水平定向钻穿越工程过程控制

摘 要

摘要：探讨了水平定向钻穿越工程中的现场踏勘、工程测量、穿越线路的平面路径设计、地质勘察、钻进轨迹设计和施工主要工艺过程。结合工程实例，论述了空间曲线定向钻穿越施工过
摘要：探讨了水平定向钻穿越工程中的现场踏勘、工程测量、穿越线路的平面路径设计、地质勘察、钻进轨迹设计和施工主要工艺过程。结合工程实例，论述了空间曲线定向钻穿越施工过程。
关键词：水平定向钻；工程测量；地质勘察；钻进轨迹；空间曲线
Process Control of Crossing Engineering Using Horizontal Directional Drilling
LU Yin，LUO Fuquan
Abstract：The site reconnaissance，engineering measurement，design path across the line of plane，geological survey，design of drilling track and main construction processes of crossing engineering using horizontal directional drilling are discussed.The construction process of crossing engineering using horizontal directional drilling with spatial curve is described with an engineering example.
Key words：horizontal directional drilling；engineering measurement；geological survey；drilling track；spatial curve
1 概述
    为适应天津滨海新区发展对天然气的需求，天津华燊燃气实业有限公司在滨海新区兴建第二气源(天然气)管道工程。管道公称直径为600mm，设计压力为1.6MPa，选用钢级为L245，全线长46km。从大港油田至滨海新区，管道多次穿越公路、铁路、大小河流等，共进行了15处水平定向钻穿越施工，穿越总长度达10km。因此，水平定向钻穿越成为本工程不可或缺的技术。
    目前，我们对定向钻穿越的探讨主要集中在具体的施工技术、设备以及泥浆工艺等领域[1～11]，对定向钻工程的整体过程控制探讨不足。笔者结合第二气源(天然气)管道工程中难度最大的大沽排污河水平定向钻穿越工程，对水平定向钻穿越工程过程控制进行探讨。
2 水平定向钻穿越工程过程控制要点
   ① 现场踏勘
   建设单位、设计单位、施工单位应集中组织到需要穿越的地点进行踏勘，了解要穿越的障碍类型(如河流、公路、铁路等)和现场是否具备定向钻穿越的施工条件。根据现场的情况，三方要将穿越管道的大概走向、要避让的构筑物和既有设施、钻机的摆放位置、管道布管和预制的空间等初步确定，形成穿越的初步轮廓。建设单位还要将有关的工程要求向设计单位和施工单位予以明确，以使其能在后续的环节贯彻并实现建设单位的预定目标。
   ② 工程测量
   根据穿越的初步轮廓，组织测量单位对相应区域进行工程测量工作。工程测量工作应完成以下内容：
   a. 地形测量：对现状地形地貌进行测量，标明现有构筑物及既有设施等。
   b. 地下物探：获得钻孔线路或钻孔设施附近，任何地下管道、电缆或其他埋设物的详细信息。
    c. 获得规划管线和建、构筑物的信息：获得钻孔线路或钻孔设施附近，任何规划将埋设的地下管道、电缆或其他埋设物及规划将兴建的建筑物、桥梁、隧道，河流拓宽、疏浚或港湾建设等的详细信息。
    测量单位完成上述测量工作后，应以测量图的形式提交成果，成果包含内容为：
    a. 1：500或1：1 000的平面地形图，1：100或1：200的纵向断面图。
    b. 地下物探结果要反映到平面图和断面图上。一般要求物探的范围是穿越管段两侧各50～100m的范围内。
    c. 穿越通航的水域时，必须征得航道主管部门的批准，测量结果符合其要求。航道主管部门一般要求地形图的测量范围是穿越段两侧(上、下游)各大于300m[6]，要反映出航道的位置及宽度，断面图上要反映出水深和水下地貌。
    工程测量工作的目的是对穿越地点的地形地貌和地下已有管道及其他构筑物的位置进行集中反映，为设计单位进行定向钻穿越线路设计提供相关参数和依据。
    ③ 穿越线路的平面路径设计
    设计单位根据现场勘踏和测量情况对穿越地点的场地条件进行全面细致分析，做出管道定向穿越的平面路径图。平面路径图上要对钻机摆放位置、入土点、出土点及管段预制空间明确标示，同时标明拟穿越管道要规避的地上、地下建(构)筑物(桥梁承台、高压电塔、厂房的桩基础等)及其他埋地的管道、电缆，并核算燃气管道与上述建(构)筑物和其他埋地管道、电缆的间距要符合相关规范的要求。平面路径图是定向钻施工时，现场定位放线和定向钻进过程中水平方向上顶进的重要依据，也是地质勘察时勘察点布置的依据之一。
   ④ 地质勘察
   穿越处的地质勘察非常重要，勘察将直接影响穿越工程的质量与进度，因此必须进行详细勘察。地质勘察的勘察点数量取决于计划穿越地点的地层情况及穿越长度。勘察点要非常接近钻孔线路，且勘察点探孔取样的深度须比定向钻计划穿越的深度还要大。地质勘察报告须陈述取得勘察地质信息的实际位置与方法，并详述地质取样样本。详细而准确的勘察报告是水平定向钻穿越工程中最重要的信息。通常地质勘察应遵循的原则是：
    a. 详细勘察的勘察点应按岩土工程勘察等级确定。
    b. 在管道中心线两侧20m处，与管道中心线平行布置两排勘察点，勘察点间距为50m，应交错布置，地质情况复杂时，酌情加密。勘察线长度与管道穿越长度一致。
    c. 河流定向钻穿越，钻孔深度为河床下30m，岸上钻孔深度与河床内钻孔深度为同一标高。
    d. 河流定向钻穿越，应取河水和地下水样进行水质分析，判断环境水对金属管道的腐蚀性。可按SY/T 0053—2004《油气田及管道岩土工程勘察规范》中的附录C执行。
    e. 对原状土试样的试验分析和其他事项执行SY/T 0053—2004第7.4.5～7.4.8条的规定。
    地质勘察完成后，勘察报告中要提供以下参数：取样深度、含水量、颗粒度、液性指数、塑性指数、液限、塑限、标贯击数、承载力等，并提供水质报告，穿越地段地质钻探剖面图。
    地质勘察不仅为设计单位确定钻进轨迹提供技术支持，还为施工单位确定泥浆配比提供依据。施工单位依据地质勘察报告提供的数据，科学合理地确定泥浆配比，对特殊地段提前采取特殊措施，适时改变泥浆配方，及时加入添加剂，调节好泥浆性能，尽量保证孔内状况良好，形成良好的孔壁，保证孔洞润滑，确保管道回拖顺利，同时保护管道防腐层。
    ⑤ 钻进轨迹设计
    钻进轨迹设计既是定向钻施工的依据，又是施工质量检查的标准。设计方案正确合理是定向钻施工成功的首要条件。
    对于水平定向钻钻进轨迹的设计，设计单位在综合工程要求、地层及地形情况、钻杆允许曲率、管道允许曲率、施工场地条件、地下障碍物情况等多方面因素的基础上来设计钢管埋深、钢管的曲率半径，确定定向钻钻进过程中钻头的顶角、方位角、工具面向角，计算出测定空间坐标，优化设计出定向钻钻进的最佳轨迹曲线，并对特殊地层、地段制定特殊施工方案。
    ⑥ 工程施工
    定向钻施工主要工艺过程包括钻机进场安装调试、导向孔施工、反向扩孔、管道回拖、竣工验收[7]，其中导向孔施工是工程的关键。上述各环节提供的参数和成果对施工的顺利进行具有重要的指导作用，是工程成功的前置要素。
3 工程实例
    以大沽排污河水平定向钻穿越工程为例，穿越管段的平面图和纵断面图见图1。大沽排污河穿越地点位于港塘公路与大沽排污河交口(港塘桥)附近，根据现场踏勘的情况来看，本工程要穿越港塘公路2次(港塘公路在此处为跨河倒“L”形走向)及李港铁路、大沽排污河、津晋高速上、下桥匝道等几处地上、地下构筑物。

    建设单位委托天津市测量院进行地形地貌测量及地下物探工作，委托天津市勘察院对穿越地点进行地质勘察，为后续环节提供了全面细致的技术支持。
    根据测量和勘察结果，结合现场踏勘情况，本工程施工必须避开津晋高速高架桥桥墩(桥墩深35m左右)，还要对津晋高速下桥匝道、上桥匝道进行穿越，以使出土点后有足够的管道预制场地，也使出土处的方位角与预制管道摆放的方向一致，保证管道的顺利回拖。但是，如果以入土点和出土点之间的平面曲线作为穿越中心线进行导向孔的钻进，则会直接撞到大沽排污河内错落布置的津晋高速高架桥桥墩，使穿越失败。经过设计单位、施工单位和建设单位充分研究讨论，决定采取管道弹性敷设，钻进轨迹成空间曲线来实施此次穿越。
    此次穿越工程定向钻钻进轨迹设计的主要参数和技术条件为：入土角为9.5°，出土角为8°；定向钻穿越管段选用Φ610×10螺旋缝埋弧焊接钢管，管道弹性敷设，曲率半径为1500倍管道外直径；设计穿越长度为900m。同时，施工单位根据勘察报告提供的不同穿越处的地质情况，针对不同地层选用了不同的钻具和泥浆配比，保证穿越的顺利进行。
    控向对穿越精度及工程的成功实施至关重要。施工单位在开钻前仔细分析地质资料，确定有线控向方案。泥浆岗与司钻岗重视每一个环节，认真分析各项参数，互相配合，钻导向孔时随时对照地质资料及仪表参数分析成孔情况，钻出符合要求的导向孔。有线控向设备采用英国Sharewell公司生产的磁性有线控向系统(MGS)，在整个穿越过程中采用地面信标系统(Tru-Trucker system)配合MGS系统进行准确跟踪定位，以确保出土位置准确无误。
    导向孔施工时每根钻杆测量1次，发现较大偏差及时纠正。钻进的纵断面和水平面轨迹见图1。钻机就位中心线与首段穿越中心线一致。开钻入土点(点A)后，钻头在垂直立面内以弹性敷设的方式定向钻进，经过207 m后到达点B(地下水平钻进的起点)，此时钻进深度为18.41m。之后在水平方向上钻进150m后至点C，在水平方向上将钻进角度向左(以BC段钻进方向为基准)调14.05°。水平钻进307m后至点D，此时CD段的钻进轨迹在水平方向上距离最近的高架桥桥墩10m。在点D，在水平方向上将钻进角度向右(以CD段钻进方向为基准)调8.33°。水平钻进73m后至点E(地下水平钻进的终点)，而后以设计的曲率半径向上钻进至出土点(点F)，出土点与设计出土位置相差较小。
    根据现场情况，整个扩孔过程采用三级扩孔，采用尺寸为66cm、81cm、91cm的桶式及刮板式扩孔器。在扩孔过程中，为使管孔成型良好，同时减小管道与土壤的摩擦力，进而减小回拖力，特配制了特殊的泥浆，在最后一次扩孔时逐渐注入，为回拖作好准备[7]。
    回拖是穿越的最后一步，也是最为关键的一步。选用美国Augers公司生产的DD-440钻孔机，能提供2000kN的拖曳力，满足本工程回拖的要求。在回拖时采用的施工方式是81cm扩孔器+拖曳力为3000kN的回拖万向节+外径为610mm的穿越管道。回拖时进行连续作业，避免停工造成阻力增大，同时拖管过程中不停地注入特殊的泥浆，以减小空间曲线状孔壁对管道形成的摩擦力，减小回拖力。拖管过程很顺利，一次回拖成功。
4 结语
   水平定向钻穿越工程是一项高风险的系统工程，为了保证成功穿越，我们不仅要有性能良好的钻机和导向系统等硬件设施，选择经验丰富的施工单位，在现场进行科学有效管理，而且要把施工过程各控制环节做得详实、准确、细致、充分。只有这样才能设计出最佳的钻进轨迹，才能完善施工工艺，在施工中有针对性地采取技术措施，如加装钻机助力装置、调整泥浆配比等。这些措施可最大限度地降低穿越风险，使工程质量达到设计要求，同时可使硬件设施的性能得到最大程度的发挥。
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(本文作者：卢垠 骆福全 天津华燊燃气实业有限公司 天津 300042)