水平定向鉆技術(shù)在油氣輸送管道工程中的研究與應(yīng)用

李永明

(森諾科技有限公司，山東 青島 266000)

1 水平定向鉆穿越概述

在油氣輸送管道施工中，通常采用穿越的方法進行市政道路以及大面積水域等難以直埋的障礙物的管道施工。相比于傳統(tǒng)的隧道穿越、開挖穿越，水平定向鉆穿越具有控向精準、施工周期短、高效、可進行長距離穿越、有利于保護周邊環(huán)境等優(yōu)點。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，水平定向鉆技術(shù)的發(fā)展已初步成熟，設(shè)備型號齊全，可適用于各種規(guī)模的施工以及復雜多變的地形地質(zhì)，現(xiàn)在水平定向鉆技術(shù)能夠穿越的距離達到了兩千米。水平定向鉆穿越設(shè)計不僅需要工程力學以及流體力學方面的分析，還與施工現(xiàn)場的管道外腐蝕、管道規(guī)格等設(shè)施密切聯(lián)系。

2 水平定向鉆的系統(tǒng)構(gòu)成

水平定向鉆主要由鉆機、鉆具、泥漿系統(tǒng)、導向系統(tǒng)四大部分組成[1]。

2.1 鉆機

鉆機主要由鉆桿和柴油發(fā)電機構(gòu)成。柴油發(fā)電機能夠為鉆機提供足夠的動力支持，它是最為關(guān)鍵的組成部分。為保證鉆機正常作業(yè)，需要有恒定的輸出功率，所以必須使發(fā)動機持續(xù)工作。鉆桿通常有液壓或者機械驅(qū)動鉆桿等類型，鉆桿通過旋轉(zhuǎn)扭矩作用于孔底的鉆頭最終完成回拖和鉆進作業(yè)。水平定向鉆進行施工時最為重要的數(shù)據(jù)是旋轉(zhuǎn)扭矩以及回拖力，在設(shè)計的過程中，需要綜合考量工程的體量確定出穿越的性能，最終選擇出鉆機的機型。

2.2 鉆具

鉆具由鉆頭、擴孔器、卸扣(U型環(huán))鉆桿以及旋轉(zhuǎn)接頭(單動接頭)四部分構(gòu)成。在施工現(xiàn)場，鉆具安置在出土點場地，水平定向鉆安置在入土點場地。

2.3 導向系統(tǒng)

這一部分在整個施工過程中占據(jù)著非常重要的作用，它的選用同樣非常關(guān)鍵，關(guān)乎著施工過程的順利與否。這一部分主要有有線導向系統(tǒng)和無線導向系統(tǒng)。對于后者，它重要的組成部分是手持式地表探測器以及隱藏在鉆頭中的探頭[2]。

對于一些穿越困難的地質(zhì)條件，比如河流或者湖泊，因為表面難以正常走動，而且鉆孔達到的深度很大，就會造成信號的屏蔽，很難接收到，因此就需要用到有線導向系統(tǒng)。

2.4 泥漿系統(tǒng)

這一部分的主要作用就是保證擴孔的順利進行，以便管線能夠進行回拖作業(yè)。

首先需要在泥漿罐里面添加入水份、膨脹土和添加劑等，再進行足夠的攪拌確保混合均勻，然后利用泥漿泵再進行加大壓力的處理，利用鉆桿的通道直至鉆具的噴嘴位置。對穿越段的地質(zhì)進行沖刷，同時將鉆屑進行收集，能夠?qū)︺@進起到很大的助力。此外，添加入泥漿還能夠起到降低溫度的作用，防止溫度太高而被損壞。

與此同時，泥漿系統(tǒng)的關(guān)鍵還在于，在回拖的過程中，可以減少這一過程中的摩擦力。正常情況下，回拖時管道是包裹在泥漿之中的，所以在實際的操作中，假如孔道比較理想的話，那么需要的拉力也就相對較低很多。

一般情況下，孔道都是很大的，孔壁的穩(wěn)定性也不是很好，因此，在加入泥漿之后，對孔壁能夠起到加固的效果，減少孔壁破壞的情況[3]。

3 工程施工步驟

首先按照設(shè)計文件，確定水平定向鉆的出土地點、入土地點以及管道中線的位置，通過水平定向鉆進行鉆孔，緊接著放入套管；在鉆頭出土之后，在套管的一端安裝上擴孔器以及預制好的管線，擴孔器的個數(shù)需要安裝實際的情況進行確定；此外，需要穿越的管線需要提前進行焊接、試壓和檢驗，全部合格之后才能進行回拖[4]。然后通過鉆機將擴孔器以及管線進行回拖操作，待管線完全置于孔道內(nèi)，在鉆機的入土處露出端頭即可。

3.1 道路

在實際的操作過程中，在出土位置和入土位置處均必須放置大型機械，因此就需要道路進行運輸機械設(shè)備。盡量利用現(xiàn)有道路進行修整確保達到要求，減少新建道路的比例，也可以利用管線的施工便道，盡量控制這方面的資金投入。

3.2 施工場地

3.2．1 鉆機方面

在鉆機的施工場地方面，大約需要用到30m×45m的場地面積。同時在周圍布置800mm×800mm的排水溝，以便排出廢水。此外，需要挖掘2處泥漿池，尺寸為8m×10m×1.5m。在挖掘時，必須保證泥漿池的穩(wěn)定性，邊坡必須穩(wěn)定可靠，避免出現(xiàn)滑坡等危險。場地需要做到干凈、整齊、穩(wěn)固，方面鉆機的施工作業(yè)。

3.2.2 管道方面

一般情況下，管道穿越的長度都比較長，因此在預制管道時需要在管道場地方面預留出放置管道的場地。假如場地不允許，就難以保證工程的正常施工。在管道的場地方面也需要平整出一塊30m×45m的場地，留出足夠的寬度保證管道的作業(yè)。預留的場地長度，需要確保管線在焊接之后能夠正常放置。在正式回拖之前，就需要將管道進行焊接、試壓和檢驗，同時做好防腐工作。

3.2.3 現(xiàn)場勘察

在確定好位置之后，就需要對對應(yīng)的位置進行實地的測量勘察，同時出具詳細的測量圖紙，這是后續(xù)工作的基礎(chǔ)和前提，因此是十分必要的。

3.2.4 設(shè)計參數(shù)

在設(shè)計的過程中，必須確定好合適的出土的角度和入土的角度以及彈性敷設(shè)的曲率半徑。根據(jù)眾多的水平定向鉆的施工案例實踐，入土角控制在8°～12°之間，出土角控制在4°～8°之間。為了保證水平定向鉆的順利作業(yè)，必須確保穿越管道的彈性敷設(shè)段曲率半徑在出、入土段大于或者大于1200D，這樣才能保證管線的順利回拖[4]。

3.2.5 鉆孔施工

布置鉆機，協(xié)調(diào)配套機械進行到工作狀態(tài)，準備控向的參數(shù)數(shù)據(jù)，攪拌好泥漿，嘗試進行鉆機作業(yè)，進行導向孔的鉆進，進行擴孔的操作，對管道進行回拖，清管測徑[4]。在鉆孔施工完畢之后，需要對未用到的泥漿進行回收和處理，同時需要對破壞的場地進行恢復。

4 設(shè)計采取的安全措施

(1)做好前期測量勘察工作，保證穿越地質(zhì)條件滿足定向鉆的要求，不在水網(wǎng)較多、地質(zhì)較差的地段進行穿越，同時降低沿線的水土保持的程度，保證管道的安全。

(2)根據(jù)穿越的類型，在計算管線的壁厚時，加大設(shè)計的系數(shù)，從而提高管線的壁厚。

(3)對于在大型河流進行穿越的管線，需要在兩岸布置截斷閥，避免由于管線的泄漏造成河流的污染。

(4)提高管道的防腐等級，對于穿越段采用三層PE加強級外防腐技術(shù)。

(5)在穿越硬質(zhì)巖石等地質(zhì)環(huán)境時，設(shè)置光敏固化玻璃鋼防護層，對管道防腐層進行保護。

5 工程實例

5.1 西南成品油管道穿越

西南成品油管道工程采用水平定向鉆技術(shù)穿越南寧市2處魚塘和1處道路，其中魚塘總長度約為320m，道路寬14m。輸油管道的管徑為DN450，壁厚為10.3mm，管道的設(shè)計壓力為10MPa，穿越處地質(zhì)條件為中風化泥巖層，穿越長度為700m。水平定向鉆入土角10°，出土角9°，曲率半徑為1500D，管道穿越處水平段設(shè)計埋深35m。

穿越段需要提高管道的防腐等級，因此此處管道的防腐材料選擇加強級三層PE外防腐，同時再增加光敏固化玻璃鋼防護層。

5.2 珠三角成品油管道穿越

珠三角成品油管道需要穿越江門市羅江河，此處穿越采用水平定向鉆技術(shù)進行穿越。管道的管徑為DN400，壁厚為8.7mm，管道的設(shè)計壓力為9.5MPa，穿越處地質(zhì)條件為強風化泥巖，穿越長度為500m。水平定向鉆入土角9°，出土角8°，曲率半徑為1500D，管道穿越處水平段設(shè)計埋深12m。

穿越段需要提高管道的防腐等級，因此此處管道的防腐材料選擇加強級三層PE外防腐，同時再增加光敏固化玻璃鋼防護層。

6 結(jié)論

根據(jù)眾多的施工案例，我們發(fā)現(xiàn)，在水平定向鉆的實際操作中，影響施工的關(guān)鍵因素是最大回拖力，而它會受到管線長度、外徑、壁厚、曲率半徑等條件的制約。

(1)目前水平定向鉆的施工已經(jīng)取得了很多成功的案例，工藝技術(shù)也越來越完善，但是依然會受到很多的因素的制約和限制。盡管現(xiàn)場的環(huán)境一樣，但是施工隊伍或者施工時間的不同，也可能會帶來不同的效果。因此在施工過程中，成熟的技術(shù)和完備的施工機械就非常有必要。在實際的操作中，需要按照現(xiàn)場的實際情況，合理調(diào)整設(shè)計的參數(shù)數(shù)據(jù)，以符合實際的需要，保證設(shè)計的圖紙能夠滿足現(xiàn)場需要。

(2)在實際的水平定向鉆施工作業(yè)時，由于受到很多外在因素的制約，因此管道的出、入土的角度有時會出現(xiàn)大于設(shè)計角度的問題。所以在進行設(shè)置的過程中，如果受到現(xiàn)場條件的制約，設(shè)計可以按照現(xiàn)場的實際的環(huán)境進行調(diào)整。

(3)管道在進行水平定向鉆穿越的過程中，很大程度上會受到當?shù)氐牡乩憝h(huán)境的影響。如果當?shù)氐牡刭|(zhì)條件比較復雜或者穿越段比較困難，應(yīng)當盡量多設(shè)置密探孔，以便確保勘察測量的準確性。