长输管道定向钻穿越技术及应用探讨

长输管道定向钻穿越技术及应用探讨

陈杰

中石化胜利油建工程有限公司三分公司

摘 要: 石油天然气长输管道敷设工程，时常会遇到障碍物（如河流、陡峭的山梁、交通道路、不能拆迁的建筑物构筑物等）而不便开挖，需用特殊方法穿越障碍物的情况，常用的非开挖穿越方法有隧道穿越、顶管穿越及定向钻穿越等，相比之下，定向钻穿越具有成本低、工期短、高效安全等优势。

关键词: 长输管道；水平定向钻；穿越施工；技术分析

一、水平定向钻概述

利用水平定向钻机，根据预先设计的线路，在入土点和出土点之间，从障碍物下方钻一条弧形导向孔，在经多次扩孔后把连接好的管线回拖入孔完成管线敷设。

（一）水平定向钻穿越的特点

1、优点。具有工程量小、工期短、造价低、临时占地少，对环境影响小，施工作业不会影响地表的河流、航道及道路交通等。2、缺点。产品不易检修，受地质条件影响较大，卵砾石地层、复杂地质成孔困难，易发生塌孔、抱死等事故，导向钻头状态监控无线信号易受磁场、金属影响产生导向偏差，出土端需狭长的管线连接制作场地。

（二）水平定向钻穿越作业注意事项

1、作业前详细了解地下地质情况，根据地质条件选用合适的导向钻头和扩孔钻头；2、在地表事先标记关键控制点，注明距离深度、俯仰角度；3、导向孔钻进时严密监控导向钻头深度、方向、俯仰角度等状态及时纠偏，保证导向孔符合预设的弧形线路；4、扩孔必须逐渐加大扩孔钻头直径，避免一次加大过多产生缩径、抱死或塌孔；5、扩孔和管线回拖时随时观测钻机拉力变化，当拉力突然增大时必须减缓回拖速度，避免钻具或管线卡死。

二、工程实例

水平定向钻穿越是一种非开挖敷设线路的施工工艺，利用水平定向钻机，在预设的入土点和出土点之间，从障碍物下方钻一条弧形导向孔，经多次扩孔后把连接好的管线回拖入孔完成管线敷设。可广泛用于石油天然气、电力通讯、供水等工程的地下管网穿越河流、道路及建筑物构筑物等障碍物施工。

（一）工程概况

天然气供气工程道路穿越17处，河流穿越1处。河流穿越根据实际条件直接采用定向钻穿越；原则上不允许城市主干道开挖穿越，我们经实地勘察和查阅相关资料，对17处穿越其中的8处采用了定向钻穿越，其余9处或操作位置不够，或地下障碍物过多条件复杂，经协调采用了大开挖穿越，经比对，定向钻穿越平均3天1处，而大开挖穿越用时最短的一处为7天，最长的一处为11天。

（二）支线穿越侏罗纪大街

支线穿越大街，设计为Ф219*6钢套管内穿Dn110PE管，是该工程定向钻穿越的第一处。由于其地下状况的特殊性，地质基础资料粗略不足，加上预先的勘察及分析不太充分，造成第一次穿越因地质变化过大而失败。后经技术分析，制定针对性措施，进行了重新穿越才成功。（见图1）

图1支线定向钻穿越大街立面示意图

（三）第一次穿越失败

第一次穿越，导向孔长度96m，穿越最大深度6.5m，在现场勘察时，发现3m*4m的主排洪沟，导向孔从主排洪沟下方穿过，经3次扩孔到孔径400mm，钻导向孔及扩孔中均发现有硬物阻挡情况，也采取了减慢牵引速度、增加钻头转速等措施。随后扩孔钻头经回转接头连接带锥头的内穿PE管线的钢套管进行回拖作业。但在回拖至40m左右时，遭遇强烈阻力，尽管采取了加大泥浆流量、持续加力旋转钻头等措施，但仍然纹丝不动，不前进一丝一毫，最终宣告第一次定向钻穿越失败。

（四）技术分析

将管线反方向拖出来观察，套管锥形拖头有被硬物顶压内凹，证明是拖管时有硬物阻挡导致回拖失败。经过多方调查了解，原来该处道路是老河道改道填筑的路基，主排洪沟沿老河道右侧修筑，排洪沟基础基本与老河床持平，当初填筑路基的时候，回填料有大量建筑垃圾，包含了大量的较大的混凝土块及废弃条石，填方时没有进行分层填筑，而是一次性倾倒填到所需高度，导致较大的石块滚落到河床底层形成乱石回填层，而我们定向钻穿越到该处时，因角度较平，有较长的距离在乱石填方中穿过。而根据导向记录，管线回拖就在乱石填方位置受阻。分析由于石块阻挡，扩孔时钻头向较弱一侧偏移，从而造成孔洞在该处弯曲不平直；或回拖时由于钻头旋转扰动造成石块下坠垮塌，最终因石块的阻挡导致回拖失败。

（五）技术措施

针对以上分析出的问题： 1、原导向孔已经报废，需重新钻孔穿越。2、重新钻孔时加大穿越深度，将原6.5m的最大穿越深度增加为至少7.3m，让主要穿越段从乱石填方层下方通过。3、将入土角度从13度调整为15度，并且保持直线穿过乱石填方层后再开始转向，确保以尽量短的距离通过乱石层。4、更换终级扩孔钻头，将400mm普通扩孔钻头改为3牙轮岩石扩孔钻头，以在扩孔时将阻挡的石块尽量粉碎。5、调整泥浆配方，提高泥浆的比重、粘度和润滑性能。6、报经监理和业主同意，减小钢套管管径，把原设计Ф219*6的钢管更换为Ф165*6钢管，减少回拖时的阻力。7、在钻进到15m至60m区段（即穿越乱石区域），增加导向观测频率，关注导向钻头状态变化并作好详细记录，以便在扩孔和回拖时适时调整回拖速度、钻头转速及泥浆加注量。8、在最后一步回拖管线时，时刻观察拉力仪表，如遇拉力突然增大，必须立即减小回拖速度，同时加大泥浆流量并保持钻头持续旋转，以尽可能克服阻力。

（六）第二次穿越

以上措施在报经业主和监理同意后，即开始第二次定向钻穿越作业，由于穿越深度增加了，需多越过一处通讯电缆沟，因此导向孔长度增加到了114m，最大穿越深度7.3m，整个过程严格按既定措施施工，经过5天的作业，最终顺利完成金源街支线穿越侏罗纪大街的定向钻穿越。

三、河流穿越

河流穿越河面宽度50m，管线为DN200PE管外套Ф429*8mm钢套管，设计管位距离桥梁基础较近，如采用大开挖可能对桥基造成影响，还将拆除及恢复河道护堤;上游水库会不定时放水，河道水流量大小极不稳定并且难以预计;围堰、开挖工程量巨大，预计工期至少将在一个月以上。实际施工时，采用了定向钻穿越，穿越长度150m，钻出导向孔后经5次扩孔将孔径扩至600mm，最后采用600mm扩孔钻头经回转接头连接内穿PE管的钢套管回拖入孔完成该段管线的敷设。在回拖管线至70m时出现拉力突然加大，现场及时放慢了回拖速度，并加注泥浆旋转钻头慢拖，最终保质保量完成该段穿越作业。该处穿越耗费工期8天，节约20多天时间，经测算，与大开挖穿越相比，节省工程费用70%左右。

四、总结

定向钻穿越，有其无可替代的优越性，不仅具有工期短、成本低等特点，而且不影响地表状态，明显优于其它穿越方式。但定向钻穿越也易受地质条件、地下障碍物等不利因素影响而造成失败。因此，定向钻穿越作业前，在仔细研读地勘资料的前提下，还应进行认真详尽的现场勘察，将地下可能存在的障碍物如暗沟、管线、电线电缆、坟墓及其它埋弃物等不利因素尽量了解明确。针对了解的情况制定穿越方案，对设备选型、曲线走向、钻具选择、泥浆配合比、扩孔顺序及回拖作业都详细计划，尽力规避或克服不利因素，争取穿越一次性成功，避免不必要的浪费。

参考文献

[1]工程建设协会.水平定向钻法管道穿越工程技术规范(CECS382:2014)[Z].2015-2-1.