水平定向钻技术在油气输送管道工程中的研究与应用

李永明

(森诺科技有限公司，山东 青岛 266000)

1 水平定向钻穿越概述

在油气输送管道施工中，通常采用穿越的方法进行市政道路以及大面积水域等难以直埋的障碍物的管道施工。相比于传统的隧道穿越、开挖穿越，水平定向钻穿越具有控向精准、施工周期短、高效、可进行长距离穿越、有利于保护周边环境等优点。

经过数十年的发展，水平定向钻技术的发展已初步成熟，设备型号齐全，可适用于各种规模的施工以及复杂多变的地形地质，现在水平定向钻技术能够穿越的距离达到了两千米。水平定向钻穿越设计不仅需要工程力学以及流体力学方面的分析，还与施工现场的管道外腐蚀、管道规格等设施密切联系。

2 水平定向钻的系统构成

水平定向钻主要由钻机、钻具、泥浆系统、导向系统四大部分组成[1]。

2.1 钻机

钻机主要由钻杆和柴油发电机构成。柴油发电机能够为钻机提供足够的动力支持，它是最为关键的组成部分。为保证钻机正常作业，需要有恒定的输出功率，所以必须使发动机持续工作。钻杆通常有液压或者机械驱动钻杆等类型，钻杆通过旋转扭矩作用于孔底的钻头最终完成回拖和钻进作业。水平定向钻进行施工时最为重要的数据是旋转扭矩以及回拖力，在设计的过程中，需要综合考量工程的体量确定出穿越的性能，最终选择出钻机的机型。

2.2 钻具

钻具由钻头、扩孔器、卸扣(U型环)钻杆以及旋转接头(单动接头)四部分构成。在施工现场，钻具安置在出土点场地，水平定向钻安置在入土点场地。

2.3 导向系统

这一部分在整个施工过程中占据着非常重要的作用，它的选用同样非常关键，关乎着施工过程的顺利与否。这一部分主要有有线导向系统和无线导向系统。对于后者，它重要的组成部分是手持式地表探测器以及隐藏在钻头中的探头[2]。

对于一些穿越困难的地质条件，比如河流或者湖泊，因为表面难以正常走动，而且钻孔达到的深度很大，就会造成信号的屏蔽，很难接收到，因此就需要用到有线导向系统。

2.4 泥浆系统

这一部分的主要作用就是保证扩孔的顺利进行，以便管线能够进行回拖作业。

首先需要在泥浆罐里面添加入水份、膨胀土和添加剂等，再进行足够的搅拌确保混合均匀，然后利用泥浆泵再进行加大压力的处理，利用钻杆的通道直至钻具的喷嘴位置。对穿越段的地质进行冲刷，同时将钻屑进行收集，能够对钻进起到很大的助力。此外，添加入泥浆还能够起到降低温度的作用，防止温度太高而被损坏。

与此同时，泥浆系统的关键还在于，在回拖的过程中，可以减少这一过程中的摩擦力。正常情况下，回拖时管道是包裹在泥浆之中的，所以在实际的操作中，假如孔道比较理想的话，那么需要的拉力也就相对较低很多。

一般情况下，孔道都是很大的，孔壁的稳定性也不是很好，因此，在加入泥浆之后，对孔壁能够起到加固的效果，减少孔壁破坏的情况[3]。

3 工程施工步骤

首先按照设计文件，确定水平定向钻的出土地点、入土地点以及管道中线的位置，通过水平定向钻进行钻孔，紧接着放入套管；在钻头出土之后，在套管的一端安装上扩孔器以及预制好的管线，扩孔器的个数需要安装实际的情况进行确定；此外，需要穿越的管线需要提前进行焊接、试压和检验，全部合格之后才能进行回拖[4]。然后通过钻机将扩孔器以及管线进行回拖操作，待管线完全置于孔道内，在钻机的入土处露出端头即可。

3.1 道路

在实际的操作过程中，在出土位置和入土位置处均必须放置大型机械，因此就需要道路进行运输机械设备。尽量利用现有道路进行修整确保达到要求，减少新建道路的比例，也可以利用管线的施工便道，尽量控制这方面的资金投入。

3.2 施工场地

3.2．1 钻机方面

在钻机的施工场地方面，大约需要用到30m×45m的场地面积。同时在周围布置800mm×800mm的排水沟，以便排出废水。此外，需要挖掘2处泥浆池，尺寸为8m×10m×1.5m。在挖掘时，必须保证泥浆池的稳定性，边坡必须稳定可靠，避免出现滑坡等危险。场地需要做到干净、整齐、稳固，方面钻机的施工作业。

3.2.2 管道方面

一般情况下，管道穿越的长度都比较长，因此在预制管道时需要在管道场地方面预留出放置管道的场地。假如场地不允许，就难以保证工程的正常施工。在管道的场地方面也需要平整出一块30m×45m的场地，留出足够的宽度保证管道的作业。预留的场地长度，需要确保管线在焊接之后能够正常放置。在正式回拖之前，就需要将管道进行焊接、试压和检验，同时做好防腐工作。

3.2.3 现场勘察

在确定好位置之后，就需要对对应的位置进行实地的测量勘察，同时出具详细的测量图纸，这是后续工作的基础和前提，因此是十分必要的。

3.2.4 设计参数

在设计的过程中，必须确定好合适的出土的角度和入土的角度以及弹性敷设的曲率半径。根据众多的水平定向钻的施工案例实践，入土角控制在8°～12°之间，出土角控制在4°～8°之间。为了保证水平定向钻的顺利作业，必须确保穿越管道的弹性敷设段曲率半径在出、入土段大于或者大于1200D，这样才能保证管线的顺利回拖[4]。

3.2.5 钻孔施工

布置钻机，协调配套机械进行到工作状态，准备控向的参数数据，搅拌好泥浆，尝试进行钻机作业，进行导向孔的钻进，进行扩孔的操作，对管道进行回拖，清管测径[4]。在钻孔施工完毕之后，需要对未用到的泥浆进行回收和处理，同时需要对破坏的场地进行恢复。

4 设计采取的安全措施

(1)做好前期测量勘察工作，保证穿越地质条件满足定向钻的要求，不在水网较多、地质较差的地段进行穿越，同时降低沿线的水土保持的程度，保证管道的安全。

(2)根据穿越的类型，在计算管线的壁厚时，加大设计的系数，从而提高管线的壁厚。

(3)对于在大型河流进行穿越的管线，需要在两岸布置截断阀，避免由于管线的泄漏造成河流的污染。

(4)提高管道的防腐等级，对于穿越段采用三层PE加强级外防腐技术。

(5)在穿越硬质岩石等地质环境时，设置光敏固化玻璃钢防护层，对管道防腐层进行保护。

5 工程实例

5.1 西南成品油管道穿越

西南成品油管道工程采用水平定向钻技术穿越南宁市2处鱼塘和1处道路，其中鱼塘总长度约为320m，道路宽14m。输油管道的管径为DN450，壁厚为10.3mm，管道的设计压力为10MPa，穿越处地质条件为中风化泥岩层，穿越长度为700m。水平定向钻入土角10°，出土角9°，曲率半径为1500D，管道穿越处水平段设计埋深35m。

穿越段需要提高管道的防腐等级，因此此处管道的防腐材料选择加强级三层PE外防腐，同时再增加光敏固化玻璃钢防护层。

5.2 珠三角成品油管道穿越

珠三角成品油管道需要穿越江门市罗江河，此处穿越采用水平定向钻技术进行穿越。管道的管径为DN400，壁厚为8.7mm，管道的设计压力为9.5MPa，穿越处地质条件为强风化泥岩，穿越长度为500m。水平定向钻入土角9°，出土角8°，曲率半径为1500D，管道穿越处水平段设计埋深12m。

穿越段需要提高管道的防腐等级，因此此处管道的防腐材料选择加强级三层PE外防腐，同时再增加光敏固化玻璃钢防护层。

6 结论

根据众多的施工案例，我们发现，在水平定向钻的实际操作中，影响施工的关键因素是最大回拖力，而它会受到管线长度、外径、壁厚、曲率半径等条件的制约。

(1)目前水平定向钻的施工已经取得了很多成功的案例，工艺技术也越来越完善，但是依然会受到很多的因素的制约和限制。尽管现场的环境一样，但是施工队伍或者施工时间的不同，也可能会带来不同的效果。因此在施工过程中，成熟的技术和完备的施工机械就非常有必要。在实际的操作中，需要按照现场的实际情况，合理调整设计的参数数据，以符合实际的需要，保证设计的图纸能够满足现场需要。

(2)在实际的水平定向钻施工作业时，由于受到很多外在因素的制约，因此管道的出、入土的角度有时会出现大于设计角度的问题。所以在进行设置的过程中，如果受到现场条件的制约，设计可以按照现场的实际的环境进行调整。

(3)管道在进行水平定向钻穿越的过程中，很大程度上会受到当地的地理环境的影响。如果当地的地质条件比较复杂或者穿越段比较困难，应当尽量多设置密探孔，以便确保勘察测量的准确性。