油气管道定向钻穿越技术

25
1 000
DD-440
2 000 9 ～ 18 2 800
16
1 000
HK-450
1 982 10 ～ 18 3 360
25
1 000
表 2 国内部分工程实例
工程名称 卫运河穿越 陕京二线永定河穿越 杭宁气管道钱塘江穿越 甬沪宁管道杭州湾穿越 甬沪宁管道杭州湾浅海穿越 上海大港立交穿越 杭湖气管道范家漾穿越 韩庄运河管道穿越 嫩江穿越 忠武管道长河穿越 晋江穿越 陕京管道独流碱河穿越 甬沪宁原油管道长江穿越 西气东输长江备用管道穿越 二河管道穿越
25
2 200
DD-1100
5 000 10 ～ 18 2 200
12
1 000
RB-5
4 452 8 ～ 12 1 740 13.3 1 800
DD-990
4 408 10 ～ 18 3 360
25
1 800
DD-625
2 830 9 ～ 18 3 500
16
700
HK-250
2 500 9 ～ 18 1 236
25
700
GD2800-L 2 858 10 ～ 18 2 000
12
900
DDW-2500 2 500 10 ～ 18 2 500
12
ຫໍສະໝຸດ Baidu500
GMS55030 2 750 9 ～ 18 2 200
12
1 000
DD-580
2 582 9 ～ 18 3 360
25
1 000
HDR-220 2 157 9 ～ 18 2 270
一般情况下， 管道定向钻穿越施工过程主要分 三步： 钻导向孔、 预扩孔和管道回拖。 导向孔钻进 阶段是施工最重要的阶段， 也是成功与否的关键阶 段， 并且还决定着所敷设管道的最终位置。 在钻导 向孔时， 利用控向系统随时测量确定钻头的位置和
38
石油工程建设
2009 年 4 月
钻进方向， 并获取钻头位置的相关数据， 将预先设 计的基准线与实际轨迹进行比较， 随时调整钻进轨 迹。
目前， 国内主要大型定向钻机性能和成功穿越 的部分工程实例见表 1 和表 2。
表 1 国内主要大型定向钻机性能
主要性能指标
钻机型号
最大推力
最大泥浆
入土角范
最大泥浆 最大回拖
（拉力） / kN
围/（°）
排量/ （L/min）
压 力 /MPa
管 径 /mm
DD-1330
5 921 10 ～ 18 2 270
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第 35 卷第 2 期
石油工程建设
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油气管道定向钻穿越技术
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赵帅
（胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司，山东东营 257026 ）
（3） 控向系统。 控向系统是定向钻最关键的设 备之一， 正确选择和使用控向系统， 对施工的成败 和效率有着决定性意义。 最常用的控向系统分为无 缆式地表定位系统 （手持式跟踪仪器） 和有缆式定 向系统。
（4） 钻具。 主要包括钻杆、 钻头、 扩孔器、 旋 转接头 （单动接头） 和卸扣 （U 型环） 等。 在施工 过程中， 整个定向钻部分， 分别放置在钻机场地 （入土点场地） 和出土点场地。 1.2 施工程序
根据规范规定， 穿越管段回拖时， 最大回拖 力 应 取 计 算 值 的 1.5 ～ 3 倍 。 管 道 不 充 水 回 拖 时 ， 其回拖力按下式计算：
F = πLf {D2γ1/4－ [（Ds + ds） /2] δγs} +πDLK 式中 F— ——穿越管段回拖力/kN；
L— ——穿越管段长度/m； f — ——摩擦系数， 一般取 0.1 ～ 0.3； D— ——穿越管段的管身外径/m； Ds— ——穿越管段的钢管外径/m； ds— ——穿越管段的钢管内径/m； γ1— ——泥浆密度/（kN/m3）， 一般取
2 管道定向钻穿越设计的主要问题探讨 2.1 一般要求
（1） 穿越位置应选择河流两岸施工场地良好、 交通方便的地段。 管道组装一侧场地的宽度一般 不小于 20 m， 长度为穿越管道长度加 50 m。 回拖 管道的直线长度一般不宜小于 200 m， 如受地形限 制 可 小 于 上 述 值 ， 但 曲 率 半 径 应 大 于 1 200 D （D 为管道外径）。
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 定向钻组成及施工程序 1.1 定向钻组成
定向钻主要由钻机系统、 泥浆系统、 控向系统 和钻具等部分组成。
（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。
管 径 /mm 1 016 1 016 813 811 762 813 813 711 711 711 711 660 508 406 711
长 度 /m 1 434 1 321 2 454 2 000 1 800 1 280 1 230 1 230 1 113 1 107 1 312 1 112 1 685 1 746 1 129
第 35 卷第 2 期
赵 帅： 油气管道定向钻穿越技术
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（6） 入、 出土点位置的选择， 应考虑钻机安 放、 蓄水池、 泥浆池及取水点距离、 管段组装及 回拖场地要求等因素。 入、 出土点场地应平整开 阔， 地貌恢复工作量小， 距河岸长度以不增加护 岸工程量为宜。 有时在河流的穿越位置两岸没有 理想的场地， 通过采用适当的措施， 可以满足施 工作业要求。 入土端主要考虑钻机的运输、 安放 和固定， 泥浆池的布设以及施工操作方便等因素。 出土端主要考虑管道运输、 管道焊接组装作业、 管 道回拖时辅助设施的设置及作业等因素， 在考虑上 述因素的前提下， 力求施工量最小， 投入最省。
（1） 入土角一般控制在 8° ～ 20°范围内， 推荐 设计角度为 9° ～ 12°； 出 土 角 一 般 控 制 在 5° ～ 20° 范围内 ， 推 荐 设 计 角 度 为 4° ～ 8°。 设 计 中 具 体 采 用的角度应根据穿越长度、 管段埋深、 弹性敷设 条件和钻机性能等因素确定。
（2） 设计导向孔曲线时， 应考虑钻杆的折角， 每根钻杆允许最大折角见表 3。
表 3 钻杆折角
管道公称直径 DN/mm 每根钻杆最大折角/（°） 4 根钻杆累加折角/（°）
DN＜ 200
3.5
6
200≤DN≤400
2.5
5
DN＞400
2
4
（3） 设计曲线的曲率半径根据管道强度和钻 机的性能参数确定。 通常曲率半径应大于管道外 径的 1 200 倍， 最小不得小于 300 m。 管道入土点 地下 20 m 长度内的管段应为直线段。 2.3 管道回拖力 2.3.1 回拖力计算公式
（2） 泥浆系统。 定向钻施工作业过 程中 ， 泥 浆的主要作用是： 冷却和润滑钻头、 软化地层、 辅助破碎地层、 调整钻进方向、 携带碎屑、 稳定 孔壁、 预扩和回拖时润滑管道。 常用的泥浆是膨 润土和水的混合物。 目前， 也有使用空气代替液 体泥浆， 称为 “干式钻进工艺”， 但工程实际中并 不多见。
当回拖的管道直径较小时 （与钻杆同径）， 钻导向孔结束后， 可以直接进行管道回拖作业。 但大多数情况下， 导向孔钻好后， 都需要预扩 孔 。 孔 径 的 最 终 尺 寸 是 管 道 外 径 的 1.2 ～ 1.5 倍。 在预扩孔作业中， 不同的地质条件， 宜采 用不同类型的扩孔器， 扩孔器的类型和地质条 件直接影响扩孔速度。 孔径扩至符合要求后， 将管道从孔洞中回拖至钻机侧， 完成管道穿越 施工。
地质状况 粉砂、 粉质黏土、 粉土 粉质黏土、 中砂 粉黏土、 砂质粉土、 局部砂层 粉质黏土 粉质黏土 细砂、 粉砂、 黏土 淤泥质粉质黏土 黏土、 粉质黏土 细砂 岩石、 粉砂、 细砂 中粗砂 黏土加贝壳层 粉细砂、 含砾中粗砂、 砂卵砾石 粉细砂、 含砾中粗砂、 砂卵砾石 黏土、 强风化岩、 姜结石
钻机型号 DD-1330 DD-990 DD-1330 DD-990 DD-990 DD-990 HDR-220 DD-330 DD-1330 HDR-220 DD-330 DD-330 DD-330 DD-990 DD-330
施工日期 2005 年 2 ～ 3 月 2004 年 5 ～ 6 月 2006 年 11 月 ～2007 年 3 月 2003 年 10 ～ 11 月 2004 年 2 ～ 3 月 2003 年 4 月 2003 年 7 月 2005 年 3 ～ 4 月 2006 年 7 月 2004 年 3 月 2007 年 1 ～ 2 月 1999 年 10 ～ 11 月 2002 年 3 月 2003 年 3 月 2005 年 5 ～ 6 月
11.3 ～ 11.8 kN/m3； δ— ——钢管壁厚/m； γs— ——钢材密度/（kN/m3）， 取 78 kN/m3； K— ——黏 滞 系 数/（ kN/m2） ， 一 般 取 0.01 ～
0.03 kN/m2。 由于回拖作业时， 施工场地、 穿越管段曲率半 径以及辅助措施各有不同， 影响因素繁多， 边界条 件复杂， 因此， 为了方便计算， 在穿越管段回拖力 的计算中， 主要依据管道在泥浆中的浮力扣除自重 后产生的摩擦力， 再加上拖管前进时管道在泥浆中 的黏滞力。 这样计算出的回拖力， 显然不能完全反 映施工实际情况， 在选择钻机时应有一定的安全裕 量 ， 规 范 规 定 按 1.5 ～ 3.0 倍 的 上 式 计 算 值 作 为 钻 机选型与钻杆尺寸核算的依据。 规范中规定回拖力的裕量系数为 1.5 ～ 3.0， 另外， 回拖力计算公式中的摩擦系数和黏滞系数等， 其取值 范围都较大， 不同的取值， 其计算结果有较大不同。 在设计中， 这些参数怎样取值， 需要进一步分析。 2.3.2 黏滞系数取值 黏滞系数是泥浆的物理特性之一， 主要与泥浆 的成分有关。 泥浆主要由膨润土和水组成， 根据需 要加入不同的添加剂， 如润滑剂、 固壁剂、 增黏 剂、 清屑剂等。 泥浆在管道穿越作业中， 有着共同 的作用， 但地质条件不同， 其作用稍有区别。 若穿 越段地层为硬度较大的岩石， 其主要作用是润滑、 携屑和冷却等， 不需要较强的固壁性能， 泥浆的 黏稠度较小。 这样的地质条件下， 泥浆的黏滞系 数 （K） 建 议 在 0.01 ～ 0.015 之 间 取 值 。 如 果 穿 越 段地层为粉砂层、 粉土层或中砂层等， 由于地层比 较疏松， 泥浆需要有较强的固壁性能， 黏稠度较 大 ， 其 黏 滞 系 数 (K) 建 议 在 0.025 ～ 0.03 之 间 取 值。 若穿越段地层地质条件介于上述两者之间， 泥 浆的黏滞系数 （K） 建议在 0.015 ～ 0.25 之间取值。 2.3.3 摩擦力系数取值 摩擦力与管外壁粗糙度、 泥浆性质和管道对接 触面的正压力有关。 一般情况下， 不同的穿越工程，
摘 要： 较系统地论述了管道定向钻穿越技术， 介绍了定向钻的组成、 施工程序以及国内部分管道 定向钻工程的施工实例， 对穿越过程中的主要问题进行了探讨， 如穿越位置、 穿越地层、 穿越管道 埋深的确定， 入、 出土点位置的选择， 穿越曲线的设计等， 分析了回拖力的计算及相关参数， 根据 管道定向钻实际施工经验， 提出了设计过程中应注意的事项。 关键词： 管道； 定向钻； 穿越 中图分类号： TE973.4 文献标识码： B 文章编号： 1001－2206 （2009） 02－0037－04
（7） 导向孔钻完后， 孔洞的中心线与设计管中 心线在水平面和纵断面上的误差均不宜超过 1%。
（8） 在出土端管道组装完成后， 回拖之前必须 进行强度和严密性试压。 检验和验收应按标准规范 对管道在水下裸露和沟埋敷设的有关要求进行。
（9） 穿越管段两端的地面， 应根据地基土层 的稳定性和密实性采取适当措施， 以防止塌陷。 2.2 穿越曲线设计要求
0 引言 定向钻穿越技术经过 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 1 574.8 mm （62 in）， 最长距离是 2 308 m。 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 路以及其他不易或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。 在滑坡体的治理、 煤层气的开发 和环境污染治理等方面也有应用。 由于定向钻穿 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， 在工程中的应用越 来越广泛， 得到了世界各国的普遍重视， 其行业 协会 （国际非开挖技术协会） 包括了中国、 英国 等 24 个成员国和地区。
（2） 穿越管道中心线与电力线、 通讯电缆的 垂直距离应大于 50 m。
（3） 定向钻穿越的地层不宜太疏松。 适宜的 地层有黏土层、 亚黏土层、 粉砂层、 粉土层及中
砂层等。 在直径大于 100 mm 的砾石层、 砾石集结 层、 卵石层和流砂层中无法施工。 如果仅在穿越河 流的两岸有一定厚度的卵石或疏松的砂层时， 可采 取套管、 固结或开挖等措施通过这些局部地段， 实 现整条河段的定向钻穿越。
（4） 定向钻穿越管径和长度在满足输送工艺条 件下， 还取决于定向钻机的最大推拉力及控向系统 能力。 有时因两岸场地的限制， 也可能影响穿越管 径的大小。
（5） 在保证定向钻钻进过程中不出现泥浆外冒 的前提下， 穿越管段的埋深应根据地质条件与冲刷深 度确定， 最小埋深应大于设计洪水冲刷线以下6 m。