水平定向钻进管道穿越对接技术

水平定向钻进管道穿越对接技术
摘要：水平定向钻进管道穿越对接技术，是解决超长距离或在复杂地质等情况下进行管道非开挖穿越的一种新工艺，将有助于提高工程建设公司水平定向钻进管道穿越的技术水平。

关键词：水平定向钻管道穿越对接技术
0 前言
从2003年起，我国石油天然气的大口径、长距离管道建设已经开始形成规模。

随着国家对能源问题认识的不断深入，油气管道这一国家级的公共基础设施建设势必会大大加速，中国的油气管道业已进入发展期。

目前，大跨度地穿越江河是大口径、长距离油气管道建设的主要难点之一。

现有技术多为采用水平定向钻穿越，水平定向钻进管道穿越对接技术是解决这一难点的一种新工艺，可降低长距离钻孔容易造成卡钻、抱钻和角度失控的风险，在缩短工期的同时，保证实际入、出土点完全达到水平定向钻进设计的要求。

1.钻导向孔
钻具的配备：主、辅钻机→钻杆→泥浆压力传感器、控向探头→无磁钻铤→带弯泥浆马达→牙轮钻头。

其中泥浆压力传感器、控向探头装在无磁钻铤中。

水平定向钻在入、出土点采用两台钻机钻导向孔，一台为主机，另一台为辅机，一般将大吨位的钻机为主机，小吨位的钻机为辅机，组成对接钻进导向孔的机组。

1.1人工磁场的建立
在水平定向钻机钻导向孔前，为了Array保证导向孔的偏差在允许范围内(两钻机
中心轴线偏差在0.01米以内)，对接钻
进要求在穿越入、出土点之间沿穿越轴
线全程铺设交流磁场线圈。

中心轴线上
磁场线圈要求左右偏差不能超过1米，
图1 人工磁场线圈布置及电流情况示
因此要根据施工现场的情况，采取辅助技术按照不同的穿越工艺要求，进行铺设磁场线圈的电缆，并做好标记以防止发生意外的损坏、事故和给他人带来不
便等现象。

图1 人工磁场线圈布置及电流情况示意图。

1.2 导向孔的对接
通常在水平定向钻进过程中，主钻机在入土点沿着设计的穿越轨迹向出土
点钻进，到达预定的对接段后，等待与出土点进入的辅助钻机向入土点钻进的钻头对接，对接过程中产生的偏差由主钻机进行反复调整消除。

偏差的测量主要是依据两钻机的导向传感器相对测得的，根据传感器测量的参数，计算出偏差的方位和两钻杆的相对距离，逐渐调整，消除偏差，实现两钻头对接。

对接 后，辅钻机后退，主钻机沿辅钻机的导向孔钻进，边钻边检测钻机的参数，保证主钻机钻头始终在辅钻机的导向孔内。

辅钻机边退，主钻机边进，最终主钻机的钻杆到达入土点完成导向孔的钻进过程。

1.3 导向孔对接段的选择
预定的对接段应选择在地质相对单一、无裂隙、断层，岩石状况较好的距
出土点较近的水平段上，同时地面无磁场干扰。

一是利于对接时主钻机进行调整，简化钻进的操作程序，易于对接后主钻机的钻头顺利跟进到辅助钻机所钻的导向孔中；二是一旦对接点发生“错位”（出台阶、凸台）现象时，利于进行修正；三是利于导向孔对接段的测控。

1.4 导向孔对接段的测控
在对接段建立人工磁场，为了减小测量误差，使所测数据更加接近对接段
的实际情况，应将探测传感器的中心轴线与穿越设计曲线的相重合。

测量位置周边10米范围内无外接磁场，如：高压电缆（线）、通讯电缆和其他金属物体产生的感应磁场。

由导向系统的探测传感器采集磁场数据 ,并分析周围磁场的变化情况 ,通过计算机对磁场矢量进行计算 ,判定探测器(钻头)的位置 ,引导钻头按设计的穿越曲线出土。

2. 预扩孔
图2 主、辅钻机对接钻进导向孔
由于地质条件不同 ,所采用的扩孔工艺不同，可分为：单钻机单向扩孔、
双钻机双向扩孔；可在同一穿越孔内分别对岩石段和粘土段进行扩孔，先完成入土端粘土和岩石段扩孔,然后再进行其余段的扩孔。

在扩孔施工中，当推力负荷增大时，孔壁内钻杆的“边缘荷载”亦相应增
加，钻杆会发生一定程度的变形。

根据计算，在软的黏土层内，当钻杆长度为1800-1900米以上时，钻杆将出现失稳现象，失去对扩孔器的控制，随时可能发生扩孔器偏离的现象，甚至造成钻杆折断。

在进行长距离定向钻扩孔施工时 采用的单钻机扩孔施工风险性极高，因此，易采用双钻机双向扩孔工艺。

两台钻机一推一拖，钻杆由一端约束的压杆变成两端约束的拉杆，受力性质发生改变，彻底杜绝了变形。

这一工艺不但确保了扩孔施工中的调整灵活性和安全性，还加快了施工速度，确保工程的穿越成功
3. 管道回拖
回拖钻具的组成：钻杆→麻花钻铤→扩孔器→旋转接头→U 形环→工作管
道。

预扩孔完毕后要进行管道的回拖。

为了确保管道顺利回拖，在回拖前，要
仔细检查扩孔器的各通道和泥浆喷嘴是否通畅。

在管道回拖过程中，要根据钻机显示拖力的大小，控制好回拖的速度；要根据管道回拖过程中地质变化的情况配比合理的泥浆。

为了防止管道回拖过程中划伤防腐层，需将回拖管道置于发送沟内或发送架上。

对于有牺牲阳极保护要求的管道，要将牺牲阳极的铝—镁条状板材缠绕在管道上，并固定牢固。

根据出土角和主管道的埋深，在工作管道入土点前端按一定比例挖一条发送沟，清除发送沟内硬物，以避免划伤管道防腐层，并降低回拖力。

在确认各项工序达到设计要求时，开始回拖。

在管道回拖过程中，回拖载荷与管道的摩擦阻力、流体阻力和管道静重有
关。

回拖时，钻机作用于管道的拉力主要来源于克服管道与地表摩擦阻力、孔图3
双钻机同步扩孔施工工艺示
道内壁的摩擦阻力、钻孔泥浆阻力和通过弯曲段时管道变形的阻力。

按照管道回拖的路径划分，回拖过程的摩擦阻力可由三部分组成，一留在孔外管道与发送沟（滚轮架）的阻力，二孔内弯曲段摩擦阻力，三孔内水平段段摩擦阻力。

在定向钻穿越的实际施工中，定向钻回拖最大摩擦阻力经验公式为：
32max )(μμS G F F v +-= （1）
Vg F V 2ρ=
式（1）中： F V —浮力，KN ；
G —穿越管道总重量，KN ；
S —管道表面积，m 2
；
μ2、μ3—系数，根据地质条件不同，μ2一般为0.1-0.3，μ3一般
为0.01-0.03； 2ρ—泥浆密度，kg/m 3；
V —排水体积，m 3。

4. 应用工程
水平定向钻进管道穿越对接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了水平定向钻穿越的世界纪录。

见表1：
表1 国内对接穿越工程实例
5. 结束语
水平定钻进穿越技术在管道穿越河流、水网和障碍物的施工中得到广泛的应用。

应用这一技术的关键是根据自然条件制定工艺设计方案，对具体问题做具体分析，以保证穿越的成功率。

(1) 水平定钻进穿越技术是一种高风险的工程，所以在整个穿越施工过程
中，必须保证每个环节的安全性，任何小的失误都可能带来严重的后果。

在管
道长、管径大、管壁厚、地质差得穿越工程中，施工过程可能会出现卡钻、断钻、抱钻和漂钻及回拖阻力过大等风险。

对此，结合工程实际选择最佳施工方案和科学合理地选择钻进参数是成功穿越的基本保证。

(2) 导向孔是穿越设计路径地下成孔贯通的基础。

在进行导向孔作业中，严格控制曲率半径，及时回抽调整，确保穿越曲线的平滑稳定和成孔质量，是后续扩孔和回拖工序顺利进行的根本保障。

(3)预扩孔是决定管道回拖成败的关键。

在预扩孔过程中，根据导向孔作业经验，结合预扩孔过程中拉力、扭矩等基础参数，相应地调整扩孔速度，防止由于扩孔速度太慢而造成塌孔、抱钻等情况，避免由于扩孔速度太快造成孔内泥浆缺失、孔形不好等问题。

(4) 管道回拖是水平定钻进穿越的最后一步。

在管道回拖过程中，要控制好回拖速度，使拉力、扭矩、泥浆等相关参数达到最好的结合。

(5) 泥浆是水平定向钻进穿越的血液。

确保泥浆的黏稠适度、压力合理、排量充足，实现孔内岩屑携带悬浮、护壁润滑，在钻孔、扩孔和回拖穿越过程中起到新陈代谢的作用。

参考文献：
［1］谭明星,刘玉峰等。

《钱塘江定向钻穿越设》天然气与石油 2008年10月第26卷第5期。

［2］屠言辉，苗冀清，徐树枫。

《水平定向钻穿越施工中的对接技术》石油工程建设2011年10月第37卷第5期。

［3］李骁晔，李树雷，耿云鹏。

《浅谈水平定向钻在大口径管道穿越水阳江工程中的应用》建设机械技术与管理 2010年03期。