎样，或是连续加入各种添加剂，均不影响配浆。