定向鉆技術在燃氣管線穿越河流中的應用

中國石油大學規劃建設處

定向鉆技術在燃氣管線穿越河流中的應用

聞濤中國石油大學規劃建設處

水平定向鉆技術施工的關鍵在于導向孔的鉆進、管線焊接施工及導向孔的擴孔、泥漿制備、回拖管道等幾道關鍵性工序。防止定向鉆在鉆孔時呈現“S”形，應嚴格控制每根鉆桿的角度（約0.4°），控向過程中要嚴格按照設計曲線施工。水平定向鉆施工技術具有導向準確，施工效率高，能有效避開地下障礙物，不影響交通，而且不破壞生態環境，施工速度快，穿越長度長，穿越深度深，施工安全性好的特點，作為一項高效安全的新技術得到了廣泛的應用。

穿越管線；水平定向鉆；導向孔；管線回拖

水平定向鉆技術的施工原理是利用地表放置的大功率鉆機，在導向儀的導向和監控下，按預先設定的地下鋪管軌跡鉆一個小口徑先導孔，隨后在先導孔出口端的鉆桿頭部安裝擴孔器回拉擴孔，當擴孔至設計尺寸要求后，在擴孔器的后端連接旋轉接頭和管線，回拉鋪設地下管線從而完成管線施工[1]。其施工的關鍵在于導向孔的鉆進、管線焊接施工、導向孔的擴孔、泥漿制備以及回拖管道等幾道關鍵性工序。

本工程為穿越橫河的燃氣管線鋪設工程，定向穿越水平長度608m，實際拖管長度608.7m（考慮管道回拖完成后，入土、出土端管頭埋深為2m），入土角度5°，出土角度5°。定向鉆施工采用D813鋼管，壁厚16mm，采用Q345鋼。根據勘測設計資料及現場勘察情況，該穿越段地層為淤泥質土、粗礫砂、強風化花崗巖，本次穿越工程主要從淤泥質土層中穿過，成孔條件良好。

1 測量放線

在現場進行控制(轉角)樁的交接后，應進行測量放線，將樁移到施工作業帶邊緣，對已經丟失的樁應復測補樁。對于平面圖、斷面圖和勘查資料中標明的地下障礙物和新發現的障礙物等應進行調查、勘測并設置標志樁，注明障礙物的埋深和尺寸等[2]。沿穿越軸線兩邊50m派專人查看地下管線，弄清地下管線走向及埋設深度，并在出、入土點位置采用人工方式挖探坑（探坑尺寸為3 m×1 m× 2.5m），確保待穿越管線與現有地下管線不會發生沖撞。

2 施工作業帶清理及場地平整

鉆機入土點和出土點場地根據地形情況分別進行平整，占地面積分別為60m×60m，場地四周挖0.5m寬、0.5m深的排水溝。鉆機場地平整完成后，用鋼板鋪墊，保證鉆機的進場就位。

挖地錨坑長7.0m、寬3.5m、深1.8m（視開挖地層情況而調整），把地錨箱放入坑內，在土與地錨箱之間的間隙用澆注砼保證在回拖管線過程中地錨的穩固。

3 水平定向鉆的實施

3.1 管線回拖力計算

定向鉆穿越回拖力的計算，對于鉆機的選擇至關重要。本工程穿越管線為?813 mm×16mm鋼管，在回拖過程中，回拖力主要由管道浮力對孔壁造成的摩阻力和管道在孔內移動過程中與泥漿產生的摩擦力構成。為降低管道因浮力對孔壁造成的摩阻力，在施工過程中采用管道內注水的方法。為保守計算，按照管道內注滿水、孔內充滿泥漿及孔壁保持比較完好考慮。如果管道內注滿水后，管道的摩阻力表現為管道與下孔壁的摩阻力，在實施拖管過程中若管內注水合適時，可將摩阻力降到零，也就是說理論上管道在洞內因自重產生的摩擦阻力完全可以消除。

在施工過程當中保持好泥漿的性能以及成孔后洗孔時孔內固體顆粒的含量，是完全可以做到降低摩擦力的，因而回拖力可以相應降低。本次穿越施工取2倍的安全系數，需選用回拖力大于等于118 t水平穿越鉆機，故本次施工投入回拖力為160 t鉆機，滿足施工要求。

3.2 鉆導向孔

首先清理鉆桿和鉆頭并檢查鉆桿，應保證每根鉆桿經無損探傷合格后方可使用，然后檢查鉆機配電系統、鉆進系統，檢查各系統運行情況無誤后進行試鉆。試鉆過程中應同時檢查系統的運行狀況，無誤后開始鉆進。

定向鉆施工工程的關鍵工序之一是穿越導向孔的施工。現場具備條件后，按設計規范要求進行鉆進，保證鉆孔曲線偏差符合設計要求。鉆進曲線以設計的曲率半徑進行弧線調整，從入射角7°逐漸調整直至水平，然后再慢慢抬頭至5°，直至出土，每根鉆桿調整約0.3°～0.4°。

鉆進過程中的控向對工程的穿越精度及穿越成敗至關重要，鉆進開始前必須認真分析地質勘察資料，仔細確定控向方案和鉆進方案，必須認真分析鉆機儀表上的每項參數，緊密配合以便鉆出合格的導向孔。鉆導向孔時必須時時對照勘察報告的地質資料及儀表參數，根據土質阻力和鉆進速度分析成孔情況，達到出土點位置準確，確保成孔良好。為確保出土位置準確無誤，曲線平滑，鉆進過程中在磁場干擾較大的地方需要布線圈來滿足MGS定向系統磁場的穩定性。

3.3 管線回拖施工

（1）回拖施工也是穿越工程的關鍵步驟，回拖時采用的工藝設備是：鉆機鉆桿配合36″桶式擴孔器+200T回拖萬向節+200TU形環+?813mm正式管線。為了避免因管線回拖停滯造成阻力增大而導致的回拖失敗，管線施工回拖應連續進行。

（2）回拖前管線防腐層檢查。仔細對照設計要求和施工規范對管線進行檢漏，檢漏應使用電火花計，以規定的電壓不擊穿防腐層為合格，并在管道入土前設專人檢查處理，尤其應注意管道接口處的防腐層。

（3）管線回拖準備。檢查管線合格后，管線內注水到設計水量，然后將回拖管頭與穿越管線焊接并加固，保證回拖抗拖力在180 t以上；然后將發送溝充滿水，并將回拖管段放進發送溝中，管線入溝時需要注意避免劃傷，保護好防腐層；同時檢查擴孔器和各泥漿噴嘴的暢通性，確認合格后再進行管線連接。

（4）管線回拖施工。回拖過程中，應仔細觀察鉆機回拖參數，確保回拖力不發生突然變化；同時要認真觀察泥漿循環系統的運行情況，保證泥漿的順利供應。管道施工完畢回拖出土后，應及時卸下鉆桿、萬向節等機具，并按照預留長度割掉回拖頭，用盲板將焊接封閉，至此回拖施工完畢。

4 施工中應注意的問題

（1）防止定向鉆在鉆孔時呈現“S”形的措施。所謂穿越鉆孔出現“S”形是由于在控向施工過程中相鄰幾根鉆桿的角度過大而造成的整個穿越曲線的變形，所以必須要控制好每根鉆桿的角度以保證鉆孔的圓滑。為防止曲線出現“S”形，應嚴格控制每根鉆桿的角度（約0.4°），控向過程中要嚴格按照設計曲線施工，如發生偏離原設計曲線，要及時做出調整，進行水平糾偏時每兩根鉆桿之間變化一般不超過0.3°。

（2）確保回拖順利的措施。首先必須確保導向孔平滑、順暢，滿足設計曲率半徑，并避免出現“S”型；同時對鉆機進行維護保養，對鉆具進行定期檢查，確保設備及鉆具完好，防止回拖過程中停車。回拖前調整管道的入洞角度到出土角度。由于管道的剛度大，處理不好入洞的角度和高差，容易造成回拖的失敗。通過調整泥漿性能及推進速度保證擴孔回拖順利完成。在擴孔回拖過程中要根據回拖力及扭力的大小控制好回拖的速度，結合地勘資料進行合理的泥漿配比，使泥漿能最大限度地發揮懸浮攜帶、潤滑、固孔、堵漏等功效。

（3）泥漿配比工藝措施。穿越工程中護壁泥漿也是定向穿越中能否成功的關鍵因素，泥漿配比前需對水質進行取樣化驗并做泥漿配比實驗，符合要求后方可使用。施工過程中，派專人在出、入土點隨時觀察從洞口流出的泥漿及固體顆粒含量（泥、砂等），以便及時調整泥漿配比，盡可能將孔內的泥砂攜帶出孔外，保證孔內光滑順暢。

5 結語

水平定向鉆施工技術具有導向準確，施工效率高，能有效避開地下障礙物，不影響交通，而且不破壞生態環境，施工速度快，穿越長度長，穿越深度深，施工安全性好的特點，作為一項高效安全的新技術得到了廣泛的應用。技術素質高的工人、性能優良的設備、科學的施工組織、有效的施工措施和合理的施工工藝是保證工程順利完成的主要因素。

[1]張宏.HDD施工技術與發展[J].筑路機械與施工機械化，2004，21（1）：53.

[2]張慶征.“三接一”在定向鉆中的應用[J].油氣田地面工程，2006，25（8）：67.

（欄目主持 焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.061