近些年来，我国长输天然气、成品油管道建设如火如荼，先后建成了西气东输一线、榆林-济南输气管道、川气东送管道等长输管道，同时配套建设了大量管道网络，在这些承担重要任务向华东、华南地区输送能源的管道建设中，出现了众多穿越河流、公路、居民密集区的定向钻工程。

 

　　 笔者参与施工的定向钻管道施工，却在近一两年频频发生钻杆断裂事件，其中先后发生了渭河、赣江、余江、信江、曾江、潼湖等十余个定向钻穿越工程钻杆断裂事件，钻杆断裂已成为直接影响定向钻一次成功率的主要问题；同时钻杆断裂对施工成本和进度造成较大影响，不仅造成的损失数以万计，甚至直接影响到工程总体工期目标的实现。

 

　　 究其原因，主要可以从两个方面分析，一个是从经济环境上分析，一个是从技术角度分析。

 

　　 从经济上讲，主要是施工力量的供给不足。这几年从中央到企业借世界经济低迷的时机，大规模投资长输管道建设，固然极大地拉动了市场需求，起到了提振经济的作用，但是不可忽视的是，这些管道直径一个超过一个，最大已经超过Φ1016，如此巨大的市场需求和日新月异的技术要求，对应的却是短期内无法增加的定向钻施工企业、耗资巨大的定向钻设备和缓慢的技术积累。市场供给方的相对狭小，工程的密集开展和施工地质条件越来越复杂，这是定向钻施工质量事故的频频发生的经济原因，也是宏观环境上的原因，它导致了技术上一系列不成熟的施工做法。

 

　　 从技术方面分析，钻杆断裂既有地质方面的影响，也有扩孔分级和钻杆选择、检测及分类使用等方面的原因。地质方面的影响我们后面再讲，先讨论一下施工中主要不成熟的做法，李顺来等人[6]的研究认为，造成钻杆断裂的主要原因是在扩孔和管道回拖过程中钻杆所承受的弯矩过大；而造成弯矩过大的原因一是导向孔的实际曲线与理论曲线偏差较大，二是扩孔后孔洞不规则，使管道与扩孔器以及钻杆轴线形成夹角。这两方面当然是非常重要的原因，我们现在通过更进一步的观测，认为其研究忽视了钻具选择和施工工艺方面原因导致的钻具卡死情况导致的钻杆断裂，而且没有从操作层面上详细分析原因，所以总结了以下几个方面的技术误区：

 

　　 为了节省投资，施工承包商使用的定向钻设备与工程施工实际需求不相匹配，定向钻设备吨位过小、保养不及时，故障率高，使得定向钻钻力不均匀，同时施工走走停停使得成孔质量差、孔洞不规则，钻具易抱死，导致钻杆断裂；

 

　　 扩孔器型号选择不合理，未能根据实际地质条件进行配套的选型，使得钻进扭矩增大，钻杆磨损增加而断裂；

 

　　 钻杆选择不合理，因未对钻杆进行跟踪管理，缺少钻杆检测数据统计，导致所用一套钻杆寿命不均匀，其中磨损较大的钻杆因应力集中而断裂；

 

　　 导向孔偏差控制不合理，偏差过大，在后期矫正过程中因实际曲线不合理，钻杆所承受的弯矩过大，容易导致钻杆应力增加或者直接使钻杆表面摩擦热裂而断裂，特别是钻杆接头承受了高的侧向摩擦力，其与孔壁周期性接触摩擦时，产生大量热量，使接头表面材料经受周期性加热和冷却，产生脆性的马氏体，在弯矩过大的因素同时影响下，造成钻杆接头内螺纹的纵裂；

 

　　 扩孔分级不合理，施工单位为赶工期而减少扩孔分级，使得钻进扭矩大大增加，容易导致钻杆磨损增加而断裂；

 

　　 因地质情况不理想，孔道破碎塌陷、钻屑过多，使得钻具抱死风险增大，导致钻杆断裂；

 

　　 本文中第二段提到的十余个定向钻施工发生的钻杆断裂，基本上都出于以上原因。

 

　　 针对以上原因分析，笔者所参与的定向钻施工提出了一些解决措施，经过实践检验，总结以下经验做法：

 

　　 针对定向钻机和扩孔器选型不合理的问题，强化定向钻开工管理。应在定向钻开工前认真研究相关设计文件（特别是相关地勘资料），审查施工承包商报批的施工方案和拟使用的定向钻设备，确保所配置的定向钻设备、钻具与工程施工实际需求相匹配，不符合要求的禁止开工，并应在开工后根据实钻情况及时进行跟踪和调整。

 

　　 对于钻杆选择不合理的问题，严格钻杆的选择和管理。①钻杆选择应与钻机参数相匹配，根据此前施工中的经验，钻杆受到的最大扭矩应按最大估算扭矩的2倍选取（最大估算扭矩的计算公式可参照有关技术文件）；②进场的钻杆应按《钻杆分级检验方法》（SY/T5824）进行检测分级使用，对于进度风险较大的工程应使用一级钻杆；③应建立钻杆管理档案，全过程记录每根钻杆的使用情况，使用过程中应倒换使用，使各钻杆的寿命均匀；④进度风险较大定向钻工程应采用有限元模拟分析对钻杆进行应力分析和寿命评价；⑤扩孔器前后应设置2~3根加厚钻杆进行钻杆与钻铤的过渡。

 

　　 对导向孔偏差过大的问题，加强导向孔偏差控制。导向孔实际曲线与设计曲线的偏差不应大于穿越长度的1%，且偏差应符合相关规定；导向孔施工完毕后，必须由监理或业主进行验收，验收合格后才能进行扩孔。

 

　　 对于扩孔分级不合理的问题，科学进行扩孔分级。施工监理和业主应当督促施工单位合理分级，对于直径超过400mm的管道，扩孔应分级、多次扩孔，根据钻机、泥浆系统、钻杆规格、地质情况等，确定扩孔级差。一般情况下，第一级扩孔直径20″～24″，然后按4″～10″进行分级扩孔。

 

　　 关于地质情况不理想等问题，要求严密监测扩孔过程。扩孔过程中应严密跟踪和分析各项参数的变化情况，如发现扭矩、拉力过大，宜及时采取洗孔作业，洗孔结束后，再继续进行扩孔；对于岩石地质破碎的定向钻每次扩孔后至少应洗孔一次。

 

　　 从原因分析和解决方案来说，基本上也可以说，技术上面的原因只是一方面，技术和施工管理不到位，也是其中非常重要的一个方面。近来由于对断杆打捞技术的逐渐扩散，施工单位对于钻杆的管理和保养反而有所忽视，也导致钻杆断裂频率有所提高，此外还有盲目赶工、人员经验等诸多原因，对此本文不做展开，只能寄望于施工方高层和项目投资方通过组织手段和合同手段加强管理，以期在此方面提高工作效率。

 

　　　 另外值得一提的就是前文所说定向钻的地质条件勘察方面的因素。一般而言，勘察单位完成详堪之后，设计及施工单位很少再做进一步的勘察复核。但是目前也发现了因为任务过多，导致勘察单位利用一些当地已经成文的勘察资料加上初堪结果拼凑详堪报告的案例，因为勘察单位的报告不同于设计文件，不必经过一些审查程序，因此勘察单位偷工减料。其结果有误对设计编制图纸、施工单位进行施工技术准备造成了极为不利的影响，此问题的发生涉及到工程参建三方，因此未列入前面的施工技术原因分析中。为避免钻杆因此断裂，最好的做法是施工单位自行进行地勘或者补充勘察，直接掌握第一手资料，如果技术条件达不到，只能要求定向钻操作手在工程导向孔阶段密切监控定向钻钻进速度和转速、扭矩等数据，并定期检查钻屑情况，以便确认地质情况与勘察情况相符，从而使用相适应的定向钻施工组织设计。

 

　　 笔者参与施工的广东省惠州市潼湖镇地区的一个定向钻工程，全长1522m，穿越地层为强风化泥岩，采用10级扩孔方案，成孔直径Φ1320mm，回拖管道Φ1016mm，工期要求6个月；该工程基本上遇到了除扩孔分级以外的所有问题，根据设计文件说明，认为地质为中度风化岩石，初始施工组织设计选用钻机为DD440，其最大推拉力为200t，尚不满足根据地质条件及设计文件要求的348t最小要求，扩孔器选型为普通岩石扩孔器与桶形扩孔器，；经过开工后的密切跟踪，发现由于处于强风化岩层，且地层软硬不均，在扩孔时不仅周期延长而且很容易造成台阶，需要进行多次修孔，而且钻机推力不足，扩孔器也多次发生牙轮故障，几乎导致钻杆断裂；按照本文的分析论证，钻机最后选型为600t钻机一台，扩孔器选型更换为为滚刀式扩孔器，即便如此，因为每次扩孔后均要洗孔，每遍洗孔时间平均15天，工期最终延长近4个月。

 

　　 通过以上经验做法，在此后多次定向钻施工实践中有效的降低了钻杆断裂事件的频率，提高了的施工进度和成功率，不仅有利于解决钻杆使用的问题，而且对减少工期风险和工程投资具有重要意义，有利于取得较好的经济效益与社会效益。

 

　　[参考文献]

 

　　 [1]《水平定向钻实践指导》．大卫·班尼特（美）等．中国商务出版社，2006.03，

 

　　 [2]输气管道定向钻穿越技术仿真研究[D]．李文勇．东营：中国石油大学（华东），2009：20．

 

　　 [3]回拖浮力平衡技术在水平定向钻工程中的应用，张杰．《油气储运》（2011年08期）：619-620，633

 

　　 [4]大口径管道定向钻穿越中钻杆断裂原因及预防措施，李顺来、朱立志、任素青．中国科学院上海冶金研究所，材料物理与化学(专业)博士论文，2000年度

 

　　 [5]钻杆接头抗扭强度及材料韧性指标研究——系列专题之八，王新虎、薛继军、谢巨良、李怀仲．《石油矿场机械》（2006年第z1期）：1-4