水平定向钻穿越施工中的对接技术

屠言辉，苗冀清，徐树枫

（中国石油天然气管道局穿越公司，河北廊坊 065001）

水平定向钻穿越施工中的对接技术

屠言辉，苗冀清，徐树枫

（中国石油天然气管道局穿越公司，河北廊坊 065001）

在长距离水平定向钻穿越导向孔施工中，由于钻柱与孔壁之间存在较大的摩阻，因此钻头的旋转要明显滞后于钻机动力头的旋转，由此造成井下工具面角难以控制，从而使控向精度受到了影响。为解决此问题，采用了对接技术。文章主要介绍了对接技术的原理及对接时井下钻具的组合方式，并以中俄原油管道黑龙江穿越工程主管道导向孔对接实例加以说明。

水平定向钻；对接技术；控向；钻具组合

1 对接技术的优势

在非开挖管道施工技术中，水平定向钻技术以其对交通、环境的破坏及干扰小，施工安全高效，综合成本低等优点而备受推崇。随着该项技术的应用及发展，产生了为适应长距离定向钻穿越施工的对接技术，水平定向钻对接技术具有以下优势：

（1）解决了长距离水平定向钻定向控制困难问题。在定向钻穿越过程中，随着钻进长度的增加，钻柱受到地层摩擦阻力显著增加，钻柱扭转变形加大，这就导致钻机扭矩不能及时传递到钻头上，钻头在井底处于不连续的转动状态。这种情况下，司钻很难控制井下工具面角的朝向，使得地表显示的工具面角与井下实际工具面角存在一定的偏差，从而导致钻进方向失控。而对接技术则是从设计穿越曲线的入土点和出土点同时向中间钻进，从而有效缩短了单向导向孔的钻进长度，避免超长距离的定向控制，钻孔方位角和倾角更容易控制，保证了钻孔曲线的平滑。

（2）入土点和出土点完全符合设计要求。在中短距离的定向钻穿越施工中，一般都采用单向定向控制技术进行导向孔施工，实际出土点很难和设计出土点完全吻合。而对接技术由于是从入土点和出土点同时向中间钻进，就不存在出土点的位置误差问题。在穿越曲线两端采用套管隔离卵砾石层的工程中，对接技术的优势尤为明显。

2 对接技术的应用现状

对接穿越技术已经在国内外多项重大工程施工中得到成功应用。在国内，有钱塘江、磨刀门水道、福建LNG东西溪、饮马河、中俄原油管道黑龙江穿越工程等长距离或特殊地质的导向孔对接穿越，其中钱塘江、磨刀门水道穿越先后打破定向钻穿越的世界纪录 （见表1）。

在国外，水平定向钻对接穿越的最长距离为美国波斯顿海湾11 km穿越，该次穿越共分4段进行，其中最长的一段穿越距离超过4 km；NACAP公司采用该技术在法国的Rhone(隆河)河谷成功穿越河谷两侧厚重的砾石层，铺设一条总长超过1 036 m、管道直径609.6 mm的钢质天然气管道；在德国北部莱茵河，使用该技术完成的水平定向钻岩石穿越距离达2 500 m，其中岩石的最大抗压强度达到 160 MPa；2005年8月，德国 LMR钻进公司采用该技术在易北河成功铺设一条长2 626 m、直径350 mm的输油PE管道。

表1 国内对接穿越工程案例

3 对接技术的工作原理

井下对接要求钻井轨迹平滑，能够为后续的扩孔作业以及成功拖管奠定良好基础。对接点钻井轨迹的平滑与否，很大程度上取决于前期导向孔施工情况。

如图1所示，两台钻机分别从入土点和出土点向中间水平段钻进，入土点一侧的钻井称为主测井，出土点一侧的钻井称为被测井，对接时主测井负责测量被测井井下钻头的位置并实现对接，主测井轴线与被测井轴线几乎接近平行。被测井井下钻具组合中的轴向磁铁所产生的磁场分解为三个互相垂直的磁场分量，分别为轴向分量、高边分量和右手边分量；主测井井下钻具组合中的传感器测得被测井井下磁场分量的数值，通过分析磁场分量的数值来判断两口井的接近程度。离 （hstie，rstie）以及两口井平行度量 （hsconv，rsconv）都可以通过主测井井下传感器测得。

图2为在对接点附近建立的对接坐标系，矢量ax是主测井的轴向单位矢量，矢量s是被测井的轴向单位矢量，主测井与被测井的相对位置关系通过对接坐标系 [hs rs]来描述。对接坐标系 [hs rs]所在的平面与矢量ax垂直，与矢量s近似垂直。对接坐标系 [hs rs]的原点，即矢量ax与平面 [hs rs]的交点，为主测井井下钻具组合中传感器所处的位置，该位置在主测井中的井深值为mdtwt；对接坐标系 [hs rs]中的点 （hstie，rstie），即矢量s与平面 [hs rs]的交点，为被测井井下钻具组合中轴向磁铁所处的位置，该位置在被测井中的井深值为mdmwt。图中hsconv、rsconv的值用来表征被测井轴向矢量s与主测井轴向矢量ax的平行度。其中，主测井井深mdtwt由主测井一方控向人员累加钻杆长度得到，被测井井深mdmwt、对接相对距

根据设计钻井曲线的总长度和主测井与被测井双方实际钻进的长度，计算出主测井与被测井井下钻头的距离，当相距5～10 m的时候实施对接。对接时，主测井井下钻具保持不动，被测井井下钻具组合在十几米到几十米的范围内 （具体范围视实际情况而定）以间距0.5 m逐步反复移动，被测井每移动0.5 m，主测井井下传感器测量一次，测量的一系列数据以曲线图表形式在主测井控向软件界面上显示出来。测量完上述的一组数据后，将主测井井下钻具组合移动至另一井深处保持不动，被测井重复上述动作，主测井再测得另一组数据。以此类推，将主测井井下钻具组合置于多个井深处，反复被测井动作，测得多组数据后进行纵向数据对比，从中选择一组可信度高的数据，确定对接时主测井井深位置。

通过分析测得数据，可以得知两口井在对接坐标系中的相对距离 （hstie，rstie），因为这个值表示被测井井下轴向磁铁相对于主测井井下传感器的上下左右位置，所以控向人员可以根据此值调整主测井或被测井的井下控向短节的工具面角并继续钻进以求更接近对方井，钻进一段距离后，再重复测量得到两口井的相对距离，然后调整井下控向短节的工具面角继续钻进，直到对接成功为止。

4 对接时井下钻具组合

对于有线控向系统，井下钻具组合主要由钻头、带弯外壳的螺杆马达、泥浆压力传感器、控向探棒 （两端带扶正器）和无磁钻铤组成，其中控向探棒安装在无磁钻铤内部，如图3所示。

在导向孔钻进至对接点以前的施工阶段，主测井与被测井的井下钻具组合都如图3所示。到达对接范围以后，被测井需要起钻更换井下钻具组合，根据实际情况可以有如下几种组合方式：

（1）对接过程中主测井负责继续钻进并完成与被测井对接，被测井只是在对接范围内原井中来回移动供主测井测量其井下轴向磁铁产生的磁场数据，而后被测井井下钻具组合更换为钻头、轴向磁铁 （具有磁性的短节）、泥浆压力传感器、控向探棒和无磁钻铤。

（2）对接过程中被测井负责继续钻进并完成与主测井对接，主测井只是在对接范围内测量被测井井下轴向磁铁的磁场数据，而后被测井井下钻具组合更换为钻头、轴向磁铁、带弯外壳的螺杆马达、泥浆压力传感器、控向探棒和无磁钻铤。

5 对接参数的设置

控向参数的校准与确定是定向钻穿越成功与否的关键工序，是定向钻穿越施工必不可少的步骤。在施行单穿定向钻穿越施工之前，必须对控向探棒的精度，穿越曲线的方位角，施工现场的重力场、磁场以及地磁夹角进行测量，通过多次测量结果的横向比较，最终确定穿越现场的方位角，参考重力场、磁场和地磁夹角的值，并确定控向探棒的测量误差，将该误差作为施工时的参考，上述相关参数的测量及校准方法见有关文献。根据磁场、重力场和地磁夹角的变化可以判断外界干扰情况，以便我们采取其他措施来消除干扰。

在实施对接穿越之前，上述参数同样需要提前测量和校准，目的是保证前期导向孔轨迹最大程度上符合为对接而设计的理论钻孔轨迹。被测井井下钻具组合中的轴向磁铁是对接穿越施工中必不可少的钻具，轴向磁铁产生的磁极矩与其周围磁场分布相关参数的测量和校准是保证对接成功的另一必要工序。

5.1 轴向磁铁磁偶极矩的测量校准

为了减小测量误差，使得测量数据更加接近井下对接时的实际情况，应将控向探棒轴线与穿越设计曲线的水平中心线相重合，且测量位置附近10 m以内无外界磁场 （包括高压电缆、通讯电缆、其他金属物体等产生的感应磁场）。

测量时，控向探棒放在穿越设计曲线的中心线上，并与其相距约10 m以外的计算机相联接。轴向磁铁放置在控向探棒附近，且保持其轴线与控向探棒轴向平行，两者之间相距1 m，如图4所示。利用计算机测量并记录轴向磁铁的磁场强度Bax，然后将轴向磁铁极性反转180°，再次测量轴向磁铁的磁场强度Bax（rev）。则轴向磁铁的磁极矩就可用如下公式计算出来：M=（Bax-Bax（rev））/2。此处计算出来的M值均取绝对值，而对接时M值因实际井下轴向磁铁的磁极朝向不同有正负之分。

5.2 轴向磁铁周围磁场分量的测量校准

完成轴向磁铁磁偶极矩的测量以后，控向探棒在原地不动，将带有轴向磁铁的钻具组合放置在相距控向探棒1~2 m的距离处，且保持两者轴线平行，然后测得两者之间的精确垂直距离。

测量时，控向探棒保持固定，带有轴向磁铁的钻具组合沿其轴线以每次0.5 m的距离逐步向前移动，钻具组合移动的轨迹长度应至少大于控向探棒的全部长度，测量时两者之间相对位置示意如图4所示。钻具组合每移动0.5 m，用于移动的设备和人员均要远离测量点10 m开外以减少外界干扰，与控向探棒相连的计算机测量一次数据，完成图4中从A点至N点的全部测量后，即完成一组数据的测量。完成一组数据测量后，将控向探棒与钻具组合的垂直距离作为已知的初始条件，并输入相关参数的取值范围，进行数据处理，从而得到轴向磁铁周围磁场分布的分量值，以供井下对接时使用。为了减少测量误差，现场可多测几组数据，取其平均值。

6 应用举例

黑龙江穿越工程为中俄原油管道控制性工程，该工程穿越中俄界江——黑龙江。工程包括主管和备用管，两条管道间距25m，穿越长度均为1 100 m。穿越曲线两端分别贯穿约80 m长的卵砾石层，钻孔两端的曲线段是极其破碎的砂岩，极容易造成塌孔和卡钻事故，因此该工程被中外定向钻穿越专家誉为世界性穿越难题。

为解决穿越曲线两端长距离卵砾石层、破碎砂岩容易引起的卡钻问题，工程采用夯管技术分别向穿越曲线两端夯入约80 m长的D 1 600 mm钢套管用于隔离卵砾石、破碎砂岩层，同时采用对接技术成功地完成了导向孔施工，下面以主管道导向孔施工为例介绍对接技术的应用。

主管道导向孔施工过程中，主钻机安装在俄罗斯境内，负责主测井钻进，辅助钻机安装在中国境内，负责被测井钻进。钻进过程中在冰封的江面上全程布置人工磁场，用于精确控制主测井、被测井的倾角、方位角。对接在距离主钻机入土点570～645 m区域内实施，到达对接区域后，主测井井下钻具保持不动，被测井起钻并在地面安装轴向磁铁后重新下到对接区域内，配合对接作业。主测井在井下570 m处开始使用PMR程序实施对接，PMR对话框如图5所示。

主测井井下传感器在569.2 m处保持不动，被测井井下钻具从辅助钻机一侧500 m处逐步移动至510 m处，测得的轴向磁铁磁场数据以分量形式（B-axial、B-rs、B-hs）用曲线显示出来。图5左侧曲线分析结果如下，B-axial值先负后正可推断被测井井下轴向磁铁N极朝下，在B-axial值为零处B-rs和B-hs值均为正可推知被测井井下轴向磁铁位于主测井井下传感器的左下方。软件自动计算出被测井井下轴向磁铁相对于主测井井下传感器的坐标为hsite=-0.7 m，rsite=-1.1 m，将此时的主测井与被测井井下钻具相对位置表现在对接坐标系中，如图6所示，即控向人员将处在569.2 m井深处的主测井井下钻具组合的工具面角调节至238°并继续钻进，然后再测量并采集被测井井下磁场数据，直至完成对接。

在距离入土点645 m处完成主管导向孔对接作业后，俄罗斯境内主测井的井下传感器进入中国境内的被测井中，此时软件显示被测井中的轴向磁铁相对于主测井井下传感器的坐标为hsite=-0.3 m，rsite=-0.4m。对接点在理论上形成一个0.25m左右的台阶 （见图7），导向孔直径约为10in（≈0.25m），这个台阶显然不利于预扩孔和管道回拖作业，这是岩石地层对接的一个弊端。为了克服台阶带来的后续施工风险，技术人员现场设计了一套修孔钻具，用于磨平对接点处形成的台阶，降低对接点处钻井狗腿值。经修孔后，之后的预扩孔、回拖工艺过程顺利进行，表明导向孔对接点钻井轨迹已经平滑无障碍。对接技术的应用降低了长距离钻孔容易造成卡钻、抱钻和角度失控的风险，并使得工程有条件在出、入土端同时安装套管的情况下进行导向孔钻进作业，在缩短工期的同时，也使得实际出、入土点完全达到设计要求。

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Interconnection Technique of Horizontal Directional Drilling for Pipeline Crossing Construction

TU Yan-hui（China Petroleum Pipeline Crossing Company,Langfang 065001,China）,MIAO Ji-qing,XU Shu-feng

In long-distance pilot hole construction,big friction between drill string and bore wall causes that the bit rotation lags behind the rotation of drilling machine power head,so it is hard to control the downhole tool face angle，and the directional control precision is influenced.In order to fix the difficulty of directional control in long-distance pilot hole construction,the interconnection technique comes up.This paper mainly introduces the principle of interconnection technique and the downhole equipment assembly,and gives a living example of Heilongjiang River crossing project,which belongs to the China-Russia crude oil pipeline project,to explain the application of the interconnection technique in horizontal directional drilling.

horizontal directional drilling;interconnection technique;directional control;drilling tool assembly

TE973.4

B

1001－2206（2011）05－0026－05

屠言辉 （1982-），男，安徽宿州人，助理工程师，2009年毕业于中国地质大学 （北京）地质工程专业，硕士，从事水平定向钻穿越施工工作。

2010-07-07