油气管道定向钻穿越技术研究与分析

摘要：由于定向钻穿越技术具有施工周期短、不受季节限制、穿越质量好、不损坏地面构筑物、不影响河流沟渠泄洪、不影响航运、不需要任何加重稳管措施、保护自然环境、工程造价低等诸多优点，在工程中的应用越来越广泛。本文较系统地论述了管道定向钻穿越技术，介绍了定向钻的组成、施工程序以及国内部分管道定向钻工程的施工实例，对穿越过程中的主要问题进行了探讨，如穿越位置、穿越地层、穿越管道埋深的确定，入出土点位置的选择，根据管道定向钻实际施工经验，提出了设计过程中应注意的事项。

关键词：管道 定向钻 穿越技术

定向钻穿越技术经过多年的发展及工程实践，其技术水平有了很大提高。定向钻穿越技术广泛用于油气管道穿越江河、沟渠、高速公路、铁路以及其他不易或不适合浅埋通过的区域。同时也可用于电（光） 缆、自来水管道等市政工程穿越建构筑物等。在滑坡体的治理、煤层气的开发和环境污染治理等方面也有应用。

一、定向钻组成及施工程序

1.定向钻组成

定向钻主要由钻机系统、泥浆系统、控向系统和钻具等部分组成。

1.1钻机系统

定向钻机通常采用机械或液压驱动钻杆， 通过钻杆对孔底的钻头施加旋转扭矩，实现钻进和回拖作业。对于定向钻机而言，旋转扭矩和回拖力是主要性能参数，也是设计中根据工程规模大小衡量钻机穿越能力的主要依据。

1.2泥浆系统

定向钻施工作业过程中， 泥浆的主要作用是： 冷却和钻头、软化地层、辅助破碎地层、调整钻进方向、携带碎屑、稳定孔壁、预扩和回拖时管道。常用的泥浆是膨润土和水的混合物。目前， 也有使用空气代替液体泥浆， 称为“干式钻进工艺”， 但工程实际中并不多见。

1.3控向系统

控向系统是定向钻最关键的设备之一， 正确选择和使用控向系统， 对施工的成败和效率有着决定性意义。最常用的控向系统分为无缆式地表定位系统（手持式跟踪仪器） 和有缆式定向系统。

1.4钻具

主要包括钻杆、钻头、扩孔器、旋转接头（单动接头） 和卸扣（U 型环） 等。在施工过程中， 整个定向钻部分， 分别放置在钻机场地（入土点场地） 和出土点场地。

2.施工程序

一般情况下，管道定向钻穿越施工过程主要分三步：钻导向孔、预扩孔和管道回拖。导向孔钻进阶段是施工最重要的阶段，也是成功与否的关键阶段，并且还决定着所敷设管道的最终位置。在钻导向孔时，利用控向系统随时测量确定钻头的位置和钻进方向，并获取钻头位置的相关数据，将预先设计的基准线与实际轨迹进行比较， 随时调整钻进轨迹。

当回拖的管道直径较小时（与钻杆同径），钻导向孔结束后，可以直接进行管道回拖作业。但大多数情况下，导向孔钻好后，都需要预扩孔。孔径的最终尺寸是管道外径的1.2 ～1.5倍。在预扩孔作业中，不同的地质条件，宜采用不同类型的扩孔器， 扩孔器的类型和地质条件直接影响扩孔速度。孔径扩至符合要求后，将管道从孔洞中回拖至钻机侧，完成管道穿越施工。

二、管道定向钻穿越主要问题探讨

1.穿越位置应选择河流两岸施工场地良好、交通方便的地段。管道组装一侧场地的宽度一般不小于20 m，长度为穿越管道长度加50 m。回拖管道的直线长度一般不宜小于200 m，如受地形限制可小于上述值， 但曲率半径应大于1 200 D （D为管道外径）。

2.穿越管道中心线与电力线、通讯电缆的垂直距离应大于50 m。

3.定向钻穿越的地层不宜太疏松。适宜的地层有黏土层、亚黏土层、粉砂层、粉土层及中砂层等。在直径大于100 mm 的砾石层、砾石集结层、卵石层和流砂层中无法施工。如果仅在穿越河流的两岸有一定厚度的卵石或疏松的砂层时， 可采取套管、固结或开挖等措施通过这些局部地段， 实现整条河段的定向钻穿越。

4.定向钻穿越管径和长度在满足输送工艺条件下， 还取决于定向钻机的最大推拉力及控向系统能力。有时因两岸场地的限制， 也可能影响穿越管径的大小。

5.在保证定向钻钻进过程中不出现泥浆外冒的前提下， 穿越管段的埋深应根据地质条件与冲刷深度确定， 最小埋深应大于设计洪水冲刷线以下6 m。

6.入、出土点位置的选择， 应考虑钻机安放、蓄水池、泥浆池及取水点距离、管段组装及回拖场地要求等因素。入、出土点场地应平整开阔， 地貌恢复工作量小， 距河岸长度以不增加护岸工程量为宜。有时在河流的穿越位置两岸没有理想的场地， 通过采用适当的措施， 可以满足施工作业要求。入土端主要考虑钻机的运输、安放和固定， 泥浆池的布设以及施工操作方便等因素。出土端主要考虑管道运输、管道焊接组装作业、管道回拖时辅助设施的设置及作业等因素， 在考虑上述因素的前提下， 力求施工量最小， 投入最省。

7.导向孔钻完后， 孔洞的中心线与设计管中心线在水平面和纵断面上的误差均不宜超过1%。

8.在出土端管道组装完成后， 回拖之前必须进行强度和严密性试压。检验和验收应按标准规范对管道在水下和沟埋敷设的有关要求进行。

9.穿越管段两端的地面， 应根据地基土层的稳定性和密实性采取适当措施， 以防止塌陷。

三、几点认识

1.定向钻管道穿越虽然有很多的成功实例，其技术也日臻成熟，但其客观和主观影响因素繁多。同样条件下，不同时期，不同施工队伍，都可能会出现不同的结果。实际的操作经验和技术，对成功穿越具有不容忽视的作用。施工过程中，宜根据实际情况，对相关设计参数进行适当调整，使设计更加符合现场和施工的实际情况。

2.在成功穿越的工程中， 很多穿越管道的实际入土角和出土角都超出了规范规定的范围，设计时如受工程条件限制，入土角和出土角可以根据实际情况进行适当放大。

3.设计时应按照GB 50423-2007 《油气输送管道穿越工程设计规范》对穿越管段进行径向屈曲失稳核算。

4.管道定向钻穿越工程， 地质条件是重要的制约因素之一， 当地质结构比较复杂或变化较大时， 应加密布置探孔。

参考文献

[1] 徐继军.定向钻施工工艺在输气管道工程中的应用[J].石油规划设计. 2009（02）.

[2] 宋建建，张志强，李长春.水平定向钻天然气输气管线安装的后勤及技术挑战[J]. 国外油田工程. 2009（05）.

[3] 孙晓宝，姜伟，解玉鑫.水平定向钻设计考虑因素[J].国外油田工程. 2009（05）.

作者简介：秦浩（1985年―）男，汉族，学历大学本科，于2007年毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业，在中油辽河工程有限公司油气储运所工作，中级职称。