油气管道定向钻穿越技术设计与应用

油气管道定向钻穿越技术设计与应用

摘要：本文简要介绍了水平定向钻穿越的技术特点，指出了设计步骤及应注意的技术要点，介绍了定向钻的组成、施工程序，管道水平钻进的入土角、出土角、曲率半径和穿越深度等设计要素的确定方法，分析了管道强度和回拖力的计算方法。阐明了水平定向钻技术在管道穿越施工中的优势，及其广泛的应用前景。

关键词：水平定向钻穿越管道设计计算

引言

随着人们文明和环保意识的逐渐增强，开挖路面及河流进行各类地下管线施工导致的社会问题，交通问题和环境污染问题已越来越受人们的关注，非开挖技术推翻和打破了传统大开挖落后的铺设各种地下管线的方式。与传统的开挖作业方法相比，非开挖技术适合于穿越高速公路、铁路、建筑物、河流等地区，在我国大部分非岩质地区都可适用。

定向钻穿越技术是非开挖技术领域中占主导地位并且发展最快的高新技术之一，经过30 年的发展及工程实践，其技术水平有了很大提高。据有关资料介绍，目前国际上定向钻穿越的最大管径为1574.8mm，最长距离是2308m。定向钻穿越技术广泛用于油气管道穿越江河、沟渠、高速公路、铁路以及其他不适合浅埋通过的区域。同时也可用于电（光）缆、自来水管道等市政工程穿越建构筑物等。

定向钻穿越技术与其他穿越技术（如顶管、盾构等）相比，具有施工周期短、不受季节限制、穿越质量好、不损坏地面构筑物、不影响河流沟渠泄洪、不影响航运、不需要任何加重稳管措施、保护自然环境、工程造价低等诸多优点。定向钻穿越技术的限制条件主要是穿越长度、施工场地以及工程地质状况等。

1 定向钻系统组成[1]

定向钻系统一般由钻机系统、控向与造斜系统、钻具、泥浆系统、回拖系统、动力系统和辅助系统组成。

（1）钻机系统

定向钻机通常采用机械或液压驱动钻杆，通过钻杆对孔底的钻头施加旋转扭矩，实现钻进和回拖作业。对于定向钻机而言，旋转扭矩和回拖力是主要性能参数，也是设计中根据工程规模大小衡量钻机穿越能力的主要依据。

（2）控向与造斜系统

定向钻的控向方式分为有线控向和无线控向两种，无线控向只适用于短距离、浅层穿越，配合中小钻机使用，其特点是控向方便，准确，但受穿越深度和地形的限制，一般使用较少。有线控向适用于长距离、深层穿越，配合大型钻机使用。造斜是实现管道曲线穿越的关键所在，纠偏是在实际钻进曲线偏离理论曲线时所采取的技术措施，造斜和纠偏由造斜工具来实现。造斜工具有两种，即造斜短接和造斜偏块。

造斜短接是两端有斜口和螺纹的短管节，装在钻头后面。钻进时，若只给进而不旋转钻杆，作用于造斜短接上的反力使钻头改变方向，实现造斜钻进；若同时给进和旋转钻杆，造斜短接失去方向性，可实现保直钻进。造斜偏块是加在钻头后面钻杆上的半圆形金属块，它的工作原理是通过改变钻杆受到的侧向力而造斜。注意，当地质条件是岩石时，在造斜短接与钻头之间，需安装泥浆马达驱动钻头旋转，切削岩石。

（3）钻具

常用的钻具有：钻头、泥浆马达和钻杆。常用的定向钻钻头有铣齿钻头、牙轮钻头和金刚石钻头，它的外径比钻杆的外径要大；在岩石地层，使用泥浆马达可以有效地减小钻头前进所需的推力；定向钻所使用的钻杆与普通钻井用钻杆相同。

对不同的地质条件，钻导向孔时可以选用不同的钻具组合。如：12″钻头+6-1/2″泥浆马达+5″钻杆+6-5/8″S-135 钻杆组合，可以克服地质密实等不利条件，顺利完成导向孔；当钻杆长度很长且遇到较大推力时，钻杆受压容易失稳，这时合理组合钻具就显得更为重要。

（4）泥浆系统

在穿越施工中，泥浆主要用于护壁、携砂、润滑，保证施工的正常、顺利进行。定向钻穿越过程中需使用大量泥浆，主要用于：水力喷射切割、给泥浆马达提供能量、润滑钻头、携带钻屑到地面、固孔防塌等方面。

（5）扩孔与回拖系统

回拖是管道穿越施工中的最后一道工序。必须充分考虑泥浆、扩孔直径、扩孔井壁条件，科学设定回拖力，尤其是在大口径和大倾角管道穿越情况下，必须建立合理的回拖工具和回拖助力系统。扩孔由扩孔器来完成。常用的扩孔器有桶式扩孔器、带导流槽的桶式扩孔器、板式扩孔器和飞旋式扩孔器。岩石扩孔器主要用于岩石地带的扩孔作业，其上有多个破岩牙轮和水射流孔。回拖在扩孔完成后马上进行，回拖系统的连接方式为管线+卸扣+活接+钻杆。回拖时在钻机的拉力和泥浆的润滑作用下，主管道从一岸沿导向孔回拖至另一岸。

（6）动力与辅助系统

动力源一般由柴油机、液压泵和发电机组成，它的主要作用是为钻机、泥浆泵提供高压油，以驱动各部分的液压马达，同时为计算机、照明和空调设备提供电源。主要辅助设备有：起重机、单斗挖掘机、推土机和管道施工设备等。

2 定向钻管道穿越施工程序

施工工序如下所示：

（1）施工占地

①定向钻施工占地包括钻机场地、管线场地、蓄水池及泥浆池占地、管线焊接占地。

②钻机安装场地的大小根据钻机型号而定。泥浆池和蓄水池占地根据管径的大小、场地及地质情况而定，尽量节约用地。

（2）施工准备

工作内容为：修筑施工便道、平整场地、仪器设备的检查维护、施工辅助用料的准备和钻机锚固系统的建立等。

（3）测量放线

按照设计确定出的管道穿越中心线、入土点、出土点，在入土点侧测出钻机安放位置、地锚箱、泥浆池、占地边界等；在出土点侧测出焊接管道中心线及泥浆池位置、占地边界等；现场测量完成后，技术人员要及时编写施工计划、方案及措施，并向施工人员进行技术交底。

（4）安装钻机

①钻机一般应安装在入土点和出土点的连线上。钻机导轨与水平面的夹角与设计的入土角相等。