浅谈单边定向钻穿越技术的参数分析

浅谈单边定向钻穿越技术的参数分析
李剑钊;李熊林;周晓亮;刘守亮;叶刚
【摘要】单边定向钻是黄土塬地区的一种新型管道穿越技术,具有穿越距离长、高差大、施工效率高、坡体干扰小等优点,适用于大型黄土冲沟、陡坎的一次性穿越.目前,国内外缺乏单边定向钻的技术规范及设计参数,设计施工以经验为主.文章研究了单边定向钻不同穿越穿越轨迹的参数选取及对比,介绍了单边定向钻穿越黄土冲沟的线路设计.也有助于单边定向钻技术的完善和推广.
【期刊名称】《价值工程》
【年(卷),期】2019(038)008
【总页数】3页(P135-137)
【关键词】黄土塬;管道穿越;单边定向钻;轨迹设计;直线轨迹;曲线轨迹;入土角;穿越长度
【作者】李剑钊;李熊林;周晓亮;刘守亮;叶刚
【作者单位】西安长庆科技工程有限责任公司,西安710021;长庆油田分公司第五采油厂,西安710021;西安长庆科技工程有限责任公司,西安710021;西安长庆科技工程有限责任公司,西安710021;长庆油田分公司第五采油厂,西安710021
【正文语种】中文
【中图分类】TE973
0 引言
单边定向钻斜井穿越充分利用了小型定向钻机体积小、钻杆短、操作灵活、便于控向的特点，同时小型定向钻机转场方便、费用低、便于短距离内实施多次施工。

单边定向钻斜井穿越技术是利用水平定向定向钻成孔技术形成斜井，是水平定向钻穿越和斜井穿越技术的组合，取其两种技术的优点，参数综合了两种技术的特点和设备可调控性进行研究。

单边定向钻斜井穿越施工斜井坡度范围大，坡度控制难度小，穿越施工的泥浆量小，对环境影响小，施工安全性好，适合于单次较长距离的斜井穿越。

单边定向钻斜井穿越技术主要参数有入土角，出土角（选择线路轨迹为曲线才有）、管线埋深，穿越长度等。

图1
1 目前国内相关规范及及经验规定
根据《油气输送管道穿越工程设计规范》规定“水平定向钻敷设穿越管段的入土角宜为6°～20°，出土角宜为4°～12°，应根据地质条件、穿越管径、穿越长度、管段埋深和弹性敷设条件确定。

”人工开挖斜井施工的斜井坡度一般不大于35°，施工长度不超过60m；人工井内作业安全性差、控向难度大，这些缺点限制了人工
开挖斜井穿越的使用范围。

综合以上两种技术的角度和长度限制，研究单边定向钻斜井穿越技术的参数选取。

2 设备可调式范围
一般情况下钻机可以直接停放在自然地坪上，通过钻机自身角度调整来满足斜井角度的需要，当斜井角度较大钻机调整角度不能满足要求时，开挖一个长方形与穿越斜度设计角度一致的簸箕形工作坑，钻机停放就位在工作坑旁，然后根据地势和设计的入钻角度，进行钻机的安装和调试，保证钻杆的中心线与斜井穿越轴线同心并保证入土角度，对控向系统程序进行校核，保证探头在地面上测得的磁方位角的精度符合要求。

图2 钻机安装现场照片
3 设计及施工其他相关要求
管道在黄土塬顶和谷地的平坦地段按照开挖管沟埋管的方式铺设，埋深在塬顶为工艺线路埋深，在谷地考虑冲刷适当增加埋深。

在谷地开挖管沟到陡坡底边后向陡坡内挖洞，进深约2～3m。

冲沟两侧入土点、沟底出土点要保持在同一垂直面内，
出土点偏差控制在10cm以内，保证沟底弯管连头自然顺畅。

因此，要提高测量
放线的精准度，同时严格钻孔控向。

为了保证穿越施工的安全性，施工前应首先查明黄土冲沟边缘松散土和稳定土的分布范围。

定向钻机距离坡边的安全距离应该在10m以上，管道穿越路径距离坡边的稳定层安全距离应在3m以上。

依据穿越处的地形地势、黄土层的稳定性等确定钻机的入土角。

为了尽可能减少定向钻孔长度，也就是缩短入土点至冲沟沟底冲刷深度以下不小于6.0m深处的距离，希望穿越钻机有较大的入土角。

基于这样的考虑，利用斜坡地形安装定向钻机实际穿越的入土角控制。

4 穿越轨迹为直线的参数选取
一般线路轨迹为直线时角度较大，研究直线的入土角宜可满足曲线入土角，出土角和埋深在规范范围之内即可。

可通过人工造斜方法尽可能加大穿越的入土角。

入土角α与穿越长度L关系式如下：
图3
其中：L2-坡顶入土点离冲沟坡顶的最小安全距离；
L-穿越斜井长度（单位：m）；
H-冲沟的垂直高度（单位：m）；
h-为穿越段冲沟底连头作业处管线埋深（单位：m），在冲沟冲刷线以下6m，一般冲刷线2m，h=8m。

h0-坡顶管线埋深（单位：m，根据工艺专业确定，一般在1.5m）；
α-入土角；
β-边坡坡度角（一般在45°～80°）。

根据以上公式得出：入土角越大坡顶入土点离冲沟坡顶的安全距离就越小，穿越斜井长度越短，下滑管线需要挖掘机拉力就越大，角度越小不利于主管道的发送，管线自重没得到充分利用，增大管线与土体的摩擦。

假定取其入土点和出土点高差（H+h-h0）为定值H0，得出同一高差场地不同入
土角的穿越长度L值。

L=H0/sinα，（α=6°~45°）其曲线如图 4。

图4 同一条件下不同入土角穿越长度曲线图
①角度小于6°范围内（即A-B绿色虚线段）理论穿越长度受角度影响变化较大，
角度越大，长度越短，该段曲线曲率变化较大，但角度范围低于规范《油气输送管道穿越工程设计规范》规定“水平定向钻敷设穿越管段的入土角宜为6°～20°”的范围，理论存在，实际不可取。

②角度范围在6°～20°范围（即B-C紫红色实线段）穿越长度受角度影响变化较大，角度越大，长度越短，该段曲线曲率变化较大，也在规范范围内，实际可取，但该段穿越不够经济合理。

③角度范围在20°～45°范围（即C-D红色实线段）穿越长度受角度影响变化较小，角度越大，长度越短，20°～45°范围内，穿越长度变化范围为1.4H0~2.9H0该段曲线曲率变化较B-C段小很多，但角度范围超出规范《油气输送管道穿越工程设
计规范》规定“水平定向钻敷设穿越管段的入土角宜为6°～20°”的范围，但通过调整钻机和地坑调整，叠加角（钻机本身可调整最大20°，地坑设备根据设备许可可调整25°）最大可调整最大45°，所以入土角也在适用范围之内，实际可取，该段穿越经济合理。

④角度范围在45°～90°范围（即D-E兰色虚线段）穿越长度受角度影响变化较小，
角度越大，长度越短，该段曲线曲率变化很小，超出规范及设备允许范围，实际不可取。

5 穿越轨迹为曲线的参数选取
图5
入土点和出土点的连线AE与边坡顶的水平角度α是利用斜坡地形安装定向钻机，即就是钻机底座地坪与直线AE在一个平面内，假定AE平面是将水平旋转了角度α，在平面AE的基础上做水平定向钻曲线，假定水平定向钻入土角为β，出土角
为β'，α为钻机底座允许调整范围0~25°，β为钻机本身可调整角度，取值按规
范取定范围6~20°，β'为假定水平定向钻出土角，取值按规范去定4~12°。

最终
单边定向钻斜井穿越的入土角为α+β，取值范围6~45°，出土角α+β'，取值范围4~37°。

表1 对比项目单边定向钻穿越技术水平定向钻穿越技术工作原理利用小型定向钻机的部分功能，只进行钻导向孔和扩孔作业，形成斜井，然后将管一次或分段焊接下溜发送至斜井内，不进行管道回拖作业，管线从入土点发送进斜井。

利用定向钻机进行钻导向孔和扩孔作业，孔洞达到管线回拖要求时进行管道回拖作业，管线从出土点回拖至入土点。

①冲沟两侧坡顶上一侧具有布设钻机、泥浆池、材料堆放和的要求的场地；②冲沟两侧高地上另一侧具有穿越段全段管线预制场地，场地需求较大，便于管线回拖，管道预制需一次焊接焊接；③两岸坡度较大，沟深较小冲沟，湿陷性黄土冲沟；④破土作业易造成原生植被的严重破坏，坡面恢复困难，或表层浅层局部滑坡地段；⑤但土质适宜钻进；⑥适用中大型河流、水库和湖泊等场地穿越。

穿越轨迹直线或弹性敷设范围内近似直线的曲线。

“U”型曲线，有入土直
线段，曲线，直线段，曲线，出土直线段等5段轨迹组成参数选取一般入土角6°～45°范围内，最经济合理范围为20°～45°，曲线出土角4°～12°范围内，直线出土角不受限制。

规范规定入土角6°～20°范围内，出土角4°～12°范围内。

场
地条件①冲沟两侧或单坡坡顶上具有布设钻机、泥浆池和材料堆放管道组焊的要求的场地；②不需要回拖场地，管道预制场地可考虑分段焊接；③湿陷性黄土地区高陡边坡，两岸坡度较大，沟较深的季节性冲沟；④破土作业易造成原生植被的严重破坏，坡面恢复困难，或表层浅层局部滑坡地段；⑤但土质适宜钻进。

优点：①坡体干扰小；②边坡水工保护少，后期维护费用低；③施工避免高空作业，安全可靠；
④沟底不需要连头作业，施工便道较少；⑤水工保护工程量少。

缺点：①穿越距离长，但穿越段内定向钻钻进长度比单边定向钻斜井斜井穿越长许多；②高差小；③施工效率较水平定向钻低，周期长；④投资高；⑤施工控制难度大。

施工难度施
工难度小施工难度大，风险高施工周期周期短周期长总投资低高安全性高低（施工成功率低）水工保护及后期维护边坡水工保护少，后期维护费用低边坡水工保护少，后期维护费用低备注：优缺点对比是建立在场地满足两种穿越技术要求的前提下。

相同场地优缺点对比优点：①穿越距离长，但穿越段内定向钻钻进长度比水平定向钻穿越短；②高差大；③施工避免高空作业，安全可靠；④施工效率高，周期短；⑤坡体干扰小；⑥边坡水工保护少，后期维护费用低；⑦投资较低；⑧坡度控制方面准确；⑨场地灵活。

缺点：①沟底需要连头作业，施工便道较大；②对冲沟底部植被或水域破坏较大，有少量水工保护；③沟底泥浆处理难度较大。

根据曲线轨迹穿越长度公式：
h=R（1-cosβ）+Ssinβ=2400D（1-cosβ）+Ssinβ
根据公式得出：入土角取值范围是6~45°，出土角4~37°，β越大，穿越长度约长，β越小，穿越长度约短，α越大，穿越长度约短，α越小，穿越长度约大。

曲线轨迹入土角和出土角叠加后穿越长度与入土角的关系同直线轨迹，只是取值大小不一样，原理基本一致。

6 单边定向钻与水平定向钻参数对比
单边定向钻穿越技术从工作原理、场地条件，穿越线路轨迹和主要参数选取的研究和经济性对比等研究，得出结论为单边定向钻穿越不同于水平定向钻穿越，不同于人工斜井穿越技术。

它是利用水平定向钻技术成孔和扩孔，利用人工斜井技术发送管道到斜井内，是水平定向和人工斜井的结合体，与水平定向钻技术区别从工作原理不同、场地条件不同、穿越轨迹不同、参数选取不用等方面进行对比，具体内容如表1。

7 结语
入土角越大不能保证入土点距冲沟边缘的距离，综合水平定向钻规范的入土角度范围（6°～20°）和钻机的本身和地坪可调角度范围（0°～25°），钻机自身和钻机地坑允许的角度范围，经过叠加后，入土角不能超过45°。

参考人工斜井技术的角度范围（10°～35°），最终确定在塬顶沿管道走向设置定向钻，钻杆入土角度控制在6°～45°（视钻机能够安装固定的能力，尽可能加大角度，以减少斜井的长度），但20°～45°入土角穿越最为经济合理，对于曲线轨迹出土角控制在4°～37°，管线埋深满足水平定向钻和人工斜井的要求，靶心对准坡角洞口，然后加固钻机。

参考文献：
【相关文献】
[1]唐明明，王芝银，马兰平，曾志华，张之沛．油气管道穿越黄土冲沟的管线设计参数研究[J]．岩土力学，2010（4）．
[2]梁国俭.黄土塬地区管道施工方法———斜井穿越法[J].石油工程建设，2007，33（3）：23-25.
[3]吴勇.一种实用的黄土塬地带管道施工方法[J].石油工程建设，2008，34（4）：40-41.
[4]王晓霖，李延金，孔令新，张建强.黄土塬单边定向钻穿越轨迹设计方法研究[J].石油工程建设，2008，37（5）.
[5]张海燕，马霖，杨辉荣，等.定向钻斜井在兰郑长管道施工中的应用[J].石油化工建设，2009，
35（5）：71-74.
[6]赵文明，侯学瑞，周西顺.单边定向钻在大型黄土冲沟管道施工中的应用[J].石油工程建设，2008，34（1）：62-63.。