水平定向钻对接穿越施工方法

水平定向钻对接穿越施工方法
一、对接穿越技术简介
在水平定向钻穿越中，钻头和钻杆在进行导向孔施工过程中由于受到穿越地层的阻力和阻力矩从而增大钻机的推进力和扭矩，尤其在超长距离的穿越中导向孔方向（即钻头的角度）控制会变得非常困难。

经常造成导向孔与设计穿越曲线偏移和钻头难以抬头的情况发生。

从国内现有的穿越成绩来看，水平定向钻穿越的长度和管径以及施工难度都较几年前有大幅的提高，但是与国外同行的穿越成绩相比还是有一定差距的。

究其原因，是因为国外同行在水平定向钻超长距离穿越中引入了一种新的技术，即对接穿越技术。

对接穿越技术就是在穿越曲线的出、入土点两端各设置一台钻机，两台钻机同时按设计穿越曲线相对进行导向孔施工。

当两台钻机的钻头钻至预先设定的对接范围内时，由人土点钻机的探头感应到出土点钻机钻头发出的磁信号后，出土点钻机匀速的回抽钻杆，人土点钻机根据感应的磁信号沿出土点钻机的导向孔方位同步匀速钻进，直至两个钻机的穿越曲线完全合而为一，从而较精确完成导向孔施工。

一般大型水平定向钻穿越中通常采用的是有线控向方式，即利用磁感应探头接受地球磁场后产生电信号经处理后输入电脑中，再由操作人员根据电脑中的反映的数据进行钻头的方向控制。

而采用对接穿越技术进行导向孔施工时，使用人工铺设电缆产生的磁场取代地球磁场来控制导向孔钻进，因此抗周边磁场干扰的能力明显增强，提高了施工精度。

对接穿越技术的应用有效解决了超长距离或复杂地层穿越的导向孔施工困难，使水平定向钻穿越的施工领域得到了很大的扩展。

二、施工工艺
采用对接穿越技术进行导向孔施工需用两台钻机协同作业完成，其中一台为主施工钻机，另一台为辅助施工钻机。

施工设备应根据工程具体情况合理选用。

本工程穿越长度2900米，穿越管径Φ273 mm，地质情况不详。

建议主施工钻机选用最大拉力≥200吨钻机，辅助施工钻机选用最大拉力≥100吨钻机。

对接点设置建议在2900米的穿越曲线上离主施工钻机1700－1900米处，对接点前、后50米范围（共100米）之内为对接区。

具体对接穿越进行导向孔的施工工艺如下：
1、施工准备
1.1 钻机及配套设备就位：将主施工钻机就位于入土点，辅助施工钻机就位于出土点，两钻机保证在穿越中心线位置上。

两台钻机就位完成后，进行各方系统连接、试运转，保证设备正常工作，并确保两个钻机场地之间的无线电通讯正常。

1.2 设置人工磁场：在地表沿穿越曲线中心线人工铺设电缆，该电缆通交流电后在穿越过程中将作为导向孔施工控向系统的磁信号源。

若穿越河流较深或者水流湍急的河流中心区域，可沿穿越中心线对接区域间隔50米距离安放3个交流基准磁铁，该基准磁铁可发出交流磁信号，引导钻头在通过河流深水区段时的方向控制。

1.3 测量控向参数：校准导向孔施工控向系统，标定控向参数，为保证数据准确，在穿越中心线的五个不同位置测取，且每个位置至少测四次，进行对比，并做好记录。

1.4 钻机试钻：待两个钻机场地的设备和仪器准备就绪，钻杆和钻头清扫完毕后进行试钻，启动控向仪器，信号电缆将产生交流磁信号，此时启动钻机并钻进，当钻进1-2根钻杆后检查各部位运行情况，各种参数正常后正常钻进。

2、导向孔施工
2.1 主钻机钻进：结合使用控向系统和磁信号电缆，将主施工钻机沿着设计穿越曲线钻进至1700－1900米，主施工钻机的钻具组合为：铣齿钻头+无磁钻铤+钻杆。

为了减小钻具在地层内的钻进阻力，当主施工钻机钻进1000米左右时，在入钻点处沿钻进方向加钻杆定位管（钢套管）。

定位管采用单根长度为10米左右的φ325×8的钢管，利用钻机沿钻杆方向推入地下，采用手工焊接，定位管打入的长度视地层情况而定。

使用定位管后，钻机的推力更容易向钻头传递，防止产生过多地侧向分力而导致的钻杆失稳，特别是在两钻头进行对接阶段，能够克服地层的阻力，连续而又准确地完成对接动作。

2.2 辅助钻机钻进：当主钻机钻进导向孔时，辅助钻机同时进行钻进，结合使用控向系统和磁信号电缆，将钻机沿着设计穿越曲线钻进约1000－1200米，两钻机钻进时相互协调，确保在同一时间内钻进至对接区域。

辅助钻机钻具组合为：铣齿钻头+无磁钻铤+钻杆。

当辅助钻机抵达对接区域时，启动钻头短节内安装的目标磁铁，该目标磁铁负责在对接时，引导主钻机的钻头钻进。

3、对接
当主施工钻机的钻头接近第一个交流基准磁块时，利用基准磁块产生的磁场检查穿越的方向和深度，判断是否符合对接的要求。

如不符合对接要求，则调整穿越的方位角和倾斜角，使之符合对接要求。

辅助钻机也同时进行钻进，并利用基准磁块准确定位。

主施工钻机钻进至对接点时停止钻进，此时主施工钻机的探头便可探测到辅助钻机上目标磁铁，并可测算出
两者之间的距离。

两台钻机相互协调工作，使主施工钻机的探头与辅助钻机的目标磁铁之间的间距控制在5米以内时，即可进行双方导向孔的对接（如图）。

主施工钻机辅助施工钻机
间距5米
对接成功后辅助钻机逐步回退钻杆，同时，主施工钻机一边采集辅助钻机目标磁铁的磁信号，一边利用采集的磁信号控制钻进方向，使之逐步向辅助钻机已形成的导向孔平缓趋进，直至沿辅助钻机已完成的导向孔出土，完成整个导向孔施工（如图）。

主施工钻机辅助施工钻机
在导向孔穿越过程中，为保证钻头在穿越地层中顺利的钻进，避免土层松软造成的粘卡或者卡钻现象，在进行泥浆配比时加入适量的泥浆润滑剂，这样可以保证导向孔孔壁的完整性，减小钻进阻力，防止粘卡现象的发生。

当导向孔完成，即可连接扩孔器，开始扩孔、洗孔及拖管施工作业。

三、施工技术措施
1、防止导向孔与设计曲线偏移
1.1采用对接穿越技术
导向孔的钻进是整个定向钻施工的关键，特别是超长距离穿越的特殊性，对穿越史是一次挑战，对施工人员更是一次挑战。

本工程穿越管径虽然不大(Φ273)但穿越距离超长（2900m），根据以往的经验，穿越长度超过1700m，钻头的角度控制就非常困难，出现偏移
的情况较大。

导向孔施工采用对接穿越技术，有效解决了钻杆过长，在地层中形成“S”形弯曲，导致钻机向前推进力的传递困难问题，同时对接完成后，入土侧的钻头进入出土侧钻头的孔洞内，避免了频繁调整钻头角度，造成导向孔与设计穿越曲线偏移和钻头抬不起头的情况发生。

1.2探头校验
根据控向系统操作手册相关要求，对探头进行效验，探头测量测量精度在规定范围内才允许使用。

1.3方位角平均值法
方位角准确度对横向偏差（左右偏移）影响较大。

因此，在穿越中心线上，选择五个不同位置，每个位置旋转探头四次，每次旋转90度，最终取方位角测量值的平均值，这样测量的方位角最接近实际方位角，有助于提高左右偏移的准确度。

1.4采用人工磁场
使用人工铺设电缆产生的磁场取代地球磁场，抗周边磁场干扰的能力明显增强。

钻头进入人工磁场区域，在人工磁场方式下测量的钻头的位置接近钻头实际位置，根据人工磁场下的测量值及时纠正钻进方向，使钻头的测量位置更接近实际值。

铺设电缆的同时可在设计穿越对接区域上沿穿越轴线布置3个交流基准磁块，每个基准磁块相距50米，当钻机的探头接近基准磁块时，利用基准磁块产生的磁场检查穿越的方向和深度，判断是否符合对接的要求，不符合要求时进行调整，达到对接要求。

1.5 安排有经验的控向、司钻操作
控向原理对绝大部分搞控向的技术人员来说都没有问题，但控向、司钻的实际经验非常重要，经验丰富的控向、司钻人员在复杂的钻进控制上会更合理，钻出的曲线更圆滑。

2、确保出土点误差在设计范围内
2.1精确测量入土点、出土点的高程及距离
入土点、出土点的高程及距离直接影响出土点的误差，因此，必须用全站仪复核设计入土点、出土点的高程及距离，并且测量时一定要精益求精。

2.2采用对接穿越工艺
本工程采用对接穿越工艺，两台钻机同时精确就位于入土点一侧和出土点一侧，辅助施工钻机的钻头引导主施工钻机的钻头从出土点出土，确保出土点误差在设计范围内。

2.3 严格按照控向作业指导书操作
根据本穿越工程的地层、管径、穿越长度及设计参数，以控向人员为主，司钻、泥浆人
员配合，编制控向作业指导书，严格按照指导书操作。

3、确保扩孔回拖顺利
3.1控制扭矩在合理的范围内
扭矩过大，钻杆卸扣困难，欲速则不达。

因此，根据设备性能、钻具情况及司钻操作规范，把扭矩控制在适宜的范围内。

3.2严格按泥浆作业指导书进行泥浆配比
3.3夜班安排两个司钻
司钻容易在后半夜出现困倦情况，两个司钻轮流替换有助于操作时精力集中，防止对突发事件处理不及时造成扭矩大甚至卡钻情况的出现。

3.4做好扩孔记录有助于下一级扩孔借鉴。

3.5合理布置水咀的数量和直径
根据地质情况及扩孔直径，合理布置水咀的数量和直径保证泥浆压力值适中，有利于扩孔的顺利进行。

3.6合理选择钻具配合
合理的钻具配合有助于提高扩孔效率，并减小风险。

3.7针对在回拖过程中可能出现卡滞导致回拖力大幅变大，在出土点预先安装一个地锚，以备安装滑轮组解卡之用，卷扬机提前就位在现场，一但出现不正常情况，可以立即将钢管拽出，洗孔后重新进行回拖作业。

另外回拖时可准备好夯管锤以备在大拖力时助推成功。

3.8本工程穿越距离长，在预扩孔和回拖过程时，会有许多不可预见的因素都将给穿越的成功带来很大的风险。

施工时要充分做好应急措施准备，如施工前联系好就近的大吨位钻机；准备好柴油、油基解卡剂等浸泡解卡剂；准备大吨位的滑轮组（200吨—300吨）等。

上海沟通非开挖工程有限公司
二〇〇九年二月。