定向钻技术在燃气管线穿越河流中的应用

中国石油大学规划建设处

定向钻技术在燃气管线穿越河流中的应用

闻涛中国石油大学规划建设处

水平定向钻技术施工的关键在于导向孔的钻进、管线焊接施工及导向孔的扩孔、泥浆制备、回拖管道等几道关键性工序。防止定向钻在钻孔时呈现“S”形，应严格控制每根钻杆的角度（约0.4°），控向过程中要严格按照设计曲线施工。水平定向钻施工技术具有导向准确，施工效率高，能有效避开地下障碍物，不影响交通，而且不破坏生态环境，施工速度快，穿越长度长，穿越深度深，施工安全性好的特点，作为一项高效安全的新技术得到了广泛的应用。

穿越管线；水平定向钻；导向孔；管线回拖

水平定向钻技术的施工原理是利用地表放置的大功率钻机，在导向仪的导向和监控下，按预先设定的地下铺管轨迹钻一个小口径先导孔，随后在先导孔出口端的钻杆头部安装扩孔器回拉扩孔，当扩孔至设计尺寸要求后，在扩孔器的后端连接旋转接头和管线，回拉铺设地下管线从而完成管线施工[1]。其施工的关键在于导向孔的钻进、管线焊接施工、导向孔的扩孔、泥浆制备以及回拖管道等几道关键性工序。

本工程为穿越横河的燃气管线铺设工程，定向穿越水平长度608m，实际拖管长度608.7m（考虑管道回拖完成后，入土、出土端管头埋深为2m），入土角度5°，出土角度5°。定向钻施工采用D813钢管，壁厚16mm，采用Q345钢。根据勘测设计资料及现场勘察情况，该穿越段地层为淤泥质土、粗砾砂、强风化花岗岩，本次穿越工程主要从淤泥质土层中穿过，成孔条件良好。

1 测量放线

在现场进行控制(转角)桩的交接后，应进行测量放线，将桩移到施工作业带边缘，对已经丢失的桩应复测补桩。对于平面图、断面图和勘查资料中标明的地下障碍物和新发现的障碍物等应进行调查、勘测并设置标志桩，注明障碍物的埋深和尺寸等[2]。沿穿越轴线两边50m派专人查看地下管线，弄清地下管线走向及埋设深度，并在出、入土点位置采用人工方式挖探坑（探坑尺寸为3 m×1 m× 2.5m），确保待穿越管线与现有地下管线不会发生冲撞。

2 施工作业带清理及场地平整

钻机入土点和出土点场地根据地形情况分别进行平整，占地面积分别为60m×60m，场地四周挖0.5m宽、0.5m深的排水沟。钻机场地平整完成后，用钢板铺垫，保证钻机的进场就位。

挖地锚坑长7.0m、宽3.5m、深1.8m（视开挖地层情况而调整），把地锚箱放入坑内，在土与地锚箱之间的间隙用浇注砼保证在回拖管线过程中地锚的稳固。

3 水平定向钻的实施

3.1 管线回拖力计算

定向钻穿越回拖力的计算，对于钻机的选择至关重要。本工程穿越管线为Ø813 mm×16mm钢管，在回拖过程中，回拖力主要由管道浮力对孔壁造成的摩阻力和管道在孔内移动过程中与泥浆产生的摩擦力构成。为降低管道因浮力对孔壁造成的摩阻力，在施工过程中采用管道内注水的方法。为保守计算，按照管道内注满水、孔内充满泥浆及孔壁保持比较完好考虑。如果管道内注满水后，管道的摩阻力表现为管道与下孔壁的摩阻力，在实施拖管过程中若管内注水合适时，可将摩阻力降到零，也就是说理论上管道在洞内因自重产生的摩擦阻力完全可以消除。

在施工过程当中保持好泥浆的性能以及成孔后洗孔时孔内固体颗粒的含量，是完全可以做到降低摩擦力的，因而回拖力可以相应降低。本次穿越施工取2倍的安全系数，需选用回拖力大于等于118 t水平穿越钻机，故本次施工投入回拖力为160 t钻机，满足施工要求。

3.2 钻导向孔

首先清理钻杆和钻头并检查钻杆，应保证每根钻杆经无损探伤合格后方可使用，然后检查钻机配电系统、钻进系统，检查各系统运行情况无误后进行试钻。试钻过程中应同时检查系统的运行状况，无误后开始钻进。

定向钻施工工程的关键工序之一是穿越导向孔的施工。现场具备条件后，按设计规范要求进行钻进，保证钻孔曲线偏差符合设计要求。钻进曲线以设计的曲率半径进行弧线调整，从入射角7°逐渐调整直至水平，然后再慢慢抬头至5°，直至出土，每根钻杆调整约0.3°～0.4°。

钻进过程中的控向对工程的穿越精度及穿越成败至关重要，钻进开始前必须认真分析地质勘察资料，仔细确定控向方案和钻进方案，必须认真分析钻机仪表上的每项参数，紧密配合以便钻出合格的导向孔。钻导向孔时必须时时对照勘察报告的地质资料及仪表参数，根据土质阻力和钻进速度分析成孔情况，达到出土点位置准确，确保成孔良好。为确保出土位置准确无误，曲线平滑，钻进过程中在磁场干扰较大的地方需要布线圈来满足MGS定向系统磁场的稳定性。

3.3 管线回拖施工

（1）回拖施工也是穿越工程的关键步骤，回拖时采用的工艺设备是：钻机钻杆配合36″桶式扩孔器+200T回拖万向节+200TU形环+Ø813mm正式管线。为了避免因管线回拖停滞造成阻力增大而导致的回拖失败，管线施工回拖应连续进行。

（2）回拖前管线防腐层检查。仔细对照设计要求和施工规范对管线进行检漏，检漏应使用电火花计，以规定的电压不击穿防腐层为合格，并在管道入土前设专人检查处理，尤其应注意管道接口处的防腐层。

（3）管线回拖准备。检查管线合格后，管线内注水到设计水量，然后将回拖管头与穿越管线焊接并加固，保证回拖抗拖力在180 t以上；然后将发送沟充满水，并将回拖管段放进发送沟中，管线入沟时需要注意避免划伤，保护好防腐层；同时检查扩孔器和各泥浆喷嘴的畅通性，确认合格后再进行管线连接。

（4）管线回拖施工。回拖过程中，应仔细观察钻机回拖参数，确保回拖力不发生突然变化；同时要认真观察泥浆循环系统的运行情况，保证泥浆的顺利供应。管道施工完毕回拖出土后，应及时卸下钻杆、万向节等机具，并按照预留长度割掉回拖头，用盲板将焊接封闭，至此回拖施工完毕。

4 施工中应注意的问题

（1）防止定向钻在钻孔时呈现“S”形的措施。所谓穿越钻孔出现“S”形是由于在控向施工过程中相邻几根钻杆的角度过大而造成的整个穿越曲线的变形，所以必须要控制好每根钻杆的角度以保证钻孔的圆滑。为防止曲线出现“S”形，应严格控制每根钻杆的角度（约0.4°），控向过程中要严格按照设计曲线施工，如发生偏离原设计曲线，要及时做出调整，进行水平纠偏时每两根钻杆之间变化一般不超过0.3°。

（2）确保回拖顺利的措施。首先必须确保导向孔平滑、顺畅，满足设计曲率半径，并避免出现“S”型；同时对钻机进行维护保养，对钻具进行定期检查，确保设备及钻具完好，防止回拖过程中停车。回拖前调整管道的入洞角度到出土角度。由于管道的刚度大，处理不好入洞的角度和高差，容易造成回拖的失败。通过调整泥浆性能及推进速度保证扩孔回拖顺利完成。在扩孔回拖过程中要根据回拖力及扭力的大小控制好回拖的速度，结合地勘资料进行合理的泥浆配比，使泥浆能最大限度地发挥悬浮携带、润滑、固孔、堵漏等功效。

（3）泥浆配比工艺措施。穿越工程中护壁泥浆也是定向穿越中能否成功的关键因素，泥浆配比前需对水质进行取样化验并做泥浆配比实验，符合要求后方可使用。施工过程中，派专人在出、入土点随时观察从洞口流出的泥浆及固体颗粒含量（泥、砂等），以便及时调整泥浆配比，尽可能将孔内的泥砂携带出孔外，保证孔内光滑顺畅。

5 结语

水平定向钻施工技术具有导向准确，施工效率高，能有效避开地下障碍物，不影响交通，而且不破坏生态环境，施工速度快，穿越长度长，穿越深度深，施工安全性好的特点，作为一项高效安全的新技术得到了广泛的应用。技术素质高的工人、性能优良的设备、科学的施工组织、有效的施工措施和合理的施工工艺是保证工程顺利完成的主要因素。

[1]张宏.HDD施工技术与发展[J].筑路机械与施工机械化，2004，21（1）：53.

[2]张庆征.“三接一”在定向钻中的应用[J].油气田地面工程，2006，25（8）：67.

（栏目主持 焦晓梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.061