淺談單邊定向鉆穿越技術的參數分析

李劍釗 李熊林 周曉亮

摘要：單邊定向鉆是黃土塬地區的一種新型管道穿越技術， 具有穿越距離長、 高差大、 施工效率高、 坡體干擾小等優點， 適用于大型黃土沖溝、 陡坎的一次性穿越。 目前， 國內外缺乏單邊定向鉆的技術規范及設計參數， 設計施工以經驗為主。 文章研究了單邊定向鉆不同穿越穿越軌跡的參數選取及對比，介紹了單邊定向鉆穿越黃土沖溝的線路設計。也有助于單邊定向鉆技術的完善和推廣。

Abstract： Unilateral directional drilling is a new type of pipeline crossing technology in the loess area. It has the advantages of long crossing distance， high height difference， high construction efficiency and small slope interference. It is suitable for one-time crossing of large-scale loess gully and steep ridge. At present， there is a lack of technical specifications and design parameters for unidirectional directional drilling at home and abroad， and design and construction are mainly based on experience. This paper studies the selection and comparison of parameters for unidirectional directional drilling through different traversing trajectories， and introduces the design of unidirectional directional drilling through the loess gully. It also contributes to the improvement and promotion of unilateral directional drilling technology.

關鍵詞：黃土塬;管道穿越;單邊定向鉆; 軌跡設計;直線軌跡;曲線軌跡;入土角;穿越長度

Key words： loess;pipeline crossing;unilateral directional drilling;trajectory design;linear trajectory;curved trajectory;entry angle;crossing length

中圖分類號：TE973 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）08-0135-03

0 ?引言

單邊定向鉆斜井穿越充分利用了小型定向鉆機體積小、鉆桿短、操作靈活、便于控向的特點，同時小型定向鉆機轉場方便、費用低、便于短距離內實施多次施工。單邊定向鉆斜井穿越技術是利用水平定向定向鉆成孔技術形成斜井，是水平定向鉆穿越和斜井穿越技術的組合，取其兩種技術的優點，參數綜合了兩種技術的特點和設備可調控性進行研究。單邊定向鉆斜井穿越施工斜井坡度范圍大，坡度控制難度小，穿越施工的泥漿量小，對環境影響小，施工安全性好，適合于單次較長距離的斜井穿越。單邊定向鉆斜井穿越技術主要參數有入土角，出土角（選擇線路軌跡為曲線才有）、管線埋深，穿越長度等。

1 ?目前國內相關規范及及經驗規定

根據《油氣輸送管道穿越工程設計規范》規定“水平定向鉆敷設穿越管段的入土角宜為6°～20°，出土角宜為4°～12°，應根據地質條件、穿越管徑、穿越長度、管段埋深和彈性敷設條件確定。”人工開挖斜井施工的斜井坡度一般不大于35°，施工長度不超過60m;人工井內作業安全性差、控向難度大，這些缺點限制了人工開挖斜井穿越的使用范圍。綜合以上兩種技術的角度和長度限制，研究單邊定向鉆斜井穿越技術的參數選取。

2 ?設備可調式范圍

一般情況下鉆機可以直接停放在自然地坪上，通過鉆機自身角度調整來滿足斜井角度的需要，當斜井角度較大鉆機調整角度不能滿足要求時，開挖一個長方形與穿越斜度設計角度一致的簸箕形工作坑，鉆機停放就位在工作坑旁，然后根據地勢和設計的入鉆角度，進行鉆機的安裝和調試，保證鉆桿的中心線與斜井穿越軸線同心并保證入土角度，對控向系統程序進行校核，保證探頭在地面上測得的磁方位角的精度符合要求。

3 ?設計及施工其他相關要求

管道在黃土塬頂和谷地的平坦地段按照開挖管溝埋管的方式鋪設，埋深在塬頂為工藝線路埋深，在谷地考慮沖刷適當增加埋深。在谷地開挖管溝到陡坡底邊后向陡坡內挖洞，進深約2～3m。沖溝兩側入土點、溝底出土點要保持在同一垂直面內，出土點偏差控制在10cm以內，保證溝底彎管連頭自然順暢。因此，要提高測量放線的精準度，同時嚴格鉆孔控向。

為了保證穿越施工的安全性，施工前應首先查明黃土沖溝邊緣松散土和穩定土的分布范圍。定向鉆機距離坡邊的安全距離應該在10m以上，管道穿越路徑距離坡邊的穩定層安全距離應在3m以上。

依據穿越處的地形地勢、黃土層的穩定性等確定鉆機的入土角。為了盡可能減少定向鉆孔長度，也就是縮短入土點至沖溝溝底沖刷深度以下不小于6.0m深處的距離， 希望穿越鉆機有較大的入土角。基于這樣的考慮，利用斜坡地形安裝定向鉆機實際穿越的入土角控制。

4 ?穿越軌跡為直線的參數選取

一般線路軌跡為直線時角度較大，研究直線的入土角宜可滿足曲線入土角，出土角和埋深在規范范圍之內即可。可通過人工造斜方法盡可能加大穿越的入土角。入土角α與穿越長度L關系式如下：

根據以上公式得出：入土角越大坡頂入土點離沖溝坡頂的安全距離就越小，穿越斜井長度越短，下滑管線需要挖掘機拉力就越大，角度越小不利于主管道的發送，管線自重沒得到充分利用，增大管線與土體的摩擦。

假定取其入土點和出土點高差（H+h-h0）為定值H0，得出同一高差場地不同入土角的穿越長度L值。L=H0/sinα，（α=6°～45°）其曲線如圖4。

①角度小于6°范圍內（即A-B綠色虛線段）理論穿越長度受角度影響變化較大，角度越大，長度越短，該段曲線曲率變化較大，但角度范圍低于規范《油氣輸送管道穿越工程設計規范》規定“水平定向鉆敷設穿越管段的入土角宜為6°～20°”的范圍，理論存在，實際不可取。

②角度范圍在6°～20°范圍（即B-C紫紅色實線段）穿越長度受角度影響變化較大，角度越大，長度越短，該段曲線曲率變化較大，也在規范范圍內，實際可取，但該段穿越不夠經濟合理。

③角度范圍在20°～45°范圍（即C-D紅色實線段）穿越長度受角度影響變化較小，角度越大，長度越短，20°～45°范圍內，穿越長度變化范圍為1.4H0～2.9H0該段曲線曲率變化較B-C段小很多，但角度范圍超出規范《油氣輸送管道穿越工程設計規范》規定“水平定向鉆敷設穿越管段的入土角宜為6°～20°”的范圍，但通過調整鉆機和地坑調整，疊加角（鉆機本身可調整最大20°，地坑設備根據設備許可可調整25°）最大可調整最大45°，所以入土角也在適用范圍之內，實際可取，該段穿越經濟合理。

④角度范圍在45°～90°范圍（即D-E蘭色虛線段）穿越長度受角度影響變化較小，角度越大，長度越短，該段曲線曲率變化很小，超出規范及設備允許范圍，實際不可取。

5 ?穿越軌跡為曲線的參數選取

入土點和出土點的連線AE與邊坡頂的水平角度α是利用斜坡地形安裝定向鉆機，即就是鉆機底座地坪與直線AE在一個平面內，假定AE平面是將水平旋轉了角度α，在平面AE的基礎上做水平定向鉆曲線，假定水平定向鉆入土角為β，出土角為β，α為鉆機底座允許調整范圍0～25°，β為鉆機本身可調整角度，取值按規范取定范圍6～20°，β為假定水平定向鉆出土角，取值按規范去定4～12°。最終單邊定向鉆斜井穿越的入土角為α+β，取值范圍6～45°，出土角α+β，取值范圍4～37°。

根據曲線軌跡穿越長度公式：

根據公式得出：入土角取值范圍是6～45°，出土角4～37°，β越大，穿越長度約長，β越小，穿越長度約短，α越大，穿越長度約短，α越小，穿越長度約大。

曲線軌跡入土角和出土角疊加后穿越長度與入土角的關系同直線軌跡，只是取值大小不一樣，原理基本一致。

6 ?單邊定向鉆與水平定向鉆參數對比

單邊定向鉆穿越技術從工作原理、場地條件，穿越線路軌跡和主要參數選取的研究和經濟性對比等研究，得出結論為單邊定向鉆穿越不同于水平定向鉆穿越，不同于人工斜井穿越技術。它是利用水平定向鉆技術成孔和擴孔，利用人工斜井技術發送管道到斜井內，是水平定向和人工斜井的結合體，與水平定向鉆技術區別從工作原理不同、場地條件不同、穿越軌跡不同、參數選取不用等方面進行對比，具體內容如表1。

7 ?結語

入土角越大不能保證入土點距沖溝邊緣的距離，綜合水平定向鉆規范的入土角度范圍（6°～20°）和鉆機的本身和地坪可調角度范圍（0°～25°），鉆機自身和鉆機地坑允許的角度范圍，經過疊加后，入土角不能超過45°。參考人工斜井技術的角度范圍（10°～35°），最終確定在塬頂沿管道走向設置定向鉆，鉆桿入土角度控制在6°～45°（視鉆機能夠安裝固定的能力，盡可能加大角度，以減少斜井的長度），但20°～45°入土角穿越最為經濟合理，對于曲線軌跡出土角控制在4°～37°，管線埋深滿足水平定向鉆和人工斜井的要求，靶心對準坡角洞口，然后加固鉆機。

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