水平定向钻穿越施工中的对接技术

摘要： 在长距离水平定向钻穿越导向孔施工中， 由于钻柱与孔壁之间存在较大的摩阻， 因此钻头的旋转要明显滞后于钻机动力头的旋转， 由此造成井下工具面角难以控制， 从而使控向精度受到了影响。为解决此问题， 采用了对接技术。文章主要介绍了对接技术的原理及对接时井下钻具的组合方式

1 对接技术的优势

在非开挖管道施工技术中， 水平定向钻技术以其对交通、环境的破坏及干扰小， 施工安全高效，综合成本低等优点而备受推崇。随着该项技术的应用及发展， 产生了为适应长距离定向钻穿越施工的对接技术， 水平定向钻对接技术具有以下优势：

（1） 解决了长距离水平定向钻定向控制困难问题。在定向钻穿越过程中， 随着钻进长度的增加，钻柱受到地层摩擦阻力显著增加， 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。这种情况下， 司钻很难控制井下工具面角的朝向， 使得地表显示的工具面角与井下实际工具面角存在一定的偏差， 从而导致钻进方向失控。而对接技术则是从设计穿越曲线的入土点和出土点同时向中间钻进， 从而有效缩短了单向导向孔的钻进长度， 避免超长距离的定向控制， 钻孔方位角和倾角更容易控制， 保证了钻孔曲线的平滑。

（2） 入土点和出土点完全符合设计要求。在中短距离的定向钻穿越施工中， 一般都采用单向定向控制技术进行导向孔施工， 实际出土点很难和设计出土点完全吻合。而对接技术由于是从入土点和出土点同时向中间钻进， 就不存在出土点的位置误差问题。在穿越曲线两端采用套管隔离卵砾石层的工程中， 对接技术的优势尤为明显。

2 对接技术的应用现状

对接穿越技术已经在国内外多项重大工程施工中得到成功应用。在国内， 有钱塘江、磨刀门水道、福建LNG 东西溪、饮马河、中俄管道黑龙江穿越工程等长距离或特殊地质的导向孔对接穿越， 其中钱塘江、磨刀门水道穿越先后打破定向钻穿越的世界纪录（见表1）。

在国外， 水平定向钻对接穿越的最长距离为美国波斯顿海湾11 km 穿越， 该次穿越共分4 段进行， 其中最长的一段穿越距离超过4 km； NACAP公司采用该技术在法国的Rhone (隆河) 河谷成功穿越河谷两侧厚重的砾石层， 铺设一条总长超过1 036 m、管道直径609.6 mm 的钢质天然气管道；

水平定向钻的施工工艺

(1)管材的选择目前,应用于燃气输配的管道有钢管、PE管和铸铁管。铸铁管由于采用承插式和机械接口,加上本身柔性差,不适合用水平定向钻铺设。钢管、PE管既可拉又可弯,适合用于水平定向钻,其中盘卷PE管最为理想。

(2)现场勘察在钻进轨迹设计和施工前,应对工作区及管线经过区域进行地面和地下的勘察。地面勘察包括对地形地貌的测量,确定施工区域是否有足够的场地保证设备的安放和正常施工。地下勘察包括地质条件的勘探和地下管线及设施的探测。地质条件从根本上决定施工难易程度。岩层、碎石层、砂层、粉土层不适合用水平定向钻施工。粘性土既容易钻进,孔道成型又好,适合用水平定向钻钻进。当然这些都不是的,例如目前已实现了在岩土层钻进。土质分析判断可以通过沿设计轨迹钻勘探孔取样,具体方法可以参照有关规范。在穿越城市道路时,地下管线的情况往往是错综复杂的,既有污水管、给水管、煤气管,还有高压电缆、通信电缆。在实际情况中,往往档案资料不全,原参照标志不清。在这种情况下,地下管线的探测任务尤为重要。对于金属管道和电缆,通常用电磁感应法探测,如地下管线探测仪,它是通过接收地下管线的电磁信号判断管线位置。对于非金属管线只能采用电磁波法,如IDS探达,它是通过分析管线反射回来的电磁波判断管位。

(3)钻机选择钻机型号应根据回拖管道所需拉力选择。回拖力估算公式为:Fh=(Ff-W)LfFf=π4D2ρngW= πDδρgg式中:Fh回拖力,N;Ff单位长度管道悬浮在泥浆中产生的浮力,N/m;W单位长度管道的重量,N/m;L管道长度,m;f管线与孔壁之间的摩擦系数,可取1.0;D管道外径,m;ρn泥浆密度,kg/m3;δ管道壁厚,m;ρg钢管材的密度,kg/m3。

(4)钻进轨迹设计地下情况探明,出土、入土点确定后,根据管道埋深,就可以设计规划钻进轨迹。钻进轨迹通常由入土点斜直线段、曲线段、水平直线段、过渡段、直线段、出土点组成。曲线段的曲率半径应大于钻杆和管道的弯曲半径,例如材料S135,长度5 m的钻杆弯曲半径为70 m左右。钢管的弯曲半径根据经验一般取大于管道外径的1 200倍。PE管有较强的柔性,能适应钻杆钻出的任何孔道。钻具的入土角较大,而曲率半径一定时,将使钻孔深度加深。入土角较小,有利于钻杆受力和管道回拖。

(5)钻进操作导向孔钻进:司钻根据导向仪传递的有关钻头参数,调整实际钻进轨迹与设计轨迹的偏差,确保正确钻进。扩孔:导向孔完成后,在出土点换上旋转接头和扩孔器进行回扩。经回扩的最终孔道直径应是管道直径的1.5～2.0倍。若一次回扩不能满足要求,可进行多次回扩,扩孔器后面应接入钻杆,以保证下一次回扩的顺利进行。拖管:拖管可与最后一次扩孔同时进行。对于PE管,作用在管道上拉力不能太大,以免拉伤PE管。对于目前普遍使用的高密度PE管,其允许拉力如表1所示。

(6)管道外防腐采用水平定向钻铺设的钢管一般深度较深,铺设后外防腐很难检测。即使发生泄漏,也不可能进行开挖抢修,因此对钢管的防腐涂层提出了很高要求。除了要有良好的电绝缘性,能耐腐蚀、抗菌外,还要有足够的机械强度;有较好的耐磨性,以防止与土壤摩擦而损伤;有良好的抗弯曲性,以确保防腐层在一定曲率半径下不致损坏。另外,若钢管采用阴极保护,就要求防腐蚀层应具有一定耐阴极剥离强度的能力。环氧粉末由于具有优良附着力、柔韧性、耐化学腐蚀性强、电绝缘性好等的优点,在穿越钢管上有广泛应用。为了提高单层环氧粉末的耐机械撞击力,防水性,现在已经有了双层环氧粉末的涂层结构和环氧粉末外加挤压聚乙烯(PE夹克)的防腐技术,保证了重要燃气输气管道的万无一失。

(7)压力试验管道回拖前应进行强度试验和严密性试验,管道回拖结束应当再进行严密性试验。随着能源结构的调整,天然气作为一种洁净能源将逐步代替人工煤气。在天然气管网建设中,水平定向钻作为一项高精度、高效率、环保好、安全的施工技术,将得到越来越广泛的应用。

非开挖定向钻施工不得不知的问题

非开挖定向钻穿越铺设地下管线技术是指利用钻凿手段在地表不挖槽的情况下，铺设地下管线的施工技术，非开挖技术在我国能源、通信及城市市政工程建设中的应用越来越广泛，尤其是在天然气、成品油、电力、自来水、管棚支护、水平降水等方面都得到了很好的应用。其特有的经济性、环保性以及较短的施工周期得到市场的认可。下面小编对三大工艺遇到的技术问题和大家一起探讨。

硬质土层、砂、卵石层的导向问题

导航钻头的选择

在选择导向钻头前，必须先了解周边地层的地质情况，很多建设单位对小型定向钻施工铺管前，都不采取地质钻探，只能通过长期在这一地区积累一些资料做为参考。当了解这一地段主要是以软地层为主，那么就采用导向板面较大的导向钻头，以尽快控制导航方向，当了解施工段是主要以砂、卵石及硬质地层为主应采用鸭嘴式，板面面积小的导向钻头并镶焊一定数量的合金片，且镶焊刃角不能过长以保护导航钻头的磨损，使其顺利通过硬质地层、砂、卵石层。

开机操作的技巧

当导向钻头穿越砂、卵石层及硬质地层时，想改变轨迹方向时，如果一昧地想顶进，就会产生钻杆弯曲，导向钻头出水口堵塞等情况，根据工作经验，应采用边顶进带回转的操作方法，例如想将方向朝上，那么操作人员就应将给进顶力控制在钻杆将要弯曲时，另一手控制回转手把，使导向钻头方位在11――1方向之间，使导向钻头在这区间左右转动，使其缓慢钻进但效果很好，这种方法一定要注意泥浆的配制，特别砂、卵石难成孔，