摘　要：在管道穿越施工中，水平定向鉆技術(shù)越來越多的用于河流、道路、鐵路管道敷設(shè)。而對(duì)穿技術(shù)的應(yīng)用，解決了在長(zhǎng)距離穿越中遇到扭矩偏大、控向精度難以控制以及無法穿越兩側(cè)均含礫石等復(fù)雜地層的難題，給水平定向鉆穿技術(shù)越帶來重大變化。

一、工程概況

忠縣長(zhǎng)江水平定向鉆穿越是四方碑至烏楊移民生態(tài)工業(yè)園天然氣管的控制性工程。該穿越部分管線設(shè)計(jì)為D219×10，2.30km，設(shè)計(jì)壓力4.00MPa，入土點(diǎn)位于長(zhǎng)江北岸新生鎮(zhèn)，出土點(diǎn)位于長(zhǎng)江南岸烏楊鎮(zhèn)，現(xiàn)為烏楊工業(yè)園區(qū)平場(chǎng)場(chǎng)地。穿越工程水平長(zhǎng)度2275.16m，實(shí)際長(zhǎng)度2292.56m，入土角11°0¢0²，出土角10°0¢0²，穿越管道采用直縫鋼管(3PE加強(qiáng)級(jí))D219.1×10mmL290。

地質(zhì)概況：場(chǎng)區(qū)內(nèi)地層主要為第四系全新人工素填土層(Q4^ml)、沖積層粉質(zhì)粘土(Q4^al)、卵礫石土(Q4^al)及侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3P)泥巖、砂巖組成，管線穿越段主要位于基巖內(nèi)(砂巖、泥巖)。出土端為人工回填土以及碎石。

二、工程技術(shù)分析

1、本工程雖然管徑不大，但是距離較長(zhǎng)。通常的單機(jī)定向鉆穿越在超過1700米時(shí)，鉆桿在進(jìn)行導(dǎo)向孔施工過程中，會(huì)受到穿越地層對(duì)鉆頭及鉆桿的阻力及阻力矩增大盼影響，鉆柱扭轉(zhuǎn)變形加大，這就導(dǎo)致鉆機(jī)扭矩不能及時(shí)傳遞到鉆頭上，鉆頭在井底處于不連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，司鉆很難控制井下工具面角的朝向，在地質(zhì)較硬地段，還會(huì)斷裂，給施工帶來很大的麻煩?；蛘咴陧斶M(jìn)過程中，鉆頭往往會(huì)偏向而在地質(zhì)較軟的方向，使導(dǎo)向方向與距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)，甚至無法掌粹。

2、出土點(diǎn)位于長(zhǎng)江南岸烏楊工業(yè)園區(qū)，為人工回填土及碎石。在含有碎石層的定向鉆穿越中，由于碎石塌陷滑動(dòng)，極難成孔。一般采取的方式為大開挖，固石(即對(duì)出土點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行澆注固化)，或者提前就必須在出土點(diǎn)進(jìn)行套管施工，以阻隔礫石塌陷而破壞已成形的導(dǎo)向孔或預(yù)擴(kuò)后的孔洞。大開挖與固石成本很大，而且操作起來有一定難度，特別是對(duì)于厚度較大的碎石層。而在出土點(diǎn)側(cè)進(jìn)行套管施工后，會(huì)對(duì)入土點(diǎn)側(cè)鉆機(jī)的導(dǎo)向孔控制造成很大的難度，要求方向控制有很高的精度，使得入土點(diǎn)鉆機(jī)的鉆桿能精確的通過套管的軸線，但就目前的定向鉆所達(dá)到的技術(shù)而言，無法達(dá)到此控向精度?；谝陨显颍竟こ虥Q定采用對(duì)穿定向方式。

三、對(duì)穿技術(shù)原理

在一般的河流水平定向鉆穿越中，普遍采用單機(jī)穿越，有線控向方式，即將鉆機(jī)放置于入土端，單機(jī)完成導(dǎo)向、擴(kuò)孔、回拖等工作。其導(dǎo)向原理則是利用安裝于鉆桿孔底內(nèi)的探頭(內(nèi)含磁力傳感和重力傳感)，通過電纜將孔內(nèi)探頭所處的空間狀態(tài)(深度，傾角，工具面角)傳輸?shù)降孛嫘盘?hào)處理單元，經(jīng)處理后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過計(jì)算定向數(shù)據(jù)，將結(jié)果傳輸?shù)斤@示器上。司控操作人員根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)分析判斷探棒(即鉆頭)的實(shí)際位置，并與設(shè)計(jì)線路進(jìn)行對(duì)照，確定下一步的鉆進(jìn)方向。

而在穿越過程中進(jìn)行對(duì)接時(shí)，在進(jìn)行導(dǎo)向孔施工時(shí)，僅僅使用傳統(tǒng)的隨鉆地磁導(dǎo)向測(cè)量設(shè)備已經(jīng)不能滿足精度要求，必須引進(jìn)其他導(dǎo)向裝置作為導(dǎo)向手段。本工程使用人工鋪設(shè)電纜而產(chǎn)生的磁場(chǎng)，取代傳統(tǒng)控向技術(shù)中的地球磁場(chǎng)來控制導(dǎo)向孔鉆進(jìn)，因此抗周邊磁場(chǎng)干擾的能力明顯增強(qiáng)。在長(zhǎng)江蓄水前，利用河面寬度較窄的時(shí)機(jī)，在汀邊河床上沿穿越曲線中心線人工鋪設(shè)電纜，此時(shí)電纜位于對(duì)接區(qū)域上方，給電纜通電即可產(chǎn)生供控向用的人工磁場(chǎng)。如果水深或者水流湍急的河流不能鋪設(shè)人工磁場(chǎng)，此時(shí)可沿穿越中心線間隔一定距離地安放交流基準(zhǔn)磁鐵，該基準(zhǔn)磁鐵可發(fā)出交流磁信號(hào)，引導(dǎo)鉆頭在通過河流深水區(qū)段時(shí)的方向控制。

對(duì)接穿越需要在穿越曲線入、出土點(diǎn)兩端各架設(shè)一臺(tái)鉆機(jī)，在鉆桿短節(jié)內(nèi)內(nèi)安置感應(yīng)探頭與目標(biāo)磁鐵，兩臺(tái)鉆機(jī)分別進(jìn)行導(dǎo)向孔頂進(jìn)，當(dāng)兩臺(tái)鉆機(jī)的鉆頭鉆至預(yù)定對(duì)接點(diǎn)，并且兩鉆頭距離在探測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，由入土點(diǎn)鉆機(jī)的探頭感應(yīng)出土點(diǎn)鉆機(jī)鉆頭安裝的目標(biāo)磁鐵發(fā)出的磁信號(hào)，兩臺(tái)鉆機(jī)械調(diào)操作，入土點(diǎn)鉆機(jī)鉆機(jī)，出土點(diǎn)鉆機(jī)回抽鉆桿，直至兩臺(tái)鉆機(jī)的導(dǎo)向孔完全吻合(如圖1)

四、對(duì)接穿越具體工程操作：

對(duì)接穿越工程除了與普通的定向鉆工程一樣，即必須根據(jù)設(shè)計(jì)曲線設(shè)置控向曲線，確定每根鉆桿的折角和方位角的最大變化值，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)精確測(cè)量確定控向參數(shù)，為控向操作人員提供具體的操作參數(shù)，根據(jù)地質(zhì)情況建立科學(xué)泥漿體系，選擇合理鉆具配合以提高擴(kuò)孔效率外還有一些特殊的工藝：

1、鉆機(jī)及配套設(shè)備就位

將主施工鉆機(jī)就位于入土點(diǎn)，輔助施工鉆機(jī)就位于出土點(diǎn)，兩鉆機(jī)保證在穿越中心線位置上。兩臺(tái)鉆機(jī)就位完成后，進(jìn)行各方系統(tǒng)連接、試運(yùn)轉(zhuǎn)，保證設(shè)備正常工作，并確保兩個(gè)鉆機(jī)場(chǎng)地之間的無線電通訊正常。

2、鉆桿定位管

由于本工程的特殊地質(zhì)(出土點(diǎn)碎石層)以及長(zhǎng)距離情況，因此需要在入出土端安裝鉆桿定位管(即套管)，這樣不但可以解決不容易成孔的問題，而且還可以解決長(zhǎng)距離穿越時(shí)，推力增大鉆桿易產(chǎn)生彎曲變形以及推力傳遞不暢的問題。

由于管道為f219，因此定位管采用(f325×8的鋼管，利用鉆機(jī)沿鉆桿方向推入地下，采用手工焊接。定位管打入的長(zhǎng)度視地層情況而定，本次推入長(zhǎng)度為70米，穿越了回填層。使用定位管后，鉆機(jī)的推力更容易向鉆頭傳遞，防止產(chǎn)生過多地側(cè)向分力而導(dǎo)致的鉆桿失穩(wěn)，特別是在兩鉆頭進(jìn)行對(duì)接階段，能夠克服地層的阻力，連續(xù)而又準(zhǔn)確地完成對(duì)接動(dòng)作。

3、布置人工磁場(chǎng)

采用人工磁場(chǎng)，即在穿越中心線兩側(cè)布設(shè)的閉合線圈，這樣所布線圈不受外部磁場(chǎng)的干擾，可以準(zhǔn)確無誤的將鉆孔數(shù)據(jù)反映出來，當(dāng)探頭到達(dá)此閉合的線圈區(qū)域內(nèi)，接通直流電源產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過人工磁場(chǎng)可以測(cè)得穿越軸線的左右偏移和穿越標(biāo)高(如圖2，W為單位寬度)。由于人工磁場(chǎng)受干擾較小，可以提供準(zhǔn)確的管線穿越方位角，從而能夠很好的控制導(dǎo)向孔與設(shè)計(jì)穿越曲線偏移，并能保證穿越曲線的平滑性。

4、對(duì)接

對(duì)接過程全部在汀底以下幾十米處進(jìn)行，是關(guān)乎整個(gè)穿越成敗的關(guān)鍵工序，也是技術(shù)難點(diǎn)，既是對(duì)設(shè)備儀器的考驗(yàn)，也是對(duì)操作人員技術(shù)水平的考驗(yàn)。因此，目前國(guó)內(nèi)可以完成對(duì)穿穿越工程的施工單位屈指可數(shù)。

(1)控向參數(shù)是對(duì)接工序的重要參數(shù)，是對(duì)接開始前，需要對(duì)探棒進(jìn)行測(cè)定和計(jì)算，如果經(jīng)過測(cè)量后的探棒誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，證明探棒精度符合工程要求，就可以實(shí)施對(duì)接，如果誤差值比較大，則需要將探棒送回廠家進(jìn)行校正修復(fù)。因此，這個(gè)環(huán)節(jié)絕對(duì)不能省略。

(2)對(duì)接鉆具組合

本次采用有線控向系統(tǒng)，井下鉆具組合主要由鉆頭、帶彎外殼的螺桿馬達(dá)、泥漿壓力傳感器、控向探棒(兩端帶扶正器)和無磁鉆鋌組成，其中控向探棒安裝在無磁鉆鋌內(nèi)部。如圖3：

對(duì)接要求鉆井軌跡平滑，能夠?yàn)楹罄m(xù)的擴(kuò)孔作業(yè)以及成功拖管奠定良好基礎(chǔ)。對(duì)接點(diǎn)鉆井軌跡的平滑與否，很大程度上取決于前期導(dǎo)向孔施工情況。

(4)對(duì)接穿越具體工程操作

如圖4所示，兩臺(tái)鉆機(jī)分別從入土點(diǎn)和出土點(diǎn)向中間水平段鉆進(jìn)，出土點(diǎn)一側(cè)的鉆機(jī)稱為輔助施工鉆機(jī)，對(duì)接時(shí)入土點(diǎn)一側(cè)的主機(jī)負(fù)責(zé)測(cè)量輔機(jī)鉆頭的位置并實(shí)現(xiàn)對(duì)接，主機(jī)鉆桿軸線與輔機(jī)鉆桿軸線幾乎接近平行。輔機(jī)鉆桿鉆具組合中的目標(biāo)磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分解為三個(gè)互相垂直的磁場(chǎng)分量，分別為軸向分量、高邊分量和右手邊分量，當(dāng)相距5-10m的時(shí)候，主機(jī)鉆具組合中的傳感器可以測(cè)得輔機(jī)鉆桿內(nèi)目標(biāo)磁鐵磁場(chǎng)分量的數(shù)值，通過分析磁場(chǎng)分量的數(shù)值來判斷兩口井的接近程度。

主機(jī)傳感器測(cè)量一次，測(cè)量的系列數(shù)據(jù)以曲線圖表形式在主測(cè)機(jī)控向軟件界面上顯示出來。通過分析測(cè)得數(shù)據(jù)，可以得知兩鉆桿在對(duì)接坐標(biāo)系中的相對(duì)距離，因?yàn)檫@個(gè)值表示目標(biāo)磁鐵相對(duì)于控向探頭上下左右位置，所以控向人員可以根據(jù)此值調(diào)整主機(jī)或輔機(jī)的控向短節(jié)的工具面角，并繼續(xù)鉆進(jìn)以求更接近對(duì)方井。鉆進(jìn)一段距離后，再重復(fù)測(cè)量得到兩口井的相對(duì)距離，然后調(diào)整井下控向短節(jié)的工具面角繼續(xù)鉆進(jìn)，直到對(duì)接成功為止。

結(jié)論：

(1)天然氣管道定向鉆穿越工程在導(dǎo)向孔施工過程中，采用兩臺(tái)鉆機(jī)兩端聯(lián)合作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離導(dǎo)向孔鉆進(jìn)的對(duì)接施工，解決了超長(zhǎng)距離導(dǎo)向孔施工鉆桿的失穩(wěn)及易斷問題。

(2)由于采用兩側(cè)定點(diǎn)對(duì)穿，克服了以往長(zhǎng)距離情況下對(duì)于出土位置難于精確控制的技術(shù)難題，不僅為在城市及周邊地區(qū)等面積狹小的環(huán)境下施工提供了可能，同時(shí)也可以減少對(duì)周圍環(huán)境的影響。

(3)長(zhǎng)距離穿越開拓了定向鉆穿越施工中的鉆進(jìn)及擴(kuò)孔工藝，為水平定向鉆穿越卵石硬巖等惡劣地質(zhì)積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。

本文作者：王博

作者單位：工程建設(shè)中心