浅谈高压燃气管道定向钻穿越流溪河施工技术措施保证要点

浅谈高压燃气管道定向钻穿越流溪河施工技术措施保证要点

张臣根

广州燃气集团有限公司 广东广州 510000

摘要：解决管道穿越特殊地段施工难题，造价低、工期短、协调工作少、不破坏植被等特点的定向钻穿越施工技术，近年来在我国得到广泛应用。本文主要根据流溪河高压燃气管道对定向钻穿越河底工程实例来对高压燃气管道定向钻穿越流溪河施工技术措施保证要点进行了项目分析。

关键词：高压燃气管道；定向钻；穿越河底；施工技术

1. 项目特点分析

流溪河定向钻，穿越长度604.5米，D711x17.5mm（设计压力5.0MPa，L415M）高压天然气直缝埋弧焊钢管，流溪河水面宽约100米，埋深最深为25.440米。河床底部有国家管网埋地管线为D911钢质管道并有伴行光缆、航油管道为D406钢质管道，工程施工前分别进行了探测。

图1：流溪河定向钻拟建管线优化路由位置与航油管线竖向关系图

（1）本工程选用一台GD3500-L型定向钻机施工，给进回拖力可达350吨。定向钻穿越基本参数：入土角：10°；出土角：8°。

（2）分级扩孔表

2. 施工布置

图2：入钻点平面布置图

3. 质量目标

定向钻的钻进曲线应严格按照穿越施工规范和设计图纸的要求进行。导向孔的实际曲线与设计交叉曲线之间的偏差不应超过1%。同时横向偏差为±20mm；上下偏差，开挖点横向偏差±20mm，纵向偏差。

4. 保证措施要点

4.1确保回拖质量的措施

1、管线回拖顺利的准备措施

1）拖管前管道焊接、试压等工作必须全部完成，各种检测质量合格率必须满足规范和设计要求。

2）拖管前技术负责人向全体施工人员讲解拖管风险和风险源识别以及风险排除技术措施。

3）确保导孔光滑，符合设计曲率半径要求，避免S形弯曲。

4）在最终扩孔（清理）前，对钻机等主要设备进行全面检查和维护，并在拖管前进行系统检查，确保设备在回拖过程中没有问题。

5）最后一次扩孔（清孔）时，泥浆粘度达到55s左右，尽量把孔内残留的岩屑带出来，确保孔内清洁，保证拖管顺利。

6）尽早做好拖管的准备工作，在做好所有准备工作后，进行最后的扩孔（清理）。试着压缩扩孔完成后和回拖前的停机时间，以降低风险。如果停机时间超过12小时，则需要进行另一次通孔，然后进行回拖。

7）调整管道的入孔角度，使其与开挖角度一致，避免因管道弯曲造成应力过大而难以回拉。根据实际施工情况，可通过挖掘机沿轴线方向支撑和调整开口，以支撑和调整管道的进入角度，达到管道易于进入的目的。

8）通过调整泥浆的性能，可以提高泥浆悬挂、运输、润滑、固孔和封堵的效果。适当增加聚合物含量，提高泥浆的悬浮和固孔能力；加入泥浆流变剂，使泥浆在高粘度下保持良好的流动性，提高承载能力，降低粘度；添加润滑剂以减少摩擦；它具有良好的密封效果，并在孔壁上形成致密的保护膜。

9）防腐层可以使用放置在管道下端的粘土袋进行保护，每5-6米放置一次。土袋垫高出地面约0.2-0.5米，以保护管道在拖曳过程中不与地面摩擦，并确保防腐层不受损坏。发送架可以安装在特殊地形区域，以减少管道牵引过程中的阻力。

10）拖动管道时，使用Φ1000mm膨胀钻头连接后，送泥检查水孔，然后将50T分动箱和50T“U”形环连接到被拉回的管道上。

11）泥浆必须在土壤入口点侧进行准备，以便在拖曳管道时使用。

12）对钻机、泥浆泵等各种设备进行维护保养，确保拖管过程中的正常运行。现场应为易损件提供足够的附件，以备紧急使用。

2、拖管措施

1）拖航前，应对钻机、泥浆泵等大型机械设备进行全面维护，确保机械设备操作正常、状态良好。小型易损件必须有备件，出现异常情况应及时更换。

2）在所有现场准备工作完成后，将开始管道拖曳。钻井人员将严格遵守操作手册中规定的参数，并做好拖管记录。在牵引过程中，应随时报告牵引力和扭矩的变化。如果出现异常现象，应使用对讲机及时向技术负责人和相关领导报告，并采取应急技术措施，防止拖管事故的发生。

3）在拖航管道时，应指定专人在拖航现场沿管道进行巡逻。如发现特殊情况，用应急对讲机通知司钻停机处理，特别是发现防腐层或光固化套管损坏时，应立即通知防腐人员进行维修和防腐工作。

4.2确保穿越轨迹与设计曲线不偏移，出土点偏移在≤20mm的措施

导孔的钻进是整个定向钻井的关键，导孔施工曲线的平顺性将直接影响钻井的驱动力和回拖力，以及管道回拖的成功率。

1、整个穿越工程将采用GD3500-L型水平定向钻机进行施工。方向控制设备采用智能导航制导系统；

2、在定向钻井过程中，应严格控制全角度的变化率，并尽可能缩短测量间隔长度。调整方位和倾角时，应留有余量，避免因过度调整而重复调整角度，以防止出现“S形”轨迹。

3、钻机安装就位后，使用全站仪准确地将钻机中心线放在原位。精确测量和校准方向控制参数；

4、通过全站仪精确测量开挖点到埋点的实际距离和两点之间的高差。

4.3确保导向孔钻进成功的措施

该工程穿越地质条件较复杂,导向孔钻进成功是整个工程顺利完成的关键。

1、由于本工程穿越长度长，若推力过大，钻杆在钻孔内易产生多段弯曲，同时与孔壁的摩擦力不断增大，直推式导向孔造斜钻进将变得非常困难，因此全程采用泥浆马达进行导向孔钻进；

 2、使用直径更大的ФA 200mm钻头，增加了环形空间，减少了钻杆与孔壁之间的摩擦。增加泥浆排量，增加钻头的水压，特别是在开挖侧的土层中，并增加机械钻孔速度，以快速确保安全。

3、钻杆在钻进及扩孔施工过程中，均受钻孔的摩擦，因此，钻杆质量的好坏直接关系钻孔事故的发生。所以，在钻杆的使用前，需将钻杆送至相关检测单位进行声波探测钻杆的“伤势”，防止“带伤”使用。

4、在导向钻孔过程中，地层中呈“S”形的钻杆会阻碍钻杆推进力的向前传递，难以控制钻头的方向。施工过程中，推进力和转速应均匀稳定，不得有波动。当有效性显著降低或提高时，是由于软硬层的不均匀交换。不建议盲目增加推进力和速度，这很容易导致钻孔（狗腿）急剧弯曲。应及时放慢推进速度，缓慢通过井段，交换软硬不平的地层，保持钻井顺利。

5、在导孔施工过程中，由于钻杆长距离钻孔时钻削力减弱，如果不能满足导向要求，可在入口点根据孔外钻杆的松弛程度适当增加推力。

4.4确保扩孔顺利的四大措施

措施一：扩孔钻头的选择要合理。

根据项目地质条件选择合适的扩孔器。

措施二：泥浆量的控制要合理。

扩孔时，按设计要求调整和增加泥浆排量，控制回拖速度，按设计参数顺利扩孔。操作员应密切关注泵压力、扭矩和回拖力的变化，严禁抱泵、钻孔或强行回扩。扩孔完成后，在使用Φ1100mm铰刀清孔前，对成孔情况进行分析。

措施三：泥浆设备的排量要够。

扩孔和清孔时，必须保持足够的位移，以确保泥浆流速达到承载土壤的能力。

措施四：事故处理有预案。

施工中遇有卡钻或抱钻情况，而前面方法处理无效时，将钻机转运或另进一台钻机到出土点后，拉、晃、扩夯打退活钻杆后再慢慢复扩孔。若一旦出现钻杆、或钻头断裂情况，启动打捞预案，打捞出钻孔。采用母锥或公锥，下入钻孔，将钻杆或钻头锥丝，固定连接后，再旋转回拖出来。

4.5确保国家管网及航油埋地管线安全的措施

1、主动联系国家管网及航油埋地管线管理单位，详细了解地下管线埋设情况，并根据相关图纸和现场当地管道标识，对地下管道进行详细勘察。定向钻入土点工作坑开挖前，使用雷迪测量设备对埋地国家管网及航油管线进行探测，探测完成后在国家管网及航油管线两侧测量放出施工红线的边线，并使用石灰标记出定向钻施工一侧的边线位置。对施工便道、作业区等与航油管线交叉的位置，使用20mm厚钢板对国家管网及航油管线两侧红线区域进行满铺，并安排专人对交叉位置钢板的沉降情况进行监测。

2、开工前进行现场调查，核对设计文件、编制并报批施工方案（或作业规程），配备施工装备。

3、在施工前，对施工人员进行施工安全技术交底，明确管道名称、走向、埋深等，在施工现场作好标记。对于土壤入口点的管道勘探，应进行人工挖沟，以确定管道路线的方向。严禁盲目开挖，管道中心线5米范围内严禁挖掘机开挖。

4、定向钻的钻进曲线应严格按照穿越施工规范和设计图纸的要求进行。导孔实际曲线与设计曲线的偏差不大于1%，水平偏差不大于±3m，上下偏差不大于+1~-2m。根据现场实际勘查，高压管线路由与在役国家管网及航油管线路由前段基本平行，后段渐趋远离的方向，水平间距最小距离均大于10m，因此定向钻施工在最大偏差情况下未进入航油管道中心线及国家管网两侧各5米保护范围。

4.6确保管线精确定位的措施

（1）使用实际测量和理论计算两种方法准确地确定与中心线交叉的磁方位角。

使用全站仪将穿越中心线准确引至入口点和开挖点两侧的开阔区域，并使用全站仪沿其轴线将探管准确放置在中心线导线上。依次沿径向0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°测量探管的磁方位。每次旋转后，应通过全站仪中心线将探针管准确定位在导线上。在土壤进出点一侧测量了16组数据后，应对每个数据进行仔细分析，以消除明显的误差或大的偏差，然后对剩余数据进行平均。除进行磁方位角的测量外，还应采取下面的方位对测量计算值进行校核，如下图：

图3  校验磁方位角

穿过中心线的地磁方位角θ（穿过中心线与北磁极之间的角度）、局部磁偏角α（地理北极与北磁极的角度）和穿过中心线方位角β（穿越中心线与地理北极之间的夹角）之间存在着以下的等式关系：

θ=α+β

式中，磁偏角α可以由中国地磁图中查得（由中国地震局出版，每五年修订一次），方位角β根据出、入土点间的坐标计算得出，从而计算出穿越中心线的磁方位角数值。

将实测数据与理论计算数据再次进行比较验证，最终准确确定穿越中心线的磁方位角数据。

（2）钻机精确就位

施工前，为了确保严格按照设计曲线钻孔，在钻机就位之前，使用测量仪器（如RTK）对管道穿越的中心线进行放样。钻机就位的精确位置是根据交叉角和钻机本身的尺寸（车辆长度、宽度、轴距等）等参数计算的，并用白灰或钢丝绳标记，作为钻机就位的依据。就位后，应使用测量仪器测量钻机的定位偏差。计算钻机定位方向相对于管道中心线的角度偏差后，如果超过0.1°，则应根据从左到右的偏差重新调整钻机。经过多次定位、测量、调整和重新测量后，偏差应控制在0.1°范围内。钻机就位后，计算准确的偏差值，并在钻导孔开始时及时将该偏差调整为零，以确保导孔的轨迹与设计的交叉曲线一致。

（3）采用人工磁场、磁靶

钻机的定向控制系统依靠地磁场进行定向控制，并通过钻头后面的探头将导向孔的参数传输到计算机。地磁场容易受到地下管道、电缆和地面高压线等金属部件的干扰，导致方向参数不准确。人工磁场是铺设在交叉中心线两侧的闭合线圈，铺设简单方便。它在施工中既经济又有效。它的优点是不受外部磁场的影响，可以准确地反映钻井数据。当探头到达闭合线圈区域时，连接直流电源以产生磁场。通过人工磁场，可以测量交叉轴线的左右偏差和交叉高程。通过比较人工磁场和地磁场之间的左偏差和右偏差，可以确定当前钻头方位，从而确定下一个钻杆的方向。由于人工磁场可以在存在来自地磁场的干扰的情况下提供精确的管道交叉方位角，因此可以在没有来自地磁场干涉的情况下校正方向方位角的正确性，从而有效地控制了导孔与设计交叉曲线的偏差，保证了交叉曲线的平滑。参考文献：

[1]龙飞泉.城市燃气管道水平定向穿越施工技术探讨[J].化工管理,2019(19):187-188.

[2]陈敏鑫.城镇天然气管道水平定向钻穿越河流施工要点[J].城镇建设,2021（16）