摘　要：在管道穿越施工中，水平定向鉆技術越來越多的用于河流、道路、鐵路管道敷設。而對穿技術的應用，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均含礫石等復雜地層的難題，給水平定向鉆穿技術越帶來重大變化。

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工業園天然氣管的控制性工程。該穿越部分管線設計為D219×10，2.30km，設計壓力4.00MPa，入土點位于長江北岸新生鎮，出土點位于長江南岸烏楊鎮，現為烏楊工業園區平場場地。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。

地質概況：場區內地層主要為第四系全新人工素填土層(Q4^ml)、沖積層粉質粘土(Q4^al)、卵礫石土(Q4^al)及侏羅系上統蓬萊鎮組(J3P)泥巖、砂巖組成，管線穿越段主要位于基巖內(砂巖、泥巖)。出土端為人工回填土以及碎石。

二、工程技術分析

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的轉動狀態，司鉆很難控制井下工具面角的朝向，在地質較硬地段，還會斷裂，給施工帶來很大的麻煩。或者在頂進過程中，鉆頭往往會偏向而在地質較軟的方向，使導向方向與距離遠遠偏離設計，甚至無法掌粹。

2、出土點位于長江南岸烏楊工業園區，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。而在出土點側進行套管施工后，會對入土點側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而言，無法達到此控向精度。基于以上原因，本工程決定采用對穿定向方式。

三、對穿技術原理

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的探頭(內含磁力傳感和重力傳感)，通過電纜將孔內探頭所處的空間狀態(深度，傾角，工具面角)傳輸到地面信號處理單元，經處理后將數據傳輸到計算機，計算機經過計算定向數據，將結果傳輸到顯示器上。司控操作人員根據顯示的數據分析判斷探棒(即鉆頭)的實際位置，并與設計線路進行對照，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，僅僅使用傳統的隨鉆地磁導向測量設備已經不能滿足精度要求，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電纜而產生的磁場，取代傳統控向技術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電纜，此時電纜位于對接區域上方，給電纜通電即可產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，該基準磁鐵可發出交流磁信號，引導鉆頭在通過河流深水區段時的方向控制。

對接穿越需要在穿越曲線入、出土點兩端各架設一臺鉆機，在鉆桿短節內內安置感應探頭與目標磁鐵，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時，由入土點鉆機的探頭感應出土點鉆機鉆頭安裝的目標磁鐵發出的磁信號，兩臺鉆機械調操作，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，即必須根據設計曲線設置控向曲線，確定每根鉆桿的折角和方位角的最大變化值，對現場精確測量確定控向參數，為控向操作人員提供具體的操作參數，根據地質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，進行各方系統連接、試運轉，保證設備正常工作，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(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，防止產生過多地側向分力而導致的鉆桿失穩，特別是在兩鉆頭進行對接階段，能夠克服地層的阻力，連續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布設的閉合線圈，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據反映出來，當探頭到達此閉合的線圈區域內，接通直流電源產生磁場，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，是關乎整個穿越成敗的關鍵工序，也是技術難點，既是對設備儀器的考驗，也是對操作人員技術水平的考驗。因此，目前國內可以完成對穿穿越工程的施工單位屈指可數。

(1)控向參數是對接工序的重要參數，是對接開始前，需要對探棒進行測定和計算，如果經過測量后的探棒誤差在規定范圍內，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，這個環節絕對不能省略。

(2)對接鉆具組合

本次采用有線控向系統，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部。如圖3：

對接要求鉆井軌跡平滑，能夠為后續的擴孔作業以及成功拖管奠定良好基礎。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，出土點一側的鉆機稱為輔助施工鉆機，對接時入土點一側的主機負責測量輔機鉆頭的位置并實現對接，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目標磁鐵磁場分量的數值，通過分析磁場分量的數值來判斷兩口井的接近程度。

主機傳感器測量一次，測量的系列數據以曲線圖表形式在主測機控向軟件界面上顯示出來。通過分析測得數據，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此值調整主機或輔機的控向短節的工具面角，并繼續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，然后調整井下控向短節的工具面角繼續鉆進，直到對接成功為止。

結論：

(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合作業，實現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及易斷問題。

(2)由于采用兩側定點對穿，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難題，不僅為在城市及周邊地區等面積狹小的環境下施工提供了可能，同時也可以減少對周圍環境的影響。

(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積累了寶貴的施工經驗。

本文作者：王博

作者單位：工程建設中心