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)。而對穿技術(shù)的應(yīng)用，解決了在長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)計為D219×10，2.30km，設(shè)計壓力4.00MPa，入土點位于長江北岸新生鎮(zhèn)，出土點位于長江南岸烏楊鎮(zhèn)，現(xiàn)為烏楊工業(yè)園區(qū)平場場地。穿越工程水平長度2275.16m，實際長度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加強級)D219.1×10mmL290。

地質(zhì)概況：場區(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。通常的單機定向鉆穿越在超過1700米時，鉆桿在進行導向孔施工過程中，會受到穿越地層對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，這就導致鉆機扭矩不能及時傳遞到鉆頭上，鉆頭在井底處于不連續(xù)的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，司鉆很難控制井下工具面角的朝向，在地質(zhì)較硬地段，還會斷裂，給施工帶來很大的麻煩?；蛘咴陧斶M過程中，鉆頭往往會偏向而在地質(zhì)較軟的方向，使導向方向與距離遠遠偏離設(shè)計，甚至無法掌粹。

2、出土點位于長江南岸烏楊工業(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，極難成孔。一般采取的方式為大開挖，固石(即對出土點區(qū)域進行澆注固化)，或者提前就必須在出土點進行套管施工，以阻隔礫石塌陷而破壞已成形的導向孔或預擴后的孔洞。大開挖與固石成本很大，而且操作起來有一定難度，特別是對于厚度較大的碎石層。而在出土點側(cè)進行套管施工后，會對入土點側(cè)鉆機的導向孔控制造成很大的難度，要求方向控制有很高的精度，使得入土點鉆機的鉆桿能精確的通過套管的軸線，但就目前的定向鉆所達到的技術(shù)而言，無法達到此控向精度?；谝陨显?，本工程決定采用對穿定向方式。

三、對穿技術(shù)原理

在一般的河流水平定向鉆穿越中，普遍采用單機穿越，有線控向方式，即將鉆機放置于入土端，單機完成導向、擴孔、回拖等工作。其導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)降孛嫘盘柼幚韱卧?，?jīng)處理后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，計算機經(jīng)過計算定向數(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)的實際位置，并與設(shè)計線路進行對照，確定下一步的鉆進方向。

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

對接穿越需要在穿越曲線入、出土點兩端各架設(shè)一臺鉆機，在鉆桿短節(jié)內(nèi)內(nèi)安置感應(yīng)探頭與目標磁鐵，兩臺鉆機分別進行導向孔頂進，當兩臺鉆機的鉆頭鉆至預定對接點，并且兩鉆頭距離在探測范圍內(nèi)時，由入土點鉆機的探頭感應(yīng)出土點鉆機鉆頭安裝的目標磁鐵發(fā)出的磁信號，兩臺鉆機械調(diào)操作，入土點鉆機鉆機，出土點鉆機回抽鉆桿，直至兩臺鉆機的導向孔完全吻合(如圖1)

四、對接穿越具體工程操作：

對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，對現(xiàn)場精確測量確定控向參數(shù)，為控向操作人員提供具體的操作參數(shù)，根據(jù)地質(zhì)情況建立科學泥漿體系，選擇合理鉆具配合以提高擴孔效率外還有一些特殊的工藝：

1、鉆機及配套設(shè)備就位

將主施工鉆機就位于入土點，輔助施工鉆機就位于出土點，兩鉆機保證在穿越中心線位置上。兩臺鉆機就位完成后，進行各方系統(tǒng)連接、試運轉(zhuǎn)，保證設(shè)備正常工作，并確保兩個鉆機場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)(出土點碎石層)以及長距離情況，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，而且還可以解決長距離穿越時，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，利用鉆機沿鉆桿方向推入地下，采用手工焊接。定位管打入的長度視地層情況而定，本次推入長度為70米，穿越了回填層。使用定位管后，鉆機的推力更容易向鉆頭傳遞，防止產(chǎn)生過多地側(cè)向分力而導致的鉆桿失穩(wěn)，特別是在兩鉆頭進行對接階段，能夠克服地層的阻力，連續(xù)而又準確地完成對接動作。

3、布置人工磁場

采用人工磁場，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的干擾，可以準確無誤的將鉆孔數(shù)據(jù)反映出來，當探頭到達此閉合的線圈區(qū)域內(nèi)，接通直流電源產(chǎn)生磁場，通過人工磁場可以測得穿越軸線的左右偏移和穿越標高(如圖2，W為單位寬度)。由于人工磁場受干擾較小，可以提供準確的管線穿越方位角，從而能夠很好的控制導向孔與設(shè)計穿越曲線偏移，并能保證穿越曲線的平滑性。

4、對接

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

(1)控向參數(shù)是對接工序的重要參數(shù)，是對接開始前，需要對探棒進行測定和計算，如果經(jīng)過測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，就可以實施對接，如果誤差值比較大，則需要將探棒送回廠家進行校正修復。因此，這個環(huán)節(jié)絕對不能省略。

(2)對接鉆具組合

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、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：

對接要求鉆井軌跡平滑，能夠為后續(xù)的擴孔作業(yè)以及成功拖管奠定良好基礎(chǔ)。對接點鉆井軌跡的平滑與否，很大程度上取決于前期導向孔施工情況。

(4)對接穿越具體工程操作

如圖4所示，兩臺鉆機分別從入土點和出土點向中間水平段鉆進，出土點一側(cè)的鉆機稱為輔助施工鉆機，對接時入土點一側(cè)的主機負責測量輔機鉆頭的位置并實現(xiàn)對接，主機鉆桿軸線與輔機鉆桿軸線幾乎接近平行。輔機鉆桿鉆具組合中的目標磁鐵所產(chǎn)生的磁場分解為三個互相垂直的磁場分量，分別為軸向分量、高邊分量和右手邊分量，當相距5-10m的時候，主機鉆具組合中的傳感器可以測得輔機鉆桿內(nèi)目標磁鐵磁場分量的數(shù)值，通過分析磁場分量的數(shù)值來判斷兩口井的接近程度。

主機傳感器測量一次，測量的系列數(shù)據(jù)以曲線圖表形式在主測機控向軟件界面上顯示出來。通過分析測得數(shù)據(jù)，可以得知兩鉆桿在對接坐標系中的相對距離，因為這個值表示目標磁鐵相對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)整主機或輔機的控向短節(jié)的工具面角，并繼續(xù)鉆進以求更接近對方井。鉆進一段距離后，再重復測量得到兩口井的相對距離，然后調(diào)整井下控向短節(jié)的工具面角繼續(xù)鉆進，直到對接成功為止。

結(jié)論：

(1)天然氣管道定向鉆穿越工程在導向孔施工過程中，采用兩臺鉆機兩端聯(lián)合作業(yè)，實現(xiàn)了長距離導向孔鉆進的對接施工，解決了超長距離導向孔施工鉆桿的失穩(wěn)及易斷問題。

(2)由于采用兩側(cè)定點對穿，克服了以往長距離情況下對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，同時也可以減少對周圍環(huán)境的影響。

(3)長距離穿越開拓了定向鉆穿越施工中的鉆進及擴孔工藝，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。

本文作者：王博

作者單位：工程建設(shè)中心