摘　要：在管道穿越施工中，水平定向钻技术越来越多的用于河流、道路、铁路管道敷设。而对穿技术的应用，解决了在长距离穿越中遇到扭矩偏大、控向精度难以控制以及无法穿越两侧均含砾石等复杂地层的难题，给水平定向钻穿技术越带来重大变化。

一、工程概况

忠县长江水平定向钻穿越是四方碑至乌杨移民生态工业园天然气管的控制性工程。该穿越部分管线设计为D219×10，2.30km，设计压力4.00MPa，入土点位于长江北岸新生镇，出土点位于长江南岸乌杨镇，现为乌杨工业园区平场场地。穿越工程水平长度2275.16m，实际长度2292.56m，入土角11°0¢0²，出土角10°0¢0²，穿越管道采用直缝钢管(3PE加强级)D219.1×10mmL290。

地质概况：场区内地层主要为第四系全新人工素填土层(Q4^ml)、冲积层粉质粘土(Q4^al)、卵砾石土(Q4^al)及侏罗系上统蓬莱镇组(J3P)泥岩、砂岩组成，管线穿越段主要位于基岩内(砂岩、泥岩)。出土端为人工回填土以及碎石。

二、工程技术分析

1、本工程虽然管径不大，但是距离较长。通常的单机定向钻穿越在超过1700米时，钻杆在进行导向孔施工过程中，会受到穿越地层对钻头及钻杆的阻力及阻力矩增大盼影响，钻柱扭转变形加大，这就导致钻机扭矩不能及时传递到钻头上，钻头在井底处于不连续的转动状态，司钻很难控制井下工具面角的朝向，在地质较硬地段，还会断裂，给施工带来很大的麻烦。或者在顶进过程中，钻头往往会偏向而在地质较软的方向，使导向方向与距离远远偏离设计，甚至无法掌粹。

2、出土点位于长江南岸乌杨工业园区，为人工回填土及碎石。在含有碎石层的定向钻穿越中，由于碎石塌陷滑动，极难成孔。一般采取的方式为大开挖，固石(即对出土点区域进行浇注固化)，或者提前就必须在出土点进行套管施工，以阻隔砾石塌陷而破坏已成形的导向孔或预扩后的孔洞。大开挖与固石成本很大，而且操作起来有一定难度，特别是对于厚度较大的碎石层。而在出土点侧进行套管施工后，会对入土点侧钻机的导向孔控制造成很大的难度，要求方向控制有很高的精度，使得入土点钻机的钻杆能精确的通过套管的轴线，但就目前的定向钻所达到的技术而言，无法达到此控向精度。基于以上原因，本工程决定采用对穿定向方式。

三、对穿技术原理

在一般的河流水平定向钻穿越中，普遍采用单机穿越，有线控向方式，即将钻机放置于入土端，单机完成导向、扩孔、回拖等工作。其导向原理则是利用安装于钻杆孔底内的探头(内含磁力传感和重力传感)，通过电缆将孔内探头所处的空间状态(深度，倾角，工具面角)传输到地面信号处理单元，经处理后将数据传输到计算机，计算机经过计算定向数据，将结果传输到显示器上。司控操作人员根据显示的数据分析判断探棒(即钻头)的实际位置，并与设计线路进行对照，确定下一步的钻进方向。

而在穿越过程中进行对接时，在进行导向孔施工时，仅仅使用传统的随钻地磁导向测量设备已经不能满足精度要求，必须引进其他导向装置作为导向手段。本工程使用人工铺设电缆而产生的磁场，取代传统控向技术中的地球磁场来控制导向孔钻进，因此抗周边磁场干扰的能力明显增强。在长江蓄水前，利用河面宽度较窄的时机，在汀边河床上沿穿越曲线中心线人工铺设电缆，此时电缆位于对接区域上方，给电缆通电即可产生供控向用的人工磁场。如果水深或者水流湍急的河流不能铺设人工磁场，此时可沿穿越中心线间隔一定距离地安放交流基准磁铁，该基准磁铁可发出交流磁信号，引导钻头在通过河流深水区段时的方向控制。

对接穿越需要在穿越曲线入、出土点两端各架设一台钻机，在钻杆短节内内安置感应探头与目标磁铁，两台钻机分别进行导向孔顶进，当两台钻机的钻头钻至预定对接点，并且两钻头距离在探测范围内时，由入土点钻机的探头感应出土点钻机钻头安装的目标磁铁发出的磁信号，两台钻机械调操作，入土点钻机钻机，出土点钻机回抽钻杆，直至两台钻机的导向孔完全吻合(如图1)

四、对接穿越具体工程操作：

对接穿越工程除了与普通的定向钻工程一样，即必须根据设计曲线设置控向曲线，确定每根钻杆的折角和方位角的最大变化值，对现场精确测量确定控向参数，为控向操作人员提供具体的操作参数，根据地质情况建立科学泥浆体系，选择合理钻具配合以提高扩孔效率外还有一些特殊的工艺：

1、钻机及配套设备就位

将主施工钻机就位于入土点，辅助施工钻机就位于出土点，两钻机保证在穿越中心线位置上。两台钻机就位完成后，进行各方系统连接、试运转，保证设备正常工作，并确保两个钻机场地之间的无线电通讯正常。

2、钻杆定位管

由于本工程的特殊地质(出土点碎石层)以及长距离情况，因此需要在入出土端安装钻杆定位管(即套管)，这样不但可以解决不容易成孔的问题，而且还可以解决长距离穿越时，推力增大钻杆易产生弯曲变形以及推力传递不畅的问题。

由于管道为f219，因此定位管采用(f325×8的钢管，利用钻机沿钻杆方向推入地下，采用手工焊接。定位管打入的长度视地层情况而定，本次推入长度为70米，穿越了回填层。使用定位管后，钻机的推力更容易向钻头传递，防止产生过多地侧向分力而导致的钻杆失稳，特别是在两钻头进行对接阶段，能够克服地层的阻力，连续而又准确地完成对接动作。

3、布置人工磁场

采用人工磁场，即在穿越中心线两侧布设的闭合线圈，这样所布线圈不受外部磁场的干扰，可以准确无误的将钻孔数据反映出来，当探头到达此闭合的线圈区域内，接通直流电源产生磁场，通过人工磁场可以测得穿越轴线的左右偏移和穿越标高(如图2，W为单位宽度)。由于人工磁场受干扰较小，可以提供准确的管线穿越方位角，从而能够很好的控制导向孔与设计穿越曲线偏移，并能保证穿越曲线的平滑性。

4、对接

对接过程全部在汀底以下几十米处进行，是关乎整个穿越成败的关键工序，也是技术难点，既是对设备仪器的考验，也是对操作人员技术水平的考验。因此，目前国内可以完成对穿穿越工程的施工单位屈指可数。

(1)控向参数是对接工序的重要参数，是对接开始前，需要对探棒进行测定和计算，如果经过测量后的探棒误差在规定范围内，证明探棒精度符合工程要求，就可以实施对接，如果误差值比较大，则需要将探棒送回厂家进行校正修复。因此，这个环节绝对不能省略。

(2)对接钻具组合

本次采用有线控向系统，井下钻具组合主要由钻头、带弯外壳的螺杆马达、泥浆压力传感器、控向探棒(两端带扶正器)和无磁钻铤组成，其中控向探棒安装在无磁钻铤内部。如图3：

对接要求钻井轨迹平滑，能够为后续的扩孔作业以及成功拖管奠定良好基础。对接点钻井轨迹的平滑与否，很大程度上取决于前期导向孔施工情况。

(4)对接穿越具体工程操作

如图4所示，两台钻机分别从入土点和出土点向中间水平段钻进，出土点一侧的钻机称为辅助施工钻机，对接时入土点一侧的主机负责测量辅机钻头的位置并实现对接，主机钻杆轴线与辅机钻杆轴线几乎接近平行。辅机钻杆钻具组合中的目标磁铁所产生的磁场分解为三个互相垂直的磁场分量，分别为轴向分量、高边分量和右手边分量，当相距5-10m的时候，主机钻具组合中的传感器可以测得辅机钻杆内目标磁铁磁场分量的数值，通过分析磁场分量的数值来判断两口井的接近程度。

主机传感器测量一次，测量的系列数据以曲线图表形式在主测机控向软件界面上显示出来。通过分析测得数据，可以得知两钻杆在对接坐标系中的相对距离，因为这个值表示目标磁铁相对于控向探头上下左右位置，所以控向人员可以根据此值调整主机或辅机的控向短节的工具面角，并继续钻进以求更接近对方井。钻进一段距离后，再重复测量得到两口井的相对距离，然后调整井下控向短节的工具面角继续钻进，直到对接成功为止。

结论：

(1)天然气管道定向钻穿越工程在导向孔施工过程中，采用两台钻机两端联合作业，实现了长距离导向孔钻进的对接施工，解决了超长距离导向孔施工钻杆的失稳及易断问题。

(2)由于采用两侧定点对穿，克服了以往长距离情况下对于出土位置难于精确控制的技术难题，不仅为在城市及周边地区等面积狭小的环境下施工提供了可能，同时也可以减少对周围环境的影响。

(3)长距离穿越开拓了定向钻穿越施工中的钻进及扩孔工艺，为水平定向钻穿越卵石硬岩等恶劣地质积累了宝贵的施工经验。

本文作者：王博

作者单位：工程建设中心