水平定向鉆穿越施工中的對接技術(shù)

屠言輝，苗冀清，徐樹楓

（中國石油天然氣管道局穿越公司，河北廊坊 065001）

水平定向鉆穿越施工中的對接技術(shù)

屠言輝，苗冀清，徐樹楓

（中國石油天然氣管道局穿越公司，河北廊坊 065001）

在長距離水平定向鉆穿越導向孔施工中，由于鉆柱與孔壁之間存在較大的摩阻，因此鉆頭的旋轉(zhuǎn)要明顯滯后于鉆機動力頭的旋轉(zhuǎn)，由此造成井下工具面角難以控制，從而使控向精度受到了影響。為解決此問題，采用了對接技術(shù)。文章主要介紹了對接技術(shù)的原理及對接時井下鉆具的組合方式，并以中俄原油管道黑龍江穿越工程主管道導向孔對接實例加以說明。

水平定向鉆；對接技術(shù)；控向；鉆具組合

1 對接技術(shù)的優(yōu)勢

在非開挖管道施工技術(shù)中，水平定向鉆技術(shù)以其對交通、環(huán)境的破壞及干擾小，施工安全高效，綜合成本低等優(yōu)點而備受推崇。隨著該項技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展，產(chǎn)生了為適應(yīng)長距離定向鉆穿越施工的對接技術(shù)，水平定向鉆對接技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

（1）解決了長距離水平定向鉆定向控制困難問題。在定向鉆穿越過程中，隨著鉆進長度的增加，鉆柱受到地層摩擦阻力顯著增加，鉆柱扭轉(zhuǎn)變形加大，這就導致鉆機扭矩不能及時傳遞到鉆頭上，鉆頭在井底處于不連續(xù)的轉(zhuǎn)動狀態(tài)。這種情況下，司鉆很難控制井下工具面角的朝向，使得地表顯示的工具面角與井下實際工具面角存在一定的偏差，從而導致鉆進方向失控。而對接技術(shù)則是從設(shè)計穿越曲線的入土點和出土點同時向中間鉆進，從而有效縮短了單向?qū)蚩椎你@進長度，避免超長距離的定向控制，鉆孔方位角和傾角更容易控制，保證了鉆孔曲線的平滑。

（2）入土點和出土點完全符合設(shè)計要求。在中短距離的定向鉆穿越施工中，一般都采用單向定向控制技術(shù)進行導向孔施工，實際出土點很難和設(shè)計出土點完全吻合。而對接技術(shù)由于是從入土點和出土點同時向中間鉆進，就不存在出土點的位置誤差問題。在穿越曲線兩端采用套管隔離卵礫石層的工程中，對接技術(shù)的優(yōu)勢尤為明顯。

2 對接技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

對接穿越技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外多項重大工程施工中得到成功應(yīng)用。在國內(nèi)，有錢塘江、磨刀門水道、福建LNG東西溪、飲馬河、中俄原油管道黑龍江穿越工程等長距離或特殊地質(zhì)的導向孔對接穿越，其中錢塘江、磨刀門水道穿越先后打破定向鉆穿越的世界紀錄 （見表1）。

在國外，水平定向鉆對接穿越的最長距離為美國波斯頓海灣11 km穿越，該次穿越共分4段進行，其中最長的一段穿越距離超過4 km；NACAP公司采用該技術(shù)在法國的Rhone(隆河)河谷成功穿越河谷兩側(cè)厚重的礫石層，鋪設(shè)一條總長超過1 036 m、管道直徑609.6 mm的鋼質(zhì)天然氣管道；在德國北部萊茵河，使用該技術(shù)完成的水平定向鉆巖石穿越距離達2 500 m，其中巖石的最大抗壓強度達到 160 MPa；2005年8月，德國 LMR鉆進公司采用該技術(shù)在易北河成功鋪設(shè)一條長2 626 m、直徑350 mm的輸油PE管道。

表1 國內(nèi)對接穿越工程案例

3 對接技術(shù)的工作原理

井下對接要求鉆井軌跡平滑，能夠為后續(xù)的擴孔作業(yè)以及成功拖管奠定良好基礎(chǔ)。對接點鉆井軌跡的平滑與否，很大程度上取決于前期導向孔施工情況。

如圖1所示，兩臺鉆機分別從入土點和出土點向中間水平段鉆進，入土點一側(cè)的鉆井稱為主測井，出土點一側(cè)的鉆井稱為被測井，對接時主測井負責測量被測井井下鉆頭的位置并實現(xiàn)對接，主測井軸線與被測井軸線幾乎接近平行。被測井井下鉆具組合中的軸向磁鐵所產(chǎn)生的磁場分解為三個互相垂直的磁場分量，分別為軸向分量、高邊分量和右手邊分量；主測井井下鉆具組合中的傳感器測得被測井井下磁場分量的數(shù)值，通過分析磁場分量的數(shù)值來判斷兩口井的接近程度。離 （hstie，rstie）以及兩口井平行度量 （hsconv，rsconv）都可以通過主測井井下傳感器測得。

圖2為在對接點附近建立的對接坐標系，矢量ax是主測井的軸向單位矢量，矢量s是被測井的軸向單位矢量，主測井與被測井的相對位置關(guān)系通過對接坐標系 [hs rs]來描述。對接坐標系 [hs rs]所在的平面與矢量ax垂直，與矢量s近似垂直。對接坐標系 [hs rs]的原點，即矢量ax與平面 [hs rs]的交點，為主測井井下鉆具組合中傳感器所處的位置，該位置在主測井中的井深值為mdtwt；對接坐標系 [hs rs]中的點 （hstie，rstie），即矢量s與平面 [hs rs]的交點，為被測井井下鉆具組合中軸向磁鐵所處的位置，該位置在被測井中的井深值為mdmwt。圖中hsconv、rsconv的值用來表征被測井軸向矢量s與主測井軸向矢量ax的平行度。其中，主測井井深mdtwt由主測井一方控向人員累加鉆桿長度得到，被測井井深mdmwt、對接相對距

根據(jù)設(shè)計鉆井曲線的總長度和主測井與被測井雙方實際鉆進的長度，計算出主測井與被測井井下鉆頭的距離，當相距5～10 m的時候?qū)嵤印訒r，主測井井下鉆具保持不動，被測井井下鉆具組合在十幾米到幾十米的范圍內(nèi) （具體范圍視實際情況而定）以間距0.5 m逐步反復移動，被測井每移動0.5 m，主測井井下傳感器測量一次，測量的一系列數(shù)據(jù)以曲線圖表形式在主測井控向軟件界面上顯示出來。測量完上述的一組數(shù)據(jù)后，將主測井井下鉆具組合移動至另一井深處保持不動，被測井重復上述動作，主測井再測得另一組數(shù)據(jù)。以此類推，將主測井井下鉆具組合置于多個井深處，反復被測井動作，測得多組數(shù)據(jù)后進行縱向數(shù)據(jù)對比，從中選擇一組可信度高的數(shù)據(jù)，確定對接時主測井井深位置。

通過分析測得數(shù)據(jù)，可以得知兩口井在對接坐標系中的相對距離 （hstie，rstie），因為這個值表示被測井井下軸向磁鐵相對于主測井井下傳感器的上下左右位置，所以控向人員可以根據(jù)此值調(diào)整主測井或被測井的井下控向短節(jié)的工具面角并繼續(xù)鉆進以求更接近對方井，鉆進一段距離后，再重復測量得到兩口井的相對距離，然后調(diào)整井下控向短節(jié)的工具面角繼續(xù)鉆進，直到對接成功為止。

4 對接時井下鉆具組合

對于有線控向系統(tǒng)，井下鉆具組合主要由鉆頭、帶彎外殼的螺桿馬達、泥漿壓力傳感器、控向探棒 （兩端帶扶正器）和無磁鉆鋌組成，其中控向探棒安裝在無磁鉆鋌內(nèi)部，如圖3所示。

在導向孔鉆進至對接點以前的施工階段，主測井與被測井的井下鉆具組合都如圖3所示。到達對接范圍以后，被測井需要起鉆更換井下鉆具組合，根據(jù)實際情況可以有如下幾種組合方式：

（1）對接過程中主測井負責繼續(xù)鉆進并完成與被測井對接，被測井只是在對接范圍內(nèi)原井中來回移動供主測井測量其井下軸向磁鐵產(chǎn)生的磁場數(shù)據(jù)，而后被測井井下鉆具組合更換為鉆頭、軸向磁鐵 （具有磁性的短節(jié)）、泥漿壓力傳感器、控向探棒和無磁鉆鋌。

（2）對接過程中被測井負責繼續(xù)鉆進并完成與主測井對接，主測井只是在對接范圍內(nèi)測量被測井井下軸向磁鐵的磁場數(shù)據(jù)，而后被測井井下鉆具組合更換為鉆頭、軸向磁鐵、帶彎外殼的螺桿馬達、泥漿壓力傳感器、控向探棒和無磁鉆鋌。

5 對接參數(shù)的設(shè)置

控向參數(shù)的校準與確定是定向鉆穿越成功與否的關(guān)鍵工序，是定向鉆穿越施工必不可少的步驟。在施行單穿定向鉆穿越施工之前，必須對控向探棒的精度，穿越曲線的方位角，施工現(xiàn)場的重力場、磁場以及地磁夾角進行測量，通過多次測量結(jié)果的橫向比較，最終確定穿越現(xiàn)場的方位角，參考重力場、磁場和地磁夾角的值，并確定控向探棒的測量誤差，將該誤差作為施工時的參考，上述相關(guān)參數(shù)的測量及校準方法見有關(guān)文獻。根據(jù)磁場、重力場和地磁夾角的變化可以判斷外界干擾情況，以便我們采取其他措施來消除干擾。

在實施對接穿越之前，上述參數(shù)同樣需要提前測量和校準，目的是保證前期導向孔軌跡最大程度上符合為對接而設(shè)計的理論鉆孔軌跡。被測井井下鉆具組合中的軸向磁鐵是對接穿越施工中必不可少的鉆具，軸向磁鐵產(chǎn)生的磁極矩與其周圍磁場分布相關(guān)參數(shù)的測量和校準是保證對接成功的另一必要工序。

5.1 軸向磁鐵磁偶極矩的測量校準

為了減小測量誤差，使得測量數(shù)據(jù)更加接近井下對接時的實際情況，應(yīng)將控向探棒軸線與穿越設(shè)計曲線的水平中心線相重合，且測量位置附近10 m以內(nèi)無外界磁場 （包括高壓電纜、通訊電纜、其他金屬物體等產(chǎn)生的感應(yīng)磁場）。

測量時，控向探棒放在穿越設(shè)計曲線的中心線上，并與其相距約10 m以外的計算機相聯(lián)接。軸向磁鐵放置在控向探棒附近，且保持其軸線與控向探棒軸向平行，兩者之間相距1 m，如圖4所示。利用計算機測量并記錄軸向磁鐵的磁場強度Bax，然后將軸向磁鐵極性反轉(zhuǎn)180°，再次測量軸向磁鐵的磁場強度Bax（rev）。則軸向磁鐵的磁極矩就可用如下公式計算出來：M=（Bax-Bax（rev））/2。此處計算出來的M值均取絕對值，而對接時M值因?qū)嶋H井下軸向磁鐵的磁極朝向不同有正負之分。

5.2 軸向磁鐵周圍磁場分量的測量校準

完成軸向磁鐵磁偶極矩的測量以后，控向探棒在原地不動，將帶有軸向磁鐵的鉆具組合放置在相距控向探棒1~2 m的距離處，且保持兩者軸線平行，然后測得兩者之間的精確垂直距離。

測量時，控向探棒保持固定，帶有軸向磁鐵的鉆具組合沿其軸線以每次0.5 m的距離逐步向前移動，鉆具組合移動的軌跡長度應(yīng)至少大于控向探棒的全部長度，測量時兩者之間相對位置示意如圖4所示。鉆具組合每移動0.5 m，用于移動的設(shè)備和人員均要遠離測量點10 m開外以減少外界干擾，與控向探棒相連的計算機測量一次數(shù)據(jù)，完成圖4中從A點至N點的全部測量后，即完成一組數(shù)據(jù)的測量。完成一組數(shù)據(jù)測量后，將控向探棒與鉆具組合的垂直距離作為已知的初始條件，并輸入相關(guān)參數(shù)的取值范圍，進行數(shù)據(jù)處理，從而得到軸向磁鐵周圍磁場分布的分量值，以供井下對接時使用。為了減少測量誤差，現(xiàn)場可多測幾組數(shù)據(jù)，取其平均值。

6 應(yīng)用舉例

黑龍江穿越工程為中俄原油管道控制性工程，該工程穿越中俄界江——黑龍江。工程包括主管和備用管，兩條管道間距25m，穿越長度均為1 100 m。穿越曲線兩端分別貫穿約80 m長的卵礫石層，鉆孔兩端的曲線段是極其破碎的砂巖，極容易造成塌孔和卡鉆事故，因此該工程被中外定向鉆穿越專家譽為世界性穿越難題。

為解決穿越曲線兩端長距離卵礫石層、破碎砂巖容易引起的卡鉆問題，工程采用夯管技術(shù)分別向穿越曲線兩端夯入約80 m長的D 1 600 mm鋼套管用于隔離卵礫石、破碎砂巖層，同時采用對接技術(shù)成功地完成了導向孔施工，下面以主管道導向孔施工為例介紹對接技術(shù)的應(yīng)用。

主管道導向孔施工過程中，主鉆機安裝在俄羅斯境內(nèi)，負責主測井鉆進，輔助鉆機安裝在中國境內(nèi)，負責被測井鉆進。鉆進過程中在冰封的江面上全程布置人工磁場，用于精確控制主測井、被測井的傾角、方位角。對接在距離主鉆機入土點570～645 m區(qū)域內(nèi)實施，到達對接區(qū)域后，主測井井下鉆具保持不動，被測井起鉆并在地面安裝軸向磁鐵后重新下到對接區(qū)域內(nèi)，配合對接作業(yè)。主測井在井下570 m處開始使用PMR程序?qū)嵤樱琍MR對話框如圖5所示。

主測井井下傳感器在569.2 m處保持不動，被測井井下鉆具從輔助鉆機一側(cè)500 m處逐步移動至510 m處，測得的軸向磁鐵磁場數(shù)據(jù)以分量形式（B-axial、B-rs、B-hs）用曲線顯示出來。圖5左側(cè)曲線分析結(jié)果如下，B-axial值先負后正可推斷被測井井下軸向磁鐵N極朝下，在B-axial值為零處B-rs和B-hs值均為正可推知被測井井下軸向磁鐵位于主測井井下傳感器的左下方。軟件自動計算出被測井井下軸向磁鐵相對于主測井井下傳感器的坐標為hsite=-0.7 m，rsite=-1.1 m，將此時的主測井與被測井井下鉆具相對位置表現(xiàn)在對接坐標系中，如圖6所示，即控向人員將處在569.2 m井深處的主測井井下鉆具組合的工具面角調(diào)節(jié)至238°并繼續(xù)鉆進，然后再測量并采集被測井井下磁場數(shù)據(jù)，直至完成對接。

在距離入土點645 m處完成主管導向孔對接作業(yè)后，俄羅斯境內(nèi)主測井的井下傳感器進入中國境內(nèi)的被測井中，此時軟件顯示被測井中的軸向磁鐵相對于主測井井下傳感器的坐標為hsite=-0.3 m，rsite=-0.4m。對接點在理論上形成一個0.25m左右的臺階 （見圖7），導向孔直徑約為10in（≈0.25m），這個臺階顯然不利于預擴孔和管道回拖作業(yè)，這是巖石地層對接的一個弊端。為了克服臺階帶來的后續(xù)施工風險，技術(shù)人員現(xiàn)場設(shè)計了一套修孔鉆具，用于磨平對接點處形成的臺階，降低對接點處鉆井狗腿值。經(jīng)修孔后，之后的預擴孔、回拖工藝過程順利進行，表明導向孔對接點鉆井軌跡已經(jīng)平滑無障礙。對接技術(shù)的應(yīng)用降低了長距離鉆孔容易造成卡鉆、抱鉆和角度失控的風險，并使得工程有條件在出、入土端同時安裝套管的情況下進行導向孔鉆進作業(yè)，在縮短工期的同時，也使得實際出、入土點完全達到設(shè)計要求。

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Interconnection Technique of Horizontal Directional Drilling for Pipeline Crossing Construction

TU Yan-hui（China Petroleum Pipeline Crossing Company,Langfang 065001,China）,MIAO Ji-qing,XU Shu-feng

In long-distance pilot hole construction,big friction between drill string and bore wall causes that the bit rotation lags behind the rotation of drilling machine power head,so it is hard to control the downhole tool face angle，and the directional control precision is influenced.In order to fix the difficulty of directional control in long-distance pilot hole construction,the interconnection technique comes up.This paper mainly introduces the principle of interconnection technique and the downhole equipment assembly,and gives a living example of Heilongjiang River crossing project,which belongs to the China-Russia crude oil pipeline project,to explain the application of the interconnection technique in horizontal directional drilling.

horizontal directional drilling;interconnection technique;directional control;drilling tool assembly

TE973.4

B

1001－2206（2011）05－0026－05

屠言輝 （1982-），男，安徽宿州人，助理工程師，2009年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學 （北京）地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，從事水平定向鉆穿越施工工作。

2010-07-07