谈各种地质条件对定向钻穿越的影响及应对措施

1. 引言
　　在进行定向钻穿越时我们首先需要考虑的就是地质条件的影响，针对不同的地质环境我们也必须采取不同的措施来应对，因此，在进行定向钻穿越之前我们必须先针对地址进行勘察，然后制定好应对方案，才能取得应有的效果。

2. 地质条件的影响与应对措施
　 在定向钻穿越施工过程中，根据泥浆特性和地层具体条件选择最佳的泥浆工艺参数，是工程顺利进行的保证。
　　2.1 软质土层
　　2.1.1 粘性土层
　　定向钻在粘性土层中穿越时，首先，粘性土有一定的自造浆能力，使泥浆粘度增大，导致泥浆循环不畅、阻力增大而无法前行；其次，在钻头或切割刀通过后，粘性土将产生一定程度的缩孔；再次，当管顶上覆土体厚度较小时，若泥浆压力过高，超过周围土体允许剪力时，土体将发生变形；最后，粘性土、泥页岩中存在大量的粘土矿物，尤其是蒙脱石粘土矿物的存在，使孔壁粘土层接触到泥浆中的水分时，发生粘土的吸水、膨胀、分散。因此，尽量降低泥浆的失水量以及增强孔壁粘土的抗水敏感性、抑制粘土分散、控制适当的泥浆粘度和压力尤为重要。
　　2.1.2 沙质土层
　　定向钻穿越沙质土层、泥页岩时，一方面泥浆粘度不能太高，需要有良好的流动性；另一方面又要保证泥浆具有一定粘度，使钻屑在孔内呈悬浮状态，防止其沉淀。同时，沙质土层、泥页岩松散的结构也难以使其成孔后保持稳定的状态。因此，可以向泥浆中添加膨润土和长链聚合物，其吸附在环形的钻孔孔壁形成一层薄泥皮，粘附在孔壁上，防止泥浆漏失，泥浆填满孔道停留孔内，对孔壁产生压力，稳定孔壁，防止塌孔、地陷。因此，要求泥浆能够消除地层沉淀吸附力，且性能稳定，不被土和地下水析稀，防止埋钻、卡钻、埋管事故发生。同时，要求泥浆能够减小沙质地层的摩阻力，降低钻进扩孔扭矩和回拖力，并且能够润滑钻头、钻杆和被铺管，延长钻头、钻杆寿命，使铺管作业顺畅。

　　2.2 砾砂、卵石层
　　砾砂、卵石层结构极其松散，骨架颗粒较大，自稳能力极差，孔壁的稳定性问题严峻，仅采取泥浆护壁钻进措施难以达到维持孔壁稳定的目的。同时，较大的卵石自孔壁掉落后，可能堵塞钻孔，使定向钻在回拖或扩孔时卡钻。通过提高泥浆粘度，可增加井壁颗粒之间的胶结力。通过采用高分散度泥浆、增加泥浆中的粘土含量、加入无机或有机增粘剂以及采用高粘化合物钻进粉等措施，可以提高泥浆的粘度。如果通过改善泥浆组分配比、调整泥浆压力等措施难以成功穿越时，可配以套管跟进护壁或注浆局部改良等措施，降低穿越风险。

　　2.3 硬质岩石层
　　定向钻钻进、扩孔时也经常遇到坚硬的岩石层，如花岗岩、凝灰岩等。就定向钻而言，此类岩石坚硬、摩阻大，钻进时破碎岩石所需能耗大、进尺慢、钻头磨损严重，形成的钻屑颗粒小，形成的孔壁相对稳定。因此，对于硬质岩石层钻进泥浆的设计，应侧重增强其润滑性和冷却性，减少固相含量以利于更好地提高钻速，而对钻屑悬排能力和护壁能力要求不高。因此，可以选用润滑减阻型泥浆，如聚丙烯酰胺泥浆和乳状液泥浆等。

　　2.4 溶蚀性地层
　　溶蚀性地层以氯化钠盐层最为典型，其他还有钾盐、石膏、芒硝、天然碱等。这类地层又称为水溶性地层，其遇到泥浆中的水，会发生溶解，使孔壁溶蚀，经常导致井眼超径、垮塌。针对水溶性地层，可以通过降低钻井液对地层的溶蚀性解决相关问题。在泥浆中加入与地层被溶物相同的物质，使溶解度趋于饱和，就是常用的溶蚀治理方法。盐水泥浆的粘度低、切力小、流动性好。例如：在岩盐中钻进，采用盐水泥浆作为钻井液，防塌效果良好，抗盐侵、抑制岩盐地层溶解和抗粘土侵的能力强，抑制泥页岩水化膨胀、坍塌和剥落的效果较好。

　　2.5 泥浆严重漏失地层
　　在定向钻穿越设计和施工中，有时会遇到溶洞发育等严重性漏失地层。溶洞性地层泥浆漏失速度快、漏失量大，泥浆无法循环返出孔口，钻屑在孔内淤积，容易造成卡钻、孔壁垮塌等事故。针对这种情况，可以1-3=1-1*9/10+2*9-7=3采用挤水泥堵漏和低密度泡沫泥浆钻进等新工艺、新技术，其中低密度泡沫泥浆钻进的效果相对更好。在低压漏失地层中，泡沫泥浆最主要的功效是显著减轻了泥浆向地层孔隙漏失的压力，使泥浆不向或少向地层漏失而保证其正常循环。泡沫泥浆的悬渣能力和粘结护壁能力较其他泥浆有明显提高，这是由于泡沫独特的结构力和粘度，其本身具有一定弹性，且其表面活性剂具有润滑性，有利于减轻钻具的振动，减少回转功率消耗，降低钻具磨损。

　　2.6 风化带基岩层
　　强风化带基岩岩体较破碎，完整性差，且与江水存在较强的水力联系，因此透水性较强，钻孔中泥浆外泄或河水入渗的问题较突出；中等风化带基岩岩体相对完整，裂隙未发育或发育短小，透水性微弱，泥浆向孔壁周围渗透可起到阻断渗漏通道、减少泥浆损失的作用，但需注意，穿越线路可能存在裂隙密集带和断层发育带等强渗漏通道。
　　此外，钻进过程中需特别重视岩性变化界面的施工控制, 在岩石物性发生改变的位置对两侧钻具的破岩能力、渗透性及外水压力的要求相差悬殊，因此，需要及时更换钻头，并调整钻速和泥浆压力等参数，防止在接触带产生孔壁阶坎现象。

　3. 注意事项

　 3.1 充分的前期准备
　　定向钻施工是一个连续作业的过程，如果设备出现问题将导致施工停顿，其风险不可预见，对施工设备进行彻底检修，保证设备性能可靠十分必要;钻具性能要求严格，施工前应对钻具(钻杆、短节、扩孔器等)进行严格探伤检验，不得抱侥幸心理，保证钻进过程中机具性能可靠。场地布置应井然有序，科学合理，以保证施工中车辆进出方便，材料供应及时，人员视野清晰，信号传递畅通。作业人员应全面系统地了解施工工艺，尤其关键岗位人员对工程的地质情况、相关工序衔接要了如指掌，作到心中有数，才能在发生紧急情况时从容应对。

　　3.2 科学、合理地变更工程设计，是避开穿越风险的可行措施
　　变更工程设计要科学、合理、不影响工程质量并符合管道的各项技术质量要求，这样既可以减小施工风险，又能节约施工成本，对建设方和施工方是双赢之举。

3.3 在长距离、大口径管道定向钻穿越中，尽量减小地磁等外界干扰
　　因穿越距离较长，开始时微小的误差将会造成最终较大的偏差，使 得工程质量不能保证。所以导向孔开始钻进时控向参数的调整十分重要。如果管道中心线附近有大型光缆、电缆、钢铁构筑物、并行管道、连续车流等易产生磁场的设施，都将会造成地磁偏角测量不准，反馈信号产生误差，甚至失真，影响施工质量。将这些外界干扰减到最小甚至消除，对控向参数的设定十分关键。目前最好的方法是在穿越中心线附近布置线圈，形成人工磁场。线圈通电后形成稳定的磁场，可相对减弱外界磁场的干扰;如果现场条件不允许，可以先试钻一段距离，在埋深不大的情况下，通过地面的振动测定反馈数据和实际结果的偏差，从而计算出每根钻杆的偏差量，在实际施工中随时校正，以保证施工质量，提高一次穿越成功的几率。

　　4. 结论
　　穿越曲线设计是定向钻穿越成功的基础。结合穿越场地的特型地形地貌，设计具有针对性的穿越曲线是成功实施穿越工艺方案的关键；泥浆工艺设计是定向钻穿越成功的关键，根据定向钻穿越地层的不同结构岩性，设计具有针对性的泥浆配比工艺参数，可以有效减少卡钻、抱钻及回拖阻力过大等风险；黄土塬地貌采用单边钻工艺、较宽水域河流采用对向钻工艺替代隧道穿越工艺是两种新型穿越方式，可以降低水保工程量，节约工程投资。在实际设计中，应根据穿越障碍场地的具体特点，灵活应用定向钻及组合技术手段解决传统技术手段难以解决的问题。